爆轰实验范文（精选8篇）
爆轰实验 第1篇
无源光纤探针技术是最近几年新开发的一种流体动力学实验诊断技术[1,2,3,4],它可用于精确的测量飞片速度、冲击波速度、炸药爆速、飞片平面性、冲击波阵面形状等重要的流体力学参量。它的响应时间可以达到亚纳秒[3,4,5]且不受电磁干扰,不仅可以应用于现有的电探针技术[6]的所有测试领域还可用在电探针无法测试的领域,如强电磁干扰的环境和尺寸较小的实验等。经过多年的研究,该技术中的关键问题已基本解决[3,5,7],技术已经较为成熟,并在爆轰实验中得到了大量的应用,美、法等国还将其用在了国家实验中[8,9]。本文给出了利用光纤探针测量LY2样品中的冲击波速度、电炮加载的Mylar膜飞片的平面性以及GI-920炸药的爆轰波形的实验方法和结果。
2 光纤探针测量原理和系统组成
光纤探针的结构如图1所示。它由一根石英光纤和一根金属套管构成,金属管主要起提高探针的强度和保证垂直定位两方面的作用。光纤的端面经过光学加工并镀有金属膜,金属膜的厚度在120～150 nm,其作用是防止杂光进入光纤,其中金属膜的厚度是通过大量实验探索确定的,在这个厚度范围内光纤探针的信号质量最好。
图2给出了光纤探针测量炸药爆轰波到达时刻的单通道测试系统组成示意图。由图可知,该系统由光纤探针、传输光纤、光电转换器、高频电缆和示波器组成。当冲击波到达光纤探针端面时光纤探针会产生一个强烈的光脉冲信号[10],该光脉冲信号经光纤传输到光电探测器转换为电信号再由示波器记录,通过判读就可以知道冲击波到达光纤探针的时刻。图3为无源光纤探针测试系统给出的典型信号波形,该图是在测量飞片速度的实验中得到的,图中4个信号分别是由安装在不同高度的4根光纤探针给出的,信号的第一个拐点指示了飞片到达每根探针的时刻,利用飞片到达每根探针的时间差和探针的安装高度差就可以计算出飞片的速度及其在该区间的速度变化情况;图中4个信号的响应时间(信号从最大幅度的10%下降到90%所经历的时间)均在2 ns以下,这对于精确的测定飞片到达时刻是非常有利的。
在基板和样品的下表面各布置一定数量的光纤探针,就可以测出冲击波在样品中传播的时间。再利用已知的样品厚度就可以计算出样品中的冲击波速度。在飞片行进的方向上安排一定间距的两组光纤探针,通过测量两组光纤探针的信号时间间隔,就可以计算出飞片在此区间的平均速度。在飞片行进方向上的测试平面内安装大量的光纤探针,根据各个光纤探针光信号的时刻,就可以测量出飞片的平面性。
3 应用实例
3.1 LY12样品中冲击波速度测量
实验装置如图4所示。实验采用化爆加载的方式,加载装置主要由一块φ200 mm×37°的炸药平面波透镜和一块φ200 mm×50 mm的TNT/RDX炸药组成。实验中冲击波的传播过程如下:雷管起爆后引爆其后的传爆药柱产生球面冲击波,炸药透镜将球面冲击波整形为平面冲击波传入主炸药,主炸药起爆后推动飞片。飞片撞击到基板后,在基板内产生金属冲击波并传入样品,由安装在基板和样品底部的光纤探针可以测出冲击波出基板和样品的时间,据此可以计算出样品内的冲击波速度。飞片、基板和样品材料均采用Ly12铝合金。飞片尺寸为φ200 mm×3 mm,基板尺寸为φ80 mm×4 mm。样品的直径为φ40 mm,厚度为4.00 mm±0.02 mm。
实验共安装19根光纤探针,探针分布如图5所示,其中样品上安装12根且均匀分布在φ13 mm和φ30mm的圆环上,基板上安装有7根,其中1根安装在基板中心,另外6根安装在φ50 mm的圆环上。把探针安装在圆环上且呈3条直径的分布是为了修正冲击波阵面形状及其倾角。利用中心探针和基板安装的6个探针给出的冲击到达时间可以修正冲击波阵面的形状,再利用样品下安装的2个测试环上的12个探针可以修正由安装带来的冲击波阵面的倾斜角度。具体的修正方法请参阅文献[6],这里不再赘述。
实验中光纤探针测量到的冲击波到达时间数据列于表1中。利用表1中的数据通过文献[6]提供的数据处理方法可以计算出LY12样品中冲击波速度的为(6.44±0.05)km/s。
3.2 电炮加载的Mylar膜飞片的到达时间一致性及平均速度测量
实验装置如图6所示,Mylar膜飞片在受到电炮冲击后飞出,并在加速腔中被加速到很高的速度,当飞片撞击到安装在加速腔底部的光纤探针时,光纤探针为给出一个光信号,该光信号经过光电转换器变换为电信号后输入示波器采集并记录。实验采用同步机来进行起爆和数据采集的同步。实验中使用的Mylar膜飞片的厚度为75µm,直径为10 mm,加速腔长度为4 mm。实验中使用了9根光纤探针,布局如图7所示,9根探针分布在两条垂直的测线上,其端面安装在一个平面内,探针间距4 mm。理论上讲,为了精确的测量飞片的平面性,探针的数量应越多越好,然而本实验的飞片很薄,探针对其有一定的破坏作用,为了减小这种破坏又同时完成测量,考虑到飞片有一定的对称性本实验选定了上述探针布局方法。
图8给出了实验取得的部分信号波形(6、7、8、9号探针)。从实验取得的信号来看,电炮加载时产生的强烈电磁干扰对光纤探针并未产生影响,这充分体现了光纤探针不受电磁干扰的优点。由于电炮加载时产生的等离子体光辐射很强,可以透过探针端部先于碰撞时刻进入光纤,该光信号刚好反映了起爆时刻。图8中信号的第一个拐点时刻即是电炮起爆时刻,第二个陡峭的拐点时刻是飞片撞击光纤探针的时刻。实验测得的飞片到达各光纤探针端面的时刻列于表2中。实验测得电炮起爆时刻为7 746 ns,其和飞片到达探针的时间的平均值8 453 ns差707 ns。则可知飞片在加速腔内飞行的平均速度为4/0.707=5.66(km/s)。利用表1给出的数据可以绘制出飞片到达测试面的形状(如图9所示),飞片呈“锅底”状,与理论分析的相吻合。据此可以确定在光纤探针覆盖的范围内(φ8 mm),Mylar膜飞片的到达时间一致性优于30 ns。
3.3 GI-920炸药爆轰波阵面测量
用光纤探针阵列测量了尺寸为φ32 mm×7 mm的GI-920炸药的爆轰波阵面。爆轰装置由GI-920药柱和雷管组成;起爆系统由高压脉冲发生器和同步机组成;测试系统由光纤探针阵列、传输光纤、光电转换器和数字示波器组成。同步机的触发时刻为实验的零时。由于一点起爆的平面炸药其爆轰波阵面一般接近抛物面的形状,将光纤探针的布局成如图10所示的形式,在炸药中心和φ8 mm,φ16 mm,φ24 mm三个测试环上共布置37个测试点。实际使用了编号为1～36的测试点。
表3给出了实验测得的冲击到达中心探针的时刻和冲击到达测试环上各点时刻的均值及标准差。实验取得信号上升时间都在2～4 ns。图11是利用测得的数据通过作图软件绘制出的爆轰波阵面的三维形状。从图中可以明显看出爆轰波阵面有些倾斜,这可能是雷管安装的有些偏离药柱的中心位置所致。
4 结论
使用无源光纤探针精确测量了化爆加载下LY12样品中的冲击波速度和电炮加载的Mylar膜飞片的平均速度和达到时间一致性以及一点起爆的GI-920炸药的爆轰波阵面。实验结果表明光纤探针测量系统性能稳定,响应快,精度高,适应性强。它为冲击波物理和爆轰物理实验提供了一种可靠的、高时间分辨的、不受电磁干扰的测试手段。
摘要：利用熔石英在冲击作用下发光的特性开发了一种测量冲击到达时间的无源光纤探针技术。当冲击波阵面到达光纤探针端面时会产生一个瞬时光信号,这个光信号经光纤传输到光电探测器,变换为电信号后由示波器记录,通过判读就可以知道冲击波阵面到达光纤探针的时刻。该探针无需外加信号源,响应时间可达亚纳秒,抗电磁干扰,可对非金属材料进行直接测量。目前,该探针在爆轰实验测试中得到了大量的应用,本文给出了利用光纤探针测量LY12样品中的冲击波速度、电炮加载的Mylar膜飞片的平面性以及GI-920炸药的爆轰波形的实验方法和结果。
