CN117330439A - 一种活性材料的冲击加载试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种活性材料的冲击加载试验方法，通过锰铜箔受压时，其电阻随所受压力的增加而增大，将锰铜箔制作的锰铜压力传感器置于被测试件中，记录试验过程中锰铜压力传感器受爆轰波压力的作用引起的电阻变化经过数据处理求出所测压力值。锰铜压力传感器有两对引线，一对为恒流输入，连接接脉冲恒流源；另一对为电压输出，连接数据采集设备，因为锰铜压力计可通电工作时间极短，因此需要脉冲恒流源在装药起爆瞬间为其提供一个微秒脉冲电流；利用主装药爆炸产生冲击波并加载含能材料的方法，通过锰铜压阻传感器测量被加载的Al/PTFE反应材料内的不同位置处压力时间关系。可以得到爆炸冲击波在反应材料中的传播过程压力数据。
Description
技术领域
本发明属于活性材料的冲击加载试验技术领域，具体涉及一种活性材料的冲击加载试验方法。
背景技术
在多种情形下，三维传播的冲击波都可以被简化为平面问题，例如无界限空间中球形TNT的爆炸、圆柱形装药炮弹中炸药的引爆过程等。基于平面冲击波理论，我们可以窥得冲击波传播过程中的性质，而冲击波是一种快速传播的动能波，它是由快速弹性变形所引起的瞬时压力梯度，冲击波可以在介质中传播，其传播速度取决于介质的性质。
聚四氟乙烯基铝(Al/PTFE)含能材料及其应用技术是近十年来高效毁伤领域研究的热点.Al/PTFE含能材料是一种通过冷压、烧结等工艺制备而成的新型多功能含能材料.通常情况下处于惰性状态，在高温高压，强冲击加载等条件下会发生剧烈的化学反应并释放大量能量，由该材料制备而成的毁伤元(破片及药型罩等)作用目标时，除了利用机械动能贯穿毁伤目标外，还能耦合化学反应释能增强对目标的破坏效果，从而实现目标的高效毁伤。
为探究Al/PTFE反应材料在爆炸冲击波加载下的响应行为规律，设计实施爆炸冲击加载试验，希望通过该试验掌握爆炸载荷下冲击波阵面与反应波阵面在材料中的传播规律，研究隔板对反应材料反应延迟时间、反应速率、反应度等的影响规律，为后续研究提供依据，因此我们需要提供一种活性材料的冲击加载试验方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种活性材料的冲击加载试验方法，将锰铜箔制作的锰铜压力传感器置于被测试件中；记录试验过程中锰铜压力传感器受爆轰波压力的作用引起的电阻变化经过数据处理求出所测压力值；锰铜压力传感器有两对引线；利用主装药爆炸产生冲击波并加载含能材料的方法，通过锰铜压阻传感器测量被加载的Al/PTFE反应材料内的不同位置处的压力时间关系；配合高速摄影记录活性材料在冲击下的反应过程，分析反应材料在爆炸作用下的反应情况；得到爆炸冲击波在反应材料中的传播过程压力数据，以解决上述背景技术中提出现有技术中爆炸载荷下冲击波阵面与反应波阵面在材料中的传播规律，研究隔板对反应材料反应延迟时间、反应速率、反应度等的影响规律的问题。
为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：一种活性材料的冲击加载试验方法，包括以下步骤：
步骤1：将锰铜箔制作的锰铜压力传感器置于被测试件中；
步骤2：锰铜压力传感器有两对引线，其中一对引线为供电端（输入），连接高速同步脉冲恒流源；另一对为测量端（输出），连接示波器；
步骤3：记录试验过程中锰铜压力传感器受爆轰波压力的作用引起的电阻变化经过数据处理求出所测压力值；
步骤4：利用主装药爆炸产生冲击波并加载含能材料的方法，通过锰铜压阻传感器测量被加载的Al/PTFE反应材料内的不同位置处的压力时间关系；
步骤5：配合高速摄影记录活性材料在冲击下的反应过程，分析反应材料在爆炸作用下的反应情况；
步骤6：得到爆炸冲击波在反应材料中的传播过程压力数据。
