冲击作用下含能粉体热点观测的快门靶装置的制作方法

1.本发明属于爆轰物理中炸药材料在冲击作用下的起爆机理研究领域，具体涉及冲击作用下含能粉体热点观测的快门靶装置。


背景技术：

2.随着武器系统的发展和面对高科技战争的需要，不敏感弹药成为世界各国弹药的发展趋势，研制高能低感炸药是实现不敏感弹药的关键技术。但对炸药材料起爆机理的深入了解是提高炸药安全可靠性以及提升炸药爆轰效率的基础。以往实验及理论研究表明，炸药被一定的强度的冲击波作用时，其内部会形成局部高温热点，这些热点的温度远高于炸药本体材料，热点会点燃周围的本体材料，导致剧烈燃烧形成爆轰波，最后引爆炸药。
3.炸药的起爆机理主要与冲击产生热点理论有关，热点理论是一种重要的且比较复杂的理论，几十年来，大量的理论和实验研究了热点形成机制并提出一些相关模型，其中空隙冲击坍缩模型被广泛应用，空隙冲击塌陷模型是指当冲击波与炸药内空隙相互作用时，空隙受压塌陷，空隙表面材料发生喷溅，使能量在空隙位置发生聚积，形成高温热点。
4.在不同的冲击强度作用下，热点的发展一般会呈现出两种趋势：在低冲击强度的情况下，能量在空隙聚集形成热点，在冲击波的作用下，热点的数量会随着时间增加，示意图如图1所示，但由于冲击能量不够，热点最终会熄灭。在高冲击强度下，热点形成后，在短时间内，炸药粉体发生热化学反应，释放大量能量，能量聚集导致热点产生聚集行为，达到爆燃，形成爆轰波，在冲击波与爆轰波的共同作用下，所形成的能量跨过势垒，使和其相邻的炸药表面迅速升温并实现自发点火，产生爆燃现象，图2表示了在飞片冲击作用下的含能粉体材料热点形成到爆燃的动态过程，a为飞片未达到粉体样品的时刻；b为短时间冲击产生具有高色温但发射体积分数小的局部热点；在冲击解除后，大多数热点会消失，但也有少数热点会增长如c所示；整个样品在冲击和环境压力下致密化，可能被不断增长的热点点燃，产生爆燃，如图d。
5.对于炸药粉体，确定其热点的产生和发展状态十分关键，这有助于确定其爆轰条件和效率，但直观的观测热点的产生和发展现象是比较困难的，当材料爆炸时，热点的观测窗口时间短，发展快，很难观察到微小的瞬态热点，热点的存在和行为在很大程度上是根据模拟结果推断的，缺少实验方法对在冲击作用下炸药热点的形成和发展进行观测，对于探寻在什么条件下爆轰现象的产生尚没有有效的技术手段。
6.根据经典的热辐射理论，当冲击粉体表面的温度是均匀一致时，可以用黑体或灰体模型描述冲击粉体材料表面热辐射特征，发射出的光谱亮度用普朗克公式描述：
7.（1）
8.式中c1和c2为第一和第二辐射系数，λ是波长，t是温度，ε是灰体发射率，其值为小于1的一个正值，若ε等于1，则属黑体模型。当ε小于1时，为灰体的光谱辐射亮度，将实验中测得的辐射能量用式（1）拟合，即可同时得到一个辐射温度t和一个平均发射率ε。此时的辐
射亮度图像如图3，实线为（1）式拟合曲线。
9.而当冲击粉体表面温度不一样，如图4存在冲击粉体本底的辐射亮度为b，为一个均匀的辐射温度，冲击粉体热点辐射的亮度为a，对应的温度高于b线的辐射温度，两个辐射亮度合成后为测量到的辐射亮度曲线c，在a、b两曲线对应的温度相差较大时，如相差1000度以上，曲线c很难用公式（1）拟合，会体现某个波长的实验辐射亮度“突兀”异常特征。
10.因此只要测量到如曲线c一样的在某个波长处存在异常辐射亮度，就说明了冲击粉体表面热点的辐射明显。
11.粉体表面存在热点的情况下，热点的辐射温度是一致的，辐射计测量到的某个（些）波长处的辐射强度与热点密度成正比，因此准确测试每个波长处的辐射亮度是确定热点发展的关键。也就是热点发生、发展的动力学过程需要时间解析的实验辐射亮度测量。
12.但迄今为止，只有美国部分工作采用激光冲击的方式测量了热点的辐射，如bassettwp,etal.hot-spotgenerationandgrowthinshockedplastic-bondedexplosivesstudiedbyopticalpyrometry.journalofappliedphysics,2019,125(21):215904.一文采用激光冲击的方式测量了含能材料的辐射亮度，但由于采用的激光脉冲时间短，样品直径小，在冲击后，样品侧边的稀疏波在短时间内进入观测界面，当热点发展时间超过50纳秒时，其观测无法进行，由此造成激光冲击粉体表面辐射的观测实验中，观测时间窗口非常有限。


