研究含能材料快速反應機理的方法和裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種研究含能材料快速反應機理的方法和裝置，其中所述方法的特征在于：使用研究含能材料快速反應機理的裝置，該方法包括：將單色儀定位在主要產(chǎn)物特征譜線位置處，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后由數(shù)字示波器記錄特征譜線隨時間的強度變化，即時間歷史曲線，以此探討含能材料沖擊分解主要組分隨時間的變化情況；以及用反應動力計算程序模擬含能材料快速反應的動力學特征曲線，結(jié)合實驗測定的主要產(chǎn)物的出現(xiàn)時間、拐點時間和最大峰時間，對含能材料快速反應的反應通道進行修正；由此得到的簡化反應模型著重考慮主要路徑，舍棄影響較弱的反應，可以準確地反映出實際實驗條件下含能材料快速反應的真實過程。
【專利說明】研究含能材料快速反應機理的方法和裝置
【技術(shù)領域】
[0001]本發(fā)明的各實施方式涉及光譜測量【技術(shù)領域】，更具體地涉及研究含能材料快速反應機理的方法和裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]含能材料是一類本身具有較高能量性能、可釋放大量能量的材料，它在航天、軍工以及其它高科技領域的應用尤為廣泛，因此對于含能材料反應機理的研究一直是個熱點。要想研究物質(zhì)反應機理，就必須要對反應過程中的化學動力學過程和分解通道進行分析，這主要是依據(jù)中間產(chǎn)物的瞬態(tài)實時測量。在這方面，各種光譜分析技術(shù)可被用來作為探測含能材料原子分子水平的一種手段，它有利于更全面更深入地了解沖擊波作用下物質(zhì)的物性變化及相應的機理。
[0003]國外是從80年代開始對含能材料分解微觀機理進行研究的。實驗上主要采用分子束質(zhì)譜儀、紫外/可見吸收光譜、自發(fā)拉曼光譜儀、傅立葉轉(zhuǎn)換紅外光譜儀等技術(shù)，但是由于含能材料快速反應時間為微秒量級甚至更短，一般的儀器的響應時間達不到，因此不能對中間和最終產(chǎn)物隨時間的變化過程進行研究。國外有些機構(gòu)采用激光誘導熒光、高放大率錄象和高速攝影機等技術(shù)，這些方法雖然能鑒別在沖擊壓縮過程中材料內(nèi)部所發(fā)生的物理和化學過程，但是這些儀器價格昂貴，且有些設備進口受到限制，一般單位和機構(gòu)很難購買。因此國內(nèi)大都限于熱分析的方法，而熱分析方法是一種在緩慢溫度程序控制下研究材料的轉(zhuǎn)變和反應的過程，它并不能真正模擬含能材料在高溫高壓條件下快速反應(燃燒、爆炸等)的過程。以上這些原因都極大地限制了含能材料快速反應微觀機理的研究工作。
[0004]針對由于經(jīng)費和國外對高科技技術(shù)的限制等原因很難成套購買適用于沖擊瞬態(tài)光譜測試設備的問題，本發(fā)明通過現(xiàn)有光譜儀器進行組裝使之能夠滿足沖擊光譜實驗的要求，并提出一種以理論模擬和動態(tài)實驗相結(jié)合來研究含能材料快速反應機理的新方法和裝置。這種方法不僅可大大減少實驗量，而且能真實模擬含能材料快速反應時的狀態(tài)，更貼近實際應用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明一個目的在于克服現(xiàn)有對沖擊瞬態(tài)光譜測試設備價格昂貴、進口困難以及對含能材料在極短時間內(nèi)發(fā)生的反應機理較難研究等問題，提供主要由單色譜儀、光電倍增管及示波器組成的沖擊瞬態(tài)光譜測試裝置，并提出一種以理論模擬和動態(tài)實驗相結(jié)合來研究硝銨類含能材料快速反應機理的新方法和裝置。
[0006]本發(fā)明為解決技術(shù)問題所采取的技術(shù)方案是:
[0007]理論與實驗相結(jié)合是研究含能材料反應機理最有效的方法，也是含能材料研究發(fā)展趨勢。因此本項目的研究從實驗研究和理論研究兩個方面進行:
