基于激光加工的微安保机构设计与性能

复杂场景下火工品微安保机构需具有可恢复与抗过载特性,为此,研究设计了基于激光加工的金属材质电热驱动微安保机构,采用有限元模拟分析了镍基微电热执行器动作特性,通过调整双热臂U型电热执行器热臂和冷臂的长度、宽度以及各臂之间的间隙,探究它们对输出位移的影响;通过正交实验得到优化的超快激光加工工艺参数分别为频率100 kHz、能量113μJ、切割速度100 mm·s^(-1),实现了镍基电热微安保机构的超快脉冲激光精确制造;最后,搭建了安保机构性能验证平台,验证了该机构在不同电流激励下的驱动位移与隔爆性能。结果表明,在8 A激励电流下,加工的镍基微安保机构驱动位移可达1084μm,所组装的火工品微安保机构在传爆序列中能够有效隔爆。

单警防护装备厚度测试方法与技术研究

提出了一种防护装备厚度测试方法,研制了一款厚度测试仪,通过大量试验确定了加载砝码质量和测试压头直径尺寸等测试条件,获得的测试方法与技术可为考核防护装备舒适性指标之一提供技术支持。

基于疏水仿生学提升超细高氯酸铵热分解、安全及防吸湿性能的研究

为了研制出兼具高燃速和高安全性能的固体推进剂,以改善高氯酸铵的性能为目标,采用液相沉积法制备了具有核壳结构的超细高氯酸铵@硬脂酸锌(UF-AP@ZnSA)复合物;使用扫描电镜(SEM)、热重-差示扫描量热法(TG-DSC)、傅里叶变换红外光谱(FT-IR)等对样品的形貌、结构和热分解性能进行了表征;并测量了样品的撞击感度、摩擦感度、吸湿率和接触角等参数;采用热分析-红外联用技术分析并解释了硬脂酸锌(ZnSA)催化UF-AP的热分解机理。结果表明,UF-AP表面生成了ZnSA壳层;不同壳层含量的复合物中UF-AP高温分解峰从424.3℃降至370~385℃,相较于原料UF-AP,放热区间更加集中,放热量更大;UF-AP@ZnSA复合物特性落高(H_(50))相较于原料增加了27.6 cm,摩擦感度的爆炸概率减小了76%,安全性能大幅度提升;壳层质量分数为5%的UF-AP@ZnSA复合物72 h的吸湿率为0.05%,较原料UF-AP的吸湿率降低约90%,防吸湿性能得到明显提升。

含孔洞炸药晶体HMX冲击响应的分子动力学模拟

动载荷下炸药晶体缺陷与热点形成的关联是当前含能材料领域的研究热点之一,理解热点形成机制及其对炸药起爆和感度的影响对于炸药安全性评估和研制安全弹药至关重要。本研究采用ReaxFF反应力场和分子动力学方法,对含圆柱形孔洞的炸药单晶奥克托金(HMX)在冲击载荷下的动态响应进行了研究,并探究了孔洞尺寸和双孔洞的影响。结果表明,冲击载荷下孔洞的塌缩过程分为3个阶段,即孔洞上游的塑性变形、上游原子向孔洞中心和下游运动形成流动原子、流动原子与下游碰撞。热点形成的主要机制是流动原子与下游碰撞使得动能转换为热能导致温度快速升高。热点的高温诱发了局部化学反应,HMX分子中N─NO2键断裂生成NO2是主要的初始反应机制。圆柱形孔洞的塌缩过程和热点形成机制与球形孔洞是相似的,但圆柱形孔洞的汇聚效应更弱、形成的流动原子速度更低,导致热点温度显著降低、化学反应更弱。此外,圆柱形孔洞在塌缩过程中在其周围形成了剪切带,这在球形孔洞中没有出现。随着孔洞尺寸的增大,流动原子的速度提高、剪切带变宽、热点温度升高且面积增大,进而引发了更剧烈的化学反应。对于沿冲击方向排布相距一个孔洞半径的双孔洞,孔洞塌缩过程与单孔洞是类似的,但由于冲击波在传过上游孔洞后压力有所降低,导致下游孔洞在塌缩过程中形成的流动原子速度更小、热点温度更低。本研究有助于深入理解晶体缺陷对炸药热点形成与起爆机理的作用,为宏观理论建模提供物理机制与规律认识。

