热电偶法测量硅系延期药燃烧温度的研究.pdf

2 0 1 3 年4 月热电偶法测量硅系延期药燃烧温度的研究宋薇娜 d o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．1 ∞1 彤5 2 ．2 0 1 3 ．0 2 ．0 1 1 热电偶法测量硅系延期药燃烧温度的研究 宋薇娜 新疆雪峰科技 集团 股份有限公司 新疆乌鲁木齐，8 3 0 0 0 2 [ 摘要]采用R 型铂铑合金热电偶的方法测量硅系延期药的燃烧温度，模拟单芯延期体的燃烧状况，将延期药 以2 ．4 0 ∥c m 3 的压药密度，分次均匀压入厚壁钢管中。在热量积累最多的区域内，实验测得硅系延期药的最高燃 烧温度为1 5 8 3 ℃。燃烧热有很大部分传递给外壳等物质而散失掉，3 5 m s 后测出的温度较低。 [ 关键词]热电偶硅系延期药燃烧温度燃烧状态 [ 分类号] T J 4 5 5 T H 8 1 l 引言 延期药是指以氧化剂和还原剂为基药，添加有 少量燃速调整剂及其它添加物的、具有稳定燃速的 火工药剂⋯。其中，硅系延期药由于燃烧速度快、 作用稳定、价格低廉而广泛应用于毫秒延期雷管 中心。关于延期药燃烧温度的测定，有直接接触测 温法，如文献[ 3 4 ] 中使用热电偶方法；有问接测量 法，如文献[ 5 ] 中使用红外i 贝0 温仪测量延期药燃烧 温度；文献[ 6 ] 中使用改进型钠谱翻转法和原子发 射光谱双谱线法。 本研究采用自制贵金属热电偶，模拟单芯延期 体的作用形式，研究i 贝0 量硅系延期药燃烧温度的方 法。研究结果为测量延期药剂燃烧性能提供一种新 的参考，有助于完善硅系延期药的燃烧理论，提高延 期雷管的精度。 1 实验系统 本实验系统由两大部分组成。实验样品用于 模拟单芯延期体的钢管、硅系延期药；测温系统贵 金属热电偶、电荷放大器、起爆器及用于固定实验系 统的实验平台。 1 ．1 测温系统 1 ．1 ．1 热电偶及选型依据 热电偶是指以热电效应理论为基础的测量温度 的传感器，其测试原理如图1 。将两种不同金属导 体的两端焊接在一起，与电荷放大器组成一个完整 的闭合回路，当两焊接点温度与室温产生温差时，在 两种导体组成的热电偶回路中就会产生电动势和热 电流；两个接点，一个作为工作端或称为热端 丁。 ， 另一个作为自由端或称为冷端 ％ 。回路中产生 一 瓦 电位差计 8 白昌端 图1 热电偶测试原理图 F 培．1P r i n c i p l ec h a nf o rt h em e a s u r e m e n t o ft h et h e m o c o u p l e 的电动势称为热电势，由接触电势和温差电势组成， 主要以接触电势为主。使用测量仪表配合热电偶， 测出其回路中的热电动势，即可得到被测对象的温 度。 实验中选取高响应频率、高温适用型贵金属热 电偶，如铂铑合金型。根据偶丝成分及适用范围分 为3 种类型，如表1 所示。 表1高温适用型贵金属热电偶 T a b ．1 P r e c i o u sm e t a lt h e 彻o c o u p l eu s e di n h i g h t e m p e r a t u r es i t u a t i o n R 型热电偶电动势较大，抗氧化性能更好，较S 型使用温度高，使用寿命更长，较B 型热电偶灵敏 } 收稿日期2 0 1 2 1 1 2 8 作者简介宋薇娜 1 9 7 8 ．7 ～ ，女，硕士，工程师，主要从事民爆器材产品的研发和检测工作。E m a i l s w N 2 4 6 1 6 3 c 。m 万方数据 爆 破器 材E x p l o s i v eM a t e r i a l 8 第4 2 卷第2 期 度高。因此综合考虑，本次实验选取R 型热电偶。 采用氩弧焊将正负极偶丝一端焊在一起，应尽量使 正负极偶丝接触良好，以降低测量误差。 1 ．1 ．2 电荷放大器 实验选取Y E 5 8 5 3A 型多通道电荷放大器，电荷 灵敏度为o ．0 1 ～1 0 0 0 m V ／p c ，频率范围为1H z ～ 2 0 0 k H z ，输入最大电荷量1 0 5 p c ，输出1 0 V 、 5 m A ，精度误差1 ．5 ％，噪声≤5 斗V 。 1 ．2 实验样品 本实验选取硅系延期药为实验药剂，用厚壁钢 管模拟单芯延期体，钢管的尺寸为外径0 1 3 m m ，内 径彩3 m m ，长4 0 m m ，侧面中间位置有一对彩l m m 的 通孑L ，用于置人热电偶丝。 采用分段压制法装药“ J ，分4 次压入药剂，控制 每次压药密度均为2 ．4 0g ／c m 3 。