[0008]實驗上:利用以激波管為加載工具，由多臺單色譜儀組成的瞬態(tài)譜測試系統(tǒng)，對含能材料快速反應的中間產(chǎn)物信號進行同步采集，利用獲取的信號數(shù)據(jù)來修正計算出的反應的動力學特征。
[0009]理論上:我們利用化學反應動力學軟件計算出我們實驗條件下(溫度和壓強由實驗得出)含能材料快速反應的中間產(chǎn)物的反應動力學曲線。并對含能材料快速反應的反應通道速率(K):K = AT0exp (-E/RT)中的Α、β、Ε給予調(diào)整，使調(diào)整后反應動力程序模擬的動力學特征曲線和實驗測定的主要產(chǎn)物輻射強度的變化曲線的“三點”時間盡量的吻合，這樣修改后得到的反應模型可以較為準確的反映出實驗條件下含能材料快速反應的真實過程。
[0010]根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種研究含能材料快速反應機理的裝置，其特征在于:包括激波管、樣品固定裝置以及單色譜測試系統(tǒng)，其中激波管包括點火裝置、驅(qū)動段充氣口、實驗段充氣口、第一壓力傳感器、第二壓力傳感器、聚乙烯薄膜和光纖出口 ；樣品固定裝置包括光纖觀察口、高溫管保護的光纖、圓環(huán)底座和樣品袋；單色譜測試系統(tǒng)包括分光裝置、單色譜儀、光電倍增管、電荷放大器、數(shù)字示波器和電纜線。
[0011]根據(jù)本發(fā)明進一步的實施例，樣品固定裝置放在第一壓力傳感器的正下方，以保證壓力傳感器和光纖記錄數(shù)據(jù)的時間同步。
[0012]根據(jù)本發(fā)明進一步的實施例，光纖通過光纖觀察口耦合到樣品固定裝置上，且端面背向沖擊波傳播方向，以防止光纖的誤觸發(fā)，光纖用高溫管和波紋管保護，以免光纖在高溫情況下受到損傷而影響光信號的傳輸。
[0013]根據(jù)本發(fā)明進一步的實施例，激波管長6.0Om,內(nèi)徑為IOcm ;第一壓力傳感器和第二壓力傳感器間隔55cm，第一壓力傳感器距離激波管末端為2.45m。
[0014]根據(jù)本發(fā)明進一步的實施例，選擇帶寬500MHz、四通道的數(shù)字示波器，光譜范圍300-650nm的光電倍增管，反射式單色譜儀，直徑0.9mm的普通石英光纖。
[0015]根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供了一種通過理論模擬和動態(tài)實驗相結(jié)合來研究含能材料快速反應機理的方法，其特征在于:使用基于激波動態(tài)混合法研究硝銨類炸藥爆炸的裝置，該裝置包括激波管、樣品固定裝置以及單色譜測試系統(tǒng)，其中激波管包括點火裝置、驅(qū)動段充氣口、實驗段充氣口、第一壓力傳感器、第二壓力傳感器、聚乙烯薄膜和光纖出口 ；樣品固定裝置包括光纖觀察口、高溫管保護的光纖、圓環(huán)底座和樣品袋；單色譜測試系統(tǒng)包括分光裝置、單色譜儀、光電倍增管、電荷放大器、數(shù)字示波器和電纜線；該方法包括:
[0016]將單色儀定位在主要產(chǎn)物特征譜線位置處，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后由數(shù)字示波器記錄特征譜線隨時間的強度變化，即時間歷史曲線，以此探討含能材料沖擊分解主要組分隨時間的變化情況；以及
[0017]用反應動力計算程序模擬含能材料快速反應的動力學特征曲線，結(jié)合實驗測定的主要產(chǎn)物的出現(xiàn)時間、拐點時間和最大峰時間，對含能材料快速反應的反應通道進行修正，對原先的反應通道給予適當?shù)奶砑踊騽h減，并且對反應通道的速率K:K = AT β exp (-E/RT)中的Α、β、E給予調(diào)整，其中A為指前因子，β為溫度指數(shù)，E為活化能，R為氣體常數(shù)，T為絕對溫度，使得根據(jù)修改后的參數(shù)所擬合出來的曲線和在實驗中測到的主要產(chǎn)物出現(xiàn)時間及拐點時間、最大峰時間盡量的吻合；由此得到的簡化反應模型著重考慮主要路徑，舍棄影響較弱的反應，可以準確地反映出實際實驗條件下含能材料快速反應的真實過程。