优选的，所述在步骤1中，准备试验材料为：电雷管；射频电缆；传爆药柱；材料试件：试件形状为柱形，故单个试件厚度可选择3~5mm；漆包线：制作触发探针；主炸药：铸装TNT；隔板：直径70mm及以上的铜片；速干胶水；底座：包括底板、定位管和盖板；亚克力板10块，木工夹6个；高速摄像机。
优选的，所述锰铜压力传感器：H型或双π型（1.5~41.5GPa，）；敏感部分电阻0.05~0.2Ω；具有压力标定曲线和标定精度；数据采集仪（示波器）：分辨率优于8bit；采样速率不低于1×108 s-1；起爆器：能可靠引爆所用电雷管；脉冲恒流源等组成试验装置，主装药外表面粘贴触发探针，雷管引爆主装药后，电探针导通﹐触发恒流源工作，同时示波器和采集仪开始采集电压数据，随后，冲击波通过锰铜压阻传感器，使传感器阻值发生变化，采集的电压数据随之变化.根据传感器阻值与压力标定关系可将示波器、采集仪采集到的电压数据转换为测得的压力值。
优选的，所述由雷管通过扩爆药起爆主装药与待测材料设置了顶盖保护测试线路，以保证测试信号可靠记录，待测材料试件直径为50 mm，厚度小于材料直径的1/10，以减小冲击，波在材料边界反射对测试结果的影响，锰铜压阻传感器置于待测材料薄片之间，为保证传感器与各层待测材料紧密贴合，使用螺栓连接顶盖与底座，装配时使传感器敏感部位处于试件中心，降低传感器位置误差对实验结果造成的影响。
优选的，所述在步骤3中，选用锰铜压力传感器是因为锰铜是一种精密电阻合金，通常以线材供应，也有少量的板、带材，在各类仪器仪表中有着广泛的用途同时，该材料又是一种超高压力敏感材料，测压上限可高达50Pa。锰铜具有良好的压阻效应广泛应用于爆轰、高速撞击、动态断裂、新材料合成等高温高压环境的压力测量，锰铜的电阻变化与外界压力近似为线性函数关系(即压阻系数K近为常数)，且电阻温度系数小，通过由锰铜作为敏感元件制成的传感器，就可实现将动态高压下的压力测量转化为对锰铜电阻变化的测量。
优选的，所述将锰铜传感器应用于动态高压(冲击波)的测试中，经过多年来的研究表明，尽管锰铜合金的压阻系数不是很高，但由于它具有灵敏度高、响应快、线性较好、电阻温度系数小等特点，非常适合于制作超高压力传感器。其有效量程为1 ～ 50GPa，是目前测压上限最高的直接式压力传感器，广泛应用于研究材料中弹塑性波的传播特性、动态断裂、层裂、相变、炸药爆轰等方面，然而，国防、军事等特殊部门迫切需要对更高的压力进行直接测量，并要求传感器具有极快的响应。
优选的，所述在步骤2中，锰铜压力传感器有两对引线，一对为恒流输入，连接接脉冲恒流源；另一对为电压输出，连接数据采集设备，因为锰铜压力计可通电工作时间极短，因此需要脉冲恒流源在装药起爆瞬间为其提供一个微秒脉冲电流。
优选的，所述在步骤4中，含能材料是一类含有爆炸性基团或含有氧化剂和可燃物，在一定外界能量刺激下，能够独立进行氧化还原反应，并释放大量能量（通常为气体和热）的化合物或混合物，一般含能材料包含了火口药，炸口药，燃气发生剂烟火药剂，火工品等。
优选的，所述在步骤5中，高速摄像机是一种能以小于1/1000秒的曝光或超过为每秒数十万帧的帧速率捕获运动图像的设备，它主要用来拍摄高速运动物体的运动轨迹，帮助捕捉肉眼无法看到的图像和运动过程；录制后，存储在媒体上的图像可以慢动作回放，记录活性材料在冲击下的反应过程，分析反应材料在爆炸作用下的反应情况。
优选的，所述在步骤6中，通过将定位环固定于底座中心；安装最底部试件，并将一个锰铜传感器粘贴于试件之间中心位置，以此类推完成全部试件与传感器的安装；连接传感器输入与输出端测线；开机调试测试系统，设置记录参数，检查是否正常；将安装主炸药及雷管；测试仪器进入记录状态；起爆；保存试验数据，并利用高速摄像机记录画面数据，并准备下次试验。
本发明的技术效果和优点：本发明提出的一种活性材料的冲击加载试验方法，与现有技术相比，具有以下优点：
