CN114034731A - 含能材料爆热、爆压的双功能测定装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种含能材料爆热、爆压的双功能测定装置和用该装置测定含能材料爆热、爆压的方法。本装置包括绝热箱、爆发腔、测温系统、测压系统、电标定系统、点火系统。本装置从量热学原理出发,突破了传统爆发器无法量热的局限性,建立了同时测量瞬时量(压力)与长时量(温度)的双功能新型密闭爆发装置;本发明样品用量50‑300 mg,测量不确定度0.6%‑3%,适合测量含C、H、O、N、Al等元素的含能化合物。
Description
技术领域
本发明涉及爆热、爆压的测量,更具体而言,涉及一种含能材料(例如,硝化棉或奥克托金)爆热、爆压的测量装置和用该装置测定含能材料爆热、爆压的方法。
背景技术
含能材料是一类含有爆炸性基团或含有氧化剂和可燃物、能独立进行化学反应并输出能量的化合物或混合物,是军用炸药、发射药和火箭推进剂配方的重要组成部分。爆压是指在含能材料在爆轰过程中爆轰波阵面的压力;爆热是指在一定条件下单位质量含能材料爆炸时放出的热量,分为定容爆热及定压爆热,以密闭爆发器测得的是定容爆热。通常爆压的测量的时间较短,一般小于20ms,然而热的传递较为缓慢,因此量热的过程较为长,且热量会向四周扩散,造成热损失,使得量热结果不准确。
现有技术领域里,测定含能材料爆压的仪器中经常采用密闭爆发器,一般采用GJB3345A-2019标准,然而现行标准和方法只能针对含能材料爆压进行测量。对于爆热的测量,由于系统平衡时间较长及电雷管能量难以确定的原因,一般难以测量。同时获得爆热、爆压的双功能测定装置更是少见。作为含能特性的重要参数,爆热、爆压的测量对反应含能材料的性能有着重要的意义。因此建立一种含能材料爆热、爆压的双功能测定装置是十分迫切的。
发明内容
本发明克服了现有装置的不足,提供了一种含能材料爆热、爆压的双功能测定装置和用该装置测定含能材料爆热、爆压的方法,在获得爆压的同时通过绝热条件下爆发腔体的温度变化和爆热之间的关系进行分析得到含能材料爆热值的方法。
为解决上述的技术问题,本发明采用以下技术方案:
一种含能材料爆热、爆压的双功能测定装置,其特征在于,该装置包括:
真空绝热箱,用于布置爆热、爆压检测元件和受测试件,使测定过程处于绝热环境中;
爆发腔,通过吊丝置于真空绝热箱内,用于放置受测试件,承受试件爆发所产生的高温高压,该爆发腔具备一对点火电极,可引爆受测试件;
测温系统,通过至少两个与爆发腔紧贴的温度传感器获得腔体的温度信号,使用配套软件实时采集温度数据;
测压系统,通过置于爆发腔腔体两侧的压力传感器获得爆发腔体内的压力信号,使用配套软件实时采集压力数据;
电标定系统,包括紧贴于爆发腔腔体表面的功率电阻,布置在真空绝热箱外围的高精度可调电源及计时器,用于对温度、压力测量系统进行标定;
点火系统,用于对受测含能材料试件的点火,引爆受测含能材料试件,包括储能电容器和一对点火电极,点火电极布置在爆发腔内,可与受测试件接触。
所述真空绝热箱上配置至少2个用于排气和充气的阀门,箱体真空度≤0.06帕,保压时间不小于24h。
所述爆发腔进一步包括爆发腔体、爆发腔盖,在爆发腔体、爆发腔盖的配合面配有密封圈,在爆发腔体内设有坩埚,用于放置受测含能材料试件,在爆发腔盖上设有安全阀,一对点火电极由上而下贯穿爆发腔盖指向坩埚,点火电极与爆发腔盖之间设有绝缘密封套,在爆发腔体内部空间设有挡火板;所述爆发腔具备承受200MPa压力的结构强度及与之相配的泄压阀。
所述测温系统具备小于0.02℃的温度基线漂移及不少于60分钟在线采集能力。
所述测压系统量程不小于200MPa;采样频率不少于20000HZ。
