MgH2對含能材料點(diǎn)火燃燒性能影響的實(shí)驗(yàn)研究

張 洋，徐司雨，趙鳳起，楊福勝，李 恒，任曉斌，吳 震

(1.西安交通大學(xué) 化學(xué)工程與技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710049；2.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；3.山西北方興安化學(xué)工業(yè)有限公司，山西 太原 030008)

引 言

將儲氫材料引入含能材料中的作用主要體現(xiàn)在以下方面：一是儲氫材料通過促進(jìn)含能材料的熱分解過程提升其能量水平；二是將氫引入固體推進(jìn)劑中可以降低燃?xì)獾钠骄鄬Ψ肿淤|(zhì)量，從而提高推進(jìn)劑比沖[1-4]；三是儲氫材料在乳化炸藥中起到了敏化劑和含能材料的雙重作用[5]。

氫化鎂(MgH2)的儲氫量為7.6%，放氫反應(yīng)焓變?yōu)?4.5kJ/mol H2，放氫溫度在300℃左右，具有較高熱穩(wěn)定性[6]。因此，在含能材料領(lǐng)域內(nèi)MgH2具有較大應(yīng)用潛力。Selezenev等[7]認(rèn)為，含有MgH2的硝酸銨(AN)、RDX 和HMX比含有Mg 的同種炸藥具有更高的爆速。Hradel等[8]對含有MgH2的TNT、Tetryl 和C-4炸藥爆炸性能進(jìn)行了研究，認(rèn)為MgH2有助于提高有機(jī)非起爆炸藥的作功能力。劉磊力等[9]發(fā)現(xiàn)添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.3%的MgH2使AP/Al/HTPB 復(fù)合固體推進(jìn)劑的燃速提高了13.9%。姚淼等[10]在RDX 中加入MgH2，結(jié)果表明RDX 的分解熱從159.22kJ/mol 降至133.69kJ/mol。魏亞杰等[11]在AN中加入MgH2后使其初始反應(yīng)溫度大大降低，同時(shí)發(fā)現(xiàn)MgH2先于AN 發(fā)生了分解反應(yīng)，致使總的分解熱下降。靳麗美等[12]通過氧彈量熱法和DSC 研究發(fā)現(xiàn)在硝化棉中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%的MgH2后，體系燃燒熱提高了6.5%。然而，隨著MgH2添加量的增多，復(fù)合體系燃燒效率呈先上升后下降趨勢。

采用激光作為激發(fā)源研究含能材料點(diǎn)火燃燒性能具有輸出能量高、點(diǎn)火時(shí)間和能量可控、不受環(huán)境因素限制等優(yōu)點(diǎn)。郝海霞等[13]綜述了固體推進(jìn)劑激光點(diǎn)火性能研究，指出其可以揭示固體推進(jìn)劑點(diǎn)火性能和燃燒機(jī)理，并對點(diǎn)火模型的驗(yàn)證具有重要意義。蔚明輝等[14]采用功率為270W的激光點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)臺研究了3 種粒徑的AlH3樣品(中位徑分別為21.88、86.16、136.00μm)的點(diǎn)火燃燒性能。張帆等[15]對單顆氫化鋁的激光點(diǎn)火及燃燒特性進(jìn)行了研究，同時(shí)也對MgH2激光點(diǎn)火燃燒性能進(jìn)行了初步的探討[16]。

MgH2在含能材料領(lǐng)域具有較大的應(yīng)用潛力，但是目前研究主要針對MgH2與含能材料間的熱作用及其對含能材料能量性能的影響，少有關(guān)于MgH2及其與含能材料混合物點(diǎn)火燃燒性能的探討。為此，本研究通過激光點(diǎn)火的可視化實(shí)驗(yàn)，針對MgH2與5種典型含能材料(RDX、HMX、CL-20、FOX-7、ADN)的點(diǎn)火燃燒性能進(jìn)行分析比較，從而為性能優(yōu)良的復(fù)合含能材料體系開發(fā)提供指導(dǎo)。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

MgH2由北京有色金屬研究總院提供;RDX、HMX、CL-20、FOX-7、ADN，均為西安近代化學(xué)研究所研制生產(chǎn)。

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)中主要使用的儀器設(shè)備有掃描電鏡(SEM)和激光點(diǎn)火系統(tǒng)。Carl Zeiss SIGMA場發(fā)射掃描電鏡(SEM)，由德國蔡司公司生產(chǎn)。激光點(diǎn)火系統(tǒng)主要由激光能源系統(tǒng)、實(shí)驗(yàn)容器、測試記錄系統(tǒng)、點(diǎn)火過程高速攝影等4部分組成，如圖1所示。