关键词：光纤探针,爆轰实验,冲击,信号
参考文献
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影响稳定爆轰的主要因素 第2篇
影响稳定爆轰的主要因素有药卷直径和装药密度。
1.药卷直径称为炸药的临界直径。
2号岩石铵梯炸药的临界直径为18--20㎜
乳化炸药为16--18㎜
2.装药密度存在最佳密度
装药密度小于最佳密度时，爆速随着装药密度的减小而降低；
装药密度大于最佳密度时，爆速随着装药密度的增大而减小，装药密度过大，还会拒爆，例如，孔深太大的深孔爆破和深孔水下爆破中，当炸药处于受压状态，炸药密度增加，就可能出现半爆或熄爆现象。
2号岩石铵梯炸药为1.0g/cm3
乳化炸药为1.05--1.30
探究乳化炸药爆轰特性 第3篇
1 乳化炸药非理想爆轰行为的表征
一般来说, 作为工业炸药中的一个分支, 乳化炸药的非理想爆轰行为的表征主要为炸药在传播的过程中, 所具有的直径效应、拐角效应以及粒度效应等。
1.1 直径效应
实验测定爆速与直径的关系是研究直径效应一个非常有效的方法, 研究爆速随装药直径变化的快慢速度, 可以获知装药直径对爆速的影响程度, 从而评价炸药的非理想爆轰行为。从理论上描述直径效应的方法有“流管理论”和弯曲阵面理论。流管理论认为, 由于侧向稀疏波的作用, 经过爆轰波阵面的引导激波以后, 流线向外膨胀, 即反应区内流管的截面积有所增加, 通过解流体力学方程, 找出流管的膨胀和传播速度的关系, 然后根据不同的外壳条件求出速度的变化。
1.2 作功能力
测定炸药作功能力有威力扩张值法、抛掷漏斗实验、圆筒实验、水下爆炸实验等。这种方法理论上比较严格, 测量结果重复性较好, 能够比较全面客观地反映炸药的作功情况, 为在安全和可再现的条件下评价炸药的性能提供了一种有价值的手段和方法。并且用此法来评价炸药的作功能力与威力扩张值法的结果呈良好的线性关系, 说明用水下爆炸法评价炸药爆炸性能是合适与可行的。
1.3 粒度效应
在非理想情况下, 工业炸药组分的颗粒度及其混合均匀性对工业炸药的爆轰特性具有强烈影响。这主要因为反应完成的时间及反应进行的完全程度不仅取决于单个粒子的分解及燃烧速度, 而且取决于共分解产物的扩散、混合条件下进行的二次反应速度等。异相组分的粒子越小, 混合越均匀, 粒子燃烧及燃烧产物的混合和相互作用完成得也越快。
2 乳化炸药爆轰特性分析
2.1 不同装药直径下保速测试结果及分析
选取不同的工业炸药进行实验研究, 针对不同类型工业炸药的不同装药直径来进行分析, 并测试工业炸药的爆速值, 所选取的测速炸药主要为三集煤矿水胶炸药、二级煤矿水胶炸药以及岩石乳化炸药等, 这些炸药都是经由相同的公司进行的生产, 除了这些炸药之外, 还选取了四种不同的乳化炸药, 而这些乳化炸药全部都由个人亲自制作完成。在对这些炸药在不同的装药直径下的爆速进行测试的过程中, 要注意对误差进行合理的分析, 根据下列的公式来计算出各个段位的爆速值:
D=L/t
式中:D———被测炸药的爆速, m·s-1;
L———两探针间距离, m;
T———爆轰波通过两探针间的时间, s;
依据上述公式求得相应各个阶段的爆速值, 同时利用下列的公式来求取爆速的平均值, 所求得的爆速平均值要最终划定为整数。具体公式如下:
式中:D———爆速平均值, m·s- 1;N———测试资料个数, n=5。
在得出具体的爆速平均值后, 就可以将这一平均值进行整数的划定。
在S的值不大于150m·s- 1的时候, 则得出的结果就是乳化炸药为粉状炸药, 而如果S的值在200m·s- 1的范围内, 包括200的时候, 则该乳化炸药就属于含水炸药。由于乳化炸药的爆速会受到诸多因素的影响和干扰, 其中装药的密度就对乳化炸药的爆速有着重要的影响作用, 因此, 在对照耀的装药密度进行实验检测的过程中, 要合理的保障炸药密度的均匀性, 尽可能的使得炸药的密度保持为常规密度, 根据相关的文献可以了解到, 在不同的装药直径下, 炸药的爆速值会与装药的直径之间呈现出一种线性的关系, 一般来说, 要想能够满足这种线性关系, 就需要合理的利用最小的二乘法来对线性观回归的关系进行有效的表示, 这样可以利用这种线性关系将所有炸药所具有的爆速值统一表示出来。经试验检测可以了解到, 水胶炸药的爆速与装药直径之间呈现一种线性的关系, 然而, 乳化炸药的直径较小的时候, 这种线性关系会出现改变, 直径曲线会出现下凹的情况, 从这一点就可以说明, 乳化炸药的爆速与装药直径之间不一定都是线性的关系, 两种之间的线性关系也需要建立在一定的条件基础之上。从上述的分析就可以了解到, 装药直径的变化会使得炸药的直径也出现变化, 这就表示, 爆轰的反应区域越宽, 则侧向膨胀出现的损失也就越大, 乳化炸药的爆轰非理想程度也就越深。相较于其他的工业炸药来说, 乳化炸药的爆轰行为的理想化程度越高。
2.2 水下爆炸测试结果及分析
通常水下的爆炸冲击波在超压的情况下, 炸药的爆速以及爆压会影响到爆炸的冲击波, 相较于其他的工业炸药来说, 乳化炸药在水下的爆炸冲击波相对来说, 压力更大, 然而, 乳化炸药的时间衰减也要比其他的炸药相对较低, 在水中的冲击波传播, 会激发水的冲击热度, 会使得热能在水中消散, 由于乳化炸药爆速较高, 所产生的冲击波能力损失也会较多。而相较于一些同样含水的炸药来分析, 乳化炸药的冲击波能以及的气泡的产生量都要比其他的炸药高, 造成这一情况出现的最主要因素就是乳化炸药的含水量与含水炸药的含水量相一致时, 乳化炸药所具有的爆热和爆轰传播的爆热都相对要高, 由于这种因素的影响, 使得乳化炸药的水下爆炸能量相对来说更高, 所产生的能量损失自然也就更高。
2.3 粒度效应测试结果及分析
实验中测试了两种装药直径下粒子大小与分布对爆速的影响, 由测试结果可知, 爆速均随基质分散相平均粒径的增大而减小, 且变化趋势大致相同。这是因为分散相颗粒越细, 其比表面积和单位体积内的氧化剂和可燃剂接触的总面积将显著增加, 使得乳化炸药的反应面积增加, 单位体积内炸药的反应速度加快, 爆速增大。
随着分散相粒径的减小及分布更加均匀, 炸药的各项水下爆炸指标都有一定程度的提高, 说明改善乳化基质分散相粒子的大小和分布对提高炸药的爆炸性能是有帮助的。
3 结论
本文主要根据乳化炸药非理想爆轰行为的表征进行了简要的探究, 并由此展开了对乳化炸药爆轰特性的探究, 文中主要从水下报站测试结果、不同装药直径下保速测试结果以及粒度效应测试结果这三个方面来对乳化炸药的爆轰特性进行了深入的探究, 突出强调了乳化炸药所具有的爆轰特性, 然而, 本文的研究还不够全面, 其中还有很多的不足, 还需要相关的人员进行进一步的补充和说明, 从而使得该课题可以得到丰富和完善。
摘要：乳化炸药爆轰特性研究中, 研究的对象主要为乳化炸药爆轰的行为, 我国的相关学者已经对乳化炸药的爆轰特性进行了多方面的研究, 但是在认识上还存在很多的分歧, 而这一分歧主要就集中在爆轰行为是否具有理性这一论题上, 本文就主要针对这一方面来对乳化炸药的爆轰特性进行简要的探究, 仅供同行交流。
关键词：乳化炸药,爆轰特性,爆轰行为
参考文献
[1]高桥胜彦等.火药学会志[J].2011:58 (5) :196.
[2]高大元.工业炸药的底面输出波形研究[J].爆破器材.2012 (3:1) 1-4.
