火炸药学报    2018, Vol. 41 Issue (3): 294-297   DOI: 10.14077/j.issn.1007-7812.2018.03.014
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引用本文  

宋浦, 肖川, 杨磊, 葛忠学. 高能物质的高功率密度能量输出特性[J]. 火炸药学报, 2018, 41(3): 294-297. DOI: 10.14077/j.issn.1007-7812.2018.03.014
SONG Pu, XIAO Chuan, YANG Lei, GE Zhong-xue. High Power Density Energy Output Characteristics of High-energy Matters[J]. Chinese Journal of Explosives & Propellants, 2018, 41(3): 294-297. DOI: 10.14077/j.issn.1007-7812.2018.03.014

基金项目

国家安全重大基础研究项目

作者简介

宋浦(1973-), 男, 博士, 研究员, 从事爆炸力学及毁伤技术研究。E-mail:songpu73@163.com

文章历史

收稿日期:2017-08-31
修回日期:2018-01-09
高能物质的高功率密度能量输出特性
宋浦, 肖川, 杨磊, 葛忠学     
西安近代化学研究所燃烧与爆炸技术重点实验室, 陕西 西安 710065
摘要: 针对近年来新发现的典型高能物质特点进行了分类和性能总结,通过炸药类高能物质的能量特征研究了高功率密度能量的输出特性,得到了能量密度与能流密度的输出差异;从作用时间及空间特征尺寸角度重新认识了常规高能物质的高功率密度特性,并对未来的发展提出了展望。结果表明,高能物质能量的高功率密度输出能够达到其他常规材料所无法比拟的量级差距,优化高能物质的装填结构和能量激发序列设计能够使相同质量炸药的爆炸输出功率差别达到1~4个数量级,能量密度差别达到1~2个数量级,能流密度差别达到1~6个数量级。
关键词: 含能材料     高能物质     能量输出     高功率密度     能流密度    
引言

南京理工大学胡炳成教授团队成功合成出世界上首个全氮阴离子盐,相关研究论文于2017年1月发表在《Science》上[1],是我国在此刊上发表的新型高能物质领域的首篇论文。随后南京理工大学陆明教授团队在该领域再次取得突破,在《Nature》上发表了关于N5-金属盐制备与表征的研究论文[2],国内外反响巨大。

作为传统含能材料研究领域的延伸,高能物质一般是指单位质量含有高潜在化学能量的物质,通过原子核外的电子转移来释放化学能,其释能方式为燃烧或爆炸,能量释放功率密度超过1 MW/cm3。高能物质的主要特点是自身反应放热,同时产生大量气体。放热反应促使构成高能物质的分子结构发生变化,重新进行化学组合,同时产生高温燃气,对周围产生作用。急剧反应时发生爆轰(能量释放速率大于10-6s量级),同时伴有冲击波高压产生破坏;在燃烧(能量释放速率为10-3 s~10-6 s量级)情况下,则产生大量燃气获得推力。

随着燃烧、爆炸学科的研究深入,所涉及的材料类型越来越广泛,远远超出了推进剂、发射药、单质/混合炸药等经典火炸药材料的认识范畴[3]。因此本文基于近年来燃烧、爆炸等剧烈反应所涉及的高能物质研究,通过分析高功率密度的能量释放特征,对高能物质的能量特性进行总结,提出有效利用高功率密度能量的技术途径。

1 高能物质的分类

从含能材料学科的发展趋势来看,以燃烧、爆炸作为释能方式的高能物质的分类范畴越来越细致,覆盖领域越来越广[4-5]。高能物质主要包括含能化合物、复合含能材料、高能储氢材料、亚稳态分子间复合材料以及高张力键能材料等类型[3-9]

含能化合物是指无需外界供氧,能独立进行化学反应、瞬间一次性放出大量热和气体的单一化合物材料。主要包括单质高能量密度化合物、高热焓化合物、强氧化剂等。

复合含能材料是指由含能化合物为基础或氧化剂、还原剂以及功能助剂组成,能独立进行氧化还原反应、放出大量热和气体的混合物体系。主要包括混合体系的火炸药、高能混合燃料、高效换能材料(光电转换、光电显示等)、含能功能材料等。