本发明通过锰铜箔受压时，其电阻随所受压力的增加而增大，将锰铜箔制作的锰铜压力传感器置于被测试件中，记录试验过程中锰铜压力传感器受爆轰波压力的作用引起的电阻变化经过数据处理求出所测压力值。锰铜压力传感器有两对引线，一对为恒流输入，连接接脉冲恒流源；另一对为电压输出，连接数据采集设备，因为锰铜压力计可通电工作时间极短，因此需要脉冲恒流源在装药起爆瞬间为其提供一个微秒脉冲电流；利用主装药爆炸产生冲击波并加载含能材料的方法，通过锰铜压阻传感器测量被加载的Al/PTFE反应材料内的不同位置处压力时间关系。可以得到爆炸冲击波在反应材料中的传播过程压力数据。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书以及附图中所指出的结构来实现和获得。
附图说明
图1为本发明的步骤流程图；
图2为本发明的仪器、设备和试验装置图。
实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供了如图1-2所示的一种活性材料的冲击加载试验方法，包括以下步骤：
步骤1：将锰铜箔制作的锰铜压力传感器置于被测试件中；
步骤2：锰铜压力传感器有两对引线，其中一对引线为供电端（输入），连接高速同步脉冲恒流源；另一对为测量端（输出），连接示波器；
步骤3：记录试验过程中锰铜压力传感器受爆轰波压力的作用引起的电阻变化经过数据处理求出所测压力值；
步骤4：利用主装药爆炸产生冲击波并加载含能材料的方法，通过锰铜压阻传感器测量被加载的Al/PTFE反应材料内的不同位置处的压力时间关系；
步骤5：配合高速摄影记录活性材料在冲击下的反应过程，分析反应材料在爆炸作用下的反应情况；
步骤6：得到爆炸冲击波在反应材料中的传播过程压力数据。
在步骤1中，准备试验材料为：电雷管；射频电缆；传爆药柱；材料试件：试件形状为柱形，故单个试件厚度可选择3~5mm；漆包线：制作触发探针；主炸药：铸装TNT；隔板：直径70mm及以上的铜片；速干胶水；底座：包括底板、定位管和盖板；亚克力板10块，木工夹6个；高速摄像机。
锰铜压力传感器：H型或双π型（1.5~41.5GPa，）；敏感部分电阻0.05~0.2Ω；具有压力标定曲线和标定精度；数据采集仪（示波器）：分辨率优于8bit；采样速率不低于1×108 s -1；起爆器：能可靠引爆所用电雷管；脉冲恒流源等组成试验装置，主装药外表面粘贴触发探针，雷管引爆主装药后，电探针导通﹐触发恒流源工作，同时示波器和采集仪开始采集电压数据，随后，冲击波通过锰铜压阻传感器，使传感器阻值发生变化，采集的电压数据随之变化.根据传感器阻值与压力标定关系可将示波器、采集仪采集到的电压数据转换为测得的压力值，其中根据图2所示，将试件高度垫高，使最上端的试件高于底座的上端2~3mm，隔板直降扩大，置于试件顶部定位环内四层均为PTFE/Al试件，锰铜传感器（4个）夹于每个试件和隔板之间。
由雷管通过扩爆药起爆主装药与待测材料设置了顶盖保护测试线路，以保证测试信号可靠记录，待测材料试件直径为50 mm，厚度小于材料直径的1/10，以减小冲击，波在材料边界反射对测试结果的影响，锰铜压阻传感器置于待测材料薄片之间，为保证传感器与各层待测材料紧密贴合，使用螺栓连接顶盖与底座，装配时使传感器敏感部位处于试件中心，降低传感器位置误差对实验结果造成的影响。
在步骤3中，选用锰铜压力传感器是因为锰铜是一种精密电阻合金，通常以线材供应，也有少量的板、带材，在各类仪器仪表中有着广泛的用途同时，该材料又是一种超高压力敏感材料，测压上限可高达50Pa。锰铜具有良好的压阻效应广泛应用于爆轰、高速撞击、动态断裂、新材料合成等高温高压环境的压力测量，锰铜的电阻变化与外界压力近似为线性函数关系(即压阻系数K近为常数)，且电阻温度系数小，通过由锰铜作为敏感元件制成的传感器，就可实现将动态高压下的压力测量转化为对锰铜电阻变化的测量。