所述电标定系统,标定不确定度小于0.6%。
所述点火系统具备输入能量精确控制的能力。
用所述装置测定含能材料爆热、爆压的方法,该方法包括如下步骤:
一、标定:
清洁并干燥腔体,旋紧点火头、爆压传感器及标定电阻,将腔体通过吊丝固定于绝热箱中,连接对应设备的线缆及管路;其后,开启真空泵,抽真空,排除绝热箱内的空气;再关闭真空泵,打开测温系统,等待至温度稳定;然后,通过恒流电源及计时器为标定电阻通电;
根据公式Q电=I2Rt,式中Q电是输入的电能,I是电流,R是电阻的阻值,t是通电的时间;获得输入的电能大小;然后,根据公式Q=CmΔT,式中Q是能量,Cm是爆发腔的特性比热容,ΔT是爆发腔的温度升高的值;获得标定爆发腔的特性比热容;
二、测量:
获得上述特性比热容后,清洁并干燥的腔体,将点火电极上缠绕铂丝,将样品置于坩埚内,然后将铂丝埋压于样品中,旋紧点火头与腔体,将腔体通过吊丝固定于绝热箱中,连接对应设备的线缆及管路;其后,开启真空泵,抽真空,排除绝热箱内的空气;再关闭真空泵,打开测温系统,等待至温度稳定;打开测压系统,随后通过点火系统点火;然后,根据公式Q=CmΔT-Q点火式中Q是能量,Cm是爆发腔的特性比热容,ΔT是爆发腔的温度升高的值,Q点火是点火的输入能量;获得爆热数据;爆压数据直接通过软件读取,获得含能材料爆热、爆压参数。
在所述标定过程中,至少重复5次,以保证特性比热容的可靠性。
在所述测量过程中,爆发腔与外界热交换模型和标定过程中一致,以保证测量结果的准确性。
本发明的优点与积极效果:
(1)装置从量热学原理出发,突破了传统爆发器无法量热的局限性,建立了同时测量瞬时量(压力)与长时量(温度)的双功能新型密闭爆发装置;
(2)本发明样品用量50-300mg,测量不确定度0.6%-3%,适合测量含C、H、O、N、Al等元素的含能化合物;
(3)采用绝热箱隔绝腔体与环境之间的热交换,在获得爆压参数的同时,利用电标定获得腔体的特性比热容,采用温度传感器测量爆发前后腔体的温差,继而计算出材料的爆热,广泛适用于各种含能材料的研究。
附图说明
图1为本发明装置的框图。
图2为爆发腔的结构图。
图3为本发明的温度-时间曲线的示意图。
图4为本发明的温度-时间导数曲线的示意图。
图5为实施例中硝化棉的爆压曲线。
附图标记:
1—真空绝热箱;2—吊丝;3—抽气、排气阀;4—温度传感器,5—爆发腔,6—压力传感器,7—功率电阻;8—点火电极;9—安全阀;10—爆发腔盖;11—绝缘密封套筒;12—密封圈;13—爆发腔体;14—挡火板;15—坩埚。
具体实施方法
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
如图1所示,本发明的测量装置包含真空绝热箱1,真空绝热箱1配有抽气阀3,用于对真空绝热箱1抽真空;真空绝热箱1内设有爆发腔5,爆发腔5通过吊丝2悬挂在真空绝热箱1内。另外,测温系统的温度传感器4、测压系统的压力传感器6、标定系统的功率电阻7都安装在爆发腔5上。
如图2所示,爆发腔5进一步包括爆发腔体13、爆发腔盖10,在爆发腔13、爆发腔盖10的配合面配有密封圈12,在爆发腔体13内设有坩埚15,用于放置受测含能材料试件,在爆发腔盖10上设有安全阀9,一对点火电极8由上而下贯穿爆发腔盖10指向坩埚15,点火电极8与爆发腔盖10之间设有绝缘密封套11,在爆发腔体13内部空间设有挡火板14。
以绝热箱和爆发腔为主体的测压系统、测温系统、标定系统和点火系统,首先在绝热箱中使用测温系统和标定系统,通过功率电阻输入指定能量,通过测温系统读取温度变化值,获得爆发腔的特性比热容。随后,将含能材料置于坩埚中,使用铂丝连接点火电极,并将铂丝埋于坩埚中,将绝热箱抽真空后,开启测压系统,测温系统,接着通过点火系统完成对含能材料的点火,获得含能材料的爆热、爆压信息。
