高能物質(zhì)的高功率密度能量輸出特性

宋 浦，肖 川，楊 磊，葛忠學(xué)

(西安近代化學(xué)研究所燃燒與爆炸技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710065)

引 言

作為傳統(tǒng)含能材料研究領(lǐng)域的延伸，高能物質(zhì)一般是指單位質(zhì)量含有高潛在化學(xué)能量的物質(zhì)，通過(guò)原子核外的電子轉(zhuǎn)移來(lái)釋放化學(xué)能，其釋能方式為燃燒或爆炸，能量釋放功率密度超過(guò)1MW/cm3。高能物質(zhì)的主要特點(diǎn)是自身反應(yīng)放熱，同時(shí)產(chǎn)生大量氣體。放熱反應(yīng)促使構(gòu)成高能物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，重新進(jìn)行化學(xué)組合，同時(shí)產(chǎn)生高溫燃?xì)猓瑢?duì)周?chē)a(chǎn)生作用。急劇反應(yīng)時(shí)發(fā)生爆轟(能量釋放速率大于10-6s量級(jí))，同時(shí)伴有沖擊波高壓產(chǎn)生破壞；在燃燒(能量釋放速率為10-3s～10-6s量級(jí))情況下，則產(chǎn)生大量燃?xì)猥@得推力。

隨著燃燒、爆炸學(xué)科的研究深入，所涉及的材料類型越來(lái)越廣泛，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了推進(jìn)劑、發(fā)射藥、單質(zhì)/混合炸藥等經(jīng)典火炸藥材料的認(rèn)識(shí)范疇[3]。因此本文基于近年來(lái)燃燒、爆炸等劇烈反應(yīng)所涉及的高能物質(zhì)研究，通過(guò)分析高功率密度的能量釋放特征，對(duì)高能物質(zhì)的能量特性進(jìn)行總結(jié)，提出有效利用高功率密度能量的技術(shù)途徑。

1 高能物質(zhì)的分類

從含能材料學(xué)科的發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，以燃燒、爆炸作為釋能方式的高能物質(zhì)的分類范疇越來(lái)越細(xì)致，覆蓋領(lǐng)域越來(lái)越廣[4-5]。高能物質(zhì)主要包括含能化合物、復(fù)合含能材料、高能儲(chǔ)氫材料、亞穩(wěn)態(tài)分子間復(fù)合材料以及高張力鍵能材料等類型[3-9]。

含能化合物是指無(wú)需外界供氧，能獨(dú)立進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)、瞬間一次性放出大量熱和氣體的單一化合物材料。主要包括單質(zhì)高能量密度化合物、高熱焓化合物、強(qiáng)氧化劑等。

復(fù)合含能材料是指由含能化合物為基礎(chǔ)或氧化劑、還原劑以及功能助劑組成，能獨(dú)立進(jìn)行氧化還原反應(yīng)、放出大量熱和氣體的混合物體系。主要包括混合體系的火炸藥、高能混合燃料、高效換能材料(光電轉(zhuǎn)換、光電顯示等)、含能功能材料等。

儲(chǔ)氫材料是指利用物理或化學(xué)作用，可將能量密度高的氫可逆儲(chǔ)存并釋放的固體材料。分為物理吸附儲(chǔ)氫材料和化學(xué)吸附儲(chǔ)氫材料，主要包括金屬氫、固態(tài)氫、碳納米管儲(chǔ)氫材料等。

亞穩(wěn)態(tài)分子間復(fù)合材料是指由兩種或多種非炸藥類固體物質(zhì)組成、以納米級(jí)(分子級(jí))的緊密混合為基礎(chǔ)的亞穩(wěn)態(tài)材料。其在化學(xué)動(dòng)力學(xué)上穩(wěn)定，但在外界刺激的作用下引發(fā)劇烈的化學(xué)反應(yīng)，釋放出巨大熱能，具有高能、高反應(yīng)速率、高安全性及高密度等特性。主要包括超級(jí)鋁熱劑、多孔硅、活性納米材料等。