压制完成后总药高 3 6 m m ，总装药量6 1 0 m g 。 2 实验步骤 1 用专用钢针将压制好的实验样品在侧面通 孔处穿透，将热电偶埋入延期样品，并保证热电偶两 极焊接处位于延期药柱的中央位置； 2 设置存储记录仪的参数，接人补偿导线，将 实验样品固定在实验平台上，此时系统示意图如图 2 1 一发爆器；2 一样品；3 一热电偶； 4 一补偿导线；5 一存储设备 图2 延期药燃烧温度测试系统 H g ．2T e m p e r a l u r et e s ts y s t e mo fd d a ye o m p o s 越o n 3 用电容式充电发爆器接点火铜丝，以脉冲电 火花的能量形式从一端引燃延期药； 4 存储数据，进行数据分析； 5 对相同的实验样品进行二次测量。 3 实验结果及分析 3 ．1 实验结果 将数据用软件处理后，得出延期药燃烧温度随 时间的变化曲线，如图3 。对相同延期药做2 次实 验，得出温度一时间曲线大致相似。 对存储仪记录的数据图形进行放大，数据显示 l 一预热区；2 一凝固相分解反应区； 3 一气相燃烧反应区；4 一燃烧产物区 图3 延期药燃烧温度一时间曲线及状态区域划分 F i g ．3T e m p e r a t u r e t i m ec u r v ea n di t sd i v i s i o n a c c o r d i n gt ot h ec o m b u s “o no ft h ed e l a yc o m p o s i t i o n 延期药燃烧温度上升阶段为9 3 5m s ，测出的最高 温度为1 5 8 3 ℃，从3 5 m s 开始测得的温度持续下降， 至1 0 0m s 左右，温度降至5 0 ℃。图中可以明显看 出，延期药燃烧过程升温速率大于降温速率，这是延 期药燃烧过程中，热量积累与传递的必然结果。 3 ．2 结果分析 延期药的反应属于固相反应【8J ，随着时问的变 化，延期药柱中同一点的状态发生变化，依次可以归 人预热区 图3 中1 部分 、凝固相分解反应区 图3 中2 部分 、气相燃烧反应区 图3 中3 部分 和燃 烧产物区∽o 图3 中4 部分 。当延期药柱一端接 受外来给予的能量时，表层一部分的延期药温度逐 渐升高至分解温度，此时也有部分低熔点组分发生 气化现象，延期药开始分解、气化，生成氧化剂成分， 并在气相状态下与还原剂在燃烧表面的周围一定范 围内，发生剧烈的化学反应，同时一部分热量向未燃 烧的区域传递，层层推进延期药燃烧的进程，一部分 热量随燃烧产物向已燃烧的区域扩散，在热量积累 最多的区域，达到最高的燃烧温度。 将延期药燃烧升温过程的曲线进行拟合得到 图4 。可以看出在温度一时间曲线上1 5 m s 处有较 小波峰出现，说明在该时刻发生了较强的放热反应， 此时对应温度为3 8 1 ℃，而氧化剂P b ，O 。的分解温 度约在5 5 0 ℃，因此，可以用预点火反应机理解释这 一现象。 固体相在燃烧反应之前存在一个固体组分间的 扩散过程，固体组分经加热后温度升高，导致组分中 的氧化剂发生晶格“松弛”训，一部分氧化剂分解放 出氧气，同时一部分还原剂扩散至氧化剂的晶格内 反应放出热量。这对应着图3 中1 部分与2 部分的 临界状态。在2 2 m s 处温度出现另一个较小波峰， 万方数据 2 0 1 3 年4 月 热电偶法测量硅系延期药燃烧温度的研究宋薇娜 。4 3 ． p 宝 盏 型 赠 时间，s 图4 延期药燃烧过程中温度上升阶段 F i g ．4 T h ec o m b u s t i o nt e m p e r a t u r e ’sa s c e n t p o r t i o no fd e l a yc o m p o s i t i o n 对应温度为9 2 3 ℃，可以断定此时该区域的延期药 正处于分解反应与气相燃烧的临界状态。 4 结论 1 选取适当的热电偶，可以用于直接测量延期 药类火工品的燃烧温度，测出的硅系延期药燃烧的 最高温度为1 5 8 3 ℃。 2 由于延期药燃烧产生的热量只有一小部分 用于加热燃烧产物，直观表现为测得的燃烧温度。 燃烧热有很大部分传递给与之接触的外壳等物质而 散失掉，所以测试出的温度较低。 参考文献 [ 1 ] 刘自铴，蒋荣光．工业火工品[ M ] ．北京兵器工业出 版社，2 0 0 3 1 9 9 - 2 0 0 ． L i uZ i t a n g ， J i a n gR o n g g u a n g ． I n d u s t r i a lp y r o t e c h n i c s [ M ] ．