基于弹丸膛内运动参数和压力测试的火炮膛内燃气温度估算方法

为了解决火炮膛内测试环境恶劣而导致发射药燃气温度测试难度大的问题,基于微波干涉仪、压力测试系统,结合发射药配方性能计算理论、装药内弹道性能计算模型等理论,建立了一种基于实测参数的火炮膛内燃气温度估算方法,并开展了试验研究。结果表明:火炮膛内燃气温度的最高值约为2631.8 K,随着弹丸运动迅速降低,弹丸出炮口时膛内燃气温度降低到约1858.4 K;建立的火炮膛内发射药燃气温度估算方法可以有效地获得火炮整个内弹道过程中火药燃气温度随时间的变化规律,为低烧蚀发射药及装药的研制提供了一种新的研究手段。

六(2-烯丙基苯氧基)环三磷腈衍生物交联改性加成型液体硅橡胶的结构与性能

为了提高液体硅橡胶的性能,设计合成了一种活性六(2-烯丙基苯氧基)环三磷腈衍生物(HAPPCP)改性剂,研究了HAPPCP对加成型液体硅橡胶力学性能、热稳定性能、耐烧蚀性能及阻燃性能的影响。结果表明:相比于未改性体系,3份HAPPCP改性加成型液体硅橡胶的拉伸强度和断裂伸长率分别提升40.5%与204.4%,质量烧蚀率和线性烧蚀率分别降低了19.90%和55.70%,5份HAPPCP可使800℃的质量残留率提升由18.86%提升到30.15%;HAPPCP改性加成型硅橡胶的阻燃性能获得改善,使改性硅橡胶材料从易燃材料变为可燃材料,燃烧过程中总热释放速率下降、热释放速率峰值降低、释烟量下降,材料燃烧时的危险等级减轻。

钝感高能硝胺发射药内弹道性能的预测

为了分析钝感高能硝胺发射药内弹道性能的影响因素,基于密闭爆发器试验和14.5 mm弹道测试构建了高能硝胺发射药的内弹道模型,采用粒子群算法拟合了模型修正系数,进而基于模型理论计算分析了燃烧渐增性因子Pr及装药量ω对弹丸初速V_(0)和最大膛压p_(m)的影响。结果表明:基于经典内弹道理论预测高能硝胺发射药动态燃烧特性时,需考虑燃速修正系数χ和火药力利用系数η。与静态燃烧相比,动态燃烧的等效燃速相对增长可超过10%。同时,由于能量耗散的影响,理论计算中仅80%左右的火药力可有效转换为弹丸动能。发射药内弹道性能受Pr、ω、χ和η的耦合影响。作为主要机制,发射药静态燃烧性能和装药量显著影响着内弹道性能;V_(0)和ω线性正相关,p_(m)可表征为ω的指数函数;Pr决定了不同关联式中的系数。然而,在不同工艺条件下,χ和η的波动使内弹道性能变化,增大了拟合关联式的预测偏差。

响应面法优化球扁药脱硝工艺研究

为探索工艺参数对球扁药脱硝反应的影响规律,利用响应面法的Box-Behnken设计优化球扁药脱硝工艺。在单因素实验基础上,分析了脱硝剂质量分数、反应温度和反应时间对梯度硝基球扁药爆热的影响;利用显微拉曼技术研究了梯度硝基球扁药的微观结构组成;并采用密闭爆发器实验对脱硝前、后球扁药的定容燃烧性能进行研究。单因素实验和响应面法优化结果均表明,影响梯度硝基球扁药性能的工艺参数主次顺序为:反应温度、反应时间、脱硝剂质量分数。通过响应面法建立的脱硝工艺参数与梯度硝基球扁药爆热之间的模型相关系数为0.9785,且实验验证所得爆热与响应面模型预测的爆热基本吻合,表明优化得到的响应面模型具有可靠性和有效性。拉曼表征结果表明,梯度硝基球扁药表层硝酸酯基的分布由表及里呈梯度递增趋势。通过调节工艺参数,使得梯度硝基球扁药的爆热和燃烧渐增性大范围可控,为梯度硝基球扁药性能的精准调控提供了技术和理论支持。