圖1 激光點(diǎn)火試驗(yàn)儀器示意圖Fig.1 Schematic diagram of laser ignition test instrument

實(shí)驗(yàn)中激光器出光信號與高速攝影相機(jī)連接，形成同步觸發(fā)，實(shí)時(shí)采集點(diǎn)火燃燒圖像。其中激光能源采用最大功率為120W、輸出波長為10.6μm的CO2連續(xù)激光器(型號SLC110)，激光束的光斑直徑為5.0mm。實(shí)驗(yàn)中采用的激光熱流密度(P)范圍為28.274～124.868W/cm2，激光持續(xù)到點(diǎn)火反應(yīng)發(fā)生以后；實(shí)驗(yàn)容器規(guī)格為Ф300mm×400mm，具有視窗可觀察容器內(nèi)點(diǎn)火過程，內(nèi)置實(shí)驗(yàn)樣品放置平臺，激光束可垂直作用于樣品中心表面；測試記錄系統(tǒng)由TEK-DPO4034高性能數(shù)字示波器、臺式計(jì)算機(jī)和光電測試電路，用于試驗(yàn)過程參數(shù)的測試、記錄及數(shù)據(jù)處理。實(shí)驗(yàn)中激光頻率為1000Hz，脈沖數(shù)為100，占空比范圍為1%～40%。高速攝影相機(jī)為IDT OS10-4K CMOS相機(jī)，其拍攝速度和曝光時(shí)間分別設(shè)置為500fps和2000μs。為準(zhǔn)確采集材料的點(diǎn)火延遲時(shí)間(td)，本研究通過兩種方法采集獲得：一是通過測試系統(tǒng)讀取，從測試系統(tǒng)獲得激光同步信號，到接收到點(diǎn)火燃燒信號的時(shí)間間隔；二是通過高速相機(jī)圖片讀取，從高速相機(jī)接收到激光控制器觸發(fā)同步信號開始采集的圖片，到開始出現(xiàn)火焰圖像的間隔時(shí)間。研究中同一工況下，兩種方法測得的點(diǎn)火延遲時(shí)間一致。點(diǎn)火后燃燒火焰平均傳播速度(vig-flame)通過點(diǎn)火后火焰前傳距離增加值與火焰圖像間隔時(shí)間的比值獲得。為保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確可信，實(shí)驗(yàn)中對同一激光功率密度下的樣品進(jìn)行3次平行實(shí)驗(yàn)，以3次平行實(shí)驗(yàn)結(jié)果的平均值作為最終實(shí)驗(yàn)結(jié)果。激光觸發(fā)的方式為脈沖觸發(fā)，實(shí)驗(yàn)中所選用激光觸發(fā)的參數(shù)對應(yīng)如表1所示。

表1 激光器觸發(fā)點(diǎn)火參數(shù)Table 1 Laser trigger ignition parameters

1.3 點(diǎn)火試件制備

實(shí)驗(yàn)中稱取一定量的樣品(45～50mg)放入三氧化二鋁坩堝(Ф5mm×5mm)樣品池內(nèi)，將坩堝內(nèi)的樣品通過振動自然點(diǎn)平，成為點(diǎn)火試件。實(shí)驗(yàn)混合物樣品按照MgH2與含能化合物質(zhì)量比1∶1、1∶2、1∶4、1∶8進(jìn)行混合?；旌衔锩Q代號見表2。

表2 MgH2與含能化合物在不同混合比例下混合物的代號Table 2 The code number of MgH2 and energetic compounds at different mixing ratios

2 結(jié)果與討論

2.1 MgH2點(diǎn)火燃燒特性

利用Carl Zeiss SIGMA場發(fā)射掃描電鏡(SEM)得到MgH2的SEM照片如圖2所示。

圖2 不同分辨率下MgH2的SEM圖Fig.2 SEM images of MgH2 at different resolutions

由圖2可以看出，MgH2呈規(guī)則球形，與文獻(xiàn)[17]報(bào)道的形貌接近，粒徑約為1μm。

MgH2點(diǎn)火延遲時(shí)間隨激光功率密度的變化曲線如圖3所示。

圖3 MgH2點(diǎn)火延遲時(shí)間隨激光功率密度變化的曲線Fig.3 Curve of ignition delay time of MgH2 with laser power density

