CN105203585A - 一种检测炸药药柱体膨胀系数的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种检测炸药药柱体膨胀系数的方法。该方法首先检测浸液的体膨胀系数：将浸液注入火炸药体膨胀系数测试装置的样品腔，抽真空排气泡，设置试验初温，激光感应器检测样品腔细管中液面的高度，得到初温时浸液的体积；升温至终温，检测终温时浸液的体积；计算浸液的体膨胀系数。然后检测样品和浸液的体积合量：样品放入样品腔，加注准确体积的浸液，使样品全部浸没在浸液中，排除气泡，分别设置试验初温和终温，分别检测相应温度下浸液和样品的体积合量。通过浸液的体膨胀系数可知浸液在初温和终温时的体积，分别从体积合量里减去浸液的体积，得到样品在初温和终温时的体积，计算样品的体膨胀系数。

Description

一种检测炸药药柱体膨胀系数的方法

技术领域

本发明属于火炸药理化检测领域，主要涉及一种固体体膨胀系数检测法，尤其涉及一种炸药药柱体膨胀系数检测法。

背景技术

炸药药柱的体膨胀系数是一个十分重要的物理量，它在药柱的热应力计算、战斗部设计、装药工艺选定、弹药的贮运和使用条件的确定以及装药密度的修正等实际问题中，具有重要的实用价值。

装在弹中或战斗部中的炸药柱，在存放期间，由于环境温度、湿度及压力的变化，或炸药中含有的某些成分(如液态成分、塑料及橡胶等黏结剂)可能发生一些变化，都会使炸药柱的尺寸产生变化，甚至是不可逆的变化。

药柱尺寸的不可逆变化，亦即药柱尺寸的不稳定性，会引起弹内或战斗部内的装药歪斜或破裂，损坏药室和精心设计的战斗部，以致不能使用，造成巨大的经济损失。我国目前对药柱尺寸稳定性进行的试验是高低温环境试验及线胀系数试验。

线胀系数α为样品一维尺度的相对变化随温度的变化率，在温度不太高时，药柱的线胀系数公式为α＝(l₂-l₁)/[l₁(T₂-T₁)](式中l₁——温度为T₁时药柱的长度；l₂——温度为T₂时药柱的长度)。用该方法对某梯恩梯炸药柱进行了测试，从测试结果可以看出，当温度在50℃左右或以下时，α值与温度的关系很小，但当温度高于50℃时，药柱尺寸会发生不可逆变化。此外，有的炸药柱在温度高于50℃时，会产生自动蠕变现象，即药柱的尺寸会随着时间增加而长大，这也会造成药柱尺寸的不可逆变化。试验表明，温度在55℃以下时，大多数炸药药柱的温度变形是可逆的，不会发生残余形变。也就是说，药柱在低于50或55℃的环境中贮存时，尺寸是稳定的，不会发生或很少发生长大或收缩现象，但当温度大于55℃以后，药柱的变化就可能成为不可逆的了。

其实炸药组分中含有钝感黏结剂，药柱受到热、压力等外界应力刺激后，由于黏结剂的软化和弹性形变，使得炸药具有一定的流动性，药柱更多地表现出综合的体膨胀性，而不是单一的线膨胀性，因此，研究体膨胀、建立体膨胀系数检测方法更具实用性。国内目前还没有用于测定火炸药药柱的体膨胀系数测定装置及检测方法，通常是将线胀系数α乘以3作为体膨胀系数β。因此项目组发明研制了火炸药体膨胀系数测试装置，并建立了炸药药柱的液体浸润-激光感应测定方法。

体膨胀系数β为样品体积的相对变化随温度的变化率，数学表示式为β＝(V_T-V₀)/[V₀×ΔT](式中V_T——终温T时样品的体积；V₀——样品初温时的初始体积)。计算式中，温度的获得是容易的，而固体样品体积的准确测量难度较大，特别是膨胀较小的固体，不能通过测量长宽高或直径等方式获得准确的体积变化，所以项目组研制了体膨胀系数测定的间接方法——液体浸润-激光感应测定方法：将样品的三维尺度的微小变化，通过细管中浸液液面的升降这种一维尺寸变化显示出来。由于一维的变化灵敏度高于三维变化，相对来说更容易获知膨胀性很小的固体样品的体积的准确变化，求出固体样品体膨胀系数β。