本含能材料爆热、爆压的双功能测定装置,包括绝热箱,其特征是将爆发腔与外界环境隔绝,减少体系的热交换;并在绝热箱内设置如下装置而形成:
爆发腔
通过吊丝悬挂在爆发腔中,用于承受含能材料的爆炸,并具备与腔体绝缘的点火电极,腔体上连接测温系统、测压系统、点火系统、标定系统;
测温系统
通过置于爆发腔外表面的温度传感器记录腔体的温度,并传输给温度信号采集系统实时记录;
测压系统
通过置于爆发腔上的压力传感器记录腔体内部的压力,并传输给压力信号采集系统实时记录;
点火系统
通过置于爆发腔上的电极,实现对含能材料的点火,并记录点火前后的电压;
标定系统
包括置于爆发腔上的功率电阻、计时器、可调电源,实现对输入能量的精确控制。
采取该装置测量含能材料爆热、爆压的方法,它包含以下步骤:
1、将测温系统、标定系统线路连接,将爆发腔旋紧并通过吊丝固定于绝热箱中,将绝热箱抽真空;
2、在标定系统中设置电流、电压、通电时间,待爆发腔温度稳定后,给功率电阻通电;通过测温系统记录稳定后系统的温度变化量,获得腔体的特性比热容;
3、将测温系统、测压系统、点火系统线路连接,将样品置于坩埚中,使用铂丝连接点火电极,并将铂丝部分埋于样品中,接着将爆发腔旋紧并通过吊丝固定于绝热箱中,将绝热箱抽真空;
4、为点火系统充电,待温度稳定后开启压力采集系统,并对含能材料点火,记录点火后的电压值和温度变化量,获得含能材料的爆压、爆热参数;
5、重复(1)-(2)步骤以获得可靠度较高的腔体特性比热容;
6、重复(3)-(4)步骤以减少测试过程中的误差,提高结果的可靠性;
7、对(2)和(4)中的温度-时间曲线求导,温度记录的起点需要满足在不小于600s的时间内其导数的绝对值不大于0.0005;
8、对(2)和(4)中的温度-时间曲线求导,温度记录的终点为升温后温度导数值首次为0;
8、对(4)中的压力、温度-时间绘图,以获得含能材料的爆压、爆热特性曲线。
实施例
将阻值为30欧姆的功率电阻固定于爆发腔表面,并在接触面涂抹导热硅脂以改善热传导效果,将爆发腔通过吊丝悬挂在绝热箱中,连接好各系统的线缆后,将绝热箱抽至真空,等待温度稳定温度-时间曲线如图3,在经历前期的波动后进入一个较稳定的阶段,在温度-时间导数曲线上如图4表现为在不小于600s的时间内其导数的绝对值不大于0.0005,即认为体系进入温度稳定阶段,将高精度可调电源设置为恒流模式,设置电压为50.0000V,电流为1.5000A,设置计时器通电时间为20.0000s,按动触发开关,接通电源,等待温度上升。当升温后温度-时间导数首次为零,即认为该点为测温终点,计算起点与终点的温度差,通过公式然后,根据公式Q=CmΔT,式中Q是能量,Cm是爆发腔的特性比热容,ΔT是爆发腔的温度升高的值;获得标定爆发腔的特性比热容,如表1
表1爆发腔电标定数据
随后,称取100mg硝化棉置于坩埚,如图2,使用铂丝连接点火电极,并将部分铂丝埋入坩埚内的硝化棉中,旋紧爆发腔盖,将爆发腔通过吊丝悬挂在绝热箱中,连接好各系统的线缆后,将绝热箱抽至真空,等待温度稳定温度-时间曲线如图3,在经历前期的波动后进入一个较稳定的阶段,在温度-时间导数曲线上如图4表现为在不小于600s的时间内其导数的绝对值不大于0.0005,即认为体系进入温度稳定阶段,打开压力采集系统,温度采集系统并为点火器电容充电,触发点火按钮,等待温度上升。当升温后温度-时间导数首次为零,即认为该点为测温终点,计算起点与终点的温度差,通过公式然后,根据公式Q=CmΔT,式中Q是能量,Cm是爆发腔的特性比热容,ΔT是爆发腔的温度升高的值;获得硝化棉的爆热,如表2;获得硝化棉的爆压,如图5。
表2硝化棉爆热数据
测试结束后,缓慢旋开安全阀9,等待压力释放完毕后,拧开爆发腔盖10,进行下一组样品测试。