由圖3可知，隨著激光功率密度的增加，MgH2的點(diǎn)火延遲時(shí)間逐漸降低，這與激光點(diǎn)火能量增大后導(dǎo)致的材料表面升溫和分解速率加快、進(jìn)而引發(fā)氫燃燒的熱反饋?zhàn)饔糜嘘P(guān)。同時(shí)由圖3還可以看出，隨著激光功率密度的增加，MgH2的點(diǎn)火延遲時(shí)間減小的幅度越來越小。MgH2在激光點(diǎn)火后的燃燒圖像如圖4所示。

圖4 MgH2在不同激光功率密度下點(diǎn)火燃燒火焰圖像Fig.4 Flame images of MgH2 igniting and burning under different laser power densities

由圖4可以看出，其點(diǎn)火燃燒過程伴隨著爆燃點(diǎn)和團(tuán)聚燃燒，火焰呈黃色，火焰形貌較為不規(guī)則，且火焰脫離坩堝底部1～2mm，出現(xiàn)燃燒暗區(qū)。文獻(xiàn)[16]研究表明，在激光作用下快速升溫并分解出氫氣和鎂單質(zhì)，氫氣燃燒的同時(shí)鎂單質(zhì)融化；熔融態(tài)的鎂單質(zhì)在激光輻射和氫氣燃燒熱反饋共同作用下發(fā)生氣化，產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力使粉末發(fā)生破碎；同時(shí)，氣態(tài)鎂在接觸氧氣后發(fā)生氣相反應(yīng)，出現(xiàn)爆燃，并產(chǎn)生黃色火焰，這和本研究的現(xiàn)象一致。隨著激光點(diǎn)火功率密度的提高，氫化鎂發(fā)生爆燃的過程加快，爆燃的次數(shù)也隨之增加。同時(shí)根據(jù)火焰圖像還可以得到MgH2在激光功率密度54.276、80.020、106.240、124.868W/cm2點(diǎn)火后火焰平均傳播速度分別為0.0643、0.1554、0.3161、0.3679m/s。結(jié)合在相應(yīng)條件下的火焰圖像(圖4)可以看出，隨著激光功率密度的提高，MgH2火焰?zhèn)鞑ニ俣仍龃?，但是增大幅度是趨于減小的。

根據(jù)文獻(xiàn)[16]和本研究表明，MgH2在激光作用下燃燒時(shí)，首先發(fā)生脫氫反應(yīng)，激光作用下H2首先燃燒，在激光的持續(xù)觸發(fā)下，Mg單質(zhì)迅速呈熔融態(tài)，進(jìn)而與O2發(fā)生異相反應(yīng)并釋放大量的熱，與此同時(shí)在激光持續(xù)觸發(fā)能量和氫氣燃燒熱反饋共同作用之下，熔融態(tài)鎂單質(zhì)的溫度迅速升至沸點(diǎn)，最終發(fā)生氣相擴(kuò)散燃燒。因此通過火焰燃燒圖像可看出，MgH2的點(diǎn)火燃燒過程伴隨著爆燃點(diǎn)和團(tuán)聚燃燒，這主要是因?yàn)榧す饩哂休^強(qiáng)的功率和能量，在激光的觸發(fā)作用下，氫化鎂材料由表面至內(nèi)部以較快的升溫速率升溫，同時(shí)H2燃燒釋放大量熱的反饋?zhàn)饔孟?，從而使得團(tuán)聚物內(nèi)部產(chǎn)生了較大的內(nèi)應(yīng)力，隨著激光的連續(xù)觸發(fā)和氫化鎂材料所接受能量的累積最終使粉末團(tuán)破碎。而且通過氫化鎂火焰燃燒圖像可以看出，隨著激光功率密度的增加，爆燃顆粒越多越密集，這是因?yàn)榧す夤β拭芏仍礁?，加熱速率越快，樣品的更多表面可以達(dá)到鎂的沸點(diǎn)，進(jìn)而出現(xiàn)更多的爆燃點(diǎn)。同時(shí)觀察氫化鎂的燃燒火焰可以發(fā)現(xiàn)，火焰呈暗黃色，火焰形貌不規(guī)則。因此綜合文獻(xiàn)及本研究可以總結(jié)出氫化鎂在激光作用下的燃燒步驟如下：

第一步，MgH2脫氫：

MgH2(s)→Mg(s)+H2(g)

(1)

第二步，H2氧化：

H2(g)+1/2O2(g)→H2O(g)

(2)

第三步，Mg單質(zhì)熔融并異相反應(yīng)：

Mg(s)→Mg(l)