将锰铜传感器应用于动态高压(冲击波)的测试中，经过多年来的研究表明，尽管锰铜合金的压阻系数不是很高，但由于它具有灵敏度高、响应快、线性较好、电阻温度系数小等特点，非常适合于制作超高压力传感器。其有效量程为1 ～ 50GPa，是目前测压上限最高的直接式压力传感器，广泛应用于研究材料中弹塑性波的传播特性、动态断裂、层裂、相变、炸药爆轰等方面，然而，国防、军事等特殊部门迫切需要对更高的压力进行直接测量，并要求传感器具有极快的响应。
在步骤2中，锰铜压力传感器有两对引线，一对为恒流输入，连接接脉冲恒流源；另一对为电压输出，连接数据采集设备，因为锰铜压力计可通电工作时间极短，因此需要脉冲恒流源在装药起爆瞬间为其提供一个微秒脉冲电流。
在步骤4中，含能材料是一类含有爆炸性基团或含有氧化剂和可燃物，在一定外界能量刺激下，能够独立进行氧化还原反应，并释放大量能量（通常为气体和热）的化合物或混合物，一般含能材料包含了火口药，炸口药，燃气发生剂烟火药剂，火工品等。
在步骤5中，高速摄像机是一种能以小于1/1000秒的曝光或超过为每秒数十万帧的帧速率捕获运动图像的设备，它主要用来拍摄高速运动物体的运动轨迹，帮助捕捉肉眼无法看到的图像和运动过程；录制后，存储在媒体上的图像可以慢动作回放，记录活性材料在冲击下的反应过程，分析反应材料在爆炸作用下的反应情况。
在步骤6中，通过将定位环固定于底座中心；安装最底部试件，并将一个锰铜传感器粘贴于试件之间中心位置，以此类推完成全部试件与传感器的安装；连接传感器输入与输出端测线；开机调试测试系统，设置记录参数，检查是否正常；将安装主炸药及雷管；测试仪器进入记录状态；起爆；保存试验数据，并利用高速摄像机记录画面数据，并准备下次试验。
工作原理：将锰铜箔制作的锰铜压力传感器置于被测试件中；记录试验过程中锰铜压力传感器受爆轰波压力的作用引起的电阻变化经过数据处理求出所测压力值；锰铜压力传感器有两对引线；利用主装药爆炸产生冲击波并加载含能材料的方法，通过锰铜压阻传感器测量被加载的Al/PTFE反应材料内的不同位置处的压力时间关系；配合高速摄影记录活性材料在冲击下的反应过程，分析反应材料在爆炸作用下的反应情况；得到爆炸冲击波在反应材料中的传播过程压力数据。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种活性材料的冲击加载试验方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：将锰铜箔制作的锰铜压力传感器置于被测试件中；
步骤2：锰铜压力传感器有两对引线，其中一对引线为供电端（输入），连接高速同步脉冲恒流源；另一对为测量端（输出），连接示波器；
步骤3：记录试验过程中锰铜压力传感器受爆轰波压力的作用引起的电阻变化经过数据处理求出所测压力值；
步骤4：利用主装药爆炸产生冲击波并加载含能材料的方法，通过锰铜压阻传感器测量被加载的Al/PTFE反应材料内的不同位置处的压力时间关系；
步骤5：配合高速摄影记录活性材料在冲击下的反应过程，分析反应材料在爆炸作用下的反应情况；
步骤6：得到爆炸冲击波在反应材料中的传播过程压力数据。
2.根据权利要求1所述的一种活性材料的冲击加载试验方法，其特征在于：所述在步骤1中，准备试验材料为：电雷管；射频电缆；传爆药柱；材料试件：试件形状为柱形，故单个试件厚度可选择3~5mm；漆包线：制作触发探针；主炸药：铸装TNT；隔板：直径70mm及以上的铜片；速干胶水；底座：包括底板、定位管和盖板；亚克力板10块，木工夹6个；高速摄像机。
