1.7.2 Al/PTFE、Al/Ni典型活性材料壳体爆炸驱动试验
1.活性材料爆炸驱动装置
活性材料爆炸驱动装置结构示意图如图1.7.10所示，主要由传爆药柱、炸药装药、尼龙衬套、壳体、下盖板等组成，其中壳体材料分别为表1.7.3中的4种材料。
图1.7.10 试验装置示意图
试验装置照片如图1.7.11所示。其中，炸药装药为φ30mm×37mm的JH-2（8701）药柱，密度为1.7 g/cm3，装药质量为44 g；活性材料外径为50mm，内径为34mm；尼龙衬套壁厚1.7mm。雷管座主要用于固定雷管及传爆药柱并与药柱下盖板一起约束爆轰产物，控制爆轰产物飞散方向的作用。
图1.7.11 活性材料爆炸驱动装置照片
1）试验测试方案
试验布局示意图如图1.7.12所示，将该装药结构置于PVC塑料管支架上，距离地面1.5m。运用CY-YD-202压电式压力传感器测量爆炸驱动下自由场空气冲击波超压峰值。采用高速摄影、远红外热像仪测试火球爆炸参数、温度场分布特点。活性材料爆炸驱动装置与压力传感器、高速摄影、远红外热像仪的水平距离分别为1.8m、22m、22m。其中，爆炸驱动过程由高速摄影以5 000帧/s的速度进行拍摄，捕捉不同材料爆炸驱动过程中火光结构的瞬态演变过程。此外，为了研究活性材料的撞击反应行为，在距离装药水平距离2m处设置了一块尺寸为600mm×600mm×10mm的钢板。为了得到科学、合理的试验结果，对每种材料试验重复2次，并且对典型试验结果进行分析。
图1.7.12 试验布局示意图
2）空气冲击波超压测试系统
空气冲击波超压测试系统主要由安装基座、压电式压力传感器（图1.7.13）、便携式多路数据采集仪（图1.7.14）组成。其中，型号为CY-YD-202的压电式压力传感器压力感受面为胶封层，适用于自由场空气冲击波测量，其上升时间短、过冲比小，表1.7.5为传感器参数。本试验设置便携式高速数据采集仪的采样频率为1.25 MHz。
表1.7.5 CY-YD-202压电传感器参数
图1.7.13 压电式传感器
图1.7.14 便携式多路数据采集仪
试验时，将压电式压力传感器一端固定于安装基座上，带有白色胶封层一端用于测量空气冲击波超压，另一端通过低噪声同轴电缆与便携式多路数据采集仪连接。爆炸试验前，启动冲击波测试系统记录空气冲击波的压力变化；爆炸试验后，冲击波测量系统自动记录冲击波信号，冲击波压力传感器将冲击波超压转换为电信号，由信号调理及数据采集模块进行调理以及显示储存，通过电子显示屏可以直接显示所测得的超压曲线。测量系统的分辨率为0.1MPa/V，量程为1MPa。
3）温度场测试系统
炸药装药爆炸过程具有放热性、高速度（或瞬时性）并能自行传播、生成大量气体产物三个特征。由于炸药装药爆炸反应速度极高，时间较短，较难测定爆炸温度场参数。早期大多通过间接测量爆炸产物的比热、爆热来估算爆温，这种方法只能计算出爆温的区间范围，不能获得具体的温度值。目前通常采用光谱测温的方法直接测量爆炸温度，如激光相干反斯托克斯拉曼光谱法（CARS）、原子发射光谱双谱线法、多光谱辐射测温法、红外热成像法等，其中一些方法不但可以获得爆炸温度值，而且可以获得温度随时间变化曲线。根据测试系统中的感温元件是否与目标接触，可分为接触法（如热电偶法）和非接触法（如多光谱辐射测温法、红外热成像法等）两大类。其中红外辐射测温原理可表示为：(https://www.daowen.com)
式中，c为真空中的光速，取3×108m·s-1；C1为第一辐射常数，取3.741 5×10-12W·cm2；C2为第二辐射常数，取1.438 79 cm·K；Th为黑体绝对温度，K；k为玻尔兹曼常数，取1.380 6×10-23W·s·K-1；h为普朗克常数，取6.626 2×10-34J·s；χ为光谱辐射的波长；Mbχ为黑体的光谱辐射能力，W·cm-2·μm-1。
