微气孔球形药的定容燃烧性能

蔺向阳，王 亚，刘玉军，殷继刚，潘仁明

（1.南京理工大学化工学院，江苏 南京210094；2.中国爆破器材行业协会，北京100089；3.五洲工程设计研究院，北京100053）

引 言

多孔型含能材料燃烧与密实型含能材料燃烧的最大区别是对流燃烧模式。多孔型含能材料燃烧时气相化学反应区产生的热量主要通过对流传热方式传递至更内层，其本质是火焰向孔隙内部的渗透以及燃气预热了燃烧表面之前的材料［1］。近年来，国内外对多孔含能材料开展了研究。Fischer［2-4］等研究了以聚氨酯为黏合剂的发泡推进剂，通过载荷冲击、子弹射击及钢管试验对其感度进行了测试，推进剂表现出燃烧或爆燃特性。中止燃烧试验表明，燃烧反应区的渗透深度可以达到100μm。Böhnlein-MauβJ［5］等以高能炸药及含能聚合物作为主体材料，采用RIM（反应模注工艺）方法制备了发泡推进剂。Telengator 及Margolis等对受约束的多孔推进剂燃烧特性开展了研究［6-12］。Kagan［13-14］等研究发现多孔型含能材料的燃烧特性对压力很敏感，当压力差超过特定的临界值，燃烧方式将从传导型传热燃烧向对流型传热的爆燃阶段转变，爆燃火焰前沿的预热区可导致局部自点火。王伯羲［15］研究了微孔推进剂稳态对流燃烧的物理和数学模型，将对流燃速与微孔参数相关联，可以预估微孔参数、基础质量燃速和燃烧室压力等对爆燃特性的影响。Xu F［16］采用有限元方法对多孔推进剂进行了数值模拟研究。Jutta［17］等研究了采用化学发泡方法制备的以RDX、GAP及PU 为主体成分的泡沫型含能材料的燃烧特性。本文作者对单基微气孔球形药的常压燃烧特性开展了研究［18］，结果表明，其表观燃速远高于常规的不含孔的药粒。

本研究通过密闭爆发器实验，对以硝化棉为主体成分的微气孔球形药定容燃烧性能进行研究，旨在揭示其内部孔结构与燃烧特性之间的规律。

1 实 验

1.1 样品的制备

选择典型的单基药为原料，采用微胶囊法成球工艺制备不同粒度和堆积密度的微气孔球形药。首先将物料溶解、微胶囊化处理、成球及溶剂驱除；得到的微气孔球形药在60℃烘干至恒重，经过筛分选取不同的粒度进行测试。样品的堆积密度（ρD）为0.15～0.9g／cm3。将不同堆积密度的样品进行切片，对切面进行扫描电镜测试，内部孔结构如图1所示。

图1 不同堆积密度微气孔球形药的孔结构Fig.1 Partially open-cell structures of micropore ball powder with different bulking density

从图1可以看出，随着堆积密度的提高，孔隙率下降，但孔的结构和孔径范围没有显著变化。另外，堆积密度低的样品，内部的孔隙相互贯通形成开孔结构，这种结构导致其燃烧特性与密实火药存在较大的差别。

1.2 定容燃烧试验

采用50mL密闭爆发器进行定容燃烧试验，以0.5g氮质量分数为12.6%的D 级硝化棉作点火药，点火压力为10MPa，用瞬态压力测试系统记录压力-时间曲线。在测试过程中发现，当装填密度为0.12g／cm3，样品的堆积密度降到0.56g／cm3时，压力曲线出现明显波动，因此堆积密度小于0.56g／cm3时，可将装填密度下调为0.04g／cm3。

2 结果与讨论

2.1 不同堆积密度样品的压力曲线

在不同装填密度下测量不同堆积密度的微气孔球形药样品的p-t曲线及dp／dt-p曲线见图2。

图2 不同装填密度时样品的p-t及dp／dt-p 曲线Fig.2 The p-t and dp／dt-pcurves of micropore ball powder with different loading density

由图2可知，在相同装填密度条件下，堆积密度不同的样品，其p-t曲线及dp／dt-p曲线差异较大。堆积密度较低的样品，其内部孔隙率较大，起始燃烧面积和燃气生成速率也较大，dp／dt-p曲线的上升速率和高度明显大于堆积密度较高的样品，并且堆积密度越低，孔隙率越大，燃气生成速率越大。当装填密度为0.12g／cm3，堆积密度降至0.56g／cm3时，压力曲线出现波动现象；装填密度继续降低时，压力波消失。当测试样品的装填密度为0.04g／cm3，堆积密度降至0.22g／cm3时再次出现明显的压力曲线波动现象。将压力数据的采集频率从100kHz逐步提高到2 000kHz，压力曲线的波动现象没有明显改变，压力曲线的波动现象可能是由于传感器响应速度不够高。

由压力-时间曲线及样品的形状尺寸等参数，可推算出不同堆积密度样品的表观线性燃速系数，得到样品的孔隙率（Ф）与表观线性燃速系数的关系曲线，如图3所示。

图3 样品孔隙率与表观线性燃速系数的关系曲线Fig.3 Relation curves of the sample porosity and burning rate coefficient

对图3的关系曲线进行拟合，得到孔隙率与表观线性燃速系数之间的表达式为：

由该式可以看出，随着孔隙率的提高，表观线性燃速系数呈指数式加速上升。

2.2 平均粒径对压力曲线的影响

将堆积密度为0.53g／cm3、不同粒径的样品进行定容燃烧试验，装填密度为0.04g／cm3时，压力-时间曲线如图4所示。

由图4可知，相同堆积密度的样品，随着平均粒径（）的减小，压力上升速度明显加快，即燃气生成速率就越快，这主要是由于起始燃烧表面积增加造成的。对几条p-t曲线进行拟合，推算出不同粒度样品的表观线性燃速系数基本相同。

2.3 不同堆积密度样品的动态活性曲线

由定容燃烧实验测得压力-时间曲线，经过推算得到不同堆积密度样品的动态活性曲线如图5所示。

图4 不同粒径微气孔球形药的p-t曲线Fig.4 The p-t curves of micropore ball powder with different particle size

图5 不同堆积密度样品的动态活性曲线Fig.5 Dynamic vivacity curves of micropore ball powder with different bulking density

由图5中可以看出，随着样品堆积密度的降低，动态活性曲线的峰值逐步提高，并表现出显著的燃烧渐增特性，而普通不具有孔结构的球形药没有燃烧渐增性。动态活性曲线上升段的位置存在较大差异，这可能是由于样品粒度分布和外形等方面的差别造成的。

3 结 论

（1）在相同的装填密度条件下，样品的堆积密度越小，内部孔隙率越大，p-t曲线上升速率越快，样品的表观燃速系数与孔隙率呈指数关系。

（2）在堆积密度相同的条件下，样品平均粒径越小，压力上升速率越快，燃气生成速率越快。

（3）随着样品堆积密度的降低，动态活性曲线的峰值逐步提高，并表现出显著的燃烧渐增特性。

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