北理工爆轰物理学简答题总结 第4篇
1.爆炸：
爆炸的定义：可简单的定义为由能量极为迅速释放而产生的现象。
1爆炸具有极大的能量释放速度、形成极高的能量密度，并迅速对外界介质做功形成冲击波的特点。爆炸的特点：○2爆炸过程中，描述系统状态的物理量会在极短的时间内和极小的空间内发生急剧变化。○1物理爆炸○2化学爆炸○3核爆炸 爆炸的分类：○2.炸药的定义及分类：
定义：在适当外部激发能量作用下，可发生爆炸变化（速度极快且放出大量热和大量气体的化学反应），并对周围介质做功的化合物或混合物。
1起爆药○2猛炸药○3发射药○4烟火剂 按应用分类：○1单质炸药○2混合炸药 按组成分类：○3.爆轰、爆轰波、爆轰波阵面：
爆轰是一伴有大量能量释放、带有一个以超声速运动的冲击波前沿的化学反应区沿炸药装药传播的流体动力学过程。这种带有高速化学反应区的强冲击波称为爆轰波。爆轰的前沿冲击波和放热反应区通称为爆轰波阵面。1.炸药爆炸的基本特征：
炸药爆炸是一种以高速进行的，能自动传播的化学反应过程，在此过程中放出大量的热、生成大量的气体产物，形成冲击波
1）反应的放热性 2）过程的高速度
3）过程必须形成气体产物 2.炸药的化学反应过程：
根据反应速度快慢可分为热分解、燃烧和爆轰三种基本形式。
热分解是一种缓慢的化学变化，其特点是在整个物质内部展开，反应速度与环境温度有关。
燃烧、爆轰与热分解不同，它们不是在整个物质内发生的，而是在某一局部开始，并以化学反应波的形式按一定的速度一层一层地自行传播。化学反应波的波阵面很窄，化学反应就是在这个很窄的波阵面内进行并完成的。1.燃烧与爆轰的区别：
（1）传播机理不同：燃烧是通过热传导、热辐射及燃烧气体产物的扩散作用传入未反应区的；爆轰则是借助冲击波对炸药的强烈冲击压缩作用进行的。
（2）波的速度不同：燃烧传播速度很小；爆轰的传播速度很大，一般数千米每秒。
（3）受外界的影响不同：燃烧受外界条件的影响很大；爆轰几乎不受外界条件的影响。
（4）产物质点运动方向不同：燃烧产物质点运动方向与燃烧波传播方向相反；爆轰产物质点运动方向与爆轰波传播方向相同。
17.弱扰动与强扰动的区别： 当介质（Medium）受到外界作用（如振动、冲击等）时，介质的局部状态参量就会发生变化，这就是扰动（Disturbance）。如果扰动前后介质的状态参数变化量与原来的参数量相比是很微小的，则称这种扰动为弱扰动（Weak disturbance）或小扰动。弱扰动的特点是各种参数的变化量是微小的、逐渐的和连续的，若扰动是等熵的 如果扰动前后介质的状态参数发生突跃变化，则称这种扰动为强扰动
强扰动形成过程：每一小步的压缩都是一种等熵变化，但由于每经一步压缩后气体的温度都要上升，气体的声速必将上升，这样下一步的压缩波的波速逐渐增加，一旦集中起来，状态参数的变化将不再连续，就会发生突跃，弱扰动变成强扰动，其波速大于声速。2.压缩波和稀疏波
压缩波（Compression Wave）：扰动传过后，介质的压力、密度、温度等状态参数增加的波称为压缩波，其特点是波传播的方向与介质质点运动方向相同。它的波速大于介质当地的声速。稀疏波（Rarefaction Wave）：扰动传过后，介质的压力、密度、温度等状态参数下降的波称为稀疏波，其特点是波传播的方向与介质质点运动方向相反。在稀疏波扰动过的区域中，任意两相邻端面的参数都只差一个无穷小量，因此稀疏波的传播过程属于等熵过程，它的波速等于介质当地的声速或音速。3.冲击波：
冲击波又称激波，是一种强烈的压缩波，其波阵面通过的前后参数变化很大，它是一种状态突跃变化的传播。3.超压与动压
超压：冲击波阵面传播到空间某点时，超过周围环境大气的压力称为超压。公式：
2c022 pp00Du012k1Du0动压:物体在流体中运动时，在正对流动运动方向的表面，流体完全受阻，此处的流体速度为0，其动能转变为压力能，压力增大，其压力称为全受阻压力，它与未受扰动处的压力之差，称为动压。公式：1/2ρv2。4.瑞利线、冲击绝热线和等熵线
（物理意义）雨贡纽（Hugoniot）曲线是不同波速的冲击波在具有同一初始状态的相同介质中传过后所达到的终态点的连线，当介质性质和波前状态一定时，H线是确定的，若冲击波速度不同，则波后状态必然处在H线的不同位置上。ee01pp0v0v2
pp0v0v（物理意义）波速线是一定波速的冲击波传过具有同一初始状态的不同介质所达到的终态点的连线，当波速一定时，Du0v0冲击波通过任何介质后，波后状态都对应于此条线上的某一确定点。
这两条线上的任一点都是和一定的波后状态对应的，它们都不是冲击压缩的过程线，不能认为冲击压缩过程是沿着这两条线中的任一条进行的。
kpA等熵线就是由等熵方程确定的曲线，它表示进行等熵压缩或等熵膨胀过程时介质状态变化所走过的路径。
5.多次冲击压缩能与单次冲击压缩
多次冲击压缩不能与单次冲击压缩达到相同的状态，原因如下： 根据Hugoniot曲线的物理意义，不同的起始点（波前状态）对应不同的Hugoniot曲线，如图所示B点对应的Hugoniot曲线是以1/6vb为渐近线的，而A点对应的Hugoniot曲线是以1/6vA为渐近线的，所以多次冲击压缩达到相同的密度后，其压强总是低于单次冲击压缩，或多次冲击压缩达到相同压强，其密度总是大于单次冲击压缩，故不可能达到相同状态。
6.冲击波的基本性质：
1）冲击波阵面是一个间断面；
2）冲击波是压缩波，不可能是稀疏波； 3）冲击波传过后，介质的熵是增加的； 4）冲击波相对波前介质是超音速的，即Du0c0 7.证明：冲击波相对波前介质是超音速的：
8.证明：冲击波相对波后介质是亚音速的：
9.起爆的有关定义：
感度：炸药在外界作用下（如冲击波）发生爆炸的难易程度称为炸药的敏感度或炸药的感度。起爆冲能：把使炸药起爆所需的外界作用的临界能量，称为初始冲能或起爆冲能。
感度分类：加热感度、火焰感度、撞击感度、摩擦感度、针刺感度、冲击波感度、光感度、静电感度等。（撞击感度、摩擦感度和针刺感度都是炸药的机械感度。）炸药起爆的规律：
各种炸药对不同形式的初始冲能具有一定的选择性
同一种装药激起起爆所需要的某种形式的能量不是一个严格固定的值。同一种炸药对不同初始冲能的感度之间没有一定的当量关系
爆发点：炸药能够导致爆炸的最低的环境温度称为炸药的爆发点。
临界应力：炸药100％不发生膛炸和早炸时所能承受的最大应力叫做炸药的临界应力。起爆深度：是指炸药中出现爆轰点的位置距隔板－炸药分界面的距离。
临界起爆压力：当入射压力低于某一临界值时，被发炸药将不能被起爆，此压力称之为炸药的临界起爆压力。10.起爆机理：
热起爆：在一定条件下，若化学反应放出的能量大于热传导所散失的热量，混合气体就会发生热积累，从而使反应加速，最终导致爆轰。
冲击起爆：一种炸药起爆后产生的冲击波通过某一介质起爆另一种炸药。10.均质炸药与非均质炸药的冲击起爆机理：
均质炸药是指物理结构非常均匀，具有均一的物理与力学性质的炸药
均质炸药在冲击波进入炸药后，在波阵面后首先受到冲击的一层炸药整体被加热，激发爆轰化学反应，形成超高速爆轰波，该超速爆轰波赶上初始的入射冲击波后在未受冲击的炸药中发展成稳定的爆轰。
非均质炸药是指炸药在浇铸、结晶过程或压装过程所引起的炸药物理结构的不均匀性，如气泡、缩孔、裂纹、粗结晶、密度不均匀以及由于种种原因在炸药中混入杂质等。
非均质炸药的起爆机理为热点起爆机理，即在冲击波作用下，波阵面上的冲击波受到强烈的压缩，但在被压缩层中的炸药温度升高并不是均匀的，因而化学反应首先从被称为“热点”的地方开始，进而传播到真个炸药层。11.热点的成长过程（1）热点形成阶段
（2）由热点向周围着火燃烧阶段（快速燃烧过程）（3）由快速燃烧转变为低速爆轰。（4）由低速爆轰转为高速爆轰。12.-爆轰波相对波前超音速：