(3)

Mg(l)+1/2O2(g)→MgO(s)

(4)

第四步，鎂的氣相擴(kuò)散燃燒：

Mg(l)→Mg(g)

(5)

Mg(g)+1/2O2(g)→MgO(l)

(6)

2.2 MgH2對典型硝胺含能材料點(diǎn)火燃燒性能的影響

首先針對MgH2對RDX、HMX和CL-20 3種硝胺類含能材料的點(diǎn)火燃燒性能的影響進(jìn)行了研究。圖5為氫化鎂與RDX及其不同比例混合物在不同激光功率密度下的點(diǎn)火延遲時(shí)間的變化曲線。

圖5 MgH2與RDX及其不同比例混合物在不同激光功率密度下的點(diǎn)火延遲時(shí)間曲線Fig.5 Ignition delay time curves of magnesium hydride, RDX and their mixtures under different laser power densities

根據(jù)點(diǎn)火延遲時(shí)間結(jié)果可以看出，在5種激光功率密度下，MgH2/RDX混合物質(zhì)量比為1∶1和1∶8時(shí)點(diǎn)火延遲時(shí)間為4種比例混合物中最小的；且在激光功率密度54.276W/cm2及以上時(shí)，混合物的點(diǎn)火延遲時(shí)間均小于MgH2與RDX單組分的點(diǎn)火延遲時(shí)間。同時(shí)4種比例混合物點(diǎn)火延遲時(shí)間均小于單組分RDX在該激光功率密度下的點(diǎn)火延遲時(shí)間，表明MgH2能夠降低RDX的點(diǎn)火延遲時(shí)間同時(shí)促進(jìn)其燃燒。

選取在點(diǎn)火后對比較為明顯的火焰圖像進(jìn)行分析，在激光功率密度為54.276W/cm2下點(diǎn)火后MgH2/RDX的4種配比混合物的實(shí)時(shí)火焰圖像如圖6所示。

圖6 激光功率密度54.276W/cm2下混合物激光點(diǎn)火燃燒火焰圖像Fig.6 Flame images of mixtures laser ignition and combustion at laser power density of 54.276W/cm2

由圖6可以發(fā)現(xiàn)，在RDX中加入MgH2后火焰形貌變得較為規(guī)則，且火焰根部緊緊貼著坩堝根部。同時(shí)，根據(jù)火焰燃燒圖像可以計(jì)算出MgH2/RDX的激光功率密度為54.276W/cm2。點(diǎn)火后的火焰?zhèn)鞑ニ俣热鐖D7所示。

圖7 MgH2/RDX在54.276W/cm2激光功率密度下點(diǎn)火后的火焰?zhèn)鞑ニ俣菷ig.7 Flame propagation velocity of MgH2/RDX after ignition at laser power density of 54.276W/cm2

由圖7可以發(fā)現(xiàn)，在RDX中加入MgH2后在同一激光功率密度觸發(fā)下點(diǎn)火，混合物MR1[m(MgH2)∶m(RDX)=1∶1]和MR8[m(MgH2)∶m(RDX)=1∶8]比例混合物的火焰?zhèn)鞑ニ俣却笥贛R2[m(MgH2)∶m(RDX)=1∶2]和MR4[m(MgH2)∶m(RDX)=1∶4]。這主要是由于不同含量的MgH2化學(xué)反應(yīng)程度有所不同，會造成組分濃度變化，進(jìn)而在一定程度上改變了材料燃燒的壓力分布，進(jìn)而導(dǎo)致氣相中的速度不恒定。

氫化鎂與HMX不同比例混合物在不同激光功率密度下的點(diǎn)火延遲時(shí)間曲線如圖8所示。

圖8 MgH2與HMX及其不同比例混合物在不同激光功率密度下的點(diǎn)火延遲時(shí)間曲線Fig.8 Ignition delay time curves of MgH2 and HMX and their mixtures under different laser power densities

