燃烧性能参数测试优化

1.燃烧产物组成

可采用烟气分析仪测试燃烧气相产物含量,采用扫描电镜及其能谱技术,结合X射线衍射仪对燃烧后固相产物进行定性分析,采用化学滴定法进行定量检测。

传统黑火药(KNO3/C12H4O2/X)、酚酞型(KNO3/C20H14O4/X)及对硝基苯酚型(KNO3/C6H5NO3/X)无木炭黑火药的燃烧产物组成数据如图7-9所示。

图7-9　燃烧产物组成测试结果

(a)气相组成；(b)固相组成

从测试结果可以看出,非含硫体系燃烧固相产物主要是K2CO3、K2O,含硫体系燃烧固相产物主要是K2CO3、K2SO4、K2S,气相产物的测试结果和理论计算基本一致,主要是CO、CO2、N2、H2O,含硫体系有SOx、H2S生成,含NC的体系,CO的生成量较少,这主要是由于NC为含能材料,反应过程中提高反应温度的同时,使活性氧成分增加,燃烧体系处于正氧状态,CO2生成的概率增加。

2.固相产物热能

在两级装药接触点火时,黑火药的点火能力与固相产物的热能值有很大关系,固相产物的热能用公式表示为:

其中,

式中　Q——燃烧固相产物的热能(kJ/kg)；

T——燃烧体系温度(K)；

n——固相产物数量；

xi——第i种固相产物在固相总产物中的摩尔质量分数(mol/kg)；

Cp,i——第i种固相产物的定压摩尔热容[kJ/(mol·K)]；

a1,i,…,a5,i——第i种固相产物的温度系数。

从热能计算公式可以看出,只要测量出燃烧体系温度、各固相产物摩尔质量分数,就能得到固相产物的热能。燃烧体系温度由置于燃烧界面处的热电偶测定,固相产物摩尔质量分数通过化学滴定法确定。(www.xing528.com)

传统黑火药(KNO3/C12H4O2/X)、酚酞型(KNO3/C20H14O4/X)及对硝基苯酚型(KNO3/C6H5NO3/X)无木炭黑火药的固相产物热能数据如图7-10所示。

图7-10　燃烧固相产物的热能测试结果

测试结果表明,二元体系固相热能均较高,三元含硫体系的固相热能较低。在二元体系中,燃烧产物中固相产物生成量大,热容量高,因此固相热能高,适用作接触式点火机构的点火药；三元体系燃烧固相产物减少,但含NC的体系由于含能黏结剂的加入,使爆温升高,固相热能仍维持较高水平；含硫体系反应时,由于硫黄的气化吸收大量的热使爆温有下降趋势,因此三元含硫体系固相热能相对较低。

几类黑火药燃烧固相产物的热能由高到低的顺序如下:

KNO3/C6H5NO3(7)≈KNO3/C6H5NO3/NC(9)>KNO3/C12H4O2(1)≈KNO3/C20H14O4(4)>KNO3/C20H14O4/NC(6)>KNO3/C12H4O2/NC(3)>KNO3/C20H14O4/S(5)>KNO3/C12H4O2/S(2)>KNO3/C6H5NO3/S(8)。

3.燃烧时间

燃烧时间的测试原理为:将(0.45±0.0005)g样品压入直径为7mm的铜管中,药柱密度为1.8g/cm3,用电阻丝从一端点燃样品,由启动回路给出启动信号,记录仪(HG202C-Ⅲ)开始计时,药柱燃烧到另一端时,由停止回路给出信号,使记录仪停止计时,记录仪上的显示时间为该样品在此装药条件下的燃烧时间。

传统黑火药(KNO3/C12H4O2/X)、酚酞型(KNO3/C20H14O4/X)及对硝基苯酚型(KNO3/C6H5NO3/X)无木炭黑火药的燃烧时间的测试结果及其散布精度数据如图7-11所示。

图7-11　KNO3/类木炭体系燃烧时间及其散布精度测试结果

从测试结果可以看出,KNO3/C12H4O2/X的燃烧精度差,特别是KNO3/C12H4O2/S(2)的燃烧速度慢(燃烧时间长),燃烧精度低,KNO3/C20H14O4/NC(6)和KNO3/C6H5NO3/NC(9)的燃烧速度快,燃烧精度高,点火一致性好。

4.压力—时间曲线

压力—时间曲线的测试原理为:对装在测压容器内的受试产品施加规定的激发能量,将试样发火后产生的气体压力作用在压力传感器上,使其输出一个和压力变化相对应的电信号,即可测出压力—时间曲线。

传统黑火药(KNO3/C12H4O2/X)、酚酞型(KNO3/C20H14O4/X)及对硝基苯酚型(KNO3/C6H5NO3/X)无木炭黑火药在密闭爆发器中(容积:0.1L；样品质量:1.0g)燃烧时的压力—时间特性曲线如图7-12所示。

从测试结果可见,在KNO3/C12H4O2/X体系中,KNO3/C12H4O2/S的压力上升时间长,最大压力低和作功能力低,因此,其点火能力相对较弱；KNO3/C20H14O4/X中的最大压力上升时间和最大压力均低于传统黑火药,但作功能力与传统黑火药相当,属弱点火药体系；KNO3/C6H5NO3/X的三个输出参数均比传统黑火药高,属强点火药体系。综上所述,从点火能力的对比来看,KNO3/C6H5NO3/X最强,KNO3/C12H4O2/X体系次之,而KNO3/C20H14O4/X最弱。

图7-12　黑火药体系压力-时间输出特性曲线

(a)KNO3/C12H4O2/X；(b)KNO3/C20H14O4/X；(c)KNO3/C6H5NO3/X