CN117723595A - 一种含能材料燃烧放热速率测定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种含能材料燃烧放热速率测定方法。所公开的方法包括对氧弹热量仪的量热系统进行标定，得到量热系统的热容量E；采用标定后的氧弹量热仪对质量为m克的待测含能材料进行燃烧放热测定，点火后开始记录氧弹热量仪所处水的水温数据，获得水温T与时间t的变化曲线T‑t；对曲线T‑t进行一阶微分得到(dT/dt)‑t曲线，获取(dT/dt)‑t曲线的峰值之后计算待测含能材料的最大放热速率υmax。本发明在传统量热仪原理基础上开发出了新的测试功能，提供了一种基于氧弹量热仪测定含能材料燃烧放热速率的方法，可获得更多含能材料释能数据信息，为含能材料在推进剂中的应用研究提供技术支撑。
Description
技术领域
本发明属于含能材料技术领域，具体涉及一种基于氧弹量热仪测定含能材料燃烧放热速率的方法。
背景技术
含能材料是一类接受一定外界刺激后，能够通过化学反应释放出大量能量和气体的物质，其释能特性参数将直接影响推进剂配方的选择与设计、进而影响固体推进剂的比冲、爆热及特征速度等能量特性。
氧弹量热仪主要由氧弹、内筒、外筒、搅拌器和量热温度计组成，其测试原理是将待测样品放入氧弹中，充入一定压力的氧气，让样品在氧气环境中充分燃烧，放出的热量通过氧弹传给水介质，引起温度升高，通过测量水的温升值，再根据量热系统的比热容计算出燃烧热。针对含能材料的样品特性，研究者们开展了各种样品处理方法及试验参数的影响研究，基本实现了对含能材料燃烧热的测定，但并未对燃烧过程开展进一步探究，氧弹量热仪在含能材料中的应用尚停留在仅获取燃烧热参数，其测试应用有待进一步开发。
发明内容
针对现有技术的缺陷或不足，本发明提供了一种含能材料燃烧放热速率测定方法。
为此，本发明提供的含能材料燃烧放热速率测定方法采用氧弹量热仪对含能材料燃烧放热速率进行测定，方法包括以下步骤：
S1，对氧弹热量仪的量热系统进行标定，得到量热系统的热容量E，单位为J/℃；
S2，采用标定后的氧弹量热仪对质量为m克的待测含能材料进行燃烧放热测定，测定时通入氧气，点火后开始记录氧弹热量仪所处水环境的水温，获得水温T与时间t的变化曲线T-t；所述待测含能材料为固体含能材料或液体含能材料，对于液体含能材料，在测试前进行可燃胶囊包覆预处理；
S3，对曲线T-t进行一阶微分得到(dT/dt)-t曲线，获取(dT/dt)-t曲线的峰值
S4，采用式(1)计算待测含能材料的最大放热速率υmax：
可选的方案是，用苯甲酸标准物质对氧弹热量计的量热系统进行标定校正。
可选的方案是，对氧弹热量仪的量热系统进行多次标定，获得多个量热系统的热容量标定值E＇；量热系统的热容量E取极差不超过40J/℃的若干标定值E＇的平均值。
可选的方案是，所述的m为0.5～1g。
可选的方案是，所述的充入氧气的压力为1.5～3.5MPa。
可选的方案是，对所述的T-t曲线进行平滑处理后进行S3；对所述的(dT/dt)-t曲线进行平滑处理后获取(dT/dt)-t曲线的峰值
可选的方案是，所述的平滑处理采用三点Savitzky-Golay平滑处理方法。
可选的方案是，利用含能材料燃烧释放的热量Q与含能材料的最大放热速率υmax对含能材料释能进行表征；
所述含能材料的最大放热速率υmax采用上述方法获得；
所述含能材料燃烧释放的热量Q采用上述S1和S2以及式(2)获得：
T＇为S2测试时点火后的最终水温；T0为S2测试时点火前的水温。
可选的方案是，所述多种含能材料的燃烧热值相同或差值小于1％；采用上述方法对多种含能材料的释能特性进行评价，最大放热速率越大说明相应材料的反应更剧烈。
可选的方案是，所述多种含能材料为不同生产批次的同一含能材料。
本发明利用氧弹量热仪对含能材料进行点火燃烧，过程中单位质量含能材料燃烧反应释放的热量的变化与水温的变化呈正比关系，通过水温变化速率-时间曲线可计算得到含能材料燃烧过程放热速率曲线，并以此来进一步表征含能材料的释能效果。
相较于现有其他技术的反应放热测试手段(如DSC等)，本发明表征的是点火燃烧反应条件下的放热释能情况，更接近于实际使用工况，且获得更多维度的数据信息，对含能材料燃烧过程释能掌握更全面的数据；利用现有仪器即可进行测试，操作简便，可推广性强。
附图说明
图1为本发明实施例1中几种含能增塑剂的dT/dt-t曲线；
图2为本发明对比例中液体含能材料预处理前后数据对比，A：燃烧释能极差，B:最大放热速率极差；
