CN110411282A - 一种爆轰对碰加载储氢材料加速壳体膨胀的方法和装置 - Google Patents

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韩勇
曹威
宋清官
刘清杰
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Abstract

本发明公开了一种爆轰对碰加载储氢材料加速壳体膨胀的方法和装置，包括内筒以及套装在内筒外侧的外筒，所述内筒中心位置固定有挡环，所述挡环上下两侧分别放置炸药药柱，所述挡环内部放置储氢材料，所述内筒和外筒同轴并处于同一水平面，所述内筒和外筒通过连接板连接。该装置通过爆轰对碰加载储氢材料，生成氢气加速壳体膨胀，为增强壳体破片毁伤效果提供新的途径。

Description

一种爆轰对碰加载储氢材料加速壳体膨胀的方法和装置
技术领域
本发明涉及储氢材料应用技术领域，具体涉及一种爆轰对碰加载储氢材料加速壳体膨胀的方法和装置。
背景技术
对于储氢材料，其在受到高温高压作用时，会发生放氢反应生成氢气。Young K在Metal Hydrides(Reference Module in Chemistry,Molecular Sciences and ChemicalEngineering,Elsevier Inc.,2013)中给出了金属氢化物的释氢温度，一般为700 K以下。
炸药爆轰后可产生高温高压，根据董海山等专著《高能炸药及相关物性能》(北京：科学出版社，1989)，猛炸药爆轰压力一般可达到20至30 GPa，根据Keshavarz M H在Journal of Hazardous Materials A137,1303-1308(2006)中的数据，猛炸药爆温通常在2800 K以上。炸药爆轰加载已广泛应用到工业和国防领域，如矿山爆破和弹药毁伤等。现有的炸药爆轰反应后放热和生成气体对外做功，如若增加炸药爆轰反应后的放热或气体生成量均有助于对外做功，可以增强弹药毁伤能力。考虑到储氢材料在受到炸药爆轰的高温高压作用下，会释放出氢气，虽然氢气与常见的爆轰反应产物可能发生二次反应，如：
H2+CO2→H2O+CO， (1)
ΔHr＝41.23kJ/mol
2H2+0.5CO2→H2O+0.5CH4， (2)
ΔHr＝-82.61kJ/mol
1.5H2+0.5N2→NH3， (3)
ΔHr＝-46.04kJ/mol
0.5H2+0.5N2+C→HCN。 (4)
ΔHr＝130.9kJ/mol
反应式(1)和(4)的气体量不变，而反应式(2～3)的气体量减少，但考虑到(2～3)虽为放热反应，根据《炸药理论》(北京：国防工业出版社，1982)，(2～3)需在高温高压下进行，故(2～3)反应较难进行，储氢材料在爆轰加载下的总体效果仍然是气体量增多。这将有助于对外做功，增强弹药毁伤能力。因此如何使用储氢材料增强弹药毁伤能力成为需要解决的技术问题。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种爆轰对碰加载储氢材料加速壳体膨胀的方法和装置，该装置通过爆轰对碰加载储氢材料，生成氢气加速壳体膨胀，为增强壳体破片毁伤效果提供新的途径。
为了达到上述技术效果，提供了一种爆轰对碰加载储氢材料加速壳体膨胀的装置，其包括内筒以及套装在内筒外侧的外筒，所述内筒中心位置固定有挡环，所述挡环上下两侧分别放置炸药药柱，所述挡环内部放置储氢材料，所述内筒和外筒同轴并处于同一水平面，所述内筒和外筒通过连接板连接。
进一步的技术方案为，所述内筒的材料为轻质材料，所述挡环材料为轻质材料，所述外筒材料为金属材料。
进一步的技术方案为，所述内筒的材料为有机玻璃，所述挡环材料为塑料，所述外筒材料为金属材料。
进一步的技术方案为，所述外筒内壁直径大于所述内筒外壁的直径。
本发明还提供了一种爆轰对碰加载储氢材料加速壳体膨胀的方法，具体为：在挡环的上下两侧分别放置炸药，并在上下两端中心同时起爆，形成两个爆轰波，并让其对向传播发生碰撞，在挡环中间即对碰区内放置储氢材料，并在储氢材料的外围围绕一层金属壳体，储氢材料受到爆轰加载释放氢气并与爆轰产物反应，推动外层壳体膨胀，达到加速壳体膨胀的目的。
进一步的技术方案为，所述储氢材料选自基于化学吸附机制的储氢材料、基于物理吸附机制的储氢材料、复合储氢材料、不可逆储氢材料中的任意一种。
进一步的技术方案为，所述基于化学吸附机制的储氢材料包括金属氢化物、配位氢化物、化学氢化物，所述基于物理吸附机制的储氢材料包括碳纳米材料、介孔材料、金属有机框架材料。
进一步的技术方案为，所述外层壳体为环状结构并环绕包围对碰区。
本发明为使储氢材料同时受到对向爆轰波的加载，需使爆轰波对向传播并同时加载到储氢材料。在储氢材料的外围环绕一层金属壳体，利用储氢材料受到爆轰对碰加载产生氢气，并与爆轰产物发生反应加速壳体膨胀。实施装置分为内筒和外筒，内筒用来放置炸药柱和储氢材料，储氢材料放置在两块炸药柱中间，外筒环绕在储氢材料外围，为需要加速膨胀的壳体。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：本发明通过爆轰对碰加载储氢材料，生成氢气加速壳体膨胀，为增强壳体破片毁伤效果提供新的途径。
附图说明
图1是本发明的装置示意图；
图2是实施例1中的壳体膨胀速度对比图。
其中，1-内筒，2-挡环，3-外筒，4-连接板。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行进一步的解释和说明。
实施例1
如图1所示，本发明提供了一种爆轰对碰加载储氢材料加速壳体膨胀的装置，其包括内筒1以及套装在内筒外侧的外筒3，所述内筒1中心位置固定有挡环2，所述挡环2上下两侧分别放置炸药药柱，所述挡环2内部放置储氢材料，内筒1和挡环2的主要作用是固定内筒1内的材料，所述内筒1和外筒3同轴并处于同一水平面，所述内筒1和外筒3通过连接板4连接。所述内筒的材料为有机玻璃，所述挡环材料为塑料，所述外筒材料为金属材料。所述外筒内壁直径大于所述内筒外壁的直径。本实施例中，内筒的材料使用有机玻璃，内径50mm，外径54mm，高70mm；挡环材料为聚氯乙烯(PVC)，内径46mm，外径50mm，高10mm，固定于内筒中心位置；外筒材料为20号钢，内径74mm，外径78mm，高70mm。连接板材料为2A12铝，厚度3mm，通过胶水与内筒和外筒连接。实验时，挡环内填充样品粉体，内筒两端各放置一发Φ50×30mm的奥克托今(HMX)基高聚物粘结炸药(95wt％HMX/5wt％粘结剂，ρ0＝1.857g/cm3)，使用高压瞬发电雷管从两端中心同时起爆，使用激光多普勒测速探头对准外筒中心处记录壳体中心的速度时间曲线，激光探头距外筒20mm。储氢材料选用α-三氢化铝(AlH3)，纯度为99.2％，平均粒径200μm。为了更好的对比爆轰对碰加载下储氢材料加速壳体膨胀的效果，选用炸药配方中常用的50μm平均粒径铝粉(Al，纯度99.7％)做对比材料。实验中，在挡环内装入储氢材料和对比材料压实装满。图2给出了两种情况下外壳中心处的膨胀速度曲线。相关实验参数和结果见表1。通过实验数据可以看出：装有α-AlH3的壳体膨胀速度高于装有Al粉的，加速到8μs时，膨胀速度分别为1.989和1.712km/s，速度增长了16.2％，证明了爆轰对碰加载储氢材料加速壳体膨胀的可行性。
表1实验参数和结果
材料 质量(g) 松装密度(g/cm<sup>3</sup>) 加速8μs时膨胀速度(km/s)
α-AlH<sub>3</sub> 14 0.842 1.989
Al 27 1.625 1.712
尽管这里参照本发明的解释性实施例对本发明进行了描述，上述实施例仅为本发明较佳的实施方式，本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。