[0018]根據(jù)本發(fā)明進一步的實施例，其特征在于:實驗中以第一壓力傳感器接收到的壓力信號Pi為觸發(fā)信號，將與壓力信號Pi同步對應的光電信號時間tl作為記錄的零點。[0019]根據(jù)本發(fā)明進一步的實施例，激波管長6.0Om,內(nèi)徑為IOcm ;第一壓力傳感器和第二壓力傳感器間隔55cm，第一壓力傳感器距離激波管末端為2.45m。
[0020]根據(jù)本發(fā)明進一步的實施例，選擇帶寬500MHz、四通道的示波器，光譜范圍300-650nm的光電倍增管，反射式單色譜儀，直徑0.9mm的普通石英光纖。
[0021]本發(fā)明所具有的有益效果為:
[0022]1.操作簡單、成本較低；2.瞬態(tài)光譜靈敏度要遠高于熱分析技術(shù)；3.和理論計算相結(jié)合不僅大大減少實驗量，而且還可修正計算出的反應的動力學曲線；3.能真實模擬含能材料爆炸燃燒時的狀態(tài)，更貼近實際應用。本發(fā)明的這種新方法為含能材料的快速反應機理的研究提出了新思路。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0023]當結(jié)合附圖閱讀下文對示范性實施方式的詳細描述時，這些以及其他目的、特征和優(yōu)點將變得顯而易見，在附圖中:
[0024]圖1為根據(jù)本發(fā)明的研究含能材料快速反應機理的的裝置使用狀態(tài)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0025]圖2為示波器記錄的單色譜的輻射強度的變化圖；以及
[0026]圖3為反應動力程序模擬的產(chǎn)物的動力學曲線。
【具體實施方式】
[0027]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進一步描述。
[0028]如圖1所示，一種研究含能材料快速反應機理的裝置，包括激波管1、樣品固定裝置2以及單色譜測試系統(tǒng)3 ;其中點火裝置1-1、驅(qū)動段充氣口 1-2、實驗段充氣口 1-3、第一壓力傳感器1-4、第二壓力傳感器1-5、聚乙烯薄膜1-6、光纖出口 1-7、光纖觀察口 2-1、高溫管保護的光纖2-2、圓環(huán)底座2-3、樣品袋2-4、分光裝置3-1、單色譜儀3_2、光電倍增管3-3、電荷放大器3-4、數(shù)字示波器3-5、電纜線3-6。
[0029]整個實驗在激波管I中進行，首先將激波管I密封，驅(qū)動段充氣口 1-2和實驗段充氣口 1-3分別用真空泵同時抽真空至0.005MPa。驅(qū)動段充氣口 1-2充入化學計量比為2: I的氫氣和氧氣，并預留一定時間使其充分混合。用點火裝置1-1電火花點火，使氫氧混合氣體爆炸，沖破聚乙烯薄膜1-6后，在激波管實驗段中就形成了沖擊波(圖1)。實驗前把含能材料裝在袋子2-4中，將它們裝在樣品固定裝置2上。樣品固定裝置2放在第一壓力傳感器1-4的正下方，以保證壓力傳感器和信號光纖記錄數(shù)據(jù)的時間同步。而光纖2-2通過光纖觀察口 2-1耦合到樣品固定裝置2上，且端面背向沖擊波傳播方向，以防止信號光纖的誤觸發(fā)，光纖用高溫管和波紋管保護，以免光纖在高溫情況下受到損傷而影響光信號的傳輸。這樣在入射沖擊波作用下，袋子中的含能材料在強激波作用下迅速向周圍空間拋撒并發(fā)生爆炸反應。
[0030]通過單色譜測試系統(tǒng)(單色譜儀3-2、光電倍增管3-3及示波器3-5)記錄反應中間產(chǎn)物特征譜線的強度隨時間變化曲線(圖2)。實驗中爆炸點火后產(chǎn)生的光訊號經(jīng)過光纖2-2傳輸，分光裝置3-1分光，分別進入三臺單色譜儀3-2 (事先通過調(diào)節(jié)單色譜儀3-2的棱鏡或光柵的角位置可以選擇出射預定的單色光)。光訊號經(jīng)單色譜儀3-2色散后，只有某一波長的單色光能夠透過單色儀出口狹縫，經(jīng)過光電倍增管3-3完成光信號轉(zhuǎn)化為電信號后，由數(shù)字示波器3-5記錄電壓波形。
[0031]實驗中以第一壓力傳感器1-4接收到的壓力信號Pl為觸發(fā)信號，
