陳 昆，韓體飛，金曉艷，王 軍，樊廣偉

壓藥壓力對硅系延期藥燃燒性能的影響

陳 昆1，2，韓體飛1，金曉艷2，王 軍1，樊廣偉1

（1.安徽理工大學化學工程學院，安徽 淮南，232001；2.阜陽師范學院，安徽 阜陽，236037）

在80~200MPa壓藥壓力范圍內(nèi)，通過測量鉛丹-硅質(zhì)量比為2:1的硅系延期藥的燃燒速度和溫度，研究壓藥壓力對燃速和溫度的影響。結(jié)果表明：硅系延期藥平均燃速隨著壓藥壓力的增大而增大，且呈良好的線性關(guān)系；隨著壓藥壓力的增大，延期精度呈現(xiàn)先升后降的趨勢，壓藥壓力約為170MPa時延期精度達到最佳；在測量誤差范圍內(nèi)，燃燒溫度隨壓藥壓力的變化具有一定的波動性。

硅系延期藥；壓藥壓力；燃燒速度；燃燒溫度

隨著現(xiàn)代爆破技術(shù)的發(fā)展，在爆破工程中大區(qū)微差爆破、大區(qū)逐孔微差爆破和城市控制爆破等技術(shù)得到廣泛應(yīng)用，為達到工程設(shè)計的預期效果，需要高精度的延期元件來控制雷管的延期時間。目前延期藥技術(shù)具有構(gòu)造簡單、易于制作、原材料來源廣泛和生產(chǎn)成本低等優(yōu)點，在航天、武器系統(tǒng)和各項爆破工程中仍然被大量使用[1]。在眾多延期藥的配方中，以Pb3O4和Si為基礎(chǔ)配方的硅系延期藥具有易點燃、燃速快、價格低等優(yōu)點。但經(jīng)過長時間儲存后，硅系延期藥的延期時間容易發(fā)生漂移，甚至會出現(xiàn)串段、瞎火的現(xiàn)象，以致嚴重影響延期雷管的性能和在工程爆破中的作用效果[2-3]。為了更好地改善延期藥儲存性能，需要對其燃燒速度和溫度參數(shù)進行研究，通過分析反應(yīng)機理，進而提高延期藥延期精度和儲存穩(wěn)定性。

宋薇娜[4]使用R型熱電偶測量了硅系延期藥的燃燒溫度；劉曉文和黃麟[5]使用紅外法測量了毫秒三段和毫秒五段硅系延期藥燃燒溫度；朱帥等[6]采用光電法對Pb3O4∶si=6∶4的硅系延期藥的延期時間與壓藥壓力的關(guān)系進行研究，結(jié)果顯示隨著壓藥壓力的增大，燃燒時間縮短，燃速增大；韓體飛等[7]采用高速攝像技術(shù)記錄了毫秒四段硅系延期藥燃燒傳播動態(tài)特性，并計算得到了藥柱燃燒傳播瞬時速度。

本文以質(zhì)量比為2:1的鉛丹-硅系延期藥配方為基礎(chǔ)[8]，通過改變壓藥壓力，利用光電法測量硅系延期藥的燃燒速度，鑒于有關(guān)壓藥壓力與延期藥燃燒速度和溫度關(guān)系的研究尚未見報道，利用R型熱電偶測量其燃燒溫度，揭示壓藥壓力與燃燒速度和溫度的關(guān)系，研究延期藥燃燒特性。

1 實驗部分

1.1 藥劑組成及制備

硅粉，純度99.9%，粒徑4μm，濟南天琴硅業(yè)有限公司；四氧化三鉛，AR級，含量≥95.0%，國藥集團化學試劑有限公司。將原料按質(zhì)量比分別稱量，加入適量無水乙醇（AR級，≥99.7%，國藥集團化學試劑有限公司），將球磨機轉(zhuǎn)速設(shè)置為180r·min-1，混合240min后晾干，放入干燥箱中，60℃條件下干燥6h，取出研磨過80目篩，密封保存。