pp0D2tg2vvv0 0由波速方程可得：
2c0dptg02dvs,ov 0由声速公式可得：
由图示可知：D>C0 13爆轰波相对于波后介质为声速：
14.Hugoniot曲线分段
14.可燃性气体分类： ○1可燃气体 ○2可燃液化气 ○3可燃液体的蒸气 ○4助燃气体 ○5分解爆炸性气体
（1）dc段：v>v0，p>p0
D为虚数（2）c点： v>v0，p＝p0
D＝0，定压燃烧
（3）CGAI段： v>v0，p
D>0，u<0；爆燃 其中，CGA段(p-p0)负压值较小，称弱爆燃支；
AI段(p-p0)负压值较大，称强爆燃支。
（4）A点的爆燃速度最大。其中，MLd段(p-p0)值较小，称弱爆轰支；
（5）MK段(p-p0)值较大，称强爆轰支。
M点的爆轰速度最小。
15.气体爆轰浓度极限: 通常情况下，气体混合物中可燃成分的浓度处于一定范围内时，才会发生爆炸现象，这个浓度范围称为爆炸浓度范围。能够发生爆炸的最低浓度叫爆炸浓度下限，而能够发生爆炸的最高浓度叫做爆炸浓度上限。爆炸浓度极限不是一个固定的物理常数，它与点火能、初始温度、压力、惰性气体等因素有关。16.ZND模型、螺旋爆轰的关系：
螺旋爆轰：爆轰波阵面的传播速度是不均匀的，出现周期性的振动现象；爆轰波后产物区，有规则的水平光亮条纹线，而且此光亮条纹线与波阵面的波纹状迹线有关。波阵面迹线上的每一个突峰处，对应于反应产物区中的一条光亮条纹。如果螺旋爆轰波在涂有粉末的管子中传播时，在管壁上会留下螺旋运动的迹线。
成因：螺旋爆轰是个普遍存在的现象，它主要是由于爆轰波反应区内流动的非一维性造成的，即存在横向波，使得反应区成为多波系的非定常结构。
ZND模型是对它们的简化，称为光滑的理想爆轰波。但实际上，所有爆轰波阵面是三维的、不光滑的、不稳定的。ZND模型：原始爆炸物首先受到前导冲击波的强烈冲击压缩，立即由初始状态O点被突跃压缩到N点的状态，温度和压力突然升高，高速的爆轰化学反应被激发，随着化学反应连续不断地展开，反应进程变量λ从N(vN,pN)点开始逐渐增大，所释放的反应热Qe逐渐增大，状态由点N沿瑞利线逐渐向反应终态点M变化，直至反应进程变量λ=1，到达反应区的终态，化学反应热Qe全部放出。
CJ理论假设：流动是一维的，不考虑热传导、热辐射及其粘滞摩擦等耗散效应；把爆轰波视为一强间断面；爆轰波通过后化学反应瞬间完成并放出化学反应热，反应产物处于热化学平衡及热力学平衡状态；爆轰波阵面传播过程是定常的。
17.影响气体爆轰传播速度的因素：
1、气体爆轰波的传播速度与盛气体管子的放置方法（垂直或水平、或倾斜）、起爆源的种类、引爆端是闭口还是开口等无关。与管子的形状有关。
2、混合气体的初始温度对爆轰波速度影响很小，随温度升高，爆速稍微下降，这是因为温度高使气体密度减小所造成的。如爆鸣气（2H2＋O2）初始温度为100C时，测出的爆速值为2821m/s，而1000C时为2790m/s。
3、混合气体的爆速随初始压力的提高而提高。
4、混合气体的爆速随初始密度的增大而增大。
5、加入惰性气体，对于较轻的惰性气体如He，爆速增加；对于较重的惰性气体如Ar，爆速减小。17.云雾爆轰：
所谓云雾爆轰系指液体燃料雾滴散布于气体氧化剂或空气当中形成的液一气两相混合物的爆轰。17.凝聚炸药
所谓凝聚炸药是指液态和固态炸药。
与气体爆炸物相比，除形态不同外，凝聚炸药还具有密度大、爆速高、爆轰压力大、所形成的能量密度高等特点，因而爆炸的破坏性强、威力大。18.探针法测爆速/爆压的原理：
爆速：利用各种类型的测时仪器或装置测定爆轰波从一点传到另一点所经历的时间间隔∆t，然后去除两点间的距离
SD∆s，这样就可得到爆轰波在两点间的传播平均速度D，即t 爆压：利用锰铜材料在动态高压作用下的压阻效应，也就是利用从实验得到PRR的关系确定压力值，测量CJ压力。
19.炸药的临界直径和极限直径：
在轴对称条形装药中，炸药的定常爆速随直径的减小而减小，当直径小于某一直径时，炸药便不能维持定常爆轰，该直径为临界直径。而随炸药直径的增加，爆速逐渐增加，当直径增大到一定尺寸后爆速不再增加，这时称为极限直径。这种装药直径大小对爆轰波的传播过程和传播速度的影响就叫作炸药爆轰传播的直径效应。产生这种情况的原因是爆轰产物和爆轰反应区会受到侧向稀疏波的影响，直径越小受到的影响越大，反应区的能量密度越小，波阵面强度越低，使得爆轰波的速度越低，反之亦然。19.影响直径效应的因素：（1）炸药的性质及状态（2）炸药颗粒度的影响（3）炸药密度（4）装药的外壳
20.影响凝聚炸药爆速的因素：
1、炸药性质
2、装药密度
3、颗粒尺寸和装药外壳对爆速的影响
4、附加物
5、轴向沟槽对爆速的影响
6、低速爆轰现象（初始起爆能量）20.低速爆轰现象：
现象描述：某些炸药，由于起爆能量不同，爆轰可以出现差别很大的高速或低速传播，而且在高爆速和低爆速之间没有稳定的中间速度。
原因：低速爆轰时，在反应区中爆炸反应不完全，只释放了部分能量，而相当多的一部分能量是在CJ面以后的燃烧阶段放出的，这样，用来支持爆轰传播的能量就较小，故低爆速爆轰传播的机理可以用表面反应机理解释。21.燃烧转爆轰的过程及条件： 过程：（1）燃烧波阵面后产物压力的迅速提高，进而造成压缩波向未反应炸药的传播；（2）火焰波阵面前方压缩波扰动的追赶聚集从而在未反应炸药内的某一距离处形成具有一定强度的冲击波；（3）未冲击波引爆未反应炸药的阶段，即SDT阶段。条件：（1）单位体积炸药中燃烧面积迅速扩大，如在冲击作用下形成大量的裂纹致使燃烧比表面积骤然扩大，燃烧失稳，使燃烧区压力急增，燃速加快，最后形成爆轰。
（2）炸药或推进剂在燃烧时存在包装或外壳，燃烧产物不能及时扩散，致使燃烧区压力迅速提高，形成冲击波冲击压缩未反应炸药，转化成爆轰。
（3）燃烧波阵面前方炸药中存在缺陷，在冲击作用下容易形成热点，形成爆轰。22.爆轰波波形的控制方法：
所谓爆轰波形状控制是指采用一定的方法控制爆轰波传播的方向，以达到改变爆轰波形状的目的。一般采用的方法有：在炸药中设置惰性块；改变引爆方式（改变引爆位置、多点引爆等）以及采用高低速炸药组合等。23.不稳定爆轰（冲击波）转稳定爆轰：
1当用爆速较高的传爆药柱引爆主装药时，在主装药的前部存在一段爆速高于主装药CJ爆速的不稳定爆轰区，并且传入的冲击波速度与主装药CJ爆速相差越大，不稳定爆轰区越长。
2当传入的冲击波速度低于极限爆速但高于临界爆速Dc时，通常会逐渐增长到极限爆速。传入的冲击波速度越低，不稳定爆轰区越长。
3当传入的冲击波速度低于临界爆速Dc时，不足以激发主装药的爆轰化学反应而逐渐衰减为声波。24.TNT当量定义：
在实验测定炸药作功能力时，一般采用在同样条件下，被试炸药作功能力与一定密度下某一参比炸药作功能力的比值作为试样的相对作功能力。常用的参比炸药为梯恩梯，相对比较值称为梯恩梯当量。冲击阻抗及其影响：（自学内容）冲击阻抗（Shock Impedance）：是指介质密度与冲击波速度的乘积，它是介质的动力学刚度，其量纲为Pa/(m/s)。其物理意义为：介质在冲击载荷作用下获得1m/s的速度所需之压强的大小。
当介质的冲击阻抗大于炸药的冲击阻抗时，则炸药爆炸后在与其接触的介质中形成冲击波，而同时反射回爆轰产物中也为一冲击波
当介质的冲击阻抗小于炸药的冲击阻抗时，则炸药爆炸后在与其接触的介质中形成冲击波，而同时反射回爆轰产物中也为一稀疏波。
当介质的冲击阻抗等于炸药的冲击阻抗时，则界面处不发生反射现象，入射波强度不变地传入介质中。p-u平面上的Hugoniot曲线:（自学内容）
爆轰实验 第5篇
关键词：机载灭火弹,弹体形状,装药结构,爆炸仿真