图3为本发明实施例2中几种单质及复合炸药的dT/dt-t曲线；
图4为本发明实施例3中不同批次HMX的dT/dt-t曲线。
具体实施方式
除非有特殊说明，本文中的科学与技术术语根据相关领域普通技术人员的认识理解。
下面通过具体实施例对本发明作进ー步详细说明，但需要说明的是本发明并非限制于此，所有依据本发明所实现的技术均在本发明保护范畴之内。本发明实施例中均使用IKA C6000型氧弹热量计进行测定。
实施例1：
本实施例是采用本发明的方法对表1所示几种不同类型的液体含能增塑剂燃烧放热速率进行测试及释能特征表征，具体方法包括以下步骤：
用苯甲酸对氧弹热量仪的量热系统进行多次标定，取极差不超过40J/℃的5次标定值的平均值作为系统的热容量，得到E＝8045J/℃。
分别称取约0.5g(精确到0.0001g)的表1所示液体含能增塑剂，使用移液器移取样品置于可燃胶囊中获得待测燃烧试样；
分别将待测燃烧试样置于氧弹热量仪的坩埚中，往量氧弹热量仪中缓慢充入2.8MPa氧气，再将氧弹热量仪置于一定量的水中，点火使得试样在量热弹中燃烧，采集时间-水温数据，获得水温-时间曲线T-t，使用Origin数据处理软件对T-t曲线进行一阶微分及平滑处理，得到(dT/dt)-t曲线(图1所示)，之后采用式(1)和(2)计算最大燃烧放热速率vmax和燃烧释放的热量Q，结果见表1。
表1几种含能增塑剂燃烧放热速率结果
| 样品 | E(J/℃) | m(g) | Q(J/g) | vmax(J/g℃) |
| TMETN | 8045 | 0.50773 | 10789 | 219.94 |
| DIANP | 8045 | 0.50082 | 15954 | 340.08 |
| BUNENA | 8045 | 0.50656 | 18678 | 371.15 |
从表1所示结果可以看出，三种含能增塑剂燃烧释能Q(J/g)情况差异巨大，放热量依次为BUNENA>DIANP>TMETN，最大放热速率与放热量顺序一致，依次为BUNENA>DIANP>TMETN，说明BUNENA不仅热值高且释能较快，反应最为剧烈。
对比例：
该对比例与实施例1不同的是，直接将TMETN与DIANP测试样加入量热弹的坩埚中，不进行预处理，进行多次测试，分别统计多次燃烧释能Q和多次最大放热速率vmax的极差(最大值与最小值差值)，结果见图2。从结果可明显看出，TMETN与DIANP经预处理后，燃烧释能极差分别从328J/g和495J/g降至63J/g和104J/g(图2A)，最大放热速率极差分别从5.39J/g℃和10.99J/g℃降至1.07J/g℃和4.69J/g℃(图2B)，说明对于液体含能材料经预处理后测试结果稳定性得到大幅度提升。
实施例2：
本实施例是采用本发明的方法对表2所示几种固态单质及复合炸药的燃烧放热速率进行测试及释能特征表征，具体包括以下步骤：
用苯甲酸对氧弹热量仪的量热系统进行多次标定，取极差不超过40J/℃的5次标定值的平均值作为系统的热容量，得到E＝8045J/K。
将约0.5g(精确到0.0001g)的待测炸药样品置于氧弹量热仪的坩埚内；
缓慢充入3.0MPa氧气，再将氧弹量热仪置于一定量的水中，点火让试样在量热弹中燃烧，获得水温-时间曲线，使用数据处理软件对T-t曲线进行一阶微分及平滑处理，得到(dT/dt)-t曲线(图3)，之后采用式(1)和(2)计算最大燃烧放热速率vmax和燃烧释放的热量Q，结果见表2。
表2几种单质及复合炸药燃烧放热速率结果
| 样品 | E(J/℃) | m(g) | Q(J/g) | vmax(J/g℃) |
| HMX | 8045 | 0.50817 | 9393 | 182.06 |
| FOX7 | 8045 | 0.50712 | 8309 | 164.98 |
| HMX/FOX7-5:5 | 8045 | 0.51764 | 8835 | 167.85 |
| HMX/FOX7-3:7 | 8045 | 0.50940 | 8514 | 170.56 |
从表2所示结果可以看出，HMX/FOX7复合物的放热量Q(J/g)是介于HMX与FOX7两种单质之间，且随着复合物中高能量物质HMX含量的增加，其热值升高；但最大放热速率确并非如此，反而随着FOX7含量的增加而增加，这是因为FOX7的热分解温度较HMX低，复合物体系中FOX7的存在促进了HMX的分解燃烧，故而HMX/FOX7-3:7虽然较HMX/FOX7-5:5总放热量低，但其燃烧放热速率更快，反应更剧烈。从而也说明，在含能材料热值测定的基础上增加燃烧放热速率的测定，可以更全面准确的表征含能材料释能特点，为实际应用提供更充分的数据支撑。