发明内容

为了实现上述任务，本发明采取如下的技术解决方案：

(1)将样品制成尺寸不大于Ф40mm×40mm的药柱，用绸布擦拭药柱表面，使其光滑、没有毛刺和碎屑；

(2)检测浸液的体膨胀系数：将浸液注入火炸药体膨胀系数测试装置的样品腔，抽真空排除气泡，设置试验初温T₁，温度稳定后激光感应器检测记录细管中液面的高度，得到浸液T₁时的体积V’_T1；仪器升温至试验终温T₂，稳定后激光感应器检测记录细管中液面的高度，得到浸液T₂时的体积V’_T2；根据公式β₀＝(V’_T2-V’_T1)/[V’_T1(T₂-T₁)]计算浸液在此试验温度段的体膨胀系数β₀；

(3)求样品和浸液的体积合量：样品放入样品腔，加注浸液，使待测样品全部浸没在浸液中；通过减量法获知所加浸液的质量，除以该温度下浸液的密度，即可得到所加注的浸液的准确体积；抽真空排除气泡，调节到试验初温T₀，温度稳定后激光感应器检测记录细管内液面高度，可以得到浸液和样品在T₀时的体积合量V₀；而后升温至试验终温T，温度平衡后检测记录细管内液面高度，可以得到浸液和样品在T时的体积合量V_T；

(4)计算样品的体膨胀系数：通过浸液的体膨胀系数β₀可知浸液在初温T₀和终温T时的体积V’₀和V’_T，从V₀减去V’₀得到样品在T₀的体积V”₀，从V_T减去V’_T得到样品在T的体积V”_T，计算药柱的体膨胀系数β＝(V”_T-V”₀)/[V”₀(T-T₀)]。

如上所述方法，其特征在于，所述火炸药体膨胀系数测试装置的样品腔带有细管，细管内浸液液面高度反应样品腔中浸液高度，应保证在试验温度范围，细管内浸液的液面始终处于激光感应器能检测的有效范围内。

如上所述方法，其特征在于，在求样品和浸液体积合量的操作时，还可以通过滴定管滴加的方式获知所加浸液的准确体积。

如上所述方法，其特征在于，所述仪器的工作温度范围为25℃～100℃，可在此温度范围内根据需求分温度段检测药柱的体膨胀系数。

如上所述方法，其特征在于，所述检测浸液的温度范围T₁～T₂应包含检测样品时的温度范围T₀～T。

如上所述方法，其特征在于，所述浸液自身物理及化学性质稳定，难挥发，不会与环境介质发生化学反应，与待测药柱不发生化学反应，对药柱不产生物理溶胀作用。

如上所述方法，其特征在于，所述浸液体积膨胀系数不大于1×10^-3℃^-1，同时其体积膨胀系数在一定温度范围内不随温度变化，浸液的沸腾温度高于工作温度。

本发明的一种检测炸药药柱体膨胀系数的方法，具有优势：

(1)检测获得炸药药柱三维尺度的体膨胀系数，与用线膨胀系数推算推进剂体积变化相比，本发明检测结果更准确，更符合实际情况

(2)通过检测细管中浸液液面高度的一维变化反映药柱体积的三维变化，检测灵敏度高，可以检测体膨胀系数很小的药柱。

附图说明

图1是某炸药药柱在聚二甲基硅氧烷中浸泡72小时前后用场发射扫描电镜检测获得的SEM照片；图中，A为浸泡前药柱；B为浸泡72小时后药柱。

以下结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

具体实施方式

实施例1

某炸药药柱含有Al、黑索今、石蜡、氟橡胶、石墨等组分，用本发明所述方法进行体膨胀系数的检测。

操作步骤如下：

(1)将样品制成尺寸不大于Ф40mm×40mm的药柱，用绸布擦拭药柱表面，使其光滑、没有毛刺和碎屑；

(2)检测浸液的体膨胀系数：将浸液注入火炸药体膨胀系数测试装置样品腔，抽真空排除气泡，设置试验初温T₁，温度稳定后激光感应器检测记录细管中液面的高度，得到浸液T₁时的体积V’_T1；仪器升温至试验终温T₂，稳定后激光感应器检测记录细管中液面的高度，得到浸液T₂时的体积V’_T2；根据公式β₀＝(V’_T2-V’_T1)/[V’_T1(T₂-T₁)]计算浸液在此试验温度段的体膨胀系数β₀；

