一种铝热反应多种燃烧特性同步测试的实验装置及实验方法

1.本发明属于含能材料测试装置和方法领域，尤其是涉及一种铝热反应多种燃烧特性同步测试的实验装置及实验方法。


背景技术：

2.铝热剂是铝粉和难熔金属氧化物的混合物，在一定条件下可发生燃烧反应，即铝热反应。铝热剂燃烧是一种自蔓延燃烧放热反应，顾名思义，铝热剂在被点燃后，不需要任何外界能量的输入，仅需依靠自身化学反应放出的热量即可维持后续反应的进行。铝热剂应用广泛，可利用铝热剂燃烧时产生的高热量进行新材料的合成并在冶金、金属焊接等方面得到了良好的应用。与此同时，铝热剂由于具有高能量密度和高反应活性等优良特性，已成为含能材料领域研究中的一个重要方向。近年来，纳米铝热剂在推进剂、炸药、电点火具等军事领域得到了较为广泛的应用。
3.而铝热剂作为含能材料的一种，在其初步性能测试方面却很少有进行的研究，现有的研究也仅仅关注燃温、燃速等单一方面的铝热剂燃烧性能。专利申请号为cn201810171703.9的专利公开了一种微纳米含能材料定容燃烧压力测试装置，用于小药量微纳米含能材料的燃烧性能测试，包括微型密闭爆发器、螺母式点火器、微纳米含能材料以及压电传感器，螺母式点火器与微型密闭爆发器燃烧室固定连接，微纳米含能材料装填于微型密闭爆发器燃烧室中，微型密闭爆发器另一端与压电传感器连接。但其只能测试微量含能材料燃烧压强，不能测试含能材料的多种燃烧特性。
4.因此，目前已公开的相关资料，尚未见针对铝热剂燃烧过程多种燃烧参数的同步测量装置及方法的报道。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明旨在克服现有技术中的缺陷，提出一种铝热反应多种燃烧特性同步测试的实验装置及实验方法。
6.为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
7.一种铝热反应多种燃烧特性同步测试的实验装置，包括密闭定容燃烧系统、点火系统、测试系统、数据采集系统；
8.密闭定容燃烧系统包括密闭定容燃烧器本体以及设置在密闭定容燃烧器本体内的燃烧台，燃烧台上表面设置有用于放置铝热剂样品的燃烧板，燃烧台的两侧分别设置有第一堵头、第二堵头，燃烧台的顶部设置有上方堵头；
9.点火系统包括设置在燃烧板一侧且与铝热剂样品接触的电热丝，电热丝两端分别连接有一根电极棒，电极棒通过第一堵头安装在密闭定容燃烧器本体上，并通过电源线与设置在密闭定容燃烧器本体外的直流电源连接；
10.测试系统包括分别设置在密闭定容燃烧器本体一侧的用于采集铝热剂燃烧过程中的温度与红外图像数据的红外温度摄像机和用于采集铝热剂燃烧过程中的图像数据的
高速摄像机，还包括设置在第二堵头和上方堵头上的压力传感器；
11.数据采集系统包括分别与红外温度摄像机和高速摄像机连接的计算机，和分别与压力传感器连接的数据采集器，数据采集器连接有计算机。
12.进一步的，密闭定容燃烧器本体朝向红外温度摄像机的侧壁设置有锗玻璃观察窗。
13.进一步的，第一堵头内设置有用于安装电极棒的第一通孔。
14.进一步的，第二堵头和上方堵头内均设置有用于安装压力传感器的第二通孔。
15.进一步的，电极棒的表面包覆有绝缘管。
16.进一步的，第一堵头、第二堵头和上方堵头的一端均为具有外螺纹的圆柱型，另一端均为六棱柱型，密闭定容燃烧器本体侧壁分别设置有与第一堵头、第二堵头和上方堵头的外螺纹相配合的内螺纹孔实现螺纹连接。
17.进一步的，泄压阀与密闭定容燃烧器本体的侧壁螺纹连接。