鑒于不同類型的高能物質(zhì)主要以燃燒或爆炸方式釋放化學(xué)能，因此上述分類會(huì)有某些程度的材料形態(tài)或性能的相互覆蓋和交叉，應(yīng)用時(shí)應(yīng)根據(jù)其主要性能來(lái)劃分范疇。

2 典型高能物質(zhì)的爆炸釋能特征

炸藥作為重要的高能物質(zhì)類型，是在一定外界刺激下，能夠發(fā)生劇烈化學(xué)反應(yīng)甚至爆炸的含能材料或反應(yīng)體系，主要特點(diǎn)是在一定能量作用下，能夠發(fā)生快速化學(xué)反應(yīng)，生成大量的熱和氣體產(chǎn)物[10]。由于爆炸反應(yīng)的高溫(數(shù)千K)、高壓(數(shù)十GPa)、高速(微秒量級(jí))等過(guò)程特點(diǎn)，如何將炸藥的化學(xué)能有效釋放并利用，長(zhǎng)期以來(lái)既是化學(xué)、材料學(xué)、物理學(xué)、力學(xué)等學(xué)科的交叉融合熱點(diǎn)，也是工程實(shí)踐的難點(diǎn)[11-13]，目前主要的技術(shù)途徑是尋求合成更高能量的高能物質(zhì)、提高高能物質(zhì)的裝填質(zhì)量等。從TNT誕生至今，現(xiàn)代高能物質(zhì)的發(fā)展已經(jīng)歷了150多年的歷程，形成了具有不同能量特征的四代單質(zhì)高能炸藥和三代混合體系炸藥。TNT(梯恩梯，三硝基甲苯)是第一代的典型代表；RDX(黑索今，環(huán)三亞甲基三硝胺)、HMX(奧克托今，環(huán)四亞甲基四硝胺)是第二代的典型代表；CL-20(六硝基六氮雜異伍茲烷)和DNTF(二硝基呋咱基氧化呋咱)是第三代的典型代表；新一代的典型是多氮、全氮等氮簇物質(zhì)，其主要性能見(jiàn)表1[3-9]。

表1 4代典型高能物質(zhì)的能量對(duì)比Table 1 Energy comparison of four types high-energy matters

注：ρ為密度；D為爆速；★表示所列數(shù)據(jù)為理論計(jì)算值。

高能物質(zhì)具有的潛在化學(xué)能，需在一定條件下才可能釋放出來(lái)，這些條件實(shí)質(zhì)上是對(duì)高能物質(zhì)設(shè)置的可標(biāo)度，以保證達(dá)到所需能量的釋放狀態(tài)[14]。因此，能量釋放形式確定了系統(tǒng)的能量狀態(tài)，不同能量釋放形式的主要差別表現(xiàn)在沿傳播方向的能量傳遞，特殊條件下可以獲得巨大的能量釋放功率。因此，本文從爆炸作用的時(shí)間和空間維度出發(fā)，通過(guò)能量有效釋放的角度進(jìn)行分析。

3 炸藥的高功率密度能量輸出特性

高能炸藥引發(fā)劇烈反應(yīng)后，自身化學(xué)能轉(zhuǎn)化為爆轟產(chǎn)物內(nèi)能的變化、對(duì)外界作功的動(dòng)能和勢(shì)能改變等。能量輸出參量包括沖擊波、熱膨脹、機(jī)械作功、聲/光/電/磁等。在此過(guò)程中引入物理學(xué)的通量概念[15-16]：

(1)

式中：Q代表任意物理量，上式指物理量Q在∑面上的輸運(yùn)量，表示單位時(shí)間單位面積內(nèi)某物理量的流通量，稱之為物理量的通量。

通常用于計(jì)算的通量公式為：

(2)