(3)求得样品和浸液的体积合量：样品放入样品腔，加注浸液，使待测样品全部浸没在浸液中；通过减量法获知所加浸液的质量，除以该温度下浸液的密度，即可得到所加注的浸液的准确体积；抽真空排除气泡，调节到试验的初温T₀，温度稳定后激光感应器检测记录细管内液面高度，可以得到浸液和样品在T₀时的体积合量V₀；而后升温至试验的终温T，温度平衡后检测记录细管内液面高度，可以得到浸液和样品在T时的体积合量V_T；

(4)计算样品的体膨胀系数：通过浸液的体膨胀系数β₀可知浸液在初温T₀和终温T时的体积V’₀和V’_T，从V₀减去V’₀得到样品在T₀的体积V”₀，从V_T减去V’_T得到样品在T的体积V”_T，计算药柱的体膨胀系数β＝(V”_T-V”₀)/[V”₀(T-T₀)]。

为保证本发明所述方法检测结果准确、可靠、重复性好，课题组进行了浸液的选择试验、药柱尺寸的确定试验、温度区间对药柱体膨胀系数测试的影响、预排气方法研究等研究工作。

1.浸液的选择试验

在利用本发明所述方法测定炸药柱的体膨胀系数时，基于以下原则选择浸液：

(1)25℃～100℃工作温度范围内，液体自身物理及化学性质稳定，难挥发，不会与环境介质发生化学反应；

(2)浸液体膨胀系数不宜过高于固体样品的体膨胀系数，且在所试验温度范围内不随温度变化；

(3)爆燃温度应远高于100℃；

(4)溶解气体能力较差；

(5)沸程或沸点应远高于100℃；

(6)室温下粘度较小，容易排除气泡；

(7)没有机械杂质；

(8)对合金铜、玻璃、氟塑料、硅酮密封件无化学腐蚀性；

(9)对所测样品无溶胀，不发生化学反应。

基于以上原则，根据资料中液体理化性能参数对液体种类进行筛选，初步得到适用的浸液体的种类为直链聚硅氧烷类液体，其结构通式为：

(其中，R为烷基或芳基)。

选择聚硅氧烷类液体中最常用、结构最简单的聚二甲基硅氧烷(两个R基团均为甲基，工业级，粘度20cs)为首选待用浸液，其理化性能稳定，无腐蚀性，可在-50℃～200℃下长期使用，在100℃以下热性能稳定，体膨胀系数随温度变化较小，基本保持在9×10^-4℃^-1，能够满足基本要求。

利用相容性试验确定其是否会与待测药柱发生明显化学反应，进行其与炸药常用组分的相容性试验(试验方法为GJB772A-97方法501.2“压力传感器法”)，结果如表1所示：

表1聚二甲基硅氧烷与炸药常用组分相容性评价表

样品名称	S/AP	S/RDX	S/Al	S/石蜡	S/TNT
						净增放气量/mL	0.25	0.22	-0.35	-0.63	-0.29
评价	相容	相容	相容	相容	相容
						样品名称	S/氟橡胶	S/聚四氟乙烯	S/石墨	S/613塑料	S/HMX
净增放气量/mL	-0.58	-0.34	-0.15	9.45	7.14
						评价	相容	相容	相容	不相容	不相容

注：S——聚二甲基硅氧烷(工业级，粘度20cs)

从表1可以看出，聚二甲基硅氧烷与613塑料(聚甲基丙烯酸甲酯)和奥克托今(HMX)不相容，初步证实聚二甲基硅氧烷不能用做含HMX的混合炸药的浸液，但从化学结构及性质上分析，聚二甲基硅氧烷为惰性液体，其与HMX和613塑料很难发生化学反应，可能是由于工业级聚二甲基硅氧烷中含有少量其他杂质，与两者产生了反应。