由圖8可以看出，在同一激光功率密度觸發(fā)下點(diǎn)火，單組分HMX的點(diǎn)火延遲時(shí)間均小于單組分MgH2的點(diǎn)火延遲時(shí)間，即說明HMX的點(diǎn)火性能優(yōu)于MgH2?；旌衔镌?種激光功率密度下觸發(fā)點(diǎn)火，混合物的點(diǎn)火延遲時(shí)間隨著激光功率密度的增加而減小，在激光功率密度為80.020W/cm2及以后，隨著激光功率密度增加，點(diǎn)火延遲時(shí)間減小的幅度很小。在較低激光功率密度時(shí)(28.274W/cm2和54.276W/cm2)，在MgH2與HMX比例為1∶8時(shí)混合物的點(diǎn)火延遲時(shí)間最小，且均小于二者單質(zhì)的點(diǎn)火延遲時(shí)間。而當(dāng)激光功率密度為54.276W/cm2以上時(shí)，1∶1混合物的點(diǎn)火延遲時(shí)間是最小的，其次是1∶8比例的混合物，且比較接近。而當(dāng)MgH2與HMX的質(zhì)量比為1∶2或1∶4時(shí)，在5種激光功率密度下觸發(fā)點(diǎn)火，混合物的點(diǎn)火延遲時(shí)間或接近或大于單組分HMX的點(diǎn)火延遲時(shí)間。因此可以認(rèn)為對HMX而言，添加少量的MgH2(質(zhì)量分?jǐn)?shù)11.1%)利于HMX點(diǎn)火性能的提升。根據(jù)激光點(diǎn)火后的火焰燃燒圖像可以計(jì)算出MgH2/HMX在激光功率密度為54.276W/cm2點(diǎn)火后的火焰?zhèn)鞑ニ俣龋鐖D9所示。

圖9 MgH2/HMX在54.276W/cm2激光功率密度下點(diǎn)火后的火焰?zhèn)鞑ニ俣菷ig.9 Flame propagation velocity of MgH2/HMX after ignition at laser power density of 54.276W/cm2

由圖9可以看出，MH2[m(MgH2)∶m(HMX)=1∶2]配比混合物點(diǎn)火后的火焰?zhèn)鞑ニ俣茸钚?，其點(diǎn)火延遲時(shí)間也是在激光功率密度為54.276W/cm2下點(diǎn)火延遲時(shí)間最長的；MH8[m(MgH2)∶m(HMX)=1∶8]配比混合物點(diǎn)火后的火焰?zhèn)鞑ニ俣茸畲?，其點(diǎn)火延遲時(shí)間也是在激光功率密度54.276W/cm2下點(diǎn)火延遲時(shí)間最小的。據(jù)此也可以認(rèn)為對于HMX而言，添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)11.1%的MgH2最有利于HMX燃燒性能的提高。

圖10為MgH2與CL-20及其不同比例混合物在5種激光功率密度下的點(diǎn)火延遲時(shí)間曲線。

圖10 MgH2與CL-20及其不同比例混合物在不同激光功率密度下的點(diǎn)火延遲時(shí)間曲線Fig.10 Ignition delay time curves of MgH2, CL-20 and their mixtures under different laser power densities

由圖10可以看出，對于CL-20而言，其點(diǎn)火延遲時(shí)間與MgH2較為接近，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)在CL-20中加入MgH2后，同一激光功率密度下，混合物的點(diǎn)火延遲時(shí)間均小于單組分CL-20的點(diǎn)火延遲時(shí)間，說明MgH2可以有效提高CL-20的點(diǎn)火性能。同時(shí)，在5種激光功率密度下，表現(xiàn)出的趨勢為MgH2與CL-20的質(zhì)量比為1∶1的混合物點(diǎn)火延遲時(shí)間最小，其次為1∶8混合物，且兩種比例混合物的點(diǎn)火延遲時(shí)間較為接近，且在激光功率密度為54.276W/cm2及以上時(shí)兩者的點(diǎn)火延遲時(shí)間相差在0.001～0.002s范圍內(nèi)。而且MC1和MC8兩種比例混合物的點(diǎn)火延遲時(shí)間均小于該激光功率密度下單組分MgH2的點(diǎn)火延遲時(shí)間，但MC2和MC4兩種比例混合物的點(diǎn)火延遲時(shí)間或接近或大于該激光功率密度下單組分MgH2的點(diǎn)火延遲時(shí)間，這表明MgH2與CL-20質(zhì)量比在1∶1和1∶8點(diǎn)火燃燒時(shí)具有相互促進(jìn)的作用。MgH2/CL-20在激光功率密度為54.276W/cm2點(diǎn)火后的火焰?zhèn)鞑ニ俣热鐖D11所示。

圖11 MgH2/CL-20在54.276W/cm2激光功率密度下點(diǎn)火后的火焰?zhèn)鞑ニ俣菷ig.11 Flame propagation velocity of MgH2/CL-20 after ignition at laser power density of 54.276W/cm2