B e i j i n g 0 r d n a n c eI n d u s n yP r e s s ，2 0 0 3 1 9 9 - 2 0 0 ． [ 2 ]吴幼成，宋敬埔．延期药技术综述[ J ] ．爆破器材， 2 0 0 0 ，2 9 2 2 3 2 7 ，3 9 ． W uY o u c h e n g ，S o n gJ i n g p u ．T e c h n o l o g yo fd e l a yc o m p o s i ￡i o n sr e v i e w [ J ] ．E x p l o s i v eM a t e r i a l s ，2 0 0 0 ，2 9 2 2 3 - 2 7 ．3 9 ． [ 3 ]孙玉玲．延期药燃烧特性的表征方法的研究[ D ] ．淮 南安徽理工大学，2 0 0 7 ． S u nY u l i n g ． S t u d yo fc o m b u s t i o nc h a r a c t e r i s t i c sm e t h o d o ft h ed e l a yc o m p o s i t i o n [ D ] ． H u a i n a n A n H u iu n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n d ’r e c h n o l o g y ，2 0 0 7 ， [ 4 ] 姬建荣，苏健军，李芝绒，等．w R e5 ／2 6 热电偶对爆炸 产物的热响应分析[ J ] ．火炸药学报，2 0 0 8 ，3 1 1 2 6 2 9 ． J iJ i a n r o n g ，S uJ i a n j u n ，L iZ h i m n g ，e ta 1 ．A n a l y s i so fh o t I ．e s p o n s eo fW R e 5 ／2 6t h e n n o c o u p l et oe x p l o s i v ep r o d u c t s [ J ] ．c h i n e s eJ o u m a lo fE x p l o s i v e sa n dP r o p e u a n t s ，2 0 0 8 ， 3 l 1 2 6 2 9 ． [ 5 ]刘晓文．延期药燃烧性能及表征方法的研究[ D ] ．淮 南安徽理工大学，2 0 1 1 ． L i uX i a o w e n ．R e s e a r c ho nc o m b u s t i o np e r f o n l l a n c ea n d c h a r a c t e r i z a t i o nm e t h o do fd e l a yc o m p o s i t i o n [ D ] ． H u a i n a n A n H u iU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y ，2 01 1 ． [ 6 ]刘大斌．塑料导爆管的起爆、传爆及输出性能的研究 [ D ] ．南京南京理工大学，2 0 0 2 ． L i uD a b i n ． S t u d yo ft h ei n i t i a t i o n ，e x p l o s i o nt r a n s f b r i n g a n do u t p u tc h a r a c t e ro fN o n e lt u b e [ D ] ． N a n j i n g N a n j i n gU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y ，2 0 0 2 ． [ 7 ] 龚锦梅，刘建斌，成一，等．研究延期药燃烧过程及规 律的分段压制测试法[ J ] ．爆破器材，2 0 0 3 ，3 2 4 1 7 2 0 ． G o n gJ i n m e i ，L i uJ i a J l b i n ，C h e n gY i ，e ta 1 ．S u b s e c t i o n p r e s s i 。唱c h a r g e m e a s u r em e t h o dt o r e s e a r c hc o m b u s t i o n p r o c e s so fd e l a yc o m p o s i t i o n s [ J ]．E x p l o s i v eM a t e r i a l s ， 2 0 0 3 ，3 2 4 1 7 2 0 ． [ 8 ] 劳允亮，盛涤伦．火工药剂学[ M ] ．