18.进一步的，燃烧板表面设置有用来放置铝热剂样品的凹槽，凹槽的长度为100～300mm，宽度为3～5mm，深度为1～5mm。
19.进一步的，密闭定容燃烧器本体为长方体结构，材质为聚甲基丙烯酸甲酯；密闭定容燃烧器本体长为300mm～500mm，宽为200～300mm，高为200～300mm，厚度为5～20mm。
20.进一步的，锗玻璃观察窗形状为矩形，长为100mm～500mm，宽为100～300mm，厚度为5～20mm。
21.进一步的，燃烧台为长方体结构，材质为聚甲基丙烯酸甲酯，其长为100～300mm，宽为100～300mm，高为100～300mm；燃烧板材质为刚玉，燃烧板滑动设置于燃烧台内，燃烧板的长为100～300mm，宽为100～300mm，厚度为5～10mm。
22.本发明还提供了一种应用上述铝热反应多种燃烧特性同步测试的实验装置进行铝热反应多种燃烧特性同步测试的实验方法，包括如下步骤：
23.s1：将铝热剂样品干燥后放置于燃烧板上的凹槽中；
24.s2：将燃烧板通过密闭定容燃烧器本体左侧堵头位置处放入密闭定容燃烧器本体的中的燃烧台内；
25.s3：将第一堵头通过螺纹连接在密闭定容燃烧器本体上，并通过调整电极棒伸入长度使得电极棒顶端的电热丝与铝热剂样品接触，最后将电极棒通过电源线与直流电源连接；
26.s4：将高速摄像机与红外温度摄像机通过数据线与计算机连接，并调整好位置，采集铝热剂燃烧过程中的图像数据、温度数据及红外图像数据；
27.s5：接通电源，给直流电源、高速摄像机、红外温度摄像机、计算机、数据采集器供电并开机，进入测试模式；
28.s6：开启直流电源开关引燃铝热剂样品，高速摄像机与红外温度摄像机同步记录铝热剂燃烧过程中的图像数据、温度数据及红外图像数据，压力传感器同步记录铝热剂燃烧过程中的压强数据；
29.s7：铝热剂燃烧完毕，手动开启泄压阀排出密闭定容燃烧器本体内可能产生的气体，随后打开第一堵头，将燃烧板拿出进行清理并观察、收集燃烧产物进行下一步分析；
30.s8：燃速u的计算：可通过高速摄像机记录的燃烧时间数据t与燃烧板凹槽长度d计
算得出铝热剂样品的平均燃速u：
31.u＝d/t
32.通过上式即可计算得出铝热剂样品在此燃烧阶段的平均燃速u。
33.相对于现有技术，本发明具有以下优势：
34.(1)本发明的铝热反应多种燃烧特性同步测试的实验装置可通过一次实验，实现铝热剂多种燃烧参数的同步测量，所得数据可用于评价铝热剂的燃烧性能，有利于深入研究铝热剂的燃烧状态与燃烧机理，判断所测铝热剂配方是否满足既定要求。
35.(2)本发明的铝热反应多种燃烧特性同步测试的实验装置结构简单，易于安装与拆卸；
36.(3)本发明的铝热反应多种燃烧特性同步测试的实验装置所用原料来源广泛、价格低廉、易于加工；
37.(4)本发明的的铝热反应多种燃烧特性同步测试的实验装置和实验方法中除铝热剂外，还可用于其他小剂量含能材料领域的燃烧特性研究。
附图说明
38.构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
39.图1为本发明的铝热反应燃烧特性同步测试实验装置的结构示意图；
40.图2为本发明中密闭定容燃烧器本体的结构示意图；
41.图3为本发明中第一堵头与电极棒结构示意图；
42.图4为本发明中第二堵头与压力传感器结构示意图；
43.图5为本发明中密闭定容燃烧器本体与锗玻璃观察窗的结构示意图；
44.图6为本发明中燃烧台与燃烧板的结构示意图。
具体实施方式
45.需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