粘结剂复合方式对硼粉热性能的影响研究

为了研究含能粘结剂硝化纤维素与微米硼粉的不同复合方式对硼粉热氧化性能的影响,采用热重分析测试手段分析了不同复合方式(简单机械复合、浇膜复合、团聚造粒改性)对1μm硼粉热性能的影响,建立了3种改性后硼粉的燃烧模型,研究了含能粘结剂硝化纤维素含量对其热氧化性能的影响。结果表明:团聚造粒改性对其氧化性能改善最佳;简单机械复合、浇膜复合和团聚造粒改性分别使硼粉氧化温度提前了0.1、29.4、112.3℃;简单机械复合与团聚造粒改性使硼粉最终氧化率分别提高了3.4%和13.8%,而浇膜复合无较大改善作用;随着硝化纤维素含量的增加,硼粉的氧化性能增强。

NH_(4)H_(2)PO_(4)-KHCO_(3)混合粉体对管网甲烷爆炸的抑制特性

在自行搭建的管网实验系统中,将常用于抑制甲烷爆炸的碳酸氢钾KHCO_(3)与磷酸二氢铵NH_(4)H_(2)PO_(4)进行不同比例的混合。选取5种不同的粉体配比,对比单一粉体以及各抑爆工况下各测点的爆炸峰值压力、火焰峰值速度和火焰峰值温度等爆炸特征参数,获得抑制管网甲烷爆炸的最佳工况,并阐述了抑爆机理。结果表明:混合粉体对管网甲烷爆炸的抑制性能优于单一粉体;KHCO_(3)与NH_(4)H_(2)PO_(4)都易受热分解;其中,KHCO_(3)可以在相对较低的温度下迅速完成热解过程,从而吸收更多的反应热,抑爆性能优于NH_(4)H_(2)PO_(4)粉体;混合粉体中,抑爆效果随着KHCO3含量的增加显著提高。在5种混合比例中,当KHCO_(3)与NH_(4)H_(2)PO_(4)质量比为2.0:1.0时,抑爆效果最佳。KHCO_(3)与NH_(4)H_(2)PO_(4)表现出良好的爆炸抑制效果,研究所得结论可为抑制甲烷爆炸研究提供参考。

活性碳负载纳米金属氧化物对AP热分解的催化性能

采用水热法制备了两种纳米金属氧化物(纳米CuO和纳米Fe_(2)O_(3)颗粒),将纳米CuO和纳米Fe_(2)O_(3)负载在活性碳上,制备成CuO@C、Fe_(2)O_(3)@C复合材料,并将其作为催化剂与高氯酸铵(AP)混合制备成混合物样品AP/CuO、AP/CuO@C、AP/Fe_(2)O_(3)、AP/Fe_(2)O_(3)@C;通过扫描电子显微镜(SEM)、差示扫描量热仪(DSC)、热重-微分热重分析(TG-DTG)和热重-红外光谱(TG-FTIR)联用等技术研究了4种催化剂对AP热分解的催化机理及分解动力学特性。结果表明,4种催化剂均将AP的两步分解反应催化为单放热峰,在5 K/min升温速率下,AP的分解峰温较纯AP分别提前90.1、73.4、65.4和69℃;AP/CuO@C分解主要气相产物有HCl、CO_(2)、N_(2)O、HNO_(3)和NO_(2),其中NO_(2)含量最高;AP/Fe_(2)O_(3)@C分解主要气相产物中CO_(2)含量显著提升,NO_(2)含量稍有降低。

