一種含能材料細(xì)觀熱點(diǎn)物理模型的建模方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于含能材料熱安全技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種含能材料細(xì)觀熱物理模型的建模 方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 對(duì)于含能材料熱分解，通常伴隨有熱量的釋放。如果熱分解所釋放的熱量不能擴(kuò) 散到周圍環(huán)境，將有可能引發(fā)自燃甚至爆炸事故。
[0003] 目前對(duì)于熱安全物理模型主要是基于宏觀均質(zhì)假設(shè)的化學(xué)反應(yīng)-傳熱模型，這一 模型在仿真宏觀烤燃過程中得到較好的應(yīng)用，但采用宏觀均質(zhì)化的仿真模型不能揭示含能 材料熱安全的深層次的機(jī)制，對(duì)于含能材料熱安全配方設(shè)計(jì)和危險(xiǎn)性起不到預(yù)見作用。
[0004] 含能材料的細(xì)觀尺度決定其熱安全和熱爆炸機(jī)理，在細(xì)觀尺度上含能材料是非均 質(zhì)性的，可以看作是由氧化劑顆粒、粘合劑基體以及兩者之間的粘結(jié)界面帶所組成的三相 非均質(zhì)復(fù)合材料。各組分不一致的傳熱性能和分解放熱性能、組份間界面以及各組份在熱 分解過程中所遵循的不一致的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理，以及在熱分解過程中各組份內(nèi)部及組份間界 面所發(fā)生的復(fù)雜的結(jié)構(gòu)演化，這些都是決定了含能材料熱安全的復(fù)雜性。
[0005] 為了揭示含能材料熱安全深層次的機(jī)制，本發(fā)明綜合多種宏細(xì)觀試驗(yàn)方法，從含 能材料及其組分的熱分解動(dòng)力學(xué)參數(shù)和機(jī)理函數(shù)、含能材料及其組分的微結(jié)構(gòu)表面形貌演 化規(guī)律、含能材料及其組分的微結(jié)構(gòu)內(nèi)部形貌演化規(guī)律、對(duì)含能材料組分熱物理常數(shù)的測 定四個(gè)方面展開，以建立正確的含能材料細(xì)觀熱點(diǎn)物理模型。
[0006] 在本發(fā)明以前的現(xiàn)有技術(shù)中，所檢索到的文獻(xiàn)有：[1]劉禮斌等溫度對(duì)發(fā)射藥安全 和能量影響的數(shù)值計(jì)算[D].彈道學(xué)報(bào).2004:2; [2]陶文銼.數(shù)值傳熱學(xué)[M].西安交通大學(xué) 出版社，2001;[ 3]杜志明.有限空間內(nèi)化學(xué)放熱系統(tǒng)的熱點(diǎn)火[D].北京：北京理工大學(xué)， 1993; [4]荊松吉.凝聚炸藥烤燃機(jī)理研究及二維數(shù)值模擬[D].長沙：國防科技大學(xué)，2004; 上述文獻(xiàn)是與本發(fā)明技術(shù)主題相關(guān)的同類別技術(shù)，但是，從所公開的內(nèi)容看，尚未發(fā)現(xiàn)有關(guān) 含能材料細(xì)觀熱物理模型構(gòu)建方法的報(bào)道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 根據(jù)上述【背景技術(shù)】，本發(fā)明的目的在于，為研究含能材料的熱安全機(jī)理和熱安全 臨界溫度及爆炸延遲時(shí)間的預(yù)測提供依據(jù)，為改善含能材料熱穩(wěn)定性配方提供一種能夠構(gòu) 建高質(zhì)量高效率的含能材料細(xì)觀熱點(diǎn)物理模型的建模方法。
[0008] 現(xiàn)將本發(fā)明構(gòu)思及技術(shù)解決方案敘述如下：