北京北京理工大 学出版社，2 0 1l 2 6 0 2 8 4 ． L a oY u n l i n a g ，S h e n gD i l u n ．T h es c i e n c eo fi n i t i a t i n ge x p l o s i v e sa n d r e l a t i v ec o m p o s i t i o n [ M ] ．B e i j i n g B e i j i n g I n s t i t u t eo fT e c h n 0 1 0 9 yP r e s s ，2 0 1 1 2 6 0 - 2 8 4 ． [ 9 ] 蔡瑞娇．火工品设计原理[ M ] ．北京北京理工大学出 版社，1 9 9 9 2 7 9 2 9 9 ． C a iR u i j i a o ． D e s i g np r i n c i p l eo fi n i t i a t o r s p y r o t e c h n i c s [ M ] ．B e i j i n g B e i j i n gI n s t i t u t eo fT e c h n 0 1 0 9 yP r e s s ， 1 9 9 9 2 7 9 2 9 9 ． [ 1 0 ] 俞金良，郝建春．硼铅丹延期药预点火反应机理研究 [ J ] ．含能材料，2 0 0 4 ，1 2 3 2 1 乏3 ． Y uJ i n l i a n g ，H a oJ i a n c h u n ． P r e i g n i t i o nr e a c t i o nm e c h a n i s mo fB ／P b 3 0 4d e l a yc o m p o s i t i o n [ J ] ．E n e r g e t i cM a t e r i a l s ，2 0 0 4 ，1 2 3 2 1 2 3 ． M e a 娜r i n gt h eB u m i I l gT e m p e r a t u r eo fS i l i c o nD e l a yC o m p o s i t i o n 谢t hT h e 咖o c o u p l e S O N GW e i n a X i n j i a n gX u e f e n gS c i e n c ea n d ‘r e c h n o l o g y g r o u p C 0 ．，L t d x i n j i a n gu r u m c h i ，8 3 0 0 0 2 [ A B S T R A c T ] P t R ht h e m o c o u p l ei su s e dt om e a s u r ec o m b u s t i o nt e m p e r a t u r eo fs i l i c o nd e l a y c o m p o s i t i o n ．T h ec o m b u s t i o ns t a t eo fs i n g ed e I a yc o m p o s i t i o ni ss i m u l a t e d ，a n dt h ed e l a yc o m p o s i t i o ni sl o a d e di nas t e e lt h i c kt u b eb ys e V e r a lt i m e s w i t ht h ed e n s i t yi s2 ．4 0 9 ／c m 3 ．T h eh i 曲e s tm e a s u r e dt e m p e r a t u r ei s1 5 8 3 ℃a tt h em a i n l yh e a t _ a c c u m u l a t i o na r e a ．M o s to f t h ec o m b u s t i o nh e a tl o s e si nt h et m n s m i s s i o nt ot h es h e l l sa n ds oo n ，a n dt h em u c h1 0 w e rt e m p e r a t u r ei sm e a s u r e da f t e r 3 5 m s ． [ K E Yw 0 R D s ]t h e 珊o c o u p l e ，s i l i c o nd e l a yc o m p o s i t i o n ，c o m b u s t i o nt e m p e r a t u r e ，c o m b u s t i o ns t a t e 万方数据