FOX-7颗粒形貌对其热性能及放气量的影响

为获得FOX-7颗粒形貌对其热性能及放气量的影响规律,首先通过原位拉曼光谱证实了FOX-7的典型相变过程;采用差示扫描量热法(DSC)对比了原料FOX-7、重结晶FOX-7以及碾碎的重结晶FOX-7三种颗粒的转晶及热分解行为,并采用真空安定性测试比较了3种具有典型粒径及形貌差异的FOX-7的放气速率及放气量。结果表明,两种具有更多缺陷的FOX-7颗粒第一步热分解峰温度均低于重结晶样品;当FOX-7粒径较小,会导致其在DSC曲线上β到γ相变吸热峰消失;通过增加单次测试样品量或增加升温速率,增强相变热效应聚集,仍可观察到该相变过程;当加热时间相同,小粒径的FOX-7放气总量大于大粒径的颗粒;当大粒径颗粒表面具有缺陷,其放气量会更快达到最大值;当小粒径颗粒表明无明显缺陷,其加热初期放气量较小,但随着加热时间延长,其总放气量会显著增加并最终超过大粒径颗粒;FOX-7颗粒粒径决定了总放气量,而其颗粒缺陷决定了放气速率;苯胺类安定剂对FOX-7具有较好的放气抑制效果。

非理想炸药水中爆炸载荷相似律数值仿真

为研究不同尺度非理想炸药水中爆炸载荷的相似性,采用LS-DYNA软件的S-ALE算法,构建了基于JWL-Miller状态方程描述的非理想炸药水中爆炸载荷数值计算模型;利用典型试验数据对计算模型参数进行了标定,匹配设置了典型RDX基非理想炸药的JWL-Miller状态方程参数;通过不同尺度炸药在不同水域环境条件下的爆炸过程模拟,分析了爆炸载荷特征参数的相似性。结果表明,影响非理想炸药水中爆炸冲击波压力峰值相似律的主要因素是其自身的非理想特性;水域环境因素(如自由面及静水压力梯度等)会对气泡脉动周期与半径的相似律产生较大影响。对于15%允许误差范围的工程仿真而言,0.53~5.30 m/kg 1/3比例距离(约10~100倍炸药半径)范围内,非理想炸药自由场水中爆炸载荷参数相似律可近似满足,与理想炸药的相似律特征基本一致,工程可用。基于JWL-Miller状态方程统一参数描述的非理想炸药默认其后燃反应是稳定且完全的。在实际中,由于水下非理想炸药受到复杂的化学反应动力学的控制,几何尺寸效应仍有可能导致非理想成分释能过程的较大差异,因此,精细化数值仿真需要针对不同比例距离或不同尺度模型来匹配不同的Miller模型参数,爆炸载荷相似律也可能在更有限的尺度范围内成立。

3种典型炸药水中爆炸初始冲击波的近场参数测试

为了探索水中爆炸初始冲击波近场的传播特性和衰减差异,扩展水箱法测爆压试验的研究范围,采用高速摄影狭缝扫描测试方法,对3种典型的柱状炸药(TNT、JH-14、JO-9159)水中爆炸过程进行了测试研究,测量获得了一维正平面水中初始冲击波传播的时间历程演化曲线;由此拟合计算出柱状炸药的水中初始冲击波传播速度随时间的变化曲线,进一步由水的冲击雨果尼奥方程和冲击波动量方程、界面上压力和质点速度连续的条件及声学近似理论,计算得到了水中爆炸初始冲击波阵面压力的衰减曲线和炸药试样的爆压、多方指数等爆轰参数。结果表明,水中爆炸初始冲击波阵面压力近似以指数形式衰减,初始阶段衰减极快;当炸药爆压为20~37 GPa时,水中冲击波初始速度处于5.66~6.81 km/s的范围,波阵面初始压力与炸药的爆压近似成线性关系;虽然JO-9159的爆速和爆压均高于JH-14和TNT,但其水中初始冲击波传播仅在7μs后,其冲击波速度与波阵面压力下降至最低,说明以HMX为基的理想炸药水中爆炸初始冲击波速度和波阵面压力的衰减率要高于以RDX为基的理想炸药和TNT,高爆速、高爆压类理想炸药在水中初始冲击波性能方面优势不显著。