红外热像仪利用实时的扫描热成像技术测试温度，是一种红外波段的摄像机，可以更直观地观测并记录爆炸过程中不同时刻温度变化。本试验使用美国Flir公司生产的SC7000型远红外热像仪，如图1.7.15所示。该仪器具有测试精度高、灵敏度高、测试速度快等特点，能够实时监控记录样品爆炸及辐射性能的动态变化。仪器波长范围为7.7～9.2μm，测试频率为200 Hz，镜头焦距为25mm，发射率为1。使用该仪器测得结果可利用仪器自带软件Altair进行数据分析处理，最终可获得任意时刻样品爆炸温度、辐射面积等试验结果。其主要测试参数见表1.7.6。
图1.7.15 SC7000型远红外热像仪
表1.7.6 远红外热像仪技术参数
2.试验结果分析与讨论
炸药爆炸后产生的毁伤方式主要有冲击波毁伤和热毁伤等。其中，热毁伤主要通过爆炸火球参数进行表征，爆炸火球参数主要包括火球直径、持续时间、火球温度。基于此，对4种不同壳体材料进行爆炸驱动试验，以便全面分析活性材料爆炸驱动下能量释放特性。
1）爆炸作用过程高速摄影观测结果
通过高速摄影记录的不同材料爆炸驱动下火球成形和演变情况如图1.7.16所示。试验结果表明，炸药爆炸后产生了明显火光。随着时间的增长，火光先增强再逐渐减弱。将初始出现火光的时间设定为0，可以发现爆炸驱动后，Al/PTFE火光持续时间较长（15.4ms），并在最后产生大量的黑烟；而Al2O3/PTFE惰性材料，由爆炸产生的火光在1.4ms后迅速减弱甚至消失。Al/PTFE火光持续时间约是Al2O3/PTFE的11倍（15.4/1.4）。
图1.7.16 不同材料爆炸驱动下火球成形和演变情况
（a）Al/PTFE；（b）Al2O3/PTFE；（c）Al/Ni；（d）Al2O3/PTFE/W
另外，Al/Ni在爆炸驱动下，55.6ms后火光消失，可见少量黑烟；而Al2O3/PTFE/W惰性材料，随着时间的增加火光迅速消失，惰性材料向四周飞散，伴有白色雾状烟。Al/Ni火光持续时间约是Al2O3/PTFE/W的39.7倍（55.6/1.4）。此外，通过高速摄影照片可以测量不同时刻火球直径。在0.2 ms时，Al/PTFE和Al2O3/PTFE火球直径分别为1 035.9 mm、616.6mm，前者比后者相对增大68%；Al/Ni和Al2O3/PTFE/W火球直径分别为428.8mm、394.1mm，火球直径相差不大。
试验结果表明，活性材料均比惰性材料火光更强烈，这是因为活性材料在爆炸驱动的强加载条件下发生了化学反应，释放一部分能量，增强炸药爆炸产生的火光。另外，材料破碎后，爆轰产物冲出并将其包围起来，破碎的材料仍受到爆轰产物的推动，此时活性材料持续反应并释放能量，延长火光持续时间，增强火光亮度和火球直径。
2）活性材料爆炸驱动反应行为分析
不同材料碎片撞击钢板的试验结果如图1.7.17所示。从图1.7.17（a）和（c）可知，Al/PTFE材料和Al/Ni材料在0.2ms时由于爆炸驱动作用已向四周飞散，爆炸中心处有明显火光，飞散的材料在到达钢板前未出现明显火光。1.6 ms和18.4 ms时，两种活性材料碎片已分别撞击右侧钢板，在爆炸中心及右侧钢板处均可观察到明显的火光，而在左侧相同位置处（无钢板）并未出现火光。图1.7.17（b）和（d）分别为惰性材料Al2O3/PTFE和Al2O3/PTFE/W碎片在达到钢板前、后的试验现象，可以发现两种惰性材料撞击钢板后未产生火光，且爆炸中心处的火光相对活性材料较弱。该现象说明，Al/PTFE和Al/Ni材料在爆炸驱动下未发生完全化学反应。炸药爆炸瞬间，在爆轰压力的作用下，仅有一部分活性材料参与反应并释放能量，在爆炸中心处可见火光明显增强。另外，未反应的碎片向四周飞散，在飞散过程中撞击钢板并有部分活性材料发生后续反应。此外，对比图1.7.17（a）和（c）可知，炸药爆炸瞬间，Al/PTFE材料产生的火光比Al/Ni更强；而爆炸驱动下的Al/Ni材料和Al/PTFE材料撞击右侧钢板后，则出现相反的结果。该现象说明，在爆炸驱动作用下，Al/Ni材料的反应延迟时间相对于Al/PTFE材料更长，爆炸瞬间释放能量更少，在爆轰产物的推动过程中和撞击钢板后才逐渐释放能量，产生更强的火光。
图1.7.17 不同材料碎片撞击钢板的试验结果
（a）Al/PTFE；（b）Al2O3/PTFE；（c）Al/Ni；（d）Al2O3/PTFE/W