森林火灾不仅给人民的生命财产带来了巨大损失, 更是对生态环境的严重危害。如何快速、高效扑灭森林火灾一直是国内外专家研究的重点和难点。前人提出机载细水雾灭火弹理论, 结合了航空消防快速机动和细水雾技术经济环保等双重优势, 具有很好的发展前景。分析计算得出:相较于球形水雾云团, 当灭火弹爆轰后形成圆柱状细水雾云团时, 其对火焰的扑灭效果更为理想。如何有效控制细水雾的爆轰形态是亟待解决的问题。
在灭火弹的爆炸过程中, 不同的弹体形状和药柱爆轰波方向制约着爆轰产物质量和能量的分布。因此, 在弹体体积和比药量相同的情况下, 选择不同的弹体形状和装药结构都将会改变爆轰产物的分布或扩散, 从而影响灭火剂的抛撒方向。由于灭火剂的爆炸抛撒过程非常复杂, 每个阶段均遵循不同的力学及热力学规律, 很难对全过程进行计算。所以, 只针对机载灭火弹爆炸及灭火剂的抛撒过程利用ANSYS/AUTODYN软件进行数值模拟, 从而研究不同弹体形状和装药结构对灭火剂抛撒作用的影响, 为灭火弹的进一步设计提供依据。
1 灭火弹物理模型的建立
1.1 基础条件及假设
灭火剂爆炸抛撒的过程非常复杂, 影响因素较多, 为便于分析计算, 需要对模型进行合理简化。
(1) 灭火弹壳体采用低强度非金属材料, 弹体爆炸时会很快破裂解体, 其几何尺寸不会对仿真结果产生影响, 故仿真模型中不对壳体的厚度进行设定。
(2) 模型为轴对称结构, 为了节省资源, 提高运算效率, 只选择1/4模型进行模拟。
(3) 灭火剂采用水, 水在冲击载荷作用下具有准确的状态方程, 模拟效果较为真实。
1.2 材料模型的选取
物质的状态方程表达了一个热力学系统中几个状态函数之间的关系, 决定了物质在热力学系统中的各种状态变化。在ANSYS/AUTODYN的材料库中, 一种材料通常对应几种不同的状态方程。仿真实验中将空气看作理想气体, 便可以直接适用理想气体状态方程, 以下只对中心装药与水的状态方程进行选择。
中心抛撒装药采用TNT, TNT爆轰产物采用JWL状态方程, 其一般形式如式 (1) 所示。
式中:η为爆轰产物密度与初始炸药装药密度的比值, 即η=ρ/ρ0;A、B、R1、R2、ω为与装药状态相关的系数。
在爆轰冲击波的传播阶段, 水的模型采用MieGrüneisen方程, 其具体的形式取决于水受力的情况。水在压缩状态时, 计算如式 (2) 所示。
水在膨胀状态时, 计算如式 (3) 所示。
式中:e为单位质量的内能;μ为压缩比, μ=η-1, 当水压缩时μ为正值, 水膨胀时μ为负值;C0为声音传播速度;γ0为Grüneisen系数;a为体积修正系数;S1、S2、S3为经过大量实验拟合得到的系数。
1.3 灭火弹仿真模型的建立
相关研究表明, 当细水雾云团质量Mm≥7kg时, 可达到基本扑灭效果, 因此实验中取灭火弹水剂部分质量为7kg。由于灭火弹壳体强度远小于炮射灭火弹金属壳体强度, 因而选择比药量时在常规炮射森林灭火弹最佳比药量2%的基础上适当减少, 取1%, 装药选择最为常见的TNT炸药。保持装药量及比药量不变, 建立圆柱形、球形、纺锤形3种弹体形状和经典中心装药、改进型中心装药2种装药结构共6种弹体模型进行仿真。模型简图如图1~图3所示。
2 仿真计算及结果分析
2.1 SPH模型的建立
光滑离子动力学方法 (SPH) 是一种拉格朗日形式的无网格粒子法, 它具有自适应、无网格和粒子形式等特性。其运用离散化的粒子来表示物质, 这样物质的运动过程及运动情况就可以很方便地被记录下来。SPH方法的无网格特点能够克服在模拟过程中由较大变形量而带来的一系列困难, 非常适合处理类似炸药爆炸等在极短时间内产生很大变形的问题以及高度非均匀的动力学极端问题。
由于水弹爆炸是在极短时间内将水抛散到较大空间中的一种问题, 作用时间短、变形量大, 而SPH方法在研究这种问题时有着其他方法所不具有的优势, 所以仿真实验采用此种方法对灭火弹原理模型的爆炸抛散过程进行模拟。同时, SPH方法将水粒子化, 也便于研究灭火弹原理模型爆轰抛散形成细水雾云团的形态。
将单位制设为mg-mm-ms, 根据模型简图, 在AU-TODYN中建立灭火弹的SPH模型, 如图4~图6所示。
2.2 仿真结果分析
设置求解时间、步长控制、输出结果类型与时间间隔后, 即可开始进行仿真求解。仿真中整个爆炸抛撒过程时间很短。因此, 重力造成的影响可忽略不计。模型爆炸后, 各模型爆轰抛撒仿真云图, 如图7~图9所示。
对比仿真云图可以看出:
(1) 柱形弹体。两种装药结构弹体爆轰后都近似形成中间较宽、两端较窄的“陀螺”形水雾云, 其中经典装药结构模型爆轰产生的水雾中部分水粒沿着轴线向上方和下方扩散, 而改进型装药结构模型爆轰后中部粒子沿径向呈一定的速度梯度抛撒, 产生的水雾云图比较扁平。
(2) 球形弹体爆轰后水雾云图大致呈椭球状。经典装药结构的云图轮廓更为平滑, 两头水粒向外扩散明显, 易造成水剂云雾高度的增加。改进型装药结构的水雾云图较为“肥胖”, 其下部2/3粒子沿z轴向下的抛撒, 形成倒金字塔形状, 水剂向上抛撒的趋势并不明显。
(3) 纺锤形弹体爆轰后能够较好地形成类似圆柱状水雾云。经典装药结构的中部水粒的径向抛撒速率低于周边水粒, 形成中部向内凹陷的水雾云团, 同时两端水粒的径向速率均匀减小, 以锥形向外扩散;改进型装药结构的云团主体呈圆柱形, 圆柱上下截面处水粒径向速率骤减, 抛撒半径变化较大, 形成两端半球状结构。
此外, 在纺锤体灭火弹仿真模型中建立7个测量点, 得到水粒的速率及位移随时间的变化情况。
在爆轰的最初阶段, 炸能迅速转化为水粒子的动能, 中心部分水粒在最先获得较大速率后带动周围粒子继续扩散并进行能量传递, 速率不断衰减, 最终达到类匀速运动。由于药柱爆炸时间极短, 水粒子之间的能量传递迅速, 因此, 水剂在经历短时间的速率变化后便开始进行大致的匀速扩散, 其位移曲线也呈一条直线。
3 结论
(1) 同种装药结构下不同的弹体形状对灭火水剂的抛撒作用有明显影响, 纺锤形弹体模型爆轰后的水雾云团更接近于圆柱状, 灭火效能更佳。
(2) 同样的弹体形状下, 不同的装药结构对产生的水雾形状也有较大影响。与经典装药结构相比, 改进型装药结构能使灭火水剂在径向上形成一定的速度梯度, 有利于形成浓度均匀的细水雾云团。
(3) 水粒的径向和轴向速率在经历极短时间的变化后便大致维持一固定值, 其位移曲线也呈直线状增加。
参考文献
爆轰实验 第6篇
关键词：爆轰,多进程,并行化处理
数值计算为认识爆轰波结构和爆轰波传播机理提供了一种有效途径。早期基于一步或多步化学反应机理的爆轰波数值模拟不能帮助人们认识爆轰波传播的微观机理, 近年来基于详细基元化学反应的爆轰模拟受到研究者的重视[1]。在爆轰问题中, 涉及的基元反应的数目通常很多, 比如最简单的氢氧爆轰问题, 其基元反应的数目都有十几甚至几十个。对基元化学反应进行模拟需要很大的计算量, 因单处理器计算能力的提升遇到瓶颈, 需使用多处理器协同工作, 并开发与之匹配的并行程序。很多现有的爆轰计算程序都是基于串行化思想开发的, 无法发挥多处理器协同工作的能力。然而, 重新开发并行程序又是一项复杂的工作, 需要花费很大的人力、物力。如果能对现有串行程序进行一些简单的并行化处理, 使之能发挥并行计算的能力, 提高计算效率, 将有着较高应用价值[2]。
通过对某现有串行爆轰计算程序的分析和测试, 发现对化学反应的计算部分耗费了绝大部分的计算资源, 而这部分程序结构又具有很大的并行潜力。因此, 基于多进程的思想对这部分程序进行了并行化处理。经过在多核电脑上对并行处理后程序的计算能力和可靠性的测试, 结果表明:并行化后程序的计算结果是可靠的。并且, 只需对串行程序的化学反应求解部分进行简单处理, 就可以很大程度地提高计算效率, 达到“四两拨千斤”的效果。