异伍兹烷衍生物高温热分解规律分子动力学模拟

异伍兹烷衍生物是当前最具潜力的笼形含能化合物之一,为了系统研究异伍兹烷衍生物的高温热分解规律,明确其爆轰机理,研究采用ReaxFF-lg反应性力场和分子动力学方法,对3种典型异伍兹烷衍生物ε-六硝基六氮杂异伍兹烷(ε-CL-20)、4,10-二硝基-2,6,8,12-四氧杂-4,10-二氮杂四环十二烷(TEX)和4,10-二叠氮甲基-2,6,8,12-四硝基六氮杂异伍兹烷(BATNIW)进行高温(1500~3500 K)热分解研究。结果表明,脱硝基和开环是3种衍生物的主要初始反应,其中开环反应集中在五元环C—N键或C—O键。不同温度下热分解终产物中CO_(2)和H_(2)含量差异较大,3000 K以上N_(2)含量接近。3种衍生物中,BATNIW热分解生成N_(2)速度最快、产量最高;TEX热分解易生成团簇,生成特征产物乙二醛。3种衍生物热分解活化能排序为TEX>BATNIW>ε-CL-20,说明TEX稳定性最好。研究初步揭示了3种异伍兹烷衍生物分子结构与热分解规律的内在联系。

铝/聚四氟乙烯复合材料的研究进展

系统综述了铝/聚四氟乙烯(Al/PTFE)复合材料的研究进展。就复合材料的动态力学性能而言,应变率越大,强度越高;复合材料中Al含量增加,弹性模量和屈服强度随之增加;温度升高,复合材料韧性增加,但动态压缩强度降低;铁粉、镍粉、钨粉、氧化铜、氢化钛、氢化锆等可以提高Al/PTFE复合材料的抗压强度。就复合材料的热性能而言,Al/n-PTFE的放热量远高于其他铝热剂,且纳米级铝粉与PTFE的反应性优于微米级铝粉。就复合材料的点火和燃烧性能而言,复合材料中PTFE的质量含量约35%时,燃烧压力最高,燃烧时间最短,中心火焰温度也最高;限域空心结构的复合材料样品燃烧优于实心、空心、核壳结构的样品;氢化钛、高氯酸铵、碳纳米管具有一定的助燃作用。就复合材料的冲击反应性能而言,加载应变率越高,材料反应延迟时间越小,反应越剧烈,且纳米级铝粉反应性和反应程度优于微米级铝粉;添加氧化物(三氧化铋、氧化铜、三氧化钼和三氧化铁)可以调节材料的能量释放特性。就复合材料的反应完全性而言,其作为弹丸发射速率越高,反应越完全;铝粉含量对反应完全性有非常显著的影响;氧化铜可以提高反应的完全性。就复合材料的应用场景而言,其对靶板的毁伤效果、纵火能力、提高推进剂力学性能和燃烧效率、作为防护材料的防护效果,比传统材料都有显著提高。此研究结果预计会对火炸药行业和战斗部行业从业者有重要的参考价值。