由圖11可以發(fā)現(xiàn)，MC2[m(MgH2)∶m(CL-20)=1∶2]和MC4[m(MgH2)∶m(CL-20)=1∶4]混合物的火焰?zhèn)鞑ニ俣却笥贛C1[m(MgH2)∶m(CL-20)=1∶1]和MC8[m(MgH2)∶m(CL-20)=1∶8]混合物的，且大于CL-20單質(zhì)在激光功率密度54.276W/cm2下(2.69m/s)的火焰?zhèn)鞑ニ俣?。因此對于CL-20，從提高其火焰?zhèn)鞑ニ俣榷?，加?0%～33.3%的MgH2有利于提升CL-20的火焰?zhèn)鞑ニ俣取?/p>

火炸藥高能添加劑的燃燒過程由同時(shí)發(fā)生的多個(gè)過程組成，在相對窄小的空間區(qū)域，伴隨著物質(zhì)的強(qiáng)烈放熱和汽化。燃燒過程包括不同相的轉(zhuǎn)換、凝聚相和氣相的化學(xué)反應(yīng)、凝聚相的擴(kuò)散以及質(zhì)量和熱的傳遞過程[18-22]。分析MgH2與3種硝銨含能材料在激光觸發(fā)作用下的點(diǎn)火燃燒相互作用機(jī)理和促進(jìn)含能材料點(diǎn)火燃燒性能提升的原因在于：一是氫化鎂引入后在激光作用下脫氫后氫的氧化釋放大量的熱量，在氫燃燒釋能的過程中強(qiáng)烈的熱反饋和強(qiáng)化作用下，促進(jìn)了火炸藥高能添加劑凝聚相表面的溫度升高并迅速達(dá)到熔化溫度；二是氫化鎂分解產(chǎn)生的金屬單質(zhì)Mg，具有較高的導(dǎo)熱系數(shù)，在火炸藥高能添加劑由凝聚相至氣相的相態(tài)轉(zhuǎn)變中起到了“導(dǎo)熱劑”的作用[23]，加劇了火炸藥高能添加劑相態(tài)的轉(zhuǎn)變和氣相溫度的上升速率，進(jìn)而促進(jìn)了氣相組分的流動、擴(kuò)散，以及化學(xué)反應(yīng)的加劇，最終加快了氣相發(fā)生點(diǎn)火。此外，3種硝銨火炸藥高能添加劑中，MgH2對CL-20點(diǎn)火燃燒性能提升效果更為顯著，這主要是由于CL-20的燃燒過程主要由凝聚相過程控制，MgH2的添加可以有效增加凝聚相至氣相的相態(tài)轉(zhuǎn)變。

2.3 MgH2對FOX-7點(diǎn)火燃燒性能的影響

圖12為MgH2與FOX-7及其不同比例混合物在不同激光功率密度下的點(diǎn)火延遲時(shí)間的變化曲線。

圖12 MgH2與FOX-7及其不同比例混合物在不同激光功率密度下的點(diǎn)火延遲時(shí)間Fig.12 Ignition delay time of MgH2 and FOX-7 and their mixtures under different laser power densities

由圖12可以看出，在FOX-7中加入MgH2后，混合物的點(diǎn)火延遲時(shí)間均小于單組分FOX-7的點(diǎn)火延遲時(shí)間，表明MgH2的加入能夠有效促進(jìn)FOX-7點(diǎn)火性能的提高。而且，同一激光功率密度下，混合物的點(diǎn)火延遲時(shí)間均小于二者單組分的點(diǎn)火延遲時(shí)間，這表明對于FOX-7和MgH2而言，二者在激光作用下，點(diǎn)火性能具有相互促進(jìn)的作用。此外，在5種激光功率密度下，MgH2與FOX-7質(zhì)量比為1∶1的混合物點(diǎn)火延遲時(shí)間最小，其次是1∶8比例的混合物，二者點(diǎn)火時(shí)間差為0.001～0.004s。在54.276W/cm2的激光功率密度及以上時(shí)，4種配比混合物的點(diǎn)火延遲時(shí)間已經(jīng)相差很小(0.001～ 0.004s)。對比單組分RDX、HMX、CL-20的點(diǎn)火延遲時(shí)間發(fā)現(xiàn)，單組分FOX-7本身的點(diǎn)火延遲時(shí)間較長，但是當(dāng)加入MgH2后點(diǎn)火延遲時(shí)間降低的幅度更大，表明從提升FOX-7點(diǎn)火性能而言，添加MgH2是很有利的。