式中：ΔQ為物理量Q在單位時(shí)間內(nèi)的增量；A為面積。

由通量的物理定義可知，任意物理量的通量輸出均與時(shí)間和空間的特性有關(guān)，炸藥類高能物質(zhì)的能量輸出特性也與此類似。當(dāng)炸藥密度ρ0一定時(shí)，其基本參數(shù)爆速、爆熱、爆容、爆壓、爆溫和炸藥裝藥的爆炸總能量就已確定。通過(guò)能量在時(shí)間與空間的分布輸出特性，利用特征尺寸、作用時(shí)間等因素來(lái)改善提高爆炸能量的輸出效果，重點(diǎn)考慮功率及其通量輸出。

若選定某型炸藥，已知炸藥質(zhì)量m、密度ρ0，工程常用類型的裝藥形狀如圖1所示，3種典型炸藥裝藥的主要特征尺寸見(jiàn)表2。

表2 典型炸藥裝藥的特征尺寸Table 2 Characteristic dimensions of typical charges

注：V為裝藥體積；S為裝藥表面積；r為裝藥半徑；L/d為裝藥長(zhǎng)徑比；ρ0為裝藥密度。

取炸藥裝藥質(zhì)量m=100kg、ρ0=1800kg/m3，分析爆炸能量輸出與作用時(shí)間及空間特征尺寸的定量關(guān)系。

(1)爆炸能量輸出與作用時(shí)間的關(guān)系

利用前述工況計(jì)算可得，典型炸藥裝藥的爆炸能量輸出特性與時(shí)間參量的關(guān)系見(jiàn)表3。

表3 典型炸藥裝藥的爆炸能量輸出特性Table 3 Explosion energy output characteristics of typical explosive charges

注：t為爆炸作用時(shí)間；P為爆炸輸出功率；D為炸藥爆速；Qv為炸藥爆熱。

由表3可見(jiàn)，一定質(zhì)量的炸藥在裝藥不同的情況下，爆炸輸出功率與爆炸作用時(shí)間密切相關(guān)，可能產(chǎn)生數(shù)量級(jí)的巨大差異。

(2)爆炸能量輸出與空間特征尺寸的關(guān)系

同樣利用前述工況計(jì)算可得，典型炸藥裝藥的爆炸能量輸出特性與空間參量的關(guān)系見(jiàn)表4。

表4 典型炸藥裝藥的爆炸能量輸出特性Table 4 Explosion energy output characteristics of typical explosive charges

注：φE為能量通量，φP為功率通量。

由表4可見(jiàn)，一定質(zhì)量的炸藥在裝藥不同的情況下，爆炸輸出的能量通量和功率通量與裝藥的特征尺寸密切相關(guān)，將產(chǎn)生數(shù)量級(jí)的差異。針對(duì)高能物質(zhì)的高密度能量可控釋放和高效轉(zhuǎn)換，目前最有效的技術(shù)途徑就是設(shè)計(jì)裝藥結(jié)構(gòu)和起爆傳爆序列，從化學(xué)、物理、力學(xué)的角度出發(fā)，控制爆炸能量的時(shí)空分布，有效地控制和轉(zhuǎn)化所需的功率輸出。

4 結(jié) 論

(1)以燃燒、爆炸為主要方式釋放化學(xué)能的高能物質(zhì)可以分為含能化合物、復(fù)合含能材料、高能儲(chǔ)氫材料、亞穩(wěn)態(tài)分子間復(fù)合材料以及高張力鍵能材料等類型。

(2)優(yōu)化高能物質(zhì)的裝填結(jié)構(gòu)和能量激發(fā)序列設(shè)計(jì)是可控釋放和高效轉(zhuǎn)換高能物質(zhì)潛在化學(xué)能的有效技術(shù)途徑。相同質(zhì)量的炸藥爆炸輸出功率差別能夠達(dá)到1～4個(gè)數(shù)量級(jí)，能量密度差別可達(dá)1～2個(gè)數(shù)量級(jí)，能流密度差別可達(dá)1～6個(gè)數(shù)量級(jí)。

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