1.2 測試設(shè)備與模具

測速設(shè)備：美國力科HDO4034示波器，光敏二極管，測速壓藥模具。

測溫設(shè)備：日本圖技GL900-8高速數(shù)據(jù)記錄儀，0.05mm R型熱電偶，測溫壓藥模具。

測速壓藥模具結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1（a）中，空心長方體結(jié)構(gòu)外部長寬高為60mm×34mm×30mm，空心部分長寬高為30mm×4mm×30mm，用于裝填延期藥；2mm直徑圓孔貫穿模具，兩孔間距離20mm，并在圓孔中鑲嵌透明玻璃，便于透光且避免了圓孔處壓藥不均；直徑為3mm的圓孔用于放入導爆管；2mm和3 mm的圓孔中心位置在同一平面，距離模具底部10mm；圖1（c）中長方體結(jié)構(gòu)承重臺的長寬高為60mm×34mm×15mm，凸臺位于承重臺中間位置，長寬高為30mm×4mm×22mm，將承重臺和凸臺高度改為8mm即是實驗所使用的模墊；測溫壓藥模具與測速壓藥模具結(jié)構(gòu)相似，不同點是將2mm圓孔直徑由2mm改為1mm，且無需鑲嵌透明玻璃。

圖1 測速壓藥模具結(jié)構(gòu)圖

1.3 測試方法

1.3.1 燃速測試

稱取定量藥劑，一次性放入測速壓藥模具中，在設(shè)定的壓力下恒壓保持120s至藥柱成型。將光敏二極管固定在圖1（a）所示的兩孔處，并將輸出信號端連接示波器，操作儀器，引燃藥劑，記錄數(shù)據(jù)。實驗中采用了80MPa、120MPa、160MPa和200MPa 4種水平壓藥壓力，每種水平壓力下進行20組平行實驗。

1.3.2 溫度測試

稱取定量藥劑，放入測溫壓藥模具中，在設(shè)定壓力下保持60s至藥柱成型，取出壓藥沖頭，然后使用鉆頭從圖1（a）所示的2mm小孔中鉆出多余藥劑并插入熱電偶，之后放入等量藥劑，緩慢加壓至同等壓力，穩(wěn)定60s，將熱電偶兩極與高速數(shù)據(jù)記錄儀連接，操作儀器，引燃藥劑，記錄數(shù)據(jù)。實驗中采用了80 MPa、120MPa、160MPa和200MPa 4種水平壓藥壓力，每種水平壓力下進行20組平行實驗。

2 結(jié)果及分析

2.1 壓藥壓力對燃燒速度的影響

根據(jù)示波器讀出的測量孔20mm間距的燃燒時間，計算出燃燒速度，從而獲得各壓力條件下的平均燃燒時間、平均燃速、燃速極差和燃速標準差，結(jié)果如表1所示。

從表1中可以看出，在80~200MPa壓藥壓力范圍內(nèi)，隨著壓藥壓力的增加，硅系延期藥平均燃燒時間逐漸縮短，平均燃速逐漸增大，燃速極差和燃速標準差在壓藥壓力的影響下也有明顯下降趨勢。