技术实现要素：

13.基于上述问题，本发明设计了一个类似冲击波快门的装置来观测不同厚度的含能粉体在相同冲击作用下热点的产生和发展，确定其是否达到爆轰状态。该装置在冲击气炮上进行，时间窗口可达微秒级，较现有的激光冲击观测时间拓展了20倍以上，由此大大扩展了冲击热点发生机理研究范围，如冲击热点延迟激发等领域的研究，在本发明实施下方可实现。本发明也可探寻不同孔隙度、材料配比、含能粉体颗粒大小等在相同冲击作用下对含能粉体热点产生、发展的影响。
14.为了解决上述问题，本发明具体可采用如下技术方案：
15.观测用快门靶装置，包括
16.样品仓，具有仓体通腔，
17.基板，设置于仓体通腔中，
18.外模片，设置于仓体通腔中，且开设有外模片通孔，所述外模片通孔用于放置含能粉体片和内模片，
19.内模片，设置于外模片通孔中，所述内模片开设有内模片通孔，
20.蓝宝石片，设置于内模片通孔中，
21.光纤探头固定件，设置于内模片通孔中，所述光纤探头固定件用于固定光纤探头；其中，
22.位于观测用快门靶装置中的所述光纤探头的端部与所述蓝宝石片相邻，且可被冲击和/或高温破坏并导致无法进行光信号传输。
23.在一些方式中，包括固定盖，所述固定盖与所述样品仓连接后，所述固定盖用于抵接固定外模片和内模片；所述固定盖具有盖体通孔，所述盖体通孔可穿设光纤探头。
24.在一些方式中，所述样品仓远离所述基板的一端设有盖体连接部，所述固定盖的一端设有仓体连接部；通过盖体连接部、仓体连接部的适配将固定盖连接于所述样品仓。
25.在一些方式中，所述光纤探头固定件具有固定件通孔，所述固定件通孔用于穿设并固定光纤探头。
26.在一些方式中，所述固定件通孔靠近所述基板的一端内壁具有外扩部，所述外扩部内径自固定件通孔内至外逐渐扩大。
27.在一些方式中，所述光纤探头的端部由三溴甲烷浸润。
28.在一些方式中，所述样品仓远离固定盖安装位的一端还设有气炮连接部，所述气炮连接部的气炮腔可与所述仓体通腔相通。
29.在一些方式中，所述基板位于气炮腔和仓体通腔之间。
30.在一些方式中，所述光纤探头还连接有辐射高温计；任一所述光纤探头具有数个辐射通道；所述基板为金属基板，优选为无氧铜基板。
31.在一些方式中，在快门靶装置中
32.外模片，设置于仓体通腔中，且开设有至少两个外模片通孔，所述外模片通孔用于放置含能粉体片和内模片，
33.内模片，至少具有两个，且分别设置于不同的外模片通孔中，且内模片的厚度不等，所述内模片开设有内模片通孔，
34.蓝宝石片，至少具有两个，且分别设置于不同的内模片通孔中，
35.光纤探头固定件，至少具有两个，且分别设置于不同的内模片通孔中，所述光纤探头固定件用于并固定光纤探头；其中，外模片通孔中至多设置一个内模片，任一外模片通孔中至多设置一个蓝宝石片，任一外模片通孔中至多设置一个光纤探头固定件。
36.在一些方式中，多个所述外模片通孔以所述外模片的中心为对称中心均匀布设。
37.本发明的有益效果是：当含能粉体发生爆轰现象后，热点密度会大幅增加，其光谱亮度在短时间内急剧攀升，通过比较多组含能粉体光谱亮度的峰值，可以判断样品是否达到爆轰状态以及确定其在何等冲击强度与材料厚度下达到爆轰状态。本发明通过改变通孔中的孔隙度、材料配比、含能粉体颗粒大小等，将冲击作用下得到的辐射强度用普朗克公式拟合，求得拟合温度与发射率，也可探寻在相同冲击作用下上述因素对含能粉体热点产生、发展的影响。
附图说明
[0038][0039]
图1为冲击后炸药粉体内部热点分布图；
[0040]
图2为热点爆轰现象示意图；
[0041]
图3为冲击粉体表面温度一致时的辐射亮度曲线；
[0042]
图4为冲击粉体表面温度不一致时的辐射亮度曲线；
[0043]
图5为靶装置爆炸结构示意图；
[0044]
图6为在冲击作用下不同厚度界面热点分布观测方法示意图；
[0045]
图7为样品仓结构图；
[0046]
图8为固定盖结构图；
[0047]
图9为外模片结构图；
[0048]
图10为光纤探头固定模具与内模片结构图；
[0049]
