基于液体膨润法的火炸药体膨胀系数测试装置

杜姣姣 张 皋 张林军

(西安近代化学研究所，西安 710065)

基于液体膨润法的火炸药体膨胀系数测试装置

杜姣姣 张 皋 张林军

(西安近代化学研究所，西安 710065)

基于液体膨润法的原理设计火炸药体膨胀系数测试装置。将待测火炸药样品浸入性能参数已知的膨润液体中，利用精密激光位移传感器测量升温过程中样品与膨润液体共同的体积变化，从而计算样品的体膨胀系数。该装置可用于直径不大于40mm、高度不大于40mm的任意形状样品的体膨胀系数测量，可满足火炸药样品和相关包覆材料的体膨胀系数测量。

体膨胀系数 液体膨润法 测试装置 火炸药

热膨胀系数是指材料在冷热环境中自身形变的特有属性。一般情况下，随着温度的升高固体火炸药体积相应要增大，当温度降低时火炸药体积相应减小，这种现象称为火炸药的热膨胀。在火炸药成型工艺、装药工艺、试验、贮存及使用等环境中，火炸药均可能发生热膨胀现象。当膨胀超出某一范围，且不可逆时，将会严重影响火炸药装药的结构完整性，从而影响战斗部和发动机的使用安全性[1～4]。如推进剂与包覆层热膨胀系数相差较大时，可能引起推进剂装药包覆层脱粘，影响燃烧安全性；战斗部炸药装药热膨胀系数较大时，其内部就会产生应力，可能导致装药内部产生裂纹，影响发射安全性和侵彻安定性。因此，准确测量火炸药的热膨胀系数对于保证装药质量和使用安全性具有重要意义[5～8]。①

目前，火炸药热膨胀系数表征方式可分为线膨胀系数和体膨胀系数两种。线膨胀系数是指在单位温度改变下，火炸药单位长度的形变；体膨胀系数是指在单位温度改变下，火炸药单位体积的变化。线膨胀系数更多表征均质材料的热膨胀特性。常用的火炸药线膨胀系数测量装置主要有热机分析仪、膨胀仪等，其对应试验方法为GJB 772A-97方法408.1“膨胀系数热机分析法”、方法408.2“膨胀系数膨胀仪法”热机分析仪主要由热电偶、加热冷却系统、样品平台及测试探头等组成，通过对已知原始长度的试样按设置的程序升温、降温、再升温，记录试样随温度变化的长度形变，绘出温度形变曲线，计算样品某温区的线膨胀系数。膨胀仪主要由样品室、控温系统、测温系统及长度自动记录系统等组成，通过记录温度上升(或下降)时试样长度发生的变化，绘制长度随温度变化的曲线，计算样品的线膨胀系数。上述方法和装置更多用于测量火炸药的线膨胀系数，体膨胀系数则通过线膨胀系数计算得到。由于体膨胀系数受到环境温度、化学成分、加工方法及几何形体特征等多种因素的影响。因此，从线膨胀系数计算得到体膨胀系数的方法对于各向同性的均匀材料，如均匀液体、金属单质等来说，具有较高的准确性，对于各向异性的混合材料来说，由于内部化学成分分布不均匀，加工方法造成密度分布不均，或加工工艺造成结构缺陷等，通过线膨胀系数计算得到的体膨胀系数准确性较低。因此，需要设计出直接、准确的体膨胀系数测试技术，以通过试验准确地测量体膨胀系数，从而能够更好地指导材料的加工工艺和工程应用。

现在常用的火炸药均为混合炸药，其组分较为复杂，通常是几种物理化学性质不同的物质组成的混合物，这就造成了其各项异性的特性，不能通过其线膨胀系数准确计算出体膨胀系数，也就不能准确地表征火炸药的热膨胀特性。因此，研究火炸药的体膨胀测试技术，研制出精确便利的火炸药体膨胀温度系数测试仪器，建立准确有效的体膨胀系数测试方法是非常重要和紧迫的工作。目前，针对材料体膨胀测量的试验系统和方法还未见文献资料报道。