圖13為激光功率密度54.276W/cm2下點(diǎn)火后混合物火焰圖像，經(jīng)過計(jì)算分析獲得MgH2/FOX-7在該激光功率密度點(diǎn)火后的火焰?zhèn)鞑ニ俣热鐖D14所示。

圖13 激光功率密度54.276W/cm2下點(diǎn)火后混合物的火焰圖像Fig.13 Flame image of mixtures after ignition at laser power density of 54.276W/cm2

圖14 MgH2/FOX-7在激光功率密度54.276W/cm2下的火焰?zhèn)鞑ニ俣菷ig.14 Flame propagation velocity of MgH2/FOX-7 after ignition at laser power density of 54.276W/cm2

由圖14可以看出，MF8[(m(MgH2)∶m(FOX-7)=1∶8]混合物的平均火焰?zhèn)鞑ニ俣茸羁?，因此從對于提升FOX-7點(diǎn)火性能和火焰燃燒性能兩個(gè)角度而言，添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)11.1%的MgH2最有利。分析MgH2促進(jìn)FOX-7點(diǎn)火延遲時(shí)間降低的原因，可認(rèn)為有兩點(diǎn)：一是MgH2在激光觸發(fā)作用下分解產(chǎn)生的金屬單質(zhì)Mg和H2，氫的氧化釋放熱，氫化作用會有效地增加FOX-7表面溫度，進(jìn)而促進(jìn)了FOX-7晶相轉(zhuǎn)變。從FOX-7本身而言，F(xiàn)OX-7分子內(nèi)及分子間存在大量氫鍵，且在升溫過程中有轉(zhuǎn)晶行為[141]。當(dāng)遇到外界熱刺激時(shí)，F(xiàn)OX-7由α相態(tài)向β晶相轉(zhuǎn)變，消耗一定的熱能，而這個(gè)過程中FOX-7分子內(nèi)及分子間的氫鍵強(qiáng)度沒有明顯變化[24]；二是在激光刺激持續(xù)加熱和Mg作為“導(dǎo)熱劑”以及H2燃燒釋放能量強(qiáng)化作用下，加速了FOX-7相態(tài)轉(zhuǎn)變。而金屬單質(zhì)Mg具有良好的傳熱性，同時(shí)H2氧化釋放大量的熱量，在熱傳導(dǎo)和H2釋熱強(qiáng)化作用下加速了FOX-7凝聚相至氣相的相態(tài)轉(zhuǎn)變，最終促進(jìn)了FOX-7點(diǎn)火燃燒性能的提升。

2.4 MgH2對ADN點(diǎn)火燃燒性能的影響

圖15為MgH2與ADN及其不同比例混合物在不同激光功率密度下的點(diǎn)火延遲時(shí)間曲線。

圖15 MgH2與ADN及其不同比例混合物在不同激光功率密度下的點(diǎn)火延遲時(shí)間曲線Fig.15 Ignition delay time curves of MgH2 and ADN and their mixtures under different laser power densities

對于ADN而言，試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)其點(diǎn)火性能受點(diǎn)火能量影響較大，在激光功率密度為28.274和54.276W/cm2時(shí)，ADN未被點(diǎn)著，且在激光功率密度大于54.276W/cm2時(shí)ADN被點(diǎn)著，但是ADN的點(diǎn)火延遲時(shí)間均大于同激光功率密度下MgH2的點(diǎn)火延遲時(shí)間。然而在ADN中加入MgH2后，混合物在5種激光功率密度下均被點(diǎn)燃，且混合物的點(diǎn)火延遲時(shí)間隨著MgH2加入量的增加而減小。實(shí)驗(yàn)中單組分ADN在激光功率密度為28.274和54.276W/cm2觸發(fā)點(diǎn)火下，燃燒有煙但沒有火焰產(chǎn)生，采集系統(tǒng)未采集到點(diǎn)火觸發(fā)信號，故未采集到該兩種激光點(diǎn)火功率密度下的點(diǎn)火延遲時(shí)間，即說明該過程中ADN發(fā)生了無焰燃燒。在功率密度80.020W/cm2及以上時(shí)，對比上述研究發(fā)現(xiàn)，ADN點(diǎn)火延遲時(shí)間均大于相同激光功率密度下硝銨類、烷類單質(zhì)含能化合物的點(diǎn)火延遲時(shí)間，說明ADN點(diǎn)火性能較差，這主要是由于ADN的燃燒對溫度和壓力很敏感[25]。然而，加入氫化鎂后，ADN點(diǎn)火延遲時(shí)間有較大程度的降低，且在較低激光功率密度下也能夠被成功點(diǎn)燃。此外，在同一點(diǎn)火功率密度觸發(fā)下，隨著氫化鎂加入量的增加，點(diǎn)火延遲時(shí)間均被逐漸降低，說明氫化鎂的加入能夠有效提高ADN的點(diǎn)火性能。同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，同一激光功率密度下混合物的點(diǎn)火延遲時(shí)間均小于單組分ADN和MgH2的點(diǎn)火延遲時(shí)間，同樣表明ADN和MgH2在激光作用下點(diǎn)火性能具有相互促進(jìn)的作用。據(jù)此實(shí)驗(yàn)結(jié)果還可以看出，MgH2的加入可以有效降低ADN點(diǎn)火性能對溫度的敏感性。