图11为本发明蓝宝石窗口和光线探头在冲击波作用下被破坏的示意图；
[0050]
图12为测得的光谱辐射亮度图。
[0051]
图中：
[0052]
100 样品仓，110 仓体通腔，120 盖体连接部，130底座，140凹槽，200 基板，300 外模片，310 外模片通孔，400 内模片，410 内模片通孔，500 蓝宝石片，510破碎的蓝宝石片，600 光纤探头固定件，610 固定件通孔，700 固定光纤探头，800 固定盖，810 盖体通孔，820 仓体连接部，900飞片，1000 热点，1100 三溴甲烷，1200 样品，1300 三溴甲烷，1400 光纤探头，1500 光纤，1510 熔断的光纤。
具体实施方式
[0053][0054]
下面结合附图对本发明做进一步说明。
[0055]
提出了一种在强冲击作用下含能粉体材料热点观测方法与装置，具体方法为将实验中的飞片经过气炮冲击加速之后，撞击金属基板，形成冲击波，冲击波对三组厚度不同的粉体材料进行冲击压缩，在含能粉体材料（如炸药粉体）内部形成高温高压状态，导致其产生随机热点，热点产生的光辐射被辐射高温计采集，得出其光谱辐射亮度，具体的原理示意图见图6。
[0056]
设计了一个满足实验条件的靶装置：
[0057]
观测用快门靶装置，包括
[0058]
样品仓100，具有仓体通腔110，
[0059]
基板200，设置于仓体通腔110中，
[0060]
外模片300，设置于仓体通腔110中，且开设有外模片通孔310，所述外模片通孔310用于放置含能粉体片10和内模片400，
[0061]
内模片400，设置于外模片通孔310中，所述内模片400开设有内模片通孔410，
[0062]
蓝宝石片500，设置于内模片通孔410中，
[0063]
光纤探头固定件600，设置于内模片通孔410中，所述光纤探头固定件600用于固定光纤探头700；其中，
[0064]
位于观测用快门靶装置中的所述光纤探头700的端部与所述蓝宝石片500相邻，且可被冲击和/或高温破坏并导致无法进行光信号传输。
[0065]
在一些方式中，包括固定盖800，所述固定盖800与所述样品仓100连接后，所述固定盖800用于抵接固定外模片300和内模片400；所述固定盖800具有盖体通孔810，所述盖体通孔810可穿设光纤探头700。
[0066]
在一些方式中，所述样品仓100远离所述基板200的一端设有盖体连接部120，所述固定盖800的一端设有仓体连接部820；通过盖体连接部120、仓体连接部820的适配将固定盖800连接于所述样品仓100。
[0067]
在一些方式中，所述光纤探头固定件600具有固定件通孔610，所述固定件通孔610用于穿设并固定光纤探头700。
[0068]
在一些方式中，所述固定件通孔610靠近所述基板200的一端内壁具有外扩部620，所述外扩部620内径自固定件通孔610内至外逐渐扩大。
[0069]
在一些方式中，所述光纤探头700的端部由三溴甲烷浸润。
[0070]
在一些方式中，所述样品仓100远离固定盖800安装位的一端还设有气炮连接部，所述气炮连接部的气炮腔可与所述仓体通腔110相通。
[0071]
在一些方式中，所述基板200位于气炮腔和仓体通腔110之间。
[0072]
在一些方式中，所述光纤探头700还连接有辐射高温计；任一所述光纤探头700具有数个辐射通道；所述基板200为金属基板，优选为无氧铜基板。
[0073]
在实际应用时，前述的快门靶装置中的部分（如外模片、内模片、蓝宝石片、光纤探头固定件）组件均可相应的设置一组，若需获取多组数据，可以利用该装置装入不同厚度的含能粉体片和蓝宝石片，重复进行多次测试。另外，在部分实例中，在快门靶装置中的部分组件设置有多个，具体如下
[0074]
外模片300，设置于仓体通腔110中，且开设有至少两个外模片通孔310，所述外模片通孔310用于放置含能粉体片10和内模片400，
[0075]
内模片400，至少具有两个，且分别设置于不同的外模片通孔310中，且内模片400的厚度不等，所述内模片400开设有内模片通孔410，
[0076]
蓝宝石片500，至少具有两个，且分别设置于不同的内模片通孔410中，
[0077]