[0009] 本發(fā)明的基本構(gòu)思是，在考慮細(xì)觀結(jié)構(gòu)形成及演變和溫度對(duì)組分材料的熱物理性 能的影響，考慮的影響因素全面合理，且形式簡單、使用方便的前提下，對(duì)其細(xì)觀熱點(diǎn)物理 模型的建立方法進(jìn)行描述，該方法包括:熱分解機(jī)理函數(shù)和參數(shù)的確定;對(duì)含能材料微結(jié)構(gòu) 表面形貌演化規(guī)律的研究;對(duì)含能材料微結(jié)構(gòu)內(nèi)部形貌演化規(guī)律的研究;對(duì)含能材料組分 熱物理常數(shù)的測定四個(gè)部分，具體包括以下步驟：
[0010] 步驟1:通過DSC法和激光導(dǎo)熱法確定組分材料的熱容和導(dǎo)熱率；
[0011] 步驟2:基于DSC-TG試驗(yàn)確定熱分解機(jī)理函數(shù)和參數(shù)；
[0012] 步驟3:通過掃描電鏡試驗(yàn)獲取含能材料表面形貌隨溫度的演化規(guī)律，進(jìn)行定量分 析，得出表面形貌隨溫度演化規(guī)律；
[0013] 步驟4:通過yCT試驗(yàn)獲取含能材料內(nèi)部形貌隨溫度的演化規(guī)律，并進(jìn)行定量分析， 與表面形貌演化規(guī)律相比較，為數(shù)值模型的建立提供基礎(chǔ)；
[0014] 步驟5:總結(jié)以上四步驟的結(jié)果，基于傳熱學(xué)方程(3)和結(jié)構(gòu)演化規(guī)律得出含能材 料的熱物理模型：
[0015] pC- = ?N2T + S ? (3)
[0016] 其中ρ為密度、C為比熱容、T為溫度、t為時(shí)間、λ為導(dǎo)熱系數(shù)、S為化學(xué)反應(yīng)放熱項(xiàng)； // (f
[0017] 對(duì)于化學(xué)反應(yīng)放熱項(xiàng)S有以下普適表達(dá)式^ = 丁 ell .
[0018] 其中Q為單位質(zhì)量的化學(xué)反應(yīng)放熱、α為含能材料已反應(yīng)掉的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)。
[0019] 本發(fā)明進(jìn)一步提供一種含能材料細(xì)觀熱物理模型的建模方法，其特征在于:步驟1 中所述的"通過DSC法和激光導(dǎo)熱法確定組分材料的熱容和導(dǎo)熱率"的具體方法為：
[0020] 步驟1.1采用差示掃描量熱DSC法獲取含能顆粒和粘合劑基體的熱容
[0021]高純氮?dú)鈿夥眨魉贋?0-50ml/min ;粘合劑基體試樣預(yù)先加工成厚度為0.5-1.5mm，直徑為5-7_的平整圓片型試件;含能顆粒粉末狀樣品直接裝入樣品盤中，裝樣品時(shí) 要輕震樣品盤，以便樣品間、樣品與盤之間接觸良好。從室溫25攝氏度，按照一定的升溫速 率(一般1~10攝氏度/min)加熱試樣，直至試樣完全揮發(fā)，得到試樣的DSC曲線。根據(jù)曲線計(jì) 算得到樣品的熱容；
[0022] 步驟1.2:采用激光導(dǎo)熱法獲取含能顆粒和粘合劑基體的導(dǎo)熱率。
[0023] 將含能顆粒和粘合劑基體預(yù)先加工成直徑為10-14mm，誤差小于1.5mm;厚度0.5_ 1.5 mm，誤差小于0.5 mm的平整圓片型試件。將制作好的試件放入導(dǎo)熱儀中，按照一定的升溫 速率(一般1~10攝氏度/min)加熱試件，至400攝氏度，每升溫50攝氏度，通過探針獲取其導(dǎo) 熱系數(shù)，每試件獲取5個(gè)值，通過取平均值，得其導(dǎo)熱率。
[0024]本發(fā)明進(jìn)一步提供一種含能材料細(xì)觀熱物理模型的建模方法，其特征在于:步驟2 中所述的"通過DSC法和激光導(dǎo)熱法確定組分材料的熱容和導(dǎo)熱率"的具體方法為：
[0025]步驟2.1獲取含能材料的組分材料(含能顆粒和粘合劑)在四種升溫速率下的DSC 曲線，四種溫度分別為l°C/min、5°C/min、10°C/min、15°C/min，用于計(jì)算組分的阿倫尼烏斯 參數(shù)，包括反應(yīng)活化能、指前因子、機(jī)理函數(shù)，計(jì)算方法如下：