MgH2和ADN的3種比例混合物的在激光點(diǎn)火后的火焰燃燒圖像如圖16所示。

圖16 MgH2與ADN混合物在激光觸發(fā)點(diǎn)火后的火焰燃燒圖像Fig.16 Flame burning images of MgH2 and ADN mixtures after laser ignition

由圖16(a)可知，MA1[m(MgH2)∶m(ADN)=1∶1]混合物在54.276W/cm2激光點(diǎn)火后各個(gè)時(shí)刻下的火焰?zhèn)鞑テ骄俣葹?.493m/s；由圖16(b)可知，MA2[m(MgH2)∶m(ADN)=1∶2]混合物在54.276W/cm2激光點(diǎn)火后各個(gè)時(shí)刻下火焰?zhèn)鞑サ钠骄俣葹?.350m/s；由圖16(c)可知，MA4[m(MgH2)∶m(ADN)=1∶4]混合物在80.020W/cm2激光點(diǎn)火后各個(gè)時(shí)刻的火焰?zhèn)鞑テ骄俣葹?.314m/s。而當(dāng)MgH2與ADN的1∶8混合物在5種激光功率密度下點(diǎn)火觸發(fā)火焰圖像均很暗，這是由于ADN對溫度和壓力敏感，在常溫常壓下僅發(fā)生無煙燃燒，因此在ADN中添加少量的MgH2后，混合物燃燒僅可觀察到金屬顆粒飛濺的亮線。

分析MgH2促進(jìn)ADN點(diǎn)火性能提升的原因在于，ADN的燃燒對溫度和壓力非常敏感，且燃燒過程是凝聚相反應(yīng)控制的，在靠近燃面的熔融層中，ADN反應(yīng)形成凝聚態(tài)AN及氣態(tài)NO2，這時(shí)AN從表面離解，使表面維持在該壓強(qiáng)下的溫度，同時(shí)AN及ADN熔滴被帶入氣相[26-27]。當(dāng)ADN與MgH2混合時(shí)，激光作用下MgH2分解為金屬單質(zhì)Mg和H2，在H2氧化過程會有大量的釋熱，在熱反饋強(qiáng)化作用和激光熱輻射共同作用下，使得燃燒表面溫度和壓力迅速增加，于是更多的AN和ADN熔滴被帶入氣相，即MgH2有效地促進(jìn)ADN凝聚相反應(yīng)進(jìn)行，進(jìn)而有效地促進(jìn)了ADN點(diǎn)火性能的提升。

3 結(jié) 論

(1)對于RDX、HMX、CL-20而言，添加適當(dāng)MgH2能夠提升其點(diǎn)火燃燒性能；對于FOX-7而言，MgH2能夠有效提升其點(diǎn)火燃燒性能；對于ADN而言，隨著MgH2加入量的增加，點(diǎn)火性能提升越顯著。

(2)MgH2提升含能化合物點(diǎn)火燃燒性能的主要原因在于：一是氫化鎂釋氫后，在氫燃燒釋能過程中強(qiáng)烈的熱反饋和強(qiáng)化作用下，促進(jìn)了含能化合物凝聚相表面溫度升高并迅速熔化；二是氫化鎂分解產(chǎn)生的金屬單質(zhì)Mg，在含能化合物由凝聚相至氣相的相態(tài)轉(zhuǎn)變中起到了“導(dǎo)熱劑”的作用，加劇了含能化合物相態(tài)的轉(zhuǎn)變和氣相溫度的上升速率，進(jìn)而促進(jìn)了氣相組分的流動、擴(kuò)散，以及化學(xué)反應(yīng)的加劇，最終加快了氣相點(diǎn)火的發(fā)生。