1 程序的处理
1.1 串行程序分析
一维爆轰波的传播由带化学反应源项的欧拉方程控制, 其表达式为
式 (1) 中, U= (ρρYiρu e) T, F=[ρuρuYiρu2u (e+p) ]T, S=[0ωi0 0 0]T。ρ表示混合物的密度, Yi表示第i种组分的质量分数, u表示流体质点速度, e表示混合物的总能 (内能和动能之和) , p表示混合物的压强, ωi表示第i种组分生成速率。
求解带化学反应源项的欧拉方程的一种非常有效, 并且被广泛使用的方法是分裂时间步法, 即将每个时间步内的求解过程分为两步进行:第一步将化学反应冻结, 只求解流体的流动 (简称流动步) , 其控制方程为
第二步则将流动冻结, 求解等容条件下的化学反应 (简称化学反应步) , 其控制方程为
本文使用的某串行爆轰计算程序也是基于分离步法研制的, 其中流动步采用为求解可压缩流而设计的VAS2D程序[3]求解, 化学反应步中采用ChemkinII软件包求解基元化学反应。程序的详细说明见文献[4]。
通过考察一计算网格数为80 000, 含9组分, 48步不可逆基元反应的氢氧爆轰的具体算例, 发现流动步和化学反应步两部分是整个计算程序的核心, 花费95%以上的计算时间。某个时间步内, 流动步花费总时间的1.1%, 化学反应步花费98.9%。可见, 花费在化学反应步的时间比流动步的时间大得多, 并且, 随着基元反应数目的增加, 化学反应步花费时间的比重将继续增大。
在流动步, 由于各计算网格的物理量相互影响, 具有强相关性, 对这部分进行并行化处理需要花费大量精力。而化学反应步的实现过程是对式 (3) 在各计算单元内单独积分, 因此各网格之间物理量没有相互影响, 对这部分实行并行化则非常容易。
1.2 并行化处理
通过对串行爆轰程序的结构、各部分对计算资源消耗量以及各部分并行化处理难度的分析, 决定采取“分而治之”的办法, 只对计算资源消耗大, 而并行化容易的化学反应步进行并行化处理。为使并行化处理后的程序在单台多核电脑和多台电脑组成的集群上均可运行, 基于多进程的思想, 采用MPI并行库对程序中每个时间步内化学反应步部分进行并行化处理, 具体实现分下面几步进行:
(1) 主进程将每个计算网格的物理量数据平均分配并发送到所有进程 (包括主进程) 上;
(2) 各进程 (包括主进程) 接受数据, 并独立调用求解化学反应的子程序对每个网格的化学反应进行求解, 完成后将计算结果发送到主进程;
(3) 主进程将各进程的计算结果进行收集, 以便进行下一时间步的流动步计算。
因为计算任务是根据网格数均分的, 而每个网格的计算量基本相同, 所以各个进程的负载是均衡的。
2 并行程序可靠性和计算性能测试
2.1 可靠性验证
为检验并行处理后程序的可靠性, 通过两个被广泛应用于检验新程序的算例对其进行校核。算例中使用的氢氧化学反应基元模型为一9组分, 48步不可逆基元反应模型, 该反应机理已被实验很好地验证[5]。
第一个算例为一密闭绝热容器中充满H2∶O2∶Ar=2∶1∶7的混合气体, 初压为131 820Pa, 瞬间加热到某一初始温度后发生等容反应。初始阶段化学反应非常缓慢, 经过一段诱导期后化学反应加快, 温度迅速上升。把从初始时刻到温度上升20℃时刻间的时间间隔定义为化学反应诱导时间。图1比较了本文计算的不同初始温度下的反应诱导时间与文献[6]中的结果, 可见, 两者符合得相当好。
第二个算例是反射激波点火问题。在一长为12cm的激波管中充满H2∶O2∶Ar=2∶1∶7的混合气体, 一自右向左传播的激波碰到左端壁后反射, 反射激波后的气体达到点火条件, 经过一段诱导时间后开始快速反应, 压力、温度升高并最终形成爆轰波。计算中采用的初始条件和边界条件参看文献[6]。当爆轰波追上反射激波后, 发上相互作用。图2给出了整个过程中不同时刻的压力、温度、质点速度、OH摩尔分数和H2O摩尔分数的计算结果, 并与文献[6]中提供的数据进行比较。可见, 整个过程中各物理量吻合得非常好, 说明并行化后的程序是可靠的。
(a) 压力; (b) 温度; (c) 速度; (d) OH摩尔分数; (e) H2O摩尔分数。
2.2 计算效率考察
在一四核PC上, 通过一个计算网格数量为80 000, 含9组分, 48步不可逆基元反应的氢氧爆轰的具体算例, 来检验并行化后程序的计算效率。表1列出了使用不同CPU核心数时典型时间步内程序各部分所花费的时间以及并行加速比 (并行计算花费总时间与串行计算花费总时间之比) 。可见, 当使用一个核心时, 与串行程序的计算效率接近。随着使用CPU核心数的增加, 计算效率快速提高。因为并行过程中, 各核心之间不交换数据, 因此并行加速比大致与使用核心数成正比。
3 结论
通过对某具有代表性的串行爆轰计算程序的编制思路和结构进行分析, 结合程序本身的特点, 基于多进程的思想, 对程序中的化学反应步进行了并行化处理, 并进一步考核了并行化后程序的可靠性和计算效率, 可以得出如下结论:
(1) 基于基元化学反应的爆轰计算程序中对化学反应的求解将花费大量的计算时间, 而对化学反应的求解是分别对各计算网格进行的, 具有很好的并行潜力。
(2) 并行化处理后的程序在计算气相爆轰问题时是可靠的。
(3) 通过对程序的简单并行化处理, 可以充分利用多核电脑的优势, 极大地提高计算效率, 达到“四两拨千斤”的效果。
该程序设计方法具有通用性, 凡是基于分离时间步法 (即将流动和化学反应分离求解) 编制的程序都可使用。
参考文献
[1] Deiterding R.Parallel adaptive simulation of multi-dimensional deto-nation structures.PhD thesis.Technical University Cottbus, Germa-ny, 2003
[2]黄清楠, 张亚林, 钟敏.高性能服务器上爆轰波传播的并行计算.信息与电子工程, 2003;1 (1) :46—52
[3] Sun M.Numerical and experimental studies of shock wave interactionwith bodies.PhD thesis, Tohoku University, Japan, 1998
[4]李辉煌.非定常复杂流动及波系干扰实验和数值研究.合肥:中国科学技术大学博士学位论文, 2005
[5] Oran E S, Young T R, Boris J P.Weak and strong ignition.I Nu-merical simulations of shock tube experiments.Combustion andFlame, 1982;48:135—148
爆轰实验 第7篇
目前纳米二氧化钛的制备方法主要有液相法和气相法[5,6,7,8,9]。液相法制备纳米二氧化钛晶体,要经过高温煅烧,而高温容易引起粒子的团聚,降低产品的质量,且煅烧易造成碳污染。气相法又包括气相燃烧和气相爆轰,气相燃烧法制备的纳米二氧化钛团聚较为严重,况且过程较为复杂,比较难以控制。而气相爆轰操作简单,生产设备费用低,产物纯度高,分散性好,且能连续生产等一系列优点使得气相爆轰制备纳米氧化物成为一种新兴的材料制备方法[10]。在氢氧气相爆轰合成纳米二氧化钛中,原料的含量比对产物的晶粒组成和颗粒大小和分散性都产生比较大的影响[11]。本工作就固定氢气和四氯化钛的含量比通过调节氧气的含量比的变化来探究其对纳米粉体的影响。
1 实验
1.1 实验设备及方法