利用平衡溶胀的方法确定聚二甲基硅氧烷是否对待测炸药柱(含有Al、RDX、石蜡、氟橡胶、石墨等组分)具有溶胀作用。将药柱浸泡在聚二甲基硅氧烷中72小时后取出，轻轻擦干表面液体后称量，浸泡后药柱质量增加了0.0488g，浸泡之后质量增加极少，分析是由于聚二甲基硅氧烷难以挥发，有少量液体残留在药柱表面。利用场发射扫描电镜仪SEM观察浸泡前后的药柱表面状态(见附图1)。由图1可见，在用聚二甲基硅氧烷浸泡后，炸药药柱表面无明显溶胀现象。通过以上试验，说明该炸药药柱在聚二甲基硅氧烷中不会出现溶胀现象。

由相容性及溶胀试验结果可知，聚二甲基硅氧烷与该炸药柱相容且对炸药柱无明显溶胀作用，可用作该炸药柱的浸液。

2.药柱尺寸的确定试验

火炸药体膨胀系数测试装置检测固体样品体膨胀系数β，可测范围为(7×10^-5～9×10^-4)K^-1，样品腔Ф＝41.15mm、H＝40.88mm，浸液采用粘度为20cs的聚二甲基硅氧烷。

浸液聚二甲基硅氧烷的体膨胀系数β₀为9×10^-4℃^-1，如果炸药柱自身尺寸过小，则意味着样品腔中要装入较多的浸液，在升高同样温度的情况下，浸液体积膨胀远远大于固体药柱的体积膨胀，会影响测试准确度，因此应使药柱的尺寸尽量大。

炸药柱最大尺寸的确定原则：在最高工作温度时，必须保证样品腔室和试样表面之间的间隙a≥0.25mm，一方面可防止样品腔室对待测试样产生挤压，另一方面保证液体能无阻碍流动(当浸液粘度较高，流动性较差时，该间隙可根据实际情况适当增大)。

对于现有仪器，根据该仪器可测体膨胀系数β的范围为(7×10^-5～9×10^-4)℃^-1，理论上待测样品的最佳尺寸范围计算如下：

(1)β为7×10^-5℃^-1时药柱尺寸：

该仪器样品腔Ф＝41.15mm、H＝40.88mm，药柱测量温度范围为30℃～100℃。

100℃时，Ф_样≤41.15-2×0.25＝40.65mm，

30℃～100℃，直径变化量Ф_x＝Ф_样0×(100-30)×7×10^-5/3(Ф_样0为30℃时样品直径)

30℃可测样品直径Ф_样0最大为40.61mm

100℃时，H_样≤40.88-0.25＝40.63mm

30℃～100℃，高度变化量H_x＝H_样0×(100-30)×7×10^-5/3(H₀为0℃时样品高度)

30℃可测样品高度H_样0最大为40.59mm

(2)β为9×10^-4℃^-1时药柱尺寸：

该仪器样品腔Ф＝41.15mm、H＝40.88mm，药柱测量温度范围为30℃～100℃。

100℃时，Ф_样≤41.15-2×0.25＝40.65mm，

30℃～100℃，直径变化量Ф_x＝Ф_样0×(100-30)×9×10^-4/3(Ф_样0为30℃时样品直径)

30℃可测样品直径Ф_样0最大为40.25mm

100℃时，H_样≤40.88-0.25＝40.63mm

30℃～100℃，高度变化量H_x＝H_样0×(100-30)×9×10^-4/3(H₀为0℃时样品高度)

30℃可测样品高度H_样0最大为40.19mm

因此，理论上仪器可测的最佳样品尺寸范围为40.25mm≤Ф≤40.61mm，40.19mm≤H≤40.59mm，对于每个不同体膨胀系数的样品，其最佳尺寸由其自身体膨胀系数决定。如果在实际测量中，遇到待测样品的体膨胀系数为未知数时，其最佳样品尺寸的大致范围，需要利用不同尺寸样品的实际检测进行研究。