甲酸铵含量对现场混装乳胶基质流变及热分解性能的影响

为提高现场混装乳化炸药的耐高温性能,制备了4种不同甲酸铵含量的现场混装乳化炸药基质样品。采用旋转流变仪和同步热分析仪研究了4种样品的流动性、黏弹性、黏温及其热分解性能。结果表明:加入甲酸铵可以提高现场混装乳胶基质的黏度,且随着甲酸铵质量分数的增加,样品的黏度出现先增大后减小的趋势;与未添加甲酸铵的样品相比,加入甲酸铵的样品的弹性模量增大,稳定性增强;当甲酸铵的质量分数不大于9%时,在50℃左右的温度下,乳胶基质的黏度均能够满足泵送要求;甲酸铵的加入对乳胶基质的热分解过程没有明显影响;随着甲酸铵质量分数的增加,其外推起始分解温度、活化能、热爆炸临界温度和自加速分解温度均有所增加,现场混装乳胶基质的热稳定性和热安全性得到提升。

单基发射药的药型对分子裁剪反应过程动力学的影响

为研究药型尺寸对单基发射药分子裁剪反应过程的影响,以水合肼为脱硝试剂,对七孔、单孔和无孔单基发射药进行表层分子裁剪,制备了3种梯度硝基单基发射药。基于Avrami模型对不同药型单基发射药分子裁剪反应过程的动力学进行了研究,结果表明:Avrami模型可以用于描述3种药型单基发射药的分子裁剪反应过程;七孔单基发射药的Avrami指数,在70~75℃范围内n>1,分子裁剪反应过程受化学反应过程控制;在75~80℃范围内n<1,分子裁剪反应过程受内扩散和化学反应共同控制。单孔和无孔单基发射药的Avrami指数n<1,分子裁剪反应过程受内扩散和化学反应共同控制。依据Fick定律求得单孔和无孔单基发射药的扩散系数D,单孔单基发射药的扩散系数为3.8×10^(-13)~10.2×10^(-13)m^(2)·s^(-1),无孔单基发射药的扩散系数为3.7×10^(-13)~5.1×10^(-13)m^(2)·s^(-1);利用Arrhenius方程计算出3种单基发射药的表观活化能,七孔、单孔和无孔单基发射药的表观活化能分别为45.84,52.88和38.26 kJ·mol^(-1)。研究通过对不同药型单基发射药分子裁剪反应过程动力学的研究,为梯度硝基单基发射药的可控制备提供理论指导。

基于再展开法的包覆型含能药粒间静电相互作用模型与安全边界构建

针对包覆型含能药粒生产过程静电安全边界不清问题,结合再展开法与多层介质壳构型构建摩擦电包覆型含能药粒与药粒间的静电相互作用模型,基于改进Paschen定律明确包覆型含能药粒静电放电的电荷密度与场强阈值边界,揭示颗粒结构与电学关键参数对包覆型含能药粒静电安全性的影响规律。研究结果表明:包覆层极化效应增强了药粒间电场与吸引力,导致带电药粒同性相吸团聚,加剧了静电放电风险;在相同带电量下,被包覆活性金属导体药粒间吸引力远高于被包覆单质炸药介质药粒;当表面电荷密度为±5.0μC/m^(2)时,包覆型活性金属导体药粒间电场会超过空气击穿阈值,发生放电;对于包覆型单质炸药介质药粒,只有表面电荷密度达到±50μC/m^(2),电场才会超过击穿阈值;包覆型活性金属导体药粒静电安全性远小于包覆型单质炸药介质药粒,更容易发生静电团聚与静电放电。

紫外-冷凝老化对碳纤维/环氧树脂复合材料性能的影响

目的研究碳纤维/环氧树脂基复合材料在紫外光和冷凝环境条件下的老化特征及性能变化。方法采用紫外-冷凝交替的加速试验对3233/CF3011/52复合材料进行加速老化研究,借助力学试验机、扫描电镜(SEM)、DMA等技术手段,观测研究老化前后复合材料的力学性能、微观形貌、玻璃化转化温度等变化。结果随着老化时间的延长,3233/CF3011/52复合材料表面发黄,局部纤维裸露更加明显,弯曲强度呈下降趋势,且老化83 d后,弯曲强度下降约50%,基体树脂的纳米压痕深度有所增大。复合材料的储能模量下降了约1 GPa,内耗增大,玻璃化转变温度随老化时间呈先增大、后降低的趋势。结论3233/CF3011/52复合材料的弯曲强度随老化时间的延长而下降,并且断口形貌中纤维拔出痕迹更加明显,表明紫外-冷凝交替作用对复合材料的纤维/树脂界面产生了一定程度破坏。老化前期,紫外辐射能量使树脂基体继续交联,一定程度上提高了复合材料的玻璃化转变温度,而老化过程中水分子对树脂的增塑作用,以及光老化降解使得基体树脂硬度下降,材料的玻璃化转变温度降低。