通过准确测量某一温度区间下火炸药热膨胀体积，可以计算出该温度下的热膨胀系数。笔者根据火炸药独特的性能和特点，设计了一种直接准确测量火炸药热膨胀系数的试验装置，解决火炸药体膨胀系数缺乏测量手段和方法的技术问题，从而更好地指导火炸药的加工工艺和工程应用。该测量装置可在温度变化的情况下，通过精确测量浸入膨胀测量液中火炸药药柱的体积变化，计算获得火炸药体膨胀温度系数。

1 装置原理

火炸药体膨胀系数测试装置基于精密激光位移传感器和液体浸润法的原理，将各项异性的火炸药的体积膨胀转化为均匀液体的液面高度的线性变化进行测量，以达到体膨胀系数的准确实验测定的目的。整个系统的核心为温度的精确控制和液体液面位移的精确测量，利用精密温度传感器和外置恒温腔体对温度进行准确控制，利用激光位移传感器进行液体体积微小变化的精确测量，火炸药体膨胀系数测试装置系统原理如图1所示。

图1 火炸药体膨胀系数测试装置原理

2 装置组成

火炸药体膨胀系数测试装置主要由体积计量系统、温度控制系统和测量控制系统组成。

2.1体积计量系统

体积计量系统是装置的核心部件，主要包含腔室、样品腔容积控制元件、精密激光位移传感器、测量浮板、观察窗、测量细管、真空泵及升降装置等。它用于升温过程中膨润液体与待测样品体积变化量的测量，该系统利用激光位移传感器进行液体体积微小变化的精确测量，测量原理为：从激光器发出的光束，经扩束准直后由分光镜分为两路，并分别从固定反射镜和可动反射镜反射回来会合在分光镜上而产生干涉条纹。当可动反射镜移动时，干涉条纹的光强变化由接收器中的光电转换元件及电子线路等转换为电脉冲信号，经整形、放大后输入可逆计数器计算出总脉冲数，再由计算机算出可动反射镜的位移量，由于激光波长为已知长度且可调，几乎不随环境条件变化，因此该方法具有分辨率高和量程范围宽的特点。高精度的激光位移传感器，其位移测量精度优于500nm，内部具有自动校准装置，可根据具体装配的实际情况进行校准，保证前后两次测量的相对位移精度优于±1μm,可以满足体膨胀系数测量装置中液面的微小变化测量的精度要求。其中腔室的尺寸为内径42mm、高42mm，可用于放置直径不大于40mm、高度不大于40mm的任意尺寸的样品。

2.2温度控制系统

温度控制系统利用精密温度传感器和外置恒温腔体对温度进行准确控制，以达到温度控制指标，主要包括温度测量控制组件、保温腔、保温腔盖及温度传感器等。具体设计为：系统设置两个以上的温度探头，一个探头设置到箱体上方，一个设置到箱体下方，取两个探头多次测量的均值作为样品室温度。温度探头采用工业A级铂电阻，其分度误差为±0.15℃，且温度稳定性高，室温下稳定性可保证在10mK以内。为了进一步提高测温精度，采用四线制的测量方法，减小了头引线引入的测量误差。

2.3自动控制系统

体膨胀系数测试装置的终端是计算机自动控制系统，由数据采集箱、PC机和专用软件组成。它用于整个系统的控制和测试结果的记录与处理，整个系统的模块组成和功能如图2所示。

图2 体膨胀系数测试装置自控系统组成和功能框图

数据采集机箱采用美国NI公司cDAQ的4槽USB机箱，高精度数据采集卡采用美国NI公司24位分辨率的采集卡，数字输入和输出模块选用一款搭配NI CompactDAQ或CompactRIO的数字输入数字输出混合模块，专用软件选择虚拟仪器开发平台——LabVIEW。