尽管这里参照本发明的实施例对本发明进行了描述,但是,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。更具体地说,在本申请公开、附图和权利要求的范围内,可以对主题组合布局的组成部件和/或布局进行多种变型和改进。除了对组成部件和/或布局进行的变型和改进外,对于本领域技术人员来说,其他的用途也将是明显的。
Claims (10)
1.一种含能材料爆热、爆压的双功能测定装置,其特征在于,该装置包括:
真空绝热箱,用于布置爆热、爆压检测元件和受测试件,使测定过程处于绝热环境中;
爆发腔,通过吊丝置于真空绝热箱内,用于放置受测试件,承受试件爆发所产生的高温高压,该爆发腔具备一对点火电极,可引爆受测试件;
测温系统,通过至少两个与爆发腔紧贴的温度传感器获得腔体的温度信号,使用配套软件实时采集温度数据;
测压系统,通过置于爆发腔腔体两侧的压力传感器获得爆发腔体内的压力信号,使用配套软件实时采集压力数据;
电标定系统,包括紧贴于爆发腔腔体表面的功率电阻,布置在真空绝热箱外围的高精度可调电源及计时器,用于对温度、压力测量系统进行标定;
点火系统,用于对受测含能材料试件的点火,引爆受测含能材料试件,包括储能电容器和一对点火电极,点火电极布置在爆发腔内,可与受测试件接触。
2.如权利要求1所述的含能材料爆热、爆压的双功能测定装置,其特征在于,所述真空绝热箱上配置至少2个用于排气和充气的阀门,箱体真空度≤0.06帕,保压时间不小于24h。
3.如权利要求1所述的含能材料爆热、爆压的双功能测定装置,其特征在于,所述爆发腔进一步包括爆发腔体、爆发腔盖,在爆发腔体、爆发腔盖的配合面配有密封圈,在爆发腔体内设有坩埚,用于放置受测含能材料试件,在爆发腔盖上设有安全阀,一对点火电极由上而下贯穿爆发腔盖指向坩埚,点火电极与爆发腔盖之间设有绝缘密封套,在爆发腔体内部空间设有挡火板;所述爆发腔具备承受200 MPa压力的结构强度及与之相配的泄压阀。
4.如权利要求1所述的含能材料爆热、爆压的双功能测定装置,其特征在于,所述测温系统具备小于0.02 ℃的温度基线漂移及不少于60 分钟在线采集能力。
5.如权利要求1所述的含能材料爆热、爆压的双功能测定装置,其特征在于,所述测压系统量程不小于200 MPa;采样频率不少于20000 HZ。
6.如权利要求1所述的含能材料爆热、爆压的双功能测定装置,其特征在于,所述电标定系统,标定不确定度小于0.6%。
7.如权利要求1所述的含能材料爆热、爆压的双功能测定装置,其特征在于,所述点火系统具备输入能量精确控制的能力。
8.用权利要求1所述装置测定含能材料爆热、爆压的方法,该方法包括如下步骤:
一、标定:
清洁并干燥腔体,旋紧点火头、爆压传感器及标定电阻,将腔体通过吊丝固定于绝热箱中,连接对应设备的线缆及管路;其后,开启真空泵,抽真空,排除绝热箱内的空气;再关闭真空泵,打开测温系统,等待至温度稳定;然后,通过恒流电源及计时器为标定电阻通电;
根据公式,式中是输入的电能,I是电流,R是电阻的阻值,t是通电的时间;获得输入的电能大小;然后,根据公式,式中Q是能量,Cm是爆发腔的特性比热容,ΔT是爆发腔的温度升高的值;获得标定爆发腔的特性比热容;
二、测量:
9.根据权利要求8所述的含能材料爆热、爆压的双功能测定的方法,其特征是,在所述标定过程中,至少重复5次,以保证特性比热容的可靠性。
10.根据权利要求8所述的含能材料爆热、爆压的双功能测定的方法,其特征是,在所述测量过程中,爆发腔与外界热交换模型和标定过程中一致,以保证测量结果的准确性。
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