CN109374482A - 一种含能材料微颗粒快速加热响应特性测试装置 - Google Patents
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Abstract
本文涉及一种含能材料微颗粒快速加热响应特性测试装置，具体地说是一种使用强脉冲激光照射颗粒(包括但不限于金属粉、氧化剂颗粒及混合炸药造粒等)测试并记录其在高温快速加热条件下响应特性的装置。该装置使用大功率(10mW～100mW)强脉冲激光光束照射含能材料颗粒表面，通过激光照射颗粒时产生的热效应产生短时间的高温环境，使颗粒表面破碎并气化，并迅速与装置内气氛反应。含能材料微颗粒快速加热响应特性测试装置主要包括大功率激光脉冲器、夹持含能材料颗粒的支架、密闭耐压小型容器、高速摄影仪和红外热像仪等观察设备。
Description
技术领域
本发明涉及一种非理想炸药二次反应区金属颗粒燃烧特性测试装置，属于军用含能材料领域；
背景技术
非理想炸药中，各组分化学能释放速率存在显著差异，且其中的如铝粉、镁粉等非理想组分的反应时间显著低于流体动力学特征时间。由于炸药在高温下反应的复杂性，因此目前对非理想炸药中各组分的反应过程缺乏直观的实验手段。由于炸药中不同组分在强爆轰波影响下的燃烧性能存在较大的差异，观测单一成分的颗粒在相同条件下的燃烧性能对于了解非理想炸药的爆轰过程有较大帮助。
由于脉冲激光能量良好的可控性，使用强脉冲激光直接烧蚀含能材料颗粒可以较为精确地控制能量的输入，此外，由于脉冲激光作用时间极短，最大程度上减少了颗粒点燃过程中的能量耗散，便于观察和记录含能材料颗粒快速加热过程，配合高速摄影、高速红外成像仪等设备，可以直观地得到颗粒点火时间、燃烧时间以及燃烧温度等特征值，从而建立颗粒燃烧模型。
此外，装置使用安装有颗粒夹持支架的密闭容器作为反应容器，可以观察在不同气氛下含能材料颗粒的燃烧特性。如在不同的气氛下，金属铝颗粒有着完全不同的反应过程；在纯氧环境下，金属铝颗粒会在表面生成致密氧化层阻止反应进行，加热后熔融铝核涨破氧化层壳与纯氧氛围反应生成氧化层，进一步阻止反应的进行，而在快速加热(加热速率在105K/s左右)情况下，铝核会从氧化层中喷出，迅速与氧气氛围反应并留下氧化球壳；而在二氧化碳氛围中，铝与二氧化碳的反应较之纯氧慢一个量级，在快速加热后，从氧化层中流出的铝与二氧化碳反应较慢，新生成的氧化铝层具有较大缺陷，反应产生的一氧化碳进一步维持了这一缺陷，使得铝与二氧化碳接触面积增大，提高了铝的反应速率。此外，对于单质炸药、氧化剂和混合炸药造粒，观察其在不同气氛中快速加热特性有助于了解在混合炸药复杂的气氛条件下各组分的快速加热特性。
本发明旨在设计一种用于观察并记录快速加热条件下含能材料颗粒在不同气氛下快速加热特性的装置，通过对不同成分含能材料颗粒快速加热特性的考察提出改进混合炸药性能的建议。
发明目的
通过使用强脉冲激光光束直接照射金属颗粒表面，通过激光的热效应以模拟金属颗粒在非理想炸药爆轰过程中的二次反应过程，以便于直观地观察并记录非理想炸药爆轰过程中金属颗粒的反应。
1、一种含能材料微颗粒快速加热响应特性测试装置主要包括大功率激光脉冲器、夹持含能材料颗粒的支架、密闭耐压小型容器、高速摄影仪和红外热像仪等观察设备。
2、一种含能材料微颗粒快速加热响应特性测试装置，其特征在于：所用脉冲激光器为大功率固体激光器，可选用的常见类型包括但不限于钕玻璃激光器、红宝石激光器及掺钕钇铝石榴石激光器等。
3、一种含能材料微颗粒快速加热响应特性测试装置，其特征在于：激光器脉冲照射时间在10～20ns，激光器脉冲功率应不小于10mW，每次脉冲的能量在0.2J以上。
4、一种含能材料微颗粒快速加热响应特性测试装置，其特征在于：金属颗粒应有专用支架夹持，使含能材料颗粒与激光光点对准，使支架与颗粒接触面积尽可能小，以保证与颗粒气氛接触面积最大化；同时，支架应能够紧密夹持颗粒，以防激光烧蚀颗粒表面时颗粒表面迅速气化产生反作用推力，使颗粒偏离激光照射方向并使反应中断。
5、一种含能材料微颗粒快速加热响应特性测试装置，其特征在于：支架安装在密闭耐压腔体内，腔体壁上开用于激光透射的透射窗及用于高速摄影仪及高速红外成像仪记录反应过程的观察窗，腔体可承受 10Mpa的最大压力，腔体内可充包括但不限于氧气、二氧化碳和惰性气体等不同气氛。
6、一种含能材料微颗粒快速加热响应特性测试装置，其特征在于：支架应采用石英或陶瓷材质而避免采用金属材质，这是因为激光照射金属工质表面会产生较大火光影响观测。
7、一种含能材料微颗粒快速加热响应特性测试装置，其特征在于：观测用高速摄影仪拍摄频率为108fps，并加装微距镜头。