理论上，仪器测量的最佳样品高度范围为40.19mm≤H≤40.59mm。在实际试验与制样过程中，由于待测样品体膨胀系数未知，且实际制样时难以达到该范围要求，因此，选择小于其最佳高度范围最低值的样品实际高度进行试验。最终选择高度H为40mm的样品，一方面保证其小于最佳高度范围的最低值，另一方面该高度为常用尺寸，利于方法的建立。

理论上，仪器测量的最佳样品直径范围为40.25mm≤Ф≤40.61mm。同理，在实际试验过程中，选择Ф为40mm的样品进行试验。

为研究样品过小是否会影响最终测量的准确性，还制备了H为32mm、Ф为32mm的样品。

根据理论计算与分析，在所选择的几个试验尺寸中，最佳样品尺寸应为高度40mm，直径40mm的样品。实际测量结果如表2所示.

表2体膨胀系数β(10^-5℃^-1，30℃～100℃)测试结果

样品编号	检测数据	平均值	极差
				1	23.28 23.19 23.35	23.27	0.16
2	24.30 21.29 26.58	24.06	5.29

表2数据显示，1号样品能够使测量顺利进行，且测试结果重复性较好，而2号样品测试结果重复性很差。这主要是由于仪器自身设计原因造成。现有仪器设备中，最终液体与试样的共同体积变化激光感应器读数计算得到，待测试样的体积越小，相对于膨润液体，其体积变化就越小，因此测量重复性就越差。

因此，通过初步研究，该炸药最佳样品尺寸应为高度40mm，直径40mm。

3.温度区间对炸药柱体膨胀系数测试的影响

现有的线(体)膨胀系数测量方法均是给出一个较宽范围内的线(体)膨胀系数的平均值，但是对于某些炸药柱来说，其体膨胀系数并不是一个恒定的值，它随着温度的变化而发生改变，其区别为变化的程度大小不同。这是由于炸药中主要成分为含能材料，同时还含有少量高分子粘结剂及其他添加剂，它的体膨胀系数变化是一个混合组分共同作用的过程，在低温时，体膨胀系数一般随着温度的升高而增加，在高温时，随着温度的变化，其体膨胀系数可能升高也可能降低。由于体膨胀系数可能在一定温度范围内变化非常缓慢，可将某一温度区间内的体膨胀系数看成是一个恒定的值，使得实际应用变得简便可行。因此，在研究体膨胀系数测试方法时，选择测定不同温度区间内的体膨胀系数，给出不同区间范围内的体膨胀系数测试结果，最终得到不同样品在不同温度区间内的体膨胀系数随温度变化的变化规律。

本发明中，体膨胀系数的测量最大温度范围为30℃至100℃，利用已经确定的最佳尺寸的药柱样品(药柱高度为40mm，直径为40mm)进行温度范围选择研究，其不同温度区间的体膨胀系数测试结果见表3。

表3不同温度区间某炸药柱体膨胀系数β(10^-5℃^-1)测试结果

由表3可知，在30～100℃的温度范围内，某炸药药柱(高度40mm，直径40mm)的体膨胀系数随着温度的变化略有增大，但整体变化不大。对于一般要求的装药，按照30～100℃的宽温度范围给出一个体膨胀系数的平均值即可；对于药柱尺寸要求较高的精密装药，则应更精确的给出分段的体膨胀系数值。在实际应用中，体膨胀系数的温度范围应为多大，要根据实际装药的贮存和使用环境的温度范围及炸药的体膨胀系数变化速率决定。本发明研究工作中，受到实际试验条件限制，初步得出结论为，某炸药柱(高度40mm，直径40mm)的体膨胀系数在30～100℃的温度范围内，初步可以分为30～50℃，50～75℃，75～100℃三个温度变化较小的温度范围。如果仅是一般装药，由于药柱本身体膨胀系数变化较小，直接给出30～100℃的平均体膨胀系数值即可(β＝23.27×10^-5℃^-1)。