[0032]由于壓力信號和光電信號是同步記錄，因此，把這時與Pl同步對應的光電信號時間tl作為記錄的零點，那么測試信號起跳點t2代表著產(chǎn)物的出現(xiàn)時間，測試信號起跳點t2與記錄零點時間tl間隔就是該中間產(chǎn)物的點火時間ΔT(如圖2所示)。同樣以此方法時間的零點可以測量中間產(chǎn)物信號的拐點和峰值時間。
[0033]本實施方式的工作方式為:含能材料的快速化學反應過程，在實驗條件下可以看作化學動力學控制的氣相反應，其反應速率可以用Arrhenius定律表示
[0034]K = AT0 exp (-E/RT)(1)
[0035]其中，A為指前因子；β為溫度指數(shù)；Ε為活化能；R為氣體常數(shù)；T為絕對溫度。
[0036]擬用CHEMKIN程序計算含能材料的快速反應中反應產(chǎn)物的動力學曲線，根據(jù)測定的多個反應產(chǎn)物的出現(xiàn)時間和峰值時間差對比理論計算的結(jié)果，可以得到入射激波激勵條件下含能材料快速反應過程中的重要產(chǎn)物反應通道和活化能等參數(shù)(圖3)。
[0037]用反應動力計算程序模擬了含能材料快速反應的動力學特征曲線(圖3)，結(jié)合實驗測定的主要產(chǎn)物的出現(xiàn)時間、拐點時間和最大峰時間(圖2)，對含能材料快速反應的反應通道進行修正，對原先的反應通道給于適當?shù)奶砑踊騽h減，并且對反應通道的速率(K):K = ATeexp(-E/RT)的Α、β、Ε給于調(diào)整，使得根據(jù)修改后的參數(shù)所擬合出來的曲線和在實驗中測到的產(chǎn)物出現(xiàn)時間及拐點、最大峰值時間盡量的吻合，這樣修改后得到的簡化反應模型著重考慮主要路徑，舍棄影響較弱的反應?？梢暂^為準確的反映出我們實驗條件(高溫高壓)條件下含能材料快速反應的真實過程。
[0038]本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)研究含能材料分解微觀機理的關鍵技術(shù)為:
[0039]理論上用反應動力計算程序模擬出含能材料快速反應的動力學特征曲線，結(jié)合實驗測定的主要產(chǎn)物的出現(xiàn)時間、拐點時間和最大峰時間，對含能材料快速反應的反應通道的速率K = ATeexp(-E/RT)的Α、β、Ε等參數(shù)給于調(diào)整，使得根據(jù)修改后的參數(shù)所擬合出來的曲線和在實驗中測到的產(chǎn)物出現(xiàn)時間及拐點、最大峰值時間要盡最大程度量的吻合。這是準確地反映出實驗條件下含能材料快速反應的真實過程的關鍵。
[0040]本實施例中激波管1長6.0Om,內(nèi)徑為IOcm ;實驗段兩個壓力傳感器1_4和1_5間隔55cm，第一壓力傳感器1-4距離激波管末端1-7為2.45m，驅(qū)動段氫氣和氧氣化學計量比為2: 1，選用TDS5054示波器(帶寬500MHz、四通道)，Phillips XP2262型光電倍增管(光譜范圍300-650nm)，WDF反射式單色儀，YE5852電荷放大器，光纖為普通石英光纖(直徑 0.9mm)。
[0041]已經(jīng)出于示出和描述的目的給出了本發(fā)明的說明書，但是其并不意在是窮舉的或者限制于所公開形式的發(fā)明。本領域技術(shù)人員可以想到很多修改和變體。
[0042]因此，實施方式是為了更好地說明本發(fā)明的原理、實際應用以及使本領域技術(shù)人員中的其他人員能夠理解以下內(nèi)容而選擇和描述的，即，在不脫離本發(fā)明精神的前提下，做出的所有修改和替換都將落入所附權(quán)利要求定義的本發(fā)明保護范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種研究含能材料快速反應機理的裝置，其特征在于:包括激波管、樣品固定裝置以及單色譜測試系統(tǒng)，其中激波管包括點火裝置、驅(qū)動段充氣口、實驗段充氣口、第一壓力傳感器、第二壓力傳感器、聚乙烯薄膜和光纖出口 ；樣品固定裝置包括光纖觀察口、高溫管保護的光纖、圓環(huán)底座和樣品袋；單色譜測試系統(tǒng)包括分光裝置、單色譜儀、光電倍增管、電荷放大器、數(shù)字示波器和電纜線。