升温速率对JEO炸药烤燃响应特性的影响

为研究JEO炸药(3-硝基-1,2,4-三唑-5-酮(NTO)/奥克托今(HMX)/添加剂)的烤燃响应特性,设计了炸药烤燃多点测温-测压实验系统,开展了5℃·min^(-1)和2℃·min^(-1)2种升温速率下的JEO炸药烤燃实验,获得了点火时间、点火温度、不同位置处炸药的温度历程和装置内部的压力历程,分析了升温速率对JEO炸药烤燃温度、压力变化和反应剧烈程度的影响。在实验研究的基础上,采用考虑压力对炸药热分解反应影响的炸药烤燃多相流物质输送模型,使用Fluent软件对不同升温速率下JEO炸药的烤燃热分解过程进行了数值模拟研究。研究结果表明,JEO炸药热分解反应在相变前较为缓慢,相变后反应速率加快,炸药温度升高加快、压力呈指数增长,直至点火,JEO炸药的点火温度约为220℃,在本实验的约束条件下响应等级为爆燃,具有良好的热安全性;随着升温速率的降低,JEO炸药的点火时间变长,点火位置由装药边缘移向中心,反应剧烈程度增加;点火前的热分解过程中只有少部分炸药发生了反应,大部分炸药在点火后的燃烧阶段发生反应。

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。

HMX基高聚物粘结炸药界面增强的粒径效应

为研究炸药晶体粒径对高聚物粘结炸药(PBX)力学性能及界面增强效果的影响规律,以4种不同粒径HMX(160μm,60μm,25μm和150 nm)为主体炸药,氟树脂为粘结剂,中性聚合物键合剂为界面增强剂,制备了8种HMX基PBX。采用压缩应力应变试验、巴西试验分别获得8种PBX在常温(20℃)和高温下(60℃)的压缩和拉伸力学性能,采用动态热机械分析仪的三点弯曲模式获得储能模量和力学损耗因子,采用扫描电镜对PBX断面进行表征。结果表明,PBX的压缩强度和拉伸强度随HMX粒径的减小而增大,纳米HMX在力学增强方面具有很好的效果。20℃以纳米HMX为基的PBX-nano压缩强度和拉伸强度可分别达到61.3 MPa和5.7 MPa,较以160μm HMX为基的PBX-L可分别提高73.1%和63.5%。添加中性聚合物键合剂后,不同粒径的HMX基PBX压缩力学强度和拉伸力学强度均得到提高,纳米HMX的增强效应尤其显著,PBX-nano-M在20℃和60℃下的拉伸强度分别可达10.4 MPa和5.8 MPa,较PBX-nano可分别提高82.6%和101.4%。当HMX平均粒径从百微米减小至百纳米,炸药件发生界面脱粘/损伤乃至断裂所需的断裂功越大,拉伸力学强度提升幅度越大。

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。

微流控制备包覆含能材料模拟物的核壳结构微球

基于简单的生产单重乳液的液滴微流控技术,结合相分离和结晶固化的方法,制备出具有对硝基苯甲醛(p-NBA)核层和聚苯乙烯(PS)壳层的核壳结构微球,一步完成了对高能炸药3,4-二硝基呋咱基氧化呋咱(DNTF)的模拟物p-NBA的包覆;通过调控p-NBA、PS以及赋形剂乙基纤维素(EC)的含量配比,可以得到不同结构和形貌的微球,并研究了上述因素对核壳结构微球的影响;基于高能炸药DNTF的包覆钝化效果和包覆量双重条件,在使用大相对分子质量(M r=300000~350000)PS情况下,得出最佳实验条件为:EC和p-NBA质量比为1∶10,PS质量分数为8%。结果表明,赋形剂的添加有助于促进p-NBA的结晶,使其能够在液滴相分离的时候形成球形颗粒,从而被完整包覆;PS在微液滴中的初始质量分数越大,形成的壳层越厚、球形度越高,但封装DNTF的壳层越厚,爆炸威力会降低。