图1为自行设计的气相爆轰管,其主要有内径为100mm的钛管,钛法兰密封所得到的密闭容器,同时配有起爆端、进料口,抽气口、保温系统等附件。实验时,首先利用加热系统把装置加热到150℃(已超过了四氯化钛的沸点136.4℃),再利用真空泵把装置抽成真空,然后再将一定量的四氯化钛液体注入装置中,此时指针发生比较大的变化,根据道尔顿分压原理,即可计算注入四氯化钛汽化后的体积。然后从阀门快速的依次通入氢气和氧气,此时可以通过压力表上的压力值的变化量来计算通入的氢气和氧气的量,静止3～5min,待气体完全混合均匀后,利用高能点火器连接的火花塞产生的电火花引爆。等温度降为常温后,排出管内的有毒气体,收集管内粉状物并通过XRD和TEM表征手段对粉末进行表征。
1-Value lead;2-Vacuum watch;3-Initiation point;4-Feed inlet;5-Pressure sensor;6-Temperature-keeping equipment;7-Vacuum pump
1.2 实验原理
本实验是利用氢气和氧气在爆炸时产生的高温、相对高压、高速(大约2000m/s),反应时间短(微秒量级)等特性使气态的四氯化钛和爆轰产生的水蒸气发生水解反应,其反应方程式如下:
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式中:g代表气体;s代表固体,反应后排出尾气,收集雪花状生成物。分别将工况1(TiCl4∶H2∶O2=1∶2∶2)、工况2(TiCl4∶H2∶O2=1∶2∶1.5)、工况3(TiCl4∶H2∶O2=1∶2∶1)、工况4(TiCl4∶H2∶O2=1∶2∶0.75),工况5(TiCl4∶H2∶O2=1∶2∶0.5)(以上比例皆为体积比)5种状态下所制得的产物分别标为样品1、样品2、样品3、样品4和样品5。具体配比和实验初始条件如表1所示。
Note:a-A is anatase,R is rutile ; b-The particle diameter obtained by the scherrer formula
1.3 产物分析
对于收集到的粉体颗粒的晶体结构采用XRD-6000型X射线衍射仪进行晶型分析,仪器的分析参数为Cu靶(Kα,λ =0.15406nm),电压40kV,电流30A,扫描速率10(°)/min,扫描范围20～80°;通过Tecnai G220 S-twin透射电镜观察粉体的形貌和大小。
2 实验结果与分析
2.1 XRD分析
图2为5种不同配比下产物的XRD分析结果,由图2可以看出,其中前4种工况下所生成的产物都为金红石相和锐钛矿相的混合晶体,随着氧气含量的增加,锐钛矿相的峰的强度越来越大,而金红石相的衍射峰强度越来越小,而第5种工况下,所生成的产物为中间产物TiCl3·6H2O和金红石相的混合晶体,锐钛矿相和金红石相的相对含量可以根据Spurr和Myers[12]方法的公式计算, 公式如下:
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式中:X为金红石相在混合晶体中的相对含量;IA和IB为XRD图谱中2θ=25.3°,锐钛矿相(101方向晶面)和2θ=27.5°,金红石相(110方向晶面)的衍射强度。其平均晶粒度可以用Scherrer公式计算。
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式中:K为常数,取0.89;λ为入射波长,取0.15406nm;B为衍射半峰宽;θ为布拉格角。把数值带入公式(2),(3),可以得到晶粒的参数,计算结果如表1所示。
由表1可以看出:随着氧气含量的增加,锐钛矿相的相对含量变大,而金红石相的相对含量变小,在第1种样品中锐钛矿相的二氧化钛的相对含量为86.8%,可以看做是较为纯净的锐钛矿相的二氧化钛。要想得到纯净的锐钛矿相,氧气的含量必须还要高,以减小爆轰强度,即降低了爆炸温度,从而减少锐钛矿相向金红石相的转化。在第4种工况下,金红石相可达94.3%,可以看做是纯净的金红石相的二氧化钛。在第5种工况下,产物中已经没有锐钛矿相,而是中间产物和金红石相的混合晶。可见要产生非常纯净的金红石相的二氧化钛,比例应该控制在大约O2∶H2∶TiCl4=(0.5～0.75)∶2∶1。这是因为随着氧气含量的减小,意味着氢气的含量变大,在一定范围内,随着氢气含量的增加,爆轰产生的能量也会变大,温度更高。在化学计量浓度下根据内插值法[13]计算得到的爆温为2484K,远高于锐钛矿相向金红石相的转变的相变温度1181K[14]。温度越高,这种转变就会越容易,从而金红石相的含量就会越大[15],由于时间极短,并没有完全转化为金红石相。而对于第5种工况下,可以看出,混合晶中已经没有了锐钛矿相,这说明,锐钛矿相已经完全转化为了金红石相,而又由于前躯体的相对含量过大,从而引起反应的不完全而出现了中间产物TiCl3·6H2O,而中间产物并不能向金红石相转变。
根据表1中氧气的相对含量和产物中锐钛矿相的相对含量得到图3,图3为在不同氧气含量下混合晶中锐钛矿相的相对含量。通过图3可以看出,在氧气不足的情况下,随着氧气含量的增加,锐钛矿相的含量呈较快的上升趋势,这是因为此时氧气不足,氢气是过量的,爆炸后的温度较高,锐钛矿相比较容易的向金红石相转变,从而变化的比较明显,而超过化学计量浓度之后,由于氢气含量的变化不是很大,产生的能量变化也相对较小,锐钛矿相的含量有一个相对迟缓的增加。
2.2 TEM分析
图4为样品3的TEM图。通过样品3的TEM图可以看出,颗粒呈球形,颗粒大小一般在80～100nm左右,但是也有150nm左右的颗粒存在,通过图4可以发现,样品的分散性较好。
图5是样品1,2,4,5的TEM图。通过图4和图5比较可以看出,产物基本上都是球形或者类球形,随着含氧量的减少,产物的粒径呈变小的趋势,在氧气含量不足的时候,生成的产物颗粒较小,但是产生了团聚现象,这是因为,氧气不足意味着氢气过量,爆炸后的温度也就越高,颗粒的运动速率就会越大,就越容易形成团聚,但是这时产生的产物的颗粒比较均匀,这是因为温度越高,碰撞频率也就越大,碰撞次数也就越多,形成的颗粒粒径也就较均匀。而在样品5中,通过XRD分析得到的是中间产物和金红石相的混合晶体,这时的产物的颗粒大部分不再是圆滑的球形,中间出现了棱角,得到的颗粒也相对较大且均匀。
2.3 产出率与粒径分布
表2为不同氧气含量下的纳米二氧化钛产出率,由表2可以看出,各工况下的纳米二氧化钛产出率在80%左右,能保证较高的产出率。
通过马尔文激光粒度仪测得各工况下产物的颗粒粒径分布,根据测得的结果发现各工况下的产物的颗粒粒径分布差别不大,因此只给出了样品3的颗粒粒径分布直方图。图6为马尔文激光粒度仪测得的样品3的颗粒粒径分布直方图,由图6可以看出,颗粒的粒径大多分布在150～200nm左右,与TEM图有一定的差别,这是因为TEM得到的是单个纳米二氧化钛颗粒粒径的大小,由于有团聚现象,马尔文激光粒度仪测量的是颗粒(包括团聚的颗粒)的粒径,因此会比TEM的结果大。
3 结论
(1)通过气相爆轰制备出的纳米二氧化钛,在其中两种不同的工况下分别得到了比较纯净的金红石相或者锐钛矿相,是一种较好的制备纳米二氧化钛的方法;随着氧气含量的增加,产物中锐钛矿相的相对含量变大,产物的粒径变大,大约为80～100nm,分散性也变好。
(2)在气相爆轰制备纳米二氧化钛的过程中,若氧气含量过低,当氧气含量低于20%时,由于氧气的严重不足,导致前躯体的含量相对过高,从而产生中间产物。
爆轰实验 第8篇
耐高压的爆轰罐是不可缺少的。图1给出了徐康等人采用的水中爆轰(湿爆)装置的示意图[1]。