8、一种含能材料微颗粒快速加热响应特性测试装置，其特征在于：观测用红外热像仪为高速红外热像仪。
9、一种含能材料微颗粒快速加热响应特性测试装置，其特征在于：上述装置应安装固定于光学平台上且处于同一水平面内。
具体实施方案
为了使本发明的目的和技术方案及更加清楚明白，下面结合实施例对本发明做详细阐述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不限定于本发明。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1 1-记录用计算机，2-高速摄影仪，3-高速红外摄影仪，4-脉冲激光发生器，5-密闭容器，6-样品颗粒。如图1所示是本发明的一种实施例；所有装置被安装在光学平台上且在同一水平面内，试样被固定在样品夹上且与激光发射器信号灯对准；样品夹安装于密闭耐压容器中，壁上开有观察窗，高速摄影仪和高速红外摄像仪通过观察窗记录样品快速加热过程。高速摄影仪和红外高速摄像仪具有光触发功能，脉冲激光开启后，高速摄影仪和红外高速摄影仪自动触发。
实施例
如图所示是本发明的一种实施例；所有装置被安装在光学平台上且在同一水平面内，试样被固定在样品夹上且与激光发射器信号灯对准；样品夹安装于密闭耐压容器中，壁上开有观察窗，高速摄影仪和高速红外摄像仪通过观察窗记录样品快速加热过程。高速摄影仪和红外高速摄像仪具有光触发功能，脉冲激光开启后，高速摄影仪和红外高速摄影仪自动触发。
(1)将粒径为800～1000μm的金属铝颗粒夹持在样品支架上，并在密闭容器内充入纯氧气氛；
(2)将颗粒与脉冲激光发生器指示灯光斑对齐，使样品在激光扩散最小的距离上处在光斑内，并将密闭容器固定于光学平台；
(3)所用脉冲激光发生器辐照强度为106W/cm2，脉冲宽度为3μs，单次脉冲能量1J，使用脉冲激光辐照铝颗粒，高速摄影仪和红外高速摄像仪自动触发并记录实验数据；
(4)观察实验现象，并记录结果，收集反应后产物，更换密闭容器内气氛。
(5)实验结果显示，铝颗粒快速加热后燃烧的过程持续了100μs左右，在20μs左右铝颗粒表面出现明显破裂，此时表面温度约873K左右；50μs时，熔融铝核从氧化层裂缝喷出并与周围气氛剧烈反应，此时温度约1373K左右；100μs时，铝颗粒完全反应。
(6)对反应产物进行扫描电镜观测，发现产物为一端开口的氧化铝球壳；
(7)由于高速摄影仪和红外高速摄影仪采样点间隔略长于铝颗粒反应特征时间，所以应进行相同条件的多组实验以确定铝颗粒快速加热过程中关键点的准确温度。
Claims (9)
1.一种含能材料微颗粒快速加热响应特性测试装置主要包括大功率激光脉冲器、夹持含能材料颗粒的支架、密闭耐压小型容器、高速摄影仪和红外热像仪等观察设备。
2.如权利要求1中所述含能材料微颗粒快速加热响应特性测试装置，其特征在于：所用脉冲激光器为大功率固体激光器，可选用的常见类型包括但不限于钕玻璃激光器、红宝石激光器及掺钕钇铝石榴石激光器等。
3.如权利要求1中所述含能材料微颗粒快速加热响应特性测试装置，其特征在于：激光器脉冲照射时间在10～20ns，激光器脉冲功率应不小于10mW，每次脉冲的能量在0.2J以上。
4.如权利要求1中所述含能材料微颗粒快速加热响应特性测试装置，其特征在于：金属颗粒应有专用支架夹持，使含能材料颗粒与激光光点对准，使支架与颗粒接触面积尽可能小，以保证与颗粒气氛接触面积最大化；同时，支架应能够紧密夹持颗粒，以防激光烧蚀颗粒表面时颗粒表面迅速气化产生反作用推力，使颗粒偏离激光照射方向并使反应中断。
5.如权利要求1中所述含能材料微颗粒快速加热响应特性测试装置，其特征在于：支架安装在密闭耐压腔体内，腔体壁上开用于激光透射的透射窗及用于高速摄影仪及高速红外成像仪记录反应过程的观察窗，腔体可承受10Mpa的最大压力，腔体内可充包括但不限于氧气、二氧化碳和惰性气体等不同气氛。
6.如权利要求1中所述含能材料微颗粒快速加热响应特性测试装置，其特征在于：支架应采用石英或陶瓷材质而避免采用金属材质，这是因为激光照射金属工质表面会产生较大火光影响观测。
7.如权利要求1中所述含能材料微颗粒快速加热响应特性测试装置，其特征在于：观测用高速摄影仪拍摄频率为108fps，并加装微距镜头。
8.如权利要求1中所述含能材料微颗粒快速加热响应特性测试装置，其特征在于：观测用红外热像仪为高速红外热像仪。
9.如权利要求1中所述含能材料微颗粒快速加热响应特性测试装置，其特征在于：上述装置应安装固定于光学平台上且处于同一水平面内。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20190222 |