[0026] 采用非等溫動(dòng)力學(xué)Kissinger方程（1)和Coats-Redfern方程（2)共同確定含能材 料組分的化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)和機(jī)理函數(shù):首先從所測試樣的四種升溫速率的TG曲線獲得 DTG峰溫和反應(yīng)深度值，用Kissinger方程得到反應(yīng)活化能和指前因子，再通過Coats-Redfern 方程確定g (α) 函數(shù)。 ' β ' 、AR Εα
[0027] 1，1(^ 、 ρ α ρ (1)
[0028] ln(-7-，= ln^[1 / u (2)
[0029] 其中為β升溫速率，^為峰溫，T為在熱分解過程中任一溫度，Ea*表觀活化能，A為 指前因子，R為氣體常數(shù)，8.314J/K. mo 1，g (α)為機(jī)理函數(shù)積分形式，α為反應(yīng)深度；
[0030] 步驟2.2獲取含能材料組分材料(含能顆粒和粘合劑)在升溫速率為5°C/min下的 TG曲線，用于對(duì)比計(jì)算材料隨溫度幾何形貌的演化。
[0031] 本發(fā)明進(jìn)一步提供一種含能材料細(xì)觀熱物理模型的建模方法，其特征在于:步驟3 中所述的"通過掃描電鏡試驗(yàn)獲取含能材料表面形貌隨溫度的演化規(guī)律，進(jìn)行定量分析，得 出表面形貌隨溫度演化規(guī)律"的具體方法為：
[0032] 步驟3.1獲取含能顆粒在不同溫度下的細(xì)觀表面形貌圖片，為計(jì)算含能顆粒形貌 隨溫度演化曲線提供基礎(chǔ)；
[0033] 步驟3.2獲取粘合劑膠片在不同溫度下的細(xì)觀表面形貌圖片，為研究粘合劑膠片 形貌隨溫度演化規(guī)律提供依據(jù)。
[0034]本發(fā)明進(jìn)一步提供一種含能材料細(xì)觀熱物理模型的建模方法，其特征在于:步驟3 中所述的"通過yCT試驗(yàn)獲取含能材料內(nèi)部形貌隨溫度的演化規(guī)律，并進(jìn)行定量分析，與表 面形貌演化規(guī)律相比較"的具體方法為：
[0035] 步驟4.1獲取含能顆粒在不同溫度下的細(xì)觀內(nèi)部形貌圖片，為計(jì)算顆粒形貌隨溫 度演化曲線提供基礎(chǔ)；
[0036] 步驟4.2獲取含能材料在不同溫度下的細(xì)觀內(nèi)部形貌圖片，為研究含能材料形貌 隨溫度演化提供依據(jù)。
[0037] 本發(fā)明同現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)越性在于:該方法充分考慮了含能材料自身損傷所特 有的特性，為含能材料細(xì)觀損傷數(shù)值仿真采用的界面模型參數(shù)的選擇提供了方便性和通用 性，以全面模擬預(yù)測實(shí)際的特征和過程，建立了物理模擬準(zhǔn)則體系和滿足準(zhǔn)則的細(xì)觀熱物 理模型，功能全面、易于實(shí)現(xiàn)。
【具體實(shí)施方式】
[0038]以下將以丁羥推進(jìn)劑(含能顆粒為AP顆粒，粘合劑基體為丁羥HTPB)為例，通過對(duì) 其細(xì)觀熱點(diǎn)物理模型的構(gòu)建說明細(xì)觀熱物理模型建模方法。
[0039]步驟1:通過DSC法和激光導(dǎo)熱法確定組分材料的熱容和導(dǎo)熱率。
[0040] 步驟1.1采用差示掃描量熱DSC法獲取含能顆粒和粘合劑基體的熱容
[0041] 高純氮?dú)鈿夥?，流速?0ml/min;粘合劑基體試樣預(yù)先加工成厚度為1mm，直徑為 6mm的平整圓片型試件;含能顆粒粉末狀樣品直接裝入樣品盤中，裝樣品時(shí)要輕震樣品盤， 以便樣品間、樣品與盤之間接觸良好。從室溫25攝氏度，按照一定的升溫速率(一般1~10攝 氏度/min)加熱試樣，直至試