3 装置应用

3.1试验步骤

试验时，首先启动专用软件和数据采集箱，然后在软件上点击开始进行试验。先做膨润液体的膨胀系数标定，再进行样品的膨胀系数测量。

膨润液体的膨胀系数标定按如下步骤进行：

a. 精密升降装置调节到最高位，升降电机把试样盒等升起；

b. 人工向内筒中注入一定量的膨润液体，然后把试样盒翻转放入托盘；

c. 将试样盒等下降到内筒中，到位后停止；

d. 启动电磁阀连接真空泵，进行抽气，形成一定负压，保持一定时间后，关闭真空泵，再将电磁阀连接大气；

e. 调节精密升降装置，回读液位变化，直到到达指定的下限位置，记下升降高度H1、温度T1和液位高度h0；

f. 进行加热，直到温度达到上限100℃，软件记录下温度变化过程最后的温度T2和液位高度h1；

g. 将精密升降装置调节到最高位，等待降温完成。

根据两次温度差T2-T1，和两次液位高度差h1-h0，可以计算出膨润液体的膨胀系数。标定过程不需要每次都做，温度变化不大、间隔时间短、同一批次膨润液体情况下，可以只做一次标定。

样品的膨胀系数测量步骤如下：

a. 精密升降装置调节到最高位，升降电机把试样盒等升起；

b. 等待膨润液体基本滴完后，人工取下样品盒，放入样品，将试样盒放入托盘；

c. 将试样盒等下降到内筒中，到位后停止；

d. 启动电磁阀连接真空泵，进行抽气，形成一定负压，保持一定时间后，关闭真空泵，再将电磁阀连接大气；

e. 调节精密升降装置，回读液位变化，直到到达指定的下限位置h0(与标定前未加热时的液位相同)，此时的升降高度为H2；

f. 进行加热，直到温度达到需要的上限温度，在此过程中，软件记录下温度变化过程最后的温度T2和液位变化值h2；

g. 将精密升降装置调节到最高位，等待降温完成。

3.2结果计算

根据以上测试得到的参数，可以计算出被测样品的膨胀系数，计算过程如下：

标定时V液·γ液·(T2-T1)=(h1-h0)S自由

(1)

V样=(H2-H1)S砝码

(2)

样品测试时V液·γ液·(T2-T1)+V样·γ样×

(T2-T1)=(h2-h0)S自由

(3)

式中S砝码——砝码的横截面积；

S自由——自由面的横截面积；

γ样——样品的体膨胀系数；

γ液——液体的膨胀系数。

由式(3)可得：

将式(1)、(2)代入式(3)可得：

4 结论

4.1基于液体膨润法的火炸药体膨胀系数测试装置，可以直接进行样品的体膨胀系数测量，解决了不均匀的火炸药样品体膨胀系数难以准确测量的问题。

4.2测试过程中对样品形状无要求，样品制备过程简单，装置使用方便，可满足生产过程中对材料体膨胀系数的快速测量要求。

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VolumeExpansionCoefficientTestDeviceofPropellantandExplosivesBasedonLiquidImmergingMethod

DU Jiao-jiao, ZHANG Gao, ZHANG Lin-jun

(Xi’anModernChemistryResearchInstitute,Xi’an710065,China)

Having the liquid immerging method based to design volume expansion coefficient test device for the propellant and explosives was implemented. Through having the sample of propellant and explosives under test immerged into the appropriate liquid with known performance parameters and then having the volume changing of both the liquid and the sample in the heating-up process detected with a precision laser displacement sensor, the sample’s volume expansion coefficient can be calculated. This device can be applied to measure the volume expansion coefficient of propellant, explosives and coating materials with arbitrary shape and the size of no greater than the height of 40mm and 40mm in diameter.

volume expansion coefficient, liquid immerging method, test device, propellant and explosives

TH73

A

1000-3932(2016)12-1314-04

2016-11-02(修改稿)

国防科工局技术基础项目(JSJC2013208C072)