表1 不同壓藥壓力下的燃速計算結(jié)果

Tab.1 Calculation results of burning velocity under different loading pressures

圖2為硅系延期藥壓藥壓力與平均燃燒速度關(guān)系圖，從中可以看出壓藥壓力在80~200MPa范圍內(nèi)，硅系延期藥平均燃燒速度隨著壓藥壓力的增大呈線性上升趨勢，線性擬合得出方程= 286.6+1.55(2= 0.989 2)，其中表示燃燒速度，m/s；表示壓藥壓力，Pa。結(jié)果分析如下：（1）壓藥壓力的增加導致了可燃劑顆粒破裂，增大了顆粒的比表面積，Pb3O4與Si接觸更充分，從而加劇了藥劑的燃燒；（2）壓藥壓力的增加會導致藥柱的密度增大，導熱率增大，單位時間內(nèi)傳熱量增加，熱分解釋放的能量增加，熱傳遞效率增大，引燃下一層藥劑，從而縮短下一層藥劑的預點火時間；（3）壓藥壓力的增加導致藥劑孔隙率降低，燃燒氣體產(chǎn)物向未反應(yīng)區(qū)擴散量減小，導致反應(yīng)區(qū)氣體累積，壓力迅速增大，反應(yīng)速率增大，燃燒速度加快。

圖2 硅系延期藥壓藥壓力與平均燃燒速度的關(guān)系

圖3為硅系延期藥壓藥壓力與燃速標準差的關(guān)系圖，其中燃速標準差代表各壓力條件下延期藥延期精度情況，數(shù)值越小表示延期精度越高。由圖3可知，在80~200MPa范圍內(nèi)，隨著壓藥壓力的增大，延期精度呈現(xiàn)出先升后降的趨勢，壓藥壓力約為170MPa時延期精度達到最佳。這是因為藥劑組分配比、粒度、表面狀態(tài)和密度等因素都會影響到延期藥的燃燒效果，在80~170MPa條件下，隨著壓力的增大，延期藥顆粒間接觸更為緊密，孔隙率下降，導熱性提高，燃燒趨于穩(wěn)定，燃速標準差下降；但隨著壓藥壓力的進一步增大，硅系延期藥燃燒產(chǎn)生的微量氣體不能及時排出，造成燃燒面兩側(cè)壓力不平衡，影響到其穩(wěn)定燃燒，導致出現(xiàn)燃速波動、燃速標準差增大的現(xiàn)象。

圖3 硅系延期藥壓藥壓力與燃速標準差的關(guān)系

2.2 壓藥壓力對燃燒溫度的影響

由于實驗中燃燒溫度隨時間變化相似，任取1組數(shù)據(jù)，獲得如圖4所示的燃燒溫度——時間曲線，取峰值溫度作為實驗溫度值。

圖4 硅系延期藥燃燒溫度隨時間的變化

從圖4中可以看出，當燃燒區(qū)域逐漸靠近測溫點時，隨著燃燒反應(yīng)的進行，短期內(nèi)釋放大量能量，溫度迅速增大，同時由于測溫熱電偶具有一定的時間響應(yīng)，測溫曲線經(jīng)過一定的響應(yīng)時間到達峰值。當該反應(yīng)趨于完全后，熱量緩慢散失，溫度逐漸降至室溫，降溫速率小于升溫速率。

計算各壓力條件下的平均燃燒溫度、溫度極差和溫度標準差，結(jié)果如表2所示。

表2 不同壓藥壓力下溫度的計算結(jié)果

Tab.2 Calculation results of combustion temperature under different loading pressures

從表2中可以看出，在80~200MPa壓藥壓力范圍內(nèi)，不同壓藥壓力下的平均燃燒溫度存在波動，平均溫度最大差距為32.6℃，在200MPa壓藥壓力條件下，溫度極差和標準差數(shù)值相對較低，溫度變化更為穩(wěn)定。

圖5 不同壓藥壓力下硅系延期藥燃燒溫度標準差

圖5為不同壓藥壓力下硅系延期藥燃燒溫度標準差，從圖5中可以看出，在80~200MPa的壓藥壓力范圍內(nèi)，燃燒溫度隨著壓藥壓力的變化具有一定的波動性，原因分析如下：（1）本文所采用的硅系延期藥配方為負氧平衡，壓藥壓力的增大導致藥劑孔隙率下降，藥劑與空氣中的氧化劑接觸難度增大，致使反應(yīng)率降低，產(chǎn)熱量下降；（2）隨著壓藥壓力的增大，在單位體積內(nèi)硅粉質(zhì)量增加，未參與反應(yīng)的硅粉會增大反應(yīng)熱的消耗量；（3）隨著壓藥壓力的增大，硅系延期藥燃燒速度增大，藥劑在燃燒過程中向外部環(huán)境散失的熱量減少；（4）隨著壓藥壓力的增大，反應(yīng)過程中產(chǎn)生的少量氣體難于排出，對鉛丹分解反應(yīng)存在一定的抑制作用，故影響整體燃燒反應(yīng)。