46.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
47.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语
在本发明中的具体含义。
48.下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
49.如图1所示，一种铝热反应多种燃烧特性同步测试实验装置包括密闭定容燃烧系统、点火系统、测试系统、数据采集系统。
50.密闭定容燃烧系统包括密闭定容燃烧器本体1、设置在密闭定容燃烧器本体1左侧的第一堵头2、设置在密闭定容燃烧器本体1右侧的第二堵头3及泄压阀4、设置在密闭定容燃烧器本体1背面的锗玻璃观察窗5、设置在密闭定容燃烧器本体1上方的上方堵头6、燃烧台7、燃烧板8。
51.点火系统包括设置在第一堵头2上的电极棒9、绝缘管10、固定在电极棒端部的电热丝11、直流电源12、电源线13。电极棒9通过电源线13与直流电源12连接，实现点火过程。
52.测试系统包括高速摄像机14、红外温度摄像机15、设置在第二堵头3上的压力传感器16、设置在上方堵头6上的压力传感器17、数据线18。高速摄像机14通过数据线18与计算机9连接采集铝热剂燃烧过程中的图像数据；其中，高速摄像机可以设置不同的帧率来改变每两张照片之间的时间间隔。红外温度摄像机15通过数据线18与计算机20连接采集铝热剂燃烧过程中的温度与红外图像数据。压力传感器16、压力传感器17通过数据线18与数据采集器21、计算机22连接采集铝热剂燃烧过程中的压强数据；其中压力传感器类型为压电式，最小量程不低于3mp。
53.数据采集系统包括采集高速摄像机图像数据的计算机9、采集红外温度及红外图像数据的计算机20、采集压力传感器压强数据的数据采集器21和计算机22。
54.密闭定容燃烧器本体1为长方体结构，材质为聚甲基丙烯酸甲酯；密闭定容燃烧器本体1通过整块聚甲基丙烯酸甲酯材料加工而成，最高承压1mp；聚甲基丙烯酸甲酯材料之间的连接采用氯仿溶液进行密封连接；密闭定容燃烧器本体1长约为300mm～500mm、宽约为200～300mm、高约为200～300mm，厚度约为5～20mm。
55.作为实施例的优选方案，设置在密闭定容燃烧器本体1左侧的第一堵头2一端为加工有外螺纹的圆柱结构，一端为六棱柱结构，与密闭定容燃烧器本体1通过螺纹连接，螺纹直径约为m200～m300，堵头内部有两个加工有内螺纹的第一通孔，螺纹直径约为m3～m8；设置在密闭定容燃烧器本体1右侧的第二堵头3一端为加工有外螺纹的圆柱结构，一端为六棱柱结构，与密闭定容燃烧器本体1通过螺纹连接,螺纹直径约为m10～m30，第二堵头3内部加工有内螺纹的第二通孔，螺纹直径约为m3～m8；设置在密闭定容燃烧器本体1上方的上方堵头6一端为加工有外螺纹的圆柱结构，一端为六棱柱结构，与密闭定容燃烧器本体1通过螺纹连接，螺纹直径约为m10～m30，上方堵头6内部加工有内螺纹的第二通孔，螺纹直径约为m3～m8。
56.作为本实施例的优选方案，设置在密闭定容燃烧器本体1右侧的泄压阀4与密闭定容燃烧器本体1通过螺纹连接，螺纹直径约为m10～m30；泄压阀在密闭定容燃烧器本体1内压强超过0.5mp时自动开启。
57.作为本实施例的优选方案，设置在密闭定容燃烧器本体1背面的观察窗5的材质为锗玻璃，设置在密闭定容燃烧器本体1背面中心处，形状为圆形，长约为100mm～500mm、宽约为100～300mm，厚度约为5～20mm。