DNP基熔铸炸药烤燃试验与数值模拟研究

3,4-二硝基吡唑(DNP)基熔铸炸药由于兼具高能量和高安全性,在含能材料领域具有广阔的应用前景,研究该炸药热安全性对其工程化应用提供理论和试验支撑至关重要.为了探究DNP基熔铸炸药热响应特性,开展烤燃弹尺寸为?60 mm×240 mm的DNP基熔铸炸药在60°C/h加热速率下的烤燃试验,并监测其内部温度变化;同时,利用Fluent软件建立了烤燃试验数值模拟模型,在验证烤燃模拟方法的基础上,分析了烤燃过程中温度场等随时间的演化规律,进一步研究了升温速率以及烤燃弹放置方式等因素对烤燃模拟结果的影响.研究结果表明:烤燃试验响应程度均为爆燃反应;试验响应参数与模拟计算结果相差5%以内,初步验证了数值模型的可靠性;升温速率会明显影响烤燃弹的响应时间、响应温度和响应区域;烤燃弹放置方式主要影响其响应区域的分布.

工艺参数对空心药柱压制成型后回弹的影响

针对解决高聚物黏结炸药(polymer bonded explosives,PBX)粉末压制成型后药柱回弹量过大,导致药柱密度分布不均匀并影响药柱质量的问题,基于连续介质力学炸药粉末模压成型方法,采用Shima-Oyane材料模型,建立了JOB-9003空心药柱压制模型,分析了不同工艺参数对空心药柱压制成型后回弹量的影响。研究结果表明:Shima-Oyane材料模型能够有效地分析空心药柱压制后的回弹量。在轴向上,药柱的回弹量表现为两端大、中间小;在径向上,内、外圆区域回弹量波动较大,中间层区域变化较小。当压制力20 MPa、保压时长60 s、压制速度2 mm/s时,药柱的回弹量最低,为0.271 mm;平均相对密度最大,为0.974。此时,药柱的致密化程度高,成型质量较好。

酸助剂对现场混装乳化炸药敏化速率的影响研究

为探讨酸助剂对现场混装乳化炸药敏化速率的影响,本研究通过改变酸助剂的种类、浓度和添加量来优化炸药的性能和安全性,通过测量基质发泡高度来计算乳化炸药密度。结果表明:草酸作为酸助剂时能显著提升现场混装乳化炸药基质的敏化速率,最大可以达到0.03 g·cm-3·min^(-1),而硝酸助剂的敏化速率最低,最大仅为0.008 g·cm^(-3)·min^(-1)。研究发现:弱酸助剂的氢离子(H+)电离能力是影响敏化速率的关键因素,而强酸与亚硝酸钠的副反应和气泡逸出效应会降低强酸助剂的敏化速率;当选择草酸作为酸助剂时,增大草酸的浓度和添加量可以进一步提高敏化速率。本研究为现场混装乳化炸药的定制化提供了理论支撑。

空化水射流研究方法综述

鉴于空化水射流技术的重要性,对空化水射流的产生和作用机理进行了分析,并从空化水射流的流场观测分析、冲蚀作用测量、数值计算仿真三个方面对近年来空化水射流技术研究过程中采用的试验和数值计算研究方法进行了综述,归纳研究热点为设计喷嘴结构、拓展观测和测量实验方法、优化数值计算方法,并从提高空化水射流观察和测量能力和运用人工智能技术优化数值计算方法等方面提出展望,为空化水射流技术的研究和应用提供参考。