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于:樣品固定裝置放在第一壓力傳感器的正下方，以保證壓力傳感器和光纖記錄數(shù)據(jù)的時間同步。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于:光纖通過光纖觀察口耦合到樣品固定裝置上，且端面背向沖擊波傳播方向，以防止光纖的誤觸發(fā)，光纖用高溫管和波紋管保護，以免光纖在高溫情況下受到損傷而影響光信號的傳輸。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于:激波管長6.0Om,內(nèi)徑為IOcm ;第一壓力傳感器和第二壓力傳感器間隔55cm，第一壓力傳感器距離激波管末端為2.45m。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于:選擇帶寬500MHz、四通道的數(shù)字示波器，光譜范圍300-650nm的光電倍增管，反射式單色譜儀，直徑0.9mm的普通石英光纖。
6.一種通過理論模擬和動態(tài)實驗相結(jié)合來研究含能材料快速反應機理的方法，其特征在于:使用基于激波動態(tài)混合法研究硝銨類炸藥爆炸的裝置，該裝置包括激波管、樣品固定裝置以及單色譜測試系統(tǒng)，其中激波管包括點火裝置、驅(qū)動段充氣口、實驗段充氣口、第一壓力傳感器、第二壓力傳感器、聚乙烯薄膜和光纖出口 ；樣品固定裝置包括光纖觀察口、高溫管保護的光纖、圓環(huán)底座和樣品袋；單色譜測試系統(tǒng)包括分光裝置、單色譜儀、光電倍增管、電荷放大器、數(shù)字示波器和電纜線；該方法包括: 將單色儀定位在主要產(chǎn)物特征譜線位置處，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后由數(shù)字示波器記錄特征譜線隨時間的強度變化，即時間歷史曲線，以此探討含能材料沖擊分解主要組分隨時間的變化情況；以及 用反應動力計算程序模擬含能材料快速反應的動力學特征曲線，結(jié)合實驗測定的主要產(chǎn)物的出現(xiàn)時間、拐點時間和最大峰時間，對含能材料快速反應的反應通道進行修正，對原先的反應通道給予適當?shù)奶砑踊騽h減，并且對反應通道的速率K:K = ATeexp(-E/RT)中的Α、β、E給予調(diào)整,其中A為指前因子，β為溫度指數(shù)，E為活化能,R為氣體常數(shù),T為絕對溫度，使得根據(jù)修改后的參數(shù)所擬合出來的曲線和在實驗中測到的主要產(chǎn)物出現(xiàn)時間及拐點時間、最大峰時間盡量的吻合；由此得到的簡化反應模型著重考慮主要路徑，舍棄影響較弱的反應，可以準確地反映出實際實驗條件下含能材料快速反應的真實過程。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于:實驗中以第一壓力傳感器接收到的壓力信號Pi為觸發(fā)信號，將與壓力信號Pi同步對應的光電信號時間tl作為記錄的零點。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于:激波管長6.00m，內(nèi)徑為IOcm;第一壓力傳感器和第二壓力傳感器間隔55cm，第一壓力傳感器距離激波管末端為2.45m。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于:選擇帶寬500MHz、四通道的示波器，光譜范圍300-650nm的光電倍增管，反射式單色譜儀，直徑0.9mm的普通石英光纖。
【文檔編號】G01N21/27GK103776776SQ201310346440
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2013年8月12日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月12日
【發(fā)明者】吳旌賀, 夏麗莉, 杜亞冰, 楊寧, 李記輝, 盧守府, 李帥, 史金磊 申請人:河南教育學院