光纤探头固定件600，至少具有两个，且分别设置于不同的内模片通孔410中，所述光纤探头固定件600用于并固定光纤探头700；其中，
[0078]
外模片通孔310中至多设置一个内模片400，任一外模片通孔310中至多设置一个蓝宝石片500，任一外模片通孔310中至多设置一个光纤探头固定件600。
[0079]
多个所述外模片通孔310以所述外模片300的中心为对称中心均匀布设，由此可以使得冲击过程各单元受到的冲击相同且能降低边侧稀疏波的影响。
[0080]
当靶设备具有三组置药单元时，由于实验采用的是三组厚度不同的样品，他们在受到相同的冲击作用时，会有不同程度的发光现象。当含能粉体发生爆轰现象后，热点密度会大幅增加，其光谱亮度在短时间内急剧攀升，通过比较三组含能粉体光谱亮度的峰值，可以判断样品是否达到爆轰状态以及确定其在何等冲击强度与材料厚度下达到爆轰状态。
[0081]
对于装置内的各组件结构，作出具体说明：
[0082]
样品仓100如图7所示，样品仓100内部为中空用于放置内模片400、外模片300，样品仓100的上端设置盖体连接部120，用与旋紧固定盖800。样品仓100的下端为底座130，底座130是厚度较低且直径大于上段的圆柱体，以便于将靶装置固定在二级轻气炮的靶座上，中间开一个梯形凹槽140，凹槽140的上方与样品仓100上段的仓体通腔110相对应，下方孔的直径略低于上方，用来放置金属基板200，支撑住内模片400与外模片300。固定盖800如图8所示，固定盖800的中心为中空的固定件通孔610，固定盖800的上段为的空心凸起圆锥体，用来抵住样品仓100，固定样品仓里的内模片400与外模片300，防止其发生滑动；中段为仓体连接部800，用来与样品仓100固定；下段为直径略高于上段的底板。外模片300如图9所示，外模片300整体为圆柱体，在圆柱体的中心开3个于圆心中心对称的外模片通孔310，用来放置不同厚度的粉体样品。内模片400与光纤探头固定模具700如图10所示，内模片400整体为圆柱体，中心为中空的内模片通孔410，用来放置不同厚度的蓝宝石片500，内模片400
的直径与外模片通孔310的直径相同，光线探头固定件600类似中空金属棒，在其上段开一个角度为30
°
的锥形凹槽，保证在冲击波的作用下，光线探头的头部可以被破坏，阻止光信号的传输。
[0083]
实验时，制备一个圆柱体无氧铜基板，无氧铜可以降低界面热辐射的效果，减少金属发光对样品热点观测的影响；制备不少于2个厚度依次增加的含能粉体样品片并对其编号，为维持样品的形态以及有利于样品在冲击作用下热点的形成，需要对样品进行预先压制，压制压力为4~10mpa；制备不少于2个厚度依次增加的蓝宝石窗口。将金属基板置于样品仓的底端，再将外模片置于基板上；将制备的圆柱体炸药样品依次放置于外模片的三个圆柱体孔洞中并编号，再将三个内模片嵌入到外模片中，按照编号放入厚度依次增加的蓝宝石窗口；将光纤探头固定磨具插入内模片的凹槽中，并用ab胶固定；将固定盖与样品仓旋紧，完成靶装置的组装。实验时，将靶装置固定在二级轻气炮靶室的靶座上，将三个光纤探头的表面用三溴甲烷浸润，浸润三溴甲烷有两个优点，一是由于液体的表面张力，三溴甲烷可以在蓝宝石表面形成一个椭圆形的状态，起到透镜作用，增加光纤探头接收光辐射的范围，二是在冲击波作用下三溴甲烷会产生高温，将光线探头熔断。将浸润后的光纤探头置于光纤头固定模具中，光线探头尾端与辐射高温计相连接，作为光谱辐射亮度的采集设备。
[0084]
由于二级轻气炮具有冲击波阵面大、波阵面稳定、可以瞬间将飞片加载到高速等优点，在装置组装完成后，采用二级轻气炮将飞片加载到1.5km/s~4km/s的速度撞击金属基板，形成冲击波。冲击波与样品作用，将样品加载到一个高温高压的状态，样品被压缩，样品间的局部空隙坍缩，形成高温热点。
[0085]
冲击波阵面穿过样品后，会继续向右运动，如图11所示，由于三组样品和其对应的窗口厚度依次增加，在冲击波作用下蓝宝石窗口会依次破碎，界面发光被散射，三溴甲烷温度迅速升高，导致光纤熔断，数据采集依次停止。低厚度的样品在冲击作用下形成热点后，界面发光信号采集终止，与此同时在高厚度的样品中，冲击波继续作用，生成更多热点，热点可能产生