实施例3：
本实施例是采用本发明的方法对不同批次HMX的燃烧释能特征进行表征，具体包括以下步骤：
用苯甲酸对氧弹热量仪的量热系统进行多次标定，取极差不超过40J/℃的5次标定值的平均值作为系统的热容量，得到E＝8045J/℃。
将约0.5g(精确到0.0001g)的待测炸药样品置于氧弹量热仪的坩埚内，缓慢充入3.0MPa氧气，再将氧弹量热仪置于一定量的水中，点火让试样在氧弹量热仪中燃烧，获得水温-时间曲线，使用数据处理软件对T-t曲线进行一阶微分及平滑处理，得到(dT/dt)-t曲线(图4)，并计算最大燃烧放热速率，结果见表3。
表3不同批次HMX燃烧放热速率结果
| 样品 | E(J/℃) | m(g) | Q(J/g) | vmax(J/g℃) |
| 批次一 | 8045 | 0.51258 | 9456 | 191.48 |
| 批次二 | 8045 | 0.49744 | 9466 | 180.79 |
从表3所示结果可以看出，两批次HMX的燃烧热值虽然基本一样，但其最大放热速率却存在明显差异，批次二样品放热更快，反应更剧烈。说明本方法可获得更多材料特性参数，从更多维度评价材料的释能特性。
以上结合附图选择优先详细论述最佳实施例，并不用于限制本发明。在上述描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任意合适的形式进行组合，本发明不在一一赘述。任何本领域技术人员在不脱离技术方案范围内的前提下采取对技术方案进行任意组合或同等替换等简单修改或修饰的手段，并不影响其技术方案的本质仍属于本发明的各实施例代表的技术方案的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种含能材料燃烧放热速率测定方法，其特征在于，采用氧弹量热仪对含能材料燃烧放热速率进行测定，方法包括以下步骤：
S1，对氧弹热量仪的量热系统进行标定，得到量热系统的热容量E，单位为J/℃；
S2，采用标定后的氧弹量热仪对质量为m克的待测含能材料进行燃烧放热测定，测定时通入氧气，点火后开始记录氧弹热量仪所处水环境的水温，获得水温T与时间t的变化曲线T-t；所述待测含能材料为固体含能材料或液体含能材料，对于液体含能材料，在测试前进行可燃胶囊包覆预处理；
S3，对曲线T-t进行一阶微分得到(dT/dt)-t曲线，获取(dT/dt)-t曲线的峰值
S4，采用式(1)计算待测含能材料的最大放热速率υmax：
2.根据权利要求1所述的含能材料燃烧放热速率测定方法，其特征在于，用苯甲酸标准物质对氧弹热量计的量热系统进行标定校正。
3.根据权利要求2所述的含能材料燃烧放热速率测定方法，其特征在于，对氧弹热量仪的量热系统进行多次标定，获得多个量热系统的热容量标定值E＇；量热系统的热容量E取极差不超过40J/℃的若干标定值E＇的平均值。
4.根据权利要求1所述的含能材料燃烧放热速率测定方法，其特征在于，所述的m为0.5～1g。
5.根据权利要求1所述的含能材料燃烧放热速率测定方法，其特征在于，所述的充入氧气的压力为1.5～3.5MPa。
6.根据权利要求1所述的含能材料燃烧放热速率测定方法，其特征在于，对所述的T-t曲线进行平滑处理后进行S3；对所述的(dT/dt)-t曲线进行平滑处理后获取(dT/dt)-t曲线的峰值
7.根据权利要求1所述的含能材料燃烧放热速率测定方法，其特征在于，所述的平滑处理采用三点Savitzky-Golay平滑处理方法。
8.一种含能材料释能表征方法，其特征在于，利用含能材料燃烧释放的热量Q与含能材料的最大放热速率υmax对含能材料释能进行表征；
所述含能材料的最大放热速率υmax采用权利要求1-7任一权利要求所述方法获得；
所述含能材料燃烧释放的热量Q采用权利要求1所述S1和S2以及式(2)获得：
T＇为S2测试时点火后的最终水温；T0为S2测试时点火前的水温。
9.多种含能材料释能特性的评价方法，其特征在于，所述多种含能材料的燃烧热值相同或差值小于1％；采用权利要求1-7任一权利要求所述方法对多种含能材料的释能特性进行评价，最大放热速率越大说明相应材料的反应更剧烈。
10.根据权利要求9所述的多种含能材料释能特性的评价方法，其特征在于，所述多种含能材料为不同生产批次的同一含能材料。
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