3 結(jié)論

通過對硅系延期藥的燃燒速度和燃燒溫度測試研究，獲得如下結(jié)論：

（1）在80~200MPa的壓藥壓力范圍內(nèi)，硅系延期藥的燃燒速度與壓藥壓力有良好的線性關(guān)系，獲得擬合線性曲線=286.6+1.55(2= 0.989 2)。

（2）在80~200MPa的壓藥壓力范圍內(nèi)，隨著壓藥壓力的增大，延期精度呈現(xiàn)出先升后降的趨勢，在170MPa壓藥壓力附近延期精度達到最佳。

（3）在80~200MPa的壓藥壓力范圍內(nèi)，燃燒溫度隨壓藥壓藥的變化具有一定的波動性。

針對硅系延期藥燃燒速度快、燃燒溫度高的特點，對其燃燒溫度的測試以及燃燒溫度與其延期性能參數(shù)之間的關(guān)系，需待進一步研究。

[1] 吳幼成,宋敬埔.延期藥技術(shù)綜述[J].爆破器材, 2010,29(2): 23-27,39.

[2] 張涵, 顏事龍, 吳紅波. 硅系延期藥儲存后延期精度的影響因素[J].火工品, 2014(2):37-40.

[3] 王志新, 李國新, 勞允亮, 等. 硅系延期藥貯存與硅粉表面穩(wěn)定性研究[J]. 含能材料, 2005,13(3): 158-161,172.

[4] 宋薇娜. 熱電偶法測量硅系延期藥燃燒溫度的研究[J]. 爆破器材, 2013,42(2): 41-43.

[5] 劉曉文, 黃麟. 利用紅外測溫法測量延期藥的燃燒溫度[J]. 礦冶, 2013,22(3): 36-38

[6] 朱帥,劉鋒,張彥,等. 壓藥壓力對硅系延期藥燃速影響的試驗研究[J]. 爆破器材, 2017,46(2):51-54.

[7] 韓體飛,顏事龍,陳磊,等.鉛丹-硅系延期藥柱的燃燒傳播特性[J].火工品, 20015(4):25-29.

[8] 王惠娥,沈瑞琪,杜江媛.毫秒級硅系延期藥的研究[J].煤礦爆破, 2010(1): 1-3.

Influences of Loading Pressure on the Combustion Performance of Si-type Delay Composition

CHEN Kun1,2, HAN Ti-fei1, JIN Xiao-yan2, WANG Jun1, FAN Guang-wei1

(1.School of Chemical Engineering, Anhui University of Science and Technology, Huainan, 232001；2. Fuyang Normal University, Fuyang, 236037)

The influences of loading pressure on the burning velocity and combustion temperature of Si type delay composition, which mass ratio of Pb3O4to Si is 2∶1，were studied in the range of 80~200MPa loading pressure. The results show that, as loading pressure increasing, the average burning velocity of the delay composition had a positive linear relationship to the loading pressure, the delay accuracy gradually increased at the beginning, reached the best at 170MPa and then decreased, the combustion temperature within the errors had a slight fluctuation with the change of the loading pressure.

Si-type delay composition；Loading pressure；Burning velocity；Combustion temperature

TQ562

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2019.03.013

1003-1480（2019）03-0051-04

2019-03-29

陳昆（1995-），男，碩士研究生，從事民用爆破器材研究。

國家自然科學基金青年科學基金(51604009和11505002)；安徽理工大學科研啟動基金(11130和ZX949)。