活性材料能量输出特性及测试方法

邓 腾，陈 放，任 杨，李玉超

(1.北京理工大学 爆炸科学与技术国家重点实验室， 北京 10081；2.中国兵器科学研究院， 北京 100089； 3.山东第二机械有限公司，山东 淄博 255075)

1 引言

金属/氟聚物活性材料是一种高能复合材料，它可以通过化学能的释放提高武器战斗部的毁伤效能[1]。在实际工程应用中明确其释能机理，获得其能量指标，是指导武器战斗部设计的关键。Nielson D B等[2]提出了活性材料的常用金属组分有Al、Mg、Ti、Zr、W 等；王海福[3]针对活性破片毁伤威力评估问题，提出了一种动态测量活性破片能量输出特性的方法；刘金旭等[4]对两种配方的活性材料反应能、燃烧速度进行了研究；Richard Ames等[5]推导了密闭容器内准静态压力与活性材料总能量关系；仝远等[6]对Ti/W/PTFE含能破片冲击反应特性和释能效应进行了分析；陈进[7]、陈思源[8]、周杰[9]等通过弹道枪试验对Al/PTFE/W活性材料的撞击释能特性进行了研究；伍雨等[10]建立了一套基于激光引发含能材料反应热测试系统。上述学者在研究活性材料释能行为过程中，大多采取高速撞击激发，这有可能导致活性材料在密闭容器外提前激发，难以捕获其全部能量。由于弹道枪加速能力所限，难以对活性材料在100%反应完毕情况下的释能情况进行分析，仅通过理论计算得到活性材料的最大释能。并且试验装置复杂，操作难度大，很有可能带来系统误差。

本研究即在此背景下展开，通过试验研究活性材料在密闭容器内的释能效应，分析了药量、配比对活性材料释能的影响，提出了一种能量评估方法并对其释能进行了计算。设计了一种体积小、易操作的试验系统。研究结果对活性材料释能机理有较好补充。

2 活性材料能量评估方法

2.1 发射药能量测定方法

测定活性材料能量首先需要对其混合燃烧组分发射药的能量进行研究。火药力f是反映某一火药做功能力大小的标志，火药力可通过论计算方法求得，但是实际值与理论值直接往往存在偏差。因此，要通过试验来验证火药力的大小。

火药力的计算公式普遍采用诺贝尔-阿贝尔公式，

(1)

对于火药样品，f、α均为定值，而压力pm随着装填密度变化。为了确定f、α的值，需要对火药样品选取两个不同装填密度进行试验。经过公式推导可得到：

(2)

(3)

2.2 活性材料能量测定方法

活性材料反应时释放大量热量和少量气体，使内部气体温度和压力迅速升高，容器内的压力足够高并满足关系式[5]

(4)

即当容器内超压大于0.09 MPa时，在超压到达峰值之前可认为容器是密闭的，因此工程上可近似认为该系统为一个封闭系统，容器内气体压力和温度上升是一个绝热过程。

罐体内部气体热力学能增量与活性材料反应释放能量相等[3]，即

U=ΔE=E2-E1

(5)

式中下标1和2分别代表测试罐内初始状态和终态。

假设测试罐内气体为常质量、常体积理想气体系统，因此

ΔE=MCvΔT=MCv(T2-T1)

(6)

式中，M、T和Cv分别代表罐内气体质量、温度和定容比热。对理想气体，有Cv=R/(γ-1)，其中，R为普适气体常数，γ为气体绝热指数。通常取γ=1.4。

根据理想气体状态方程

ΔT=ΔPv/R

(7)

式中:v为比容，ΔP为测试罐内超压峰值。方程联立解得

(8)

用测定的混合药品能量减去发射药能量，可以得到活性材料释放到系统中的总能量。则活性材料比内能为

(9)

3 试验方案

本文中设计了一种能量释放特性测试装置(见图1)，测压密闭容器由前端燃烧室与后端测压室两部分构成，后端利用压力传感器采集数据，并设有泄压螺栓。前端燃烧室尺寸为Φ5 mm×100 mm，测压室尺寸为Φ60 mm×100 mm。