58.作为本实施例的优选方案，燃烧台7材质为聚甲基丙烯酸甲酯，固定在密闭定容燃
烧器本体1底部，为长方体结构，其长约为100～300mm、宽约为100～300mm、高约为100～300mm；燃烧板8材质为刚玉，燃烧板8嵌于燃烧台内，与其滑动连接，可自由抽出，其长约为100～300mm、宽约为100～300mm、厚度约为5～10mm。
59.作为本实施例的优选方案，在燃烧板8上开设有凹槽，长度d约为100～300mm，宽度约为3～5mm，深度约为1～5mm，用来放置铝热剂样品并使铝热剂样品与电热丝11接触。
60.作为本实施例的优选方案，电极棒9为两根，两根电极棒之间的距离为5～20mm；电极棒9材质为表面加工有外螺纹的不锈钢棒，螺纹直径为m3～m8，长度约为200～300mm；同时，在电极棒9表面包覆绝缘管10，绝缘管10的材质为刚玉。
61.作为本实施例的优选方案，电热丝11的材质为镍铬合金，直径为m0.1～m0.5；电热丝11通过的方式固定于电极棒9表面。
62.作为本实施例的优选方案，直流电源12的输出电压为0～30v，输出电流为0～5a。
63.在进行铝热反应多种燃烧特性同步测试的实验之前，先将电极棒9通过第一通孔与第一堵头2螺纹连接在一起，随后将绝缘套10安装在电极棒上，然后将电热丝11绑在电极棒顶端组装完成的第一堵头2。之后，将压力传感器16、压力传感器17分别与第二堵头3、上方堵头6通过第二通孔螺纹连接，然后将第二堵头3、上方堵头6通过螺纹与密闭定容燃烧器本体1连接，然后通过数据线18将压力传感器16、压力传感器17与数据采集器21、计算机22连接，采集铝热剂燃烧过程中的压强数据；将泄压阀4通过螺纹与密闭定容燃烧器本体1连接。
64.采用上述装置进行铝热反应多种燃烧特性同步测试的实验方法，具体包括以下步骤：
65.s1：将铝热剂样品放入烘箱进行干燥后，取适量铝热剂样品均匀放置于燃烧板8上的凹槽里；
66.s2：将燃烧板通过密闭定容燃烧器本体1左侧第一堵头2位置处放入密闭定容燃烧器本体1腔体内并插入到燃烧台7内；
67.s3：将第一堵头2通过螺纹连接在密闭定容燃烧器本体1上，并通过调整电极棒伸入长度使得电极棒9顶端的电热丝11与铝热剂样品接触，以便于点火，最后将电极棒9通过电源线13与直流电源12连接；
68.s4：将高速摄像机14与红外温度摄像机15通过数据线18与计算机19、计算机20分别连接，并调整好位置，采集铝热剂燃烧过程中的图像数据、温度数据及红外图像数据；
69.s5：接通电源，给直流电源12、高速摄像机14、红外温度摄像机15、计算机19、计算机20、数据采集器21及计算机22供电并开机，进入测试模式；
70.s6：开启直流电源12开关引燃铝热剂样品，高速摄像机14与红外温度摄像机15同步记录铝热剂燃烧过程中的图像数据、温度数据及红外图像数据，压力传感器16、压力传感器17同步记录铝热剂燃烧过程中的压强数据；
71.s7：铝热剂燃烧完毕，手动开启泄压阀4排出密闭定容燃烧器本体1内可能产生的气体，随后打开堵头2，将燃烧板8拿出进行清理并观察、收集燃烧产物进行下一步分析；
72.s8：燃速u的计算：可通过高速摄像机记录的燃烧时间数据t与燃烧板凹槽长度d计算得出铝热剂样品的平均燃速u：
[0073][0074]
通过上式即可计算得出铝热剂样品在此燃烧阶段的平均燃速u。
[0075]
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。