Claims (8)

1.一种爆轰对碰加载储氢材料加速壳体膨胀的装置，其特征在于，包括内筒以及套装在内筒外侧的外筒，所述内筒中心位置固定有挡环，所述挡环上下两侧分别放置炸药药柱，所述挡环内部放置储氢材料，所述内筒和外筒同轴并处于同一水平面，所述内筒和外筒通过连接板连接。
2.根据权利要求1所述的爆轰对碰加载储氢材料加速壳体膨胀的装置，其特征在于，所述内筒的材料为轻质材料，所述挡环材料为轻质材料，所述外筒材料为金属材料。
3.根据权利要求2所述的爆轰对碰加载储氢材料加速壳体膨胀的装置，其特征在于，所述内筒的材料为有机玻璃，所述挡环材料为塑料。
4.根据权利要求1所述的爆轰对碰加载储氢材料加速壳体膨胀的装置，其特征在于，所述外筒内壁直径大于所述内筒外壁的直径。
5.一种爆轰对碰加载储氢材料加速壳体膨胀的方法，其特征在于，在挡环的上下两侧分别放置炸药，并在上下两端中心同时起爆，形成两个爆轰波，并让其对向传播发生碰撞，在挡环中间即对碰区内放置储氢材料，并在储氢材料的外围围绕一层金属壳体，储氢材料受到爆轰加载释放氢气并与爆轰产物反应，推动外层壳体膨胀，达到加速壳体膨胀的目的。
6.根据权利要求5所述的爆轰对碰加载储氢材料加速壳体膨胀的方法，其特征在于，所述储氢材料选自基于化学吸附机制的储氢材料、基于物理吸附机制的储氢材料、复合储氢材料、不可逆储氢材料中的任意一种。
7.根据权利要求6所述的爆轰对碰加载储氢材料加速壳体膨胀的方法，其特征在于，所述基于化学吸附机制的储氢材料包括金属氢化物、配位氢化物、化学氢化物，所述基于物理吸附机制的储氢材料包括碳纳米材料、介孔材料、金属有机框架材料。
8.根据权利要求5所述的爆轰对碰加载储氢材料加速壳体膨胀的方法，其特征在于，所述外层壳体为环状结构并环绕包围对碰区。
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