图1 密闭容器设计及安装图Fig.1 Design and installation drawing

前端燃烧室采用较小容积，目的是为了使发射药与点火头充分接触，避免燃烧不充分现象发生。装药后，使用棉花压实。

试验使用的仪器及型号规格如表1所示。

表1 测试仪器与设备

试验步骤如下：

1) 标定压力传感器，归零数据采集系统；

2) 采用6节1.5 V干电池作为起爆器，检测点火头是否可靠发火；

3) 装配试验设备，保证各部件稳固可靠密封性好；

4) 称量固定质量火药进行装药，并安装点火头；

5) 设置动态数据采集系统触发模式为手动触发，采样频率2 kHz数据长度为10 kHz；

6) 首先点击开始测试，然后马上接通电池发火记录数据；

7) 记录1、2组数据后，触发模式改为上升沿触发，量程设置为±100 mV，触发阈值设定为15%，采样频率5 kHz，数据长度为10 kHz；

8) 将动态数据采集系统设置为等待触发模式，然后接通电池自动记录试验数据。

4 试验结果分析

4.1 发射药能量测定结果

图2为不同质量发射药充分激发后，压力传感器收集到的数据曲线。可以看出质量越大其压力峰值越高，达到峰值的时间越短。在达到压力峰值后迅速泄压衰减，在0.3～0.5 s内泄压完毕。

图2 发射药激发后压力数据曲线Fig.2 Pressure collection data

根据式(2)与式(3)式可计算得到该发射药火药力f=906.7 J/g。

4.2 活性材料能量测定结果

图3为发射药加入活性材料充分激发后，压力传感器收集到的数据。可以看出相比单一发射药，由于活性材料中的高能反应物质，可以在极短的时间内释放出大量热量使得气体膨胀，并且产生冲击波在测试罐内反射、发展。因此导致产生的压力明显提高，曲线锯齿较多。参照文献[5]中的方法，对超压曲线进行了处理，黑色波动曲线为测得的原始曲线，红色顺滑曲线为扣除局部冲击波压力后的曲线，即总体准静压曲线。在进行计算时，采用的是准静态超压峰值，该峰值几乎为原始曲线的波动均值。按照类似方法，也采用测得原始曲线中波动的均值来进行计算。

图3 发射药加活性材料激发后压力数据曲线Fig.3 Pressure collection data(Add reactive material)

从图3中可以看出，在初期压力变化为平滑曲线，主要是发射药的燃烧反应。随着反应进行，发射药燃烧提供的能量使活性材料中的PTFE发生分解，产生的氟(F)与材料中的微米级金属粉迅速反应，瞬间释放热量增加压力。同时，由于冲击波所处环境为密闭空间，冲击波在测试罐内不断反射导致曲线产生波动。随着时间的增加，因热扩散、泄气等损失，使容器的压力逐渐下降，开始反应后0.02 s，基本达到压力最大值。

表2列出了活性材料试验结果，反应释能由式(8)与式(9)计算。

表2 试验结果

其理论化学能主要由其化学反应式计算，在零氧平衡条件下，反应方程式：

4Al+3-(C2F4)-→4AlF3+6C

Zr+-(C2F4)-→ZrF4+2C

Hf+-(C2F4)-→HfF4+2C

根据活性材料配方可计算得理论反应热为10.9 kJ/g。

从表2可以看出，在1～3号试验中虽然反应超压略有波动，但是反应效率相对偏差不大，平均反应效率为75%。而在4、5、6号试验中由于发射药相对活性材料质量太少、供能不足，难以维持活性材料释能反应自发进行，导致反应效率大幅降低，5、6号试验中由于发射药质量在所有试验中比例最低，所以其反应效率最低。7号试验中，发射药质量充足能够提供足够能量使全部活性材料燃烧释能，其能量可以支持全部活性材料完成反应。

5 结论

1) 通过能量原理、内弹道研究及热化学原理，利用控制变量法获得了活性材料反应能量的计算方法。所得公式计算结果与理论值误差较小。

2) 采用不同配比进行试验，对该方法进行验证，测定了其反应效率。该实验一致性较好，能够从准静态压力方面反应活性材料的能量释放特点。

3) 在活性材料于发射药质量相接近的情况下，反应不够充分。结果表明在发射药质量为该活性材料5倍时，能够使其100%反应。