3.根据权利要求2所述的一种活性材料的冲击加载试验方法，其特征在于：所述锰铜压力传感器：H型或双π型（1.5~41.5GPa，）；敏感部分电阻0.05~0.2Ω；具有压力标定曲线和标定精度；数据采集仪（示波器）：分辨率优于8bit；采样速率不低于1×108 s-1；起爆器：能可靠引爆所用电雷管；脉冲恒流源等组成试验装置，主装药外表面粘贴触发探针，雷管引爆主装药后，电探针导通﹐触发恒流源工作，同时示波器和采集仪开始采集电压数据，随后，冲击波通过锰铜压阻传感器，使传感器阻值发生变化，采集的电压数据随之变化.根据传感器阻值与压力标定关系可将示波器、采集仪采集到的电压数据转换为测得的压力值。
4.根据权利要求3所述的一种活性材料的冲击加载试验方法，其特征在于：所述由雷管通过扩爆药起爆主装药与待测材料设置了顶盖保护测试线路，以保证测试信号可靠记录，待测材料试件直径为50 mm，厚度小于材料直径的1/10，以减小冲击波在材料边界反射对测试结果的影响，锰铜压阻传感器置于待测材料薄片之间，为保证传感器与各层待测材料紧密贴合，使用螺栓连接顶盖与底座，装配时使传感器敏感部位处于试件中心，降低传感器位置误差对实验结果造成的影响。
5.根据权利要求1所述的一种活性材料的冲击加载试验方法，其特征在于：所述在步骤3中，选用锰铜压力传感器是因为锰铜是一种精密电阻合金，通常以线材供应，也有少量的板、带材，在各类仪器仪表中有着广泛的用途同时，该材料又是一种超高压力敏感材料，测压上限可高达50Pa。锰铜具有良好的压阻效应广泛应用于爆轰、高速撞击、动态断裂、新材料合成等高温高压环境的压力测量，锰铜的电阻变化与外界压力近似为线性函数关系(即压阻系数K近为常数)，且电阻温度系数小，通过由锰铜作为敏感元件制成的传感器，就可实现将动态高压下的压力测量转化为对锰铜电阻变化的测量。
6.根据权利要求5所述的一种活性材料的冲击加载试验方法，其特征在于：所述将锰铜传感器应用于动态高压(冲击波)的测试中，经过多年来的研究表明，尽管锰铜合金的压阻系数不是很高，但由于它具有灵敏度高、响应快、线性较好、电阻温度系数小等特点，非常适合于制作超高压力传感器。其有效量程为1 ～ 50GPa，是目前测压上限最高的直接式压力传感器，广泛应用于研究材料中弹塑性波的传播特性、动态断裂、层裂、相变、炸药爆轰等方面，然而，国防、军事等特殊部门迫切需要对更高的压力进行直接测量，并要求传感器具有极快的响应。
7.根据权利要求1所述的一种活性材料的冲击加载试验方法，其特征在于：所述在步骤2中，锰铜压力传感器有两对引线，一对为恒流输入，连接接脉冲恒流源；另一对为电压输出，连接数据采集设备，因为锰铜压力计可通电工作时间极短，因此需要脉冲恒流源在装药起爆瞬间为其提供一个微秒脉冲电流。
8.根据权利要求1所述的一种活性材料的冲击加载试验方法，其特征在于：所述在步骤4中，含能材料是一类含有爆炸性基团或含有氧化剂和可燃物，在一定外界能量刺激下，能够独立进行氧化还原反应，并释放大量能量（通常为气体和热）的化合物或混合物，一般含能材料包含了火口药，炸口药，燃气发生剂烟火药剂，火工品等。
9.根据权利要求1所述的一种活性材料的冲击加载试验方法，其特征在于：所述在步骤5中，高速摄像机是一种能以小于1/1000秒的曝光或超过为每秒数十万帧的帧速率捕获运动图像的设备，它主要用来拍摄高速运动物体的运动轨迹，帮助捕捉肉眼无法看到的图像和运动过程；录制后，存储在媒体上的图像可以慢动作回放，记录活性材料在冲击下的反应过程，分析反应材料在爆炸作用下的反应情况。
10.根据权利要求1所述的一种活性材料的冲击加载试验方法，其特征在于：所述在步骤6中，通过将定位环固定于底座中心；安装最底部试件，并将一个锰铜传感器粘贴于试件之间中心位置，以此类推完成全部试件与传感器的安装；连接传感器输入与输出端测线；开机调试测试系统，设置记录参数，检查是否正常；将安装主炸药及雷管；测试仪器进入记录状态；起爆；保存试验数据，并利用高速摄像机记录画面数据，并准备下次试验。
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