4.预排气方法研究

在样品的体膨胀系数测试过程中，样品的体积膨胀是通过浸液传递到测试系统中的，浸液在加热的过程中，也会随着温度升高产生一定程度的体积膨胀，这部分膨胀可通过选择热膨胀性质稳定的浸液体将其确定，使其不对样品测试结果产生影响。但是，若液体中有气泡存在，由于气体体积膨胀系数变化较大，使其体积膨胀具有很大的不确定性，因此，在利用液体浸润法测试炸药体膨胀系数的过程中，要求膨胀液中的气泡必须排除干净。

为了解决液体中的气泡问题，要求选择粘度较小的浸液(本发明中选择粘度为20cs的聚二甲基硅氧烷)，在试验前采用真空泵对聚二甲基硅氧烷进行抽真空减压预排气，然后将预排气后的浸液加入样品腔中，在加液体的过程中，保持小流量慢速加液，使液体始终贴着样品腔壁流入样品腔中，尽量避免液体与样品腔壁之间产生新的气泡，经过大量试验验证，以上方法可保证液体中的残留气泡控制在不影响测试结果的范围之内。

通过以上几个试验，可以看出，使用“火炸药体膨胀系数测试装置”测试炸药柱体膨胀系数时，浸液选择粘度20cs的二甲基硅氧烷，采用抽真空方法排除浸液中的气泡，样品应制成高度40mm、直径40mm的圆柱体。在30～100℃的温度范围内，初步可以分为30～50℃，50～75℃，75～100℃三个温度变化较小的温度范围。如果仅是一般装药，由于药柱本身体膨胀系数变化较小，直接给出30～100℃的平均体膨胀系数值即可(β＝23.27×10^-5℃^-1)。

Claims (7)

1.一种检测炸药药柱体膨胀系数的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一，将样品制成尺寸不大于Ф40mm×40mm的药柱，用绸布擦拭药柱表面，使其光滑、没有毛刺和碎屑；

步骤二，检测浸液的体膨胀系数：将浸液注入火炸药体膨胀系数测试装置的样品腔，抽真空排气泡，设置试验初温T₁，温度稳定后激光感应器检测记录样品腔细管中液面的高度，得到浸液T₁时的体积V’_T1；仪器升温至试验终温T₂，温度稳定后检测细管中液面的高度，得到浸液T₂时的体积V’_T2；根据公式β₀＝(V’_T2-V’_T1)/[V’_T1(T₂-T₁)]计算浸液在此试验温度段的体膨胀系数β₀；

步骤三，求样品和浸液的体积合量：样品放入样品腔，加注浸液，使待测药柱全部浸没在浸液中；通过减量法获知所加浸液的质量，除以该温度下浸液的密度，即可得到所加注的浸液的准确体积；抽真空排气泡，调节到试验的初温T₀，温度稳定后激光感应器检测记录细管内液面高度，可以得到浸液和样品在T₀时的体积合量V₀；而后升温至试验的终温T，温度稳定后检测记录细管内液面高度，可以得到浸液和样品在T时的体积合量V_T；

步骤四，计算样品的体膨胀系数：通过浸液的体膨胀系数β₀可知浸液在初温T₀和终温T时的体积V’₀和V’_T，从V₀减去V’₀得到样品在T₀的体积V”₀，从V_T减去V’_T得到样品在T的体积V”_T，计算药柱的体膨胀系数β＝(V”_T-V”₀)/[V”₀(T-T₀)]。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述火炸药体膨胀系数测试装置的样品腔带有细管，细管内浸液液面高度反应样品腔中浸液高度，应保证在试验温度范围，细管内浸液的液面始终处于激光感应器能检测的有效范围内。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在求样品和浸液体积合量的操作时，还可以通过滴定管滴加的方式获知所加浸液的准确体积。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述工作温度范围为25℃～100℃，可在此温度范围内根据具体需求分温度段检测药柱的体膨胀系数。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述检测浸液的温度范围T₁～T₂应包含检测样品时的温度范围T₀～T。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述浸液自身物理及化学性质稳定，难挥发，不会与环境介质发生化学反应，与待测样品不发生化学反应，对样品不产生物理溶胀作用。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述浸液体积膨胀系数不大于1×10^-3℃^-1，同时其体积膨胀系数在一定温度范围内不随温度变化，浸液的沸腾温度高于工作温度。