全套装置主要由以下部分组成:导线1,容器盖2,爆炸罐3,雷管4,炸药柱5,以及灌在爆炸罐中包裹炸药和雷管的水。
图2(a)所示为白俄罗斯辛达科学与制造联合股份公司 (СИНТА 公司)的爆轰罐实物照(干爆)。他们的后处理已经形成自动化流水线,可连续提纯纳米金刚石。图2(b)所示为控制单元局部照片。对于大批量生产来说,此套装置是较适用和较先进的。
照片中白俄罗斯辛达公司的爆轰罐每炮可装炸药10kg,年产能为20t。更新的设计其体积比它小3倍,而产能是它的2倍。
干爆必须有抽真空的辅助装置,抽空后并需充以惰性气体。这就需要备有与爆轰罐容积相适应的真空泵以及氮气瓶或二氧化碳气瓶。
湿爆与干爆相比,效率高占地小。但应注意二者产物的表面官能团是不同的,这对其性能是有影响的。
一般小型可采取1~2m3爆轰罐,钢材厚度约需2cm,常用16MnR钢或其它高强度钢。为了减少爆轰灰的杂质,可采取内壁为不锈钢的复合材料。文潮[2]选用内层 为OCr18Ni9Ti不锈钢、外层为16MnR钢的复合板制作爆轰罐,从而使得纳米金刚石的杂质含量大为降低。具体数据见表1。
2爆轰法合成的工艺
负氧平衡法制造纳米金刚石,炸药是必备的。通常都是以TNT为基础,但还必须加入爆炸力更强的烈性炸药,因为TNT的爆炸能量不够。一般常用的最具代表性硝基化合物有以下几种(表2):
目前大多采用TNT与RDX的不同比 例的组合,其中各占一半的居多。通过不同的比例,在一定范围内也可控制纳米金刚石粒径的大小。
首先要将TNT炸药经水浴加热至80℃熔化,再将RDX粉撒入并搅拌,冷却。这一步是将炸药制成一定形状的药柱。然后,将雷管、导线等安装好,置入爆轰罐中。密封、抽空、充惰性气体、引爆。干爆必须静置几个小时之后,才能卸盖、出料。否则大量黑粉会飞出。干爆的优点是所得黑粉分散较好,后处理较容易。
黑粉中金刚石的含量,随工艺的变化可在30% ~80%之间调节。例如使用12m3的爆炸罐,炸药为TNT/RDX(50:50),总药量约1.2kg。爆炸罐内 壁用不锈钢制造,可大大减少产物的杂质。爆轰前罐内气压抽至小于200Pa,然后充入氮气至1大气压。每炮可获得爆轰灰混合黑粉约0.14kg,其中纳米金刚石含量高达九成以上;用纯TNT做炸药可爆轰出几乎不含金刚石的纳米石墨粉,爆轰灰中石墨粉得率约为30%。选择最佳爆轰条件使得负氧平衡法制造的纳米碳,其表面不带有不利于提纯的官能团。
爆炸压力下降的速度等于声速,但温度下降缓慢。为使金刚石尽可能减少逆变换,须采取必要措施以加速降温。爆轰罐中充以惰性气体氮是一种常用的方法。
黑粉经提纯后可得到灰粉———纳米金刚石。目前,较好的工艺可得到炸药量约8%的纳米金刚石。
为了提高转化率通常采用水冷。水冷大体有两种不同的形式。一种是用水喷淋;另一种是炸药置于水池中。通常所说的水爆是指后者。水爆不仅转化率较高,而且省去了抽空、充气等繁杂手续,引爆后亦不必长时间 静置。现举一实 例[3]:在120L的容器中,先加入~50L水。药柱由TNT/RDX=50/50制成,尺寸为Φ100×60mm,重约90~100g。雷管和药柱同时浸在水中,药柱顶端距水面~150mm。为提高工作效率,徐康等人采用了水下连续爆轰的方法。1次爆轰金刚石得率为7.7%,9次连续爆轰金刚石得率为5.6%。平均每增 加一次爆 轰,相对得率 降低1.56%。对所得的纳米金刚石进行了XRD,TEM和IR光谱分析,结果表明连续爆轰对产品的性能无明显影响,对金刚石的提纯亦无不良影响。不同的爆炸形式,所得到的纳米金刚石其表面状态是有所不同的。
3纳米金刚石的提纯
纳米金刚石的提纯与通常的微米金刚石有许多不同之处,因而有必要单独叙述。提纯是纳米金刚石生产中必不可少的环节,它在成本中占一半还多,而且不同方法对纳米金刚石的性能尤其是表面性能有重要的影响。有时对不同的应用领域需要采用不同的提纯方法。
3.1液相提纯
液相提纯是最原始的,但也是工艺种类最多的。 概括有硝酸、浓硫酸、高氯酸及它们之间的混合物,浓硫酸+高锰酸钾、浓硫酸+重铬酸钾、高氯酸+重铬酸钾、硝酸+过氧化氢,等等。具体操作又有常压与高压之分。
很多情况下,这一步的成本比上一步(动压)还要高很多。它与静压法制造的金刚石在化学处理过程中有许多不同之处。早期的工艺中对此工作[4]做了较细致的总结。
古巴列维奇(ГубаревичТ.М.)等人[5]研究的稀硝酸高压提纯法(8~12MPa)是较先进的,该方法建立了整套的酸蒸汽和气体收集回收利用系统、硝酸制取和再循环水处理系统,硝酸利用率达75%~80%。 系统优点明显,但对设备有耐腐蚀,耐高压高温要求等,投资成本高。白俄罗斯辛达公司即用此原理采用稀硝酸提纯。同时采用微孔钛管过滤与水清洗相结合的方法。工作条件是10MPa压力和100℃ 温度, 自动化程度较高,可连续处理,24h可处理10kg纳米金刚石。此法无污染,但因高压有一定的危险性。
周刚等人[6]设计了两种化学提纯装置,即温控电动搅拌系统和恒温磁力搅拌系统。由加热装置(油浴)、反应容器、电动搅拌器或磁力搅拌器、冷却吸收装置等部分组成。首先使爆轰灰与作为强氧化剂的高氯酸与浓硫酸的混合物在某一恒定温度下发生氧化反应,石墨和无定形碳被分离。溶液冷却后洗去酸液,经沉淀后再加氢氟酸,除去沙尘一类杂质;再洗去酸液,沉淀、烘干,就可得到纯净的金刚石粉。
陈鹏万等人[7]用H2SO4+KMnO4的方法,做到了高效、安全,成本比用HClO4法低一半。 不仅如此,产品的抗氧化性还有所提高。H2SO4+KMnO4的方法使纳米金刚石的起始氧化温度比用纯HClO4方法提高了8℃,达到536℃;失重50%时的温度是647℃,比用纯HClO4方法提高了22℃。
杨晓光等人[8]用(0.4~0.5)g/ml的Na2S2O8和 (0.35~0.5)g/ml的KF·2H2O溶液配合使用,经180℃~200℃高温密闭8~10h,提纯后的纯度达到99.90%以上。前者作为氧化剂,后者作为除硅剂,二者配合使用效果最佳。
曹诗倜等人[9]用硫酸加碘酸钾的办法清除石墨, 处理爆炸合成料的成本由1.74元/克料 (纯高氯酸法)降至0.74元/克料,而且处理时间大大缩短。
有人建议尽量用稀酸并在温度较低的环境下提纯,这可减少对纳米金刚石的腐蚀。
电渗析亦是提纯方法之一[10]。图3所示为电渗析装置示意图。电渗析池1中装有阳极2和阴极3, 它们被阳离子交换膜5和阴离子交换膜6隔开,待提纯的黑粉悬浮液置于工作腔4中。纳米金刚石表面带有负电荷,施加电场后会向阳极移动。电场强度为15Kv/m较好。处理时间不超过6h。
3.2气相提纯
刘玉存等人[11]对气相氧化法做了研究。通过差热分析确定了石墨与金刚石的氧化温度不同,石墨的终止氧化温度为326℃,而金刚石的起始氧化温度为516℃。试验环境是常压下的空气。他们选用的爆轰灰气相氧化温度为440℃,焙烧时间是400min。但这种方法不能得到纯度高的纳米金刚石,还需用王水浸泡才能清除金属和残留石墨。此法对环保有一定的进步意义,但产品的抗氧化性与液相提纯无大的差别。
石墨对氧原子的活性,比金刚石高3~5个数量级,石墨在无焰放电等离子体中最易氧化,生成CO和CO2。低温等离子体氧化法为纳米金刚石的提纯又开辟了一条新的途径,它消除了化学试剂消耗量大及中毒、爆炸的危 险。 前苏联的Дерягин Б.В., ФедосеевД.В.,АндреевВ.Д.等人[12]在这方面做了有益的探索。
摘要：纳米金刚石因其优异的性能被人们广泛关注,在许多领域拥有诱人的应用前景。目前制备纳米金刚石的主要方法是负氧平衡法,所以选用的设备和如何有效对爆轰金刚石纳米粉进行提纯成为了研究的主要问题。文章从制备纳米金刚石的装置,合成工艺,以及产品的提纯三个方面论述了纳米金刚石的制备工艺。