储氢材料是指利用物理或化学作用,可将能量密度高的氢可逆储存并释放的固体材料。分为物理吸附储氢材料和化学吸附储氢材料,主要包括金属氢、固态氢、碳纳米管储氢材料等。

亚稳态分子间复合材料是指由两种或多种非炸药类固体物质组成、以纳米级(分子级)的紧密混合为基础的亚稳态材料。其在化学动力学上稳定,但在外界刺激的作用下引发剧烈的化学反应,释放出巨大热能,具有高能、高反应速率、高安全性及高密度等特性。主要包括超级铝热剂、多孔硅、活性纳米材料等。

高张力键能材料是由单一原子通过全部或部分单键结合的具有高张力键能的亚稳态团簇类含能材料,包括N5+、N8、N10、N60和聚合氮等全氮材料,On等氧簇材料。它具有高密度、高生成焓、超高能量及爆轰产物清洁无污染等优点,是一种潜在的超高能量密度材料。理论估算表明,聚合氮的能量是HMX(目前工程应用能量最高的单质含能化合物)的10.6倍;量子化学计算表明,理论上氧簇分子On中的每个氧原子平均贮能为100 kJ/mol;热力学计算表明,用O8代替液氧后推进剂比冲可以比常规氢氧推进剂(3 800 N·s/kg)增大10 000 N·s/kg[6]

鉴于不同类型的高能物质主要以燃烧或爆炸方式释放化学能,因此上述分类会有某些程度的材料形态或性能的相互覆盖和交叉,应用时应根据其主要性能来划分范畴。

2 典型高能物质的爆炸释能特征

炸药作为重要的高能物质类型,是在一定外界刺激下,能够发生剧烈化学反应甚至爆炸的含能材料或反应体系,主要特点是在一定能量作用下,能够发生快速化学反应,生成大量的热和气体产物[10]。由于爆炸反应的高温(数千K)、高压(数十GPa)、高速(微秒量级)等过程特点,如何将炸药的化学能有效释放并利用,长期以来既是化学、材料学、物理学、力学等学科的交叉融合热点,也是工程实践的难点[11-13],目前主要的技术途径是寻求合成更高能量的高能物质、提高高能物质的装填质量等。从TNT诞生至今,现代高能物质的发展已经历了150多年的历程,形成了具有不同能量特征的四代单质高能炸药和三代混合体系炸药。TNT(梯恩梯,三硝基甲苯)是第一代的典型代表;RDX(黑索今,环三亚甲基三硝胺)、HMX(奥克托今,环四亚甲基四硝胺)是第二代的典型代表;CL-20(六硝基六氮杂异伍兹烷)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、全氮等氮簇物质,其主要性能见表 1 [3-9]

表1 4代典型高能物质的能量对比 Table 1 Energy comparison of four types high-energy matters

高能物质具有的潜在化学能,需在一定条件下才可能释放出来,这些条件实质上是对高能物质设置的可标度,以保证达到所需能量的释放状态[14]。因此,能量释放形式确定了系统的能量状态,不同能量释放形式的主要差别表现在沿传播方向的能量传递,特殊条件下可以获得巨大的能量释放功率。因此,本文从爆炸作用的时间和空间维度出发,通过能量有效释放的角度进行分析。

3 炸药的高功率密度能量输出特性

高能炸药引发剧烈反应后,自身化学能转化为爆轰产物内能的变化、对外界作功的动能和势能改变等。能量输出参量包括冲击波、热膨胀、机械作功、声/光/电/磁等。在此过程中引入物理学的通量概念[15-16]

$\mathop{{\int\!\!\!\!\!\int}\mkern-21mu \bigcirc}\nolimits_\sum Q \cdot \left( {U \cdot \vec n} \right){\rm{d}}A$ (1)