温度和加载速率影响下HTPB推进剂细微观损伤及机理分析

为了探究HTPB固体推进剂在不同温度和加载速率下的细微观损伤和演化机理,通过高精度扫描电子显微镜采集原位拉伸过程中推进剂细观形貌演化图像,并采用数字图像相关方法进行图像分析以获取局部应变场演化规律;同时,重构HTPB/AP界面层,并借助全原子分子动力学获取不同加载条件下微观分子构型和分子体系能量演变规律。结果表明,常温低速加载状态下,界面层分子链为适应变形而不断重排,致使分子间距减小,非键能增大,加之基底牵引力的作用,引发黏附性破坏,使得细观局部高应变区域萌生,并沿界面向两端扩展;低温抑制了基体分子链的运动,使得微观界面内聚破坏应力峰值迅速上升,损伤位移减小为20Å左右,空隙率削减且分子链活性削弱,相对强化了基体的力学性能,抑制了细观孔隙的扩展,削减了屈服阶段长度,使得推进剂最大延伸率减小为0.46;高加载速率放大了应变滞后效应,使得微观HTPB/AP界面由黏附性破坏转变为黏聚性破坏,破坏临界应力值和临界分离位移同时增大,且基体在AP基底的残留导致细观孔隙由沿界面层扩展转变为向基体扩展,致使推进剂在延伸率达到0.45时逐渐形成贯通式裂纹。

基于响应面法的梯度硝基单孔发射药制备工艺的优化

为了优化发射药脱硝工艺,基于Box-Behnken设计的响应面法(RSM)对单孔发射药的脱硝工艺进行了优化。考察了水合肼浓度、反应温度和反应时间3个主要影响因素对单孔发射药脱硝过程中脱硝率的影响,并建立了以脱硝率为响应值的二次回归模型。结果表明:各因素对脱硝率的影响程度为水合肼浓度>反应时间>反应温度,且各因素之间交互作用不显著。所建立的二次回归模型相关系数为0.9774,在影响因素水平范围内进行多组实验,脱硝率的实验值与模型预测值之间吻合度较高,平均相对偏差为1.61%,表明所提出的二次回归模型可靠性较高,可用于对发射药脱硝过程中脱硝率的预测和工艺条件的优化。通过对脱硝前后单孔发射药的结构和燃烧性能的表征,进一步证实了梯度硝基单孔发射药表层及孔边缘硝酸酯基浓度呈梯度增加,具有优异的燃烧渐增性。

GAP基固体推进剂喷管结构约束下的烤燃响应

固体火箭发动机的喷管结构约束对推进剂在烤燃刺激下的响应过程具有显著影响。为研究喷管喉径对GAP基固体推进剂烤燃响应过程的影响规律,设计搭建了喷管结构试验件的热载荷加载与控制系统,基于激光高速纹影成像技术,观测了发动机喷管结构约束下GAP基推进剂烤燃响应的完整过程,同时测量了烤燃过程中的试验件温度和点火响应产生的冲击波超压。结果表明:含喷管约束的GAP基固体推进剂试件的烤燃响应可分为点火前推进剂软化膨胀,点火后燃烧火焰加速、燃烧转爆轰、壳体失效、爆燃过程。点火后响应过程仅持续0.5~2毫秒。燃烧火焰加速阶段压力缓慢增长,当喷管喉径较小时,流动易发生壅塞,使压力和燃速快速增长并相互促进,导致发生燃烧转爆轰;而喷管喉径较大时,试验件内压力的快速增长无法发生或者维持,降低了燃烧转爆轰的可能性,试验件结构完整性得以保持。

不同温度条件下三组元HTPB推进剂细观脱湿行为实验及数值模拟

开展了宽温域单轴拉伸条件下HTPB推进剂的原位微CT细观结构表征实验,分析了在-20℃、20℃、50℃3种温度环境中推进剂的细观脱湿损伤行为,并基于HTPB推进剂的细观组分体积占比构建了三维细观代表体积单元模型,分析了模型在不同温度和不同应变率条件下的应力-应变关系和脱湿率-应变关系。结果发现,HTPB推进剂在低温环境下(-20℃)脱湿更为严重,推进剂试件断裂时填料/基体界面脱湿率达到了30%,而孔隙率仅为6%。通过数值模拟发现推进剂在低温及高应变率条件下脱湿更为严重,对推进剂力学性能带来了极大的劣化。经实验和仿真结果对比,本研究所构造的数值模型能够有效预测推进剂的脱湿损伤行为及宏观力学性能。

面向含能材料化学领域的先进分析表征技术发展与展望

分析表征技术是含能材料化学领域科研生产不可或缺的重要工具。含能材料分析表征技术主要包括色谱、质谱、波谱、光谱、热分析、显微、散射与衍射等,通过分析表征技术的定性/定量分析可获得含能材料的化学结构、组分含量、微观形貌等信息,进而为含能材料相关合成表征、质量控制、库存维护、公共安全、环境监测等场景提供重要的分析数据,极大推动了含能材料行业的发展。近年来,分析表征技术在传统分析的基础上,展现出了明显的多学科交叉融合特征,并逐步向自动化、智能化、原位在线、多尺度贯通、高时空分辨等方向发展。为了更加清晰、全面地掌握含能材料分析表征技术现状与趋势,研究系统综述了各主要分析手段的技术内涵、功能特点以及在含能材料领域的应用现状,并讨论了未来的发展趋势,为含能材料化学领域相关分析表征研究提供支撑。

HNS-Ⅳ基PBX的冲击起爆点火增长模型参数

为了获得HNS-Ⅳ(Ⅳ型六硝基茋)基高聚物粘结炸药的冲击起爆点火增长模型参数,采用炸药平面波加载冲击波的方法,冲击波经隔板衰减后作用到被测炸药上,使用光学多普勒测速技术获得被测炸药与LiF窗口的界面粒子速度曲线。一发试验的隔板上可同时放置多发不同厚度药片,通过调整隔板厚度改变输入压力,可以获得界面粒子速度的增长过程。同时,基于反向撞击法获得了被测炸药的未反应冲击绝热线,基于直径10 mm圆筒试验获得了圆筒膨胀速度时间曲线,采用遗传算法拟合试验结果分别获得了未反应炸药和爆轰产物JWL状态方程参数。最后,采用点火增长模型对不同厚度炸药与LiF窗口的界面粒子速度曲线进行了拟合。结果表明,未反应炸药和爆轰产物状态方程参数曲线拟合相关性较高,获得的点火增长模型参数很好地模拟了冲击起爆试验结果,可以满足起爆传爆序列设计需要。

炸药爆轰环境中铝粉非等温燃烧模型

为研究铝粉在爆轰环境中的燃烧特性,基于爆轰环境中铝粉燃烧模型,综合考虑了爆轰产物气体组分和爆轰环境体系温度对铝粉燃烧释能过程的影响,建立了爆轰环境中铝粉非等温燃烧模型,提出了包括铝粉燃烧过程、爆轰产物气体组分和爆轰环境体系温度在内的爆轰环境铝粉非等温燃烧控制方程,并通过激光诱导击穿光谱实验进行了验证。结果表明,铝粉非等温燃烧模型控制方程的计算值与激光诱导击穿光谱实验值的偏差在12%以内,验证了理论模型计算的准确性,获得了铝粉粒度和铝氧比对炸药中铝粉燃烧特性的影响规律。

含氟高分子材料包覆铝核壳材料研究进展

金属铝(Al)具有高燃烧热值、高密度、低耗氧量等优异性能,是固体复合推进剂领域最受青睐的金属添加剂。为了提高固体复合推进剂的性能,有必要采取措施对Al进行包覆改性。近年来含氟高分子包覆Al因其优异的综合性能而受到广泛关注。介绍了不同种类的含氟高分子包覆金属Al核壳材料、不同包覆方法、Al核壳材料的性能以及含氟高分子与Al的作用机理,总结发现通过Al核壳结构设计、含氟高分子引入和Al颗粒表面的自活化策略等途径,含氟高分子与氧化铝层之间的表面发生剧烈的氧化过程,增强Al核壳材料点火和燃烧性能,显著改善推进剂的燃烧团聚和燃烧效率。但目前含氟高分子包覆Al核壳材料研究过程仍存在许多不足,如缺乏新型多元含氟高分子包覆Al的能量性能的研究;缺乏Al颗粒与包覆层在高升温速率下作用机理的认识;包覆效率和批量制备能力低,阻碍了其实际应用等。未来可从进一步增强朝着研发新型含氟聚合物、研究对反应历程中产物的实时捕捉和开发工业化生产制造技术等方向发展。