FOX-7/HMX混合体系热性能研究

为研究FOX-7及其与HMX混合体系的热性能,采用差示扫描量热仪(DSC)、热常数分析仪等手段,对HMX与FOX-7等质量比共混物、以及具有不同HMX与FOX-7比例的炸药配方的热分解行为、导热性质等开展了研究。结果表明:在FOX-7/HMX混合体系中,HMX与FOX-7的分解放热以及晶型转变吸热过程可相互影响:HMX在247.3℃处已有部分分解,282.5℃出现的放热峰对应于HMX的分解放热峰和FOX-7的第2步分解峰的叠加;而FOX-7的β到γ晶型转变以及HMX的β到δ晶型转变吸热峰相较于单质颗粒,分别延迟了8.5℃、9.5℃。配方中HMX与FOX-7的相对含量决定了两者的分解峰温,这可能与两者热效应的相互影响及粘结剂对炸药颗粒包覆完整度有关:随着配方中HMX含量由25%增加至60%,其熔融吸热峰由276.6℃提前至252.5℃;随着配方中FOX-7含量由25%增加至60%,其第1步分解峰和HMX的熔融分解过程相互影响,导致只出现一个分解放热峰,FOX-7第1步分解反应放热将导致其更早发生熔融分解。FOX-7颗粒的热导率、热扩散系数、比热容都高于HMX。在总含量不变的情况下,随着FOX-7含量的提高、HMX含量的降低,混合炸药配方的热导率、热扩散系数、比热容都随之提高。

静电纺丝技术制备ETPE基多元含能复合纤维

为了探索ETPE基多元含能复合纤维的静电纺丝制备工艺,以聚叠氮缩水甘油醚基热塑性弹性体(GAP-ETPE)为聚合物黏合剂,CL-20、纳米铝粉(n-Al)作为高能组分,采用静电纺丝技术制备了GAP-ETPE基超细含能复合纤维,并对溶剂、前驱液质量分数、固相组分配比等关键工艺参数进行了优化;采用扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)对产物形貌进行了表征,采用DSC法分析了复合纤维的热分解性能;测试了复合纤维的机械感度。结果表明,GAP-ETPE基含能复合纤维静电纺丝制备最佳溶剂为丙酮,产物成丝均匀、表面光滑;在GAP-ETPE/CL-20质量比为3∶7、前驱液质量分数为50%时,二元超细含能复合纤维(CL_(x)-ETPE_(y)-Z)的成丝效果最优,平均直径约为2480nm;在铝粉质量分数为10%、前驱液质量分数为50%时,三元超细含能复合纤维(CL-Al_(m)-ETPE-Z)的成丝效果最优,平均直径约为930nm;相比于CL-20,CL_(7)-ETPE_(3)-50含能复合纤维热分解峰值温度提前了29℃,加入n-Al之后热分解峰值温度提前了32℃,且优于物理共混物(PM);与CL-20的感度(P=100%、H_(50)=17cm)相比,GAP-ETPE/CL-20和GAP-ETPE/CL-20/Al含能复合纤维的摩擦感度(32%和48%)和撞击感度(29cm和43cm)均大幅降低,且低于同配方的物理共混物。

金属桥箔电爆炸驱动飞片过程数值模拟研究

为研究金属桥箔电爆炸等离子体驱动飞片全过程中飞片的性能特征和影响规律,建立了金属桥箔电爆炸驱动飞片全过程的多相流数值计算模型,并进行了数值模拟计算.计算中,利用了相变分数描述金属桥箔由固相到等离子体相的相态转变,采用了考虑粒子数目变化及粒子间库仑作用的高温高压等离子体状态方程描述电爆炸等离子体的形成和运动行为,采用了动网格模型描述飞片的运动.将计算结果与实验结果进行对比分析,计算得到的飞片速度值与实验值的误差小于5%,表明计算模型的准确性较好.基于该计算模型,对总面积相同的双体阵列桥箔和单体桥箔电爆炸等离子体驱动飞片过程进行了数值模拟,计算结果表明,由于阵列桥箔电爆炸过程中等离子体和冲击波的叠加汇聚作用,提高了能量转化效率,使得等离子体及冲击波流场对飞片的驱动力增加,从而提高了飞片的速度.等离子体流场对飞片表面的烧蚀厚度约为0.1μm,飞片的完整性较好.