式中:Q代表任意物理量,上式指物理量Q在∑面上的输运量,表示单位时间单位面积内某物理量的流通量,称之为物理量的通量。

通常用于计算的通量公式为:

$ \phi = \frac{{\Delta Q}}{A} $ (2)

式中:ΔQ为物理量Q在单位时间内的增量;A为面积。

由通量的物理定义可知,任意物理量的通量输出均与时间和空间的特性有关,炸药类高能物质的能量输出特性也与此类似。当炸药密度ρ0一定时,其基本参数爆速、爆热、爆容、爆压、爆温和炸药装药的爆炸总能量就已确定。通过能量在时间与空间的分布输出特性,利用特征尺寸、作用时间等因素来改善提高爆炸能量的输出效果,重点考虑功率及其通量输出。

若选定某型炸药,已知炸药质量m、密度ρ0,工程常用类型的装药形状如图 1所示,3种典型炸药装药的主要特征尺寸见表 2

图 1 典型装药形状 Figure 1 Typical charge shapes
表2 典型炸药装药的特征尺寸 Table 2 Characteristic dimensions of typical charges

取炸药装药质量m=100 kg、ρ0=1 800 kg/m3,分析爆炸能量输出与作用时间及空间特征尺寸的定量关系。

(1) 爆炸能量输出与作用时间的关系

利用前述工况计算可得,典型炸药装药的爆炸能量输出特性与时间参量的关系见表 3

表3 典型炸药装药的爆炸能量输出特性 Table 3 Explosion energy output characteristics of typical explosive charges

表 3可见,一定质量的炸药在装药不同的情况下,爆炸输出功率与爆炸作用时间密切相关,可能产生数量级的巨大差异。

(2) 爆炸能量输出与空间特征尺寸的关系

同样利用前述工况计算可得,典型炸药装药的爆炸能量输出特性与空间参量的关系见表 4

表4 典型炸药装药的爆炸能量输出特性 Table 4 Explosion energy output characteristics of typical explosive charges

表 4可见,一定质量的炸药在装药不同的情况下,爆炸输出的能量通量和功率通量与装药的特征尺寸密切相关,将产生数量级的差异。针对高能物质的高密度能量可控释放和高效转换,目前最有效的技术途径就是设计装药结构和起爆传爆序列,从化学、物理、力学的角度出发,控制爆炸能量的时空分布,有效地控制和转化所需的功率输出。

4 结论

(1) 以燃烧、爆炸为主要方式释放化学能的高能物质可以分为含能化合物、复合含能材料、高能储氢材料、亚稳态分子间复合材料以及高张力键能材料等类型。

(2) 优化高能物质的装填结构和能量激发序列设计是可控释放和高效转换高能物质潜在化学能的有效技术途径。相同质量的炸药爆炸输出功率差别能够达到1~4个数量级,能量密度差别可达1~2个数量级,能流密度差别可达1~6个数量级。


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High Power Density Energy Output Characteristics of High-energy Matters
SONG Pu, XIAO Chuan, YANG Lei, GE Zhong-xue     
Science and Technology on Combustion and Explosion Laboratory, Xi'an Modern Chemistry Research Institute, Xi'an 710065, China
Abstract: Aiming at the characteristics of newly discovered typical high-energy matters(HEMs) in recent years, the classification and performance summary of HEMs were carried out. The output characteristics of high power density matters were studied through energy characteristics of HEMs of explosives, and the differences of output between energy density and energy flux density were obtained. The high power density characteristics of conventional HEMs were reconsidered from the angle of action time and space characteristic dimension, and the future development was prospected. Results show that the high power density energy output of HEMs energy can reach different order of magnitude that other conventional materials can not compare. Optimizing the loading structure of HEMs and the design of energy excitation sequence can make the difference of explosion output power of the same mass explosive reaches 1-4 order of magnitude, the difference of energy density reaches 1-2 order of magnitude and the difference of energy flux density reaches 1-6 order of magnitude.
Key words: energetic materials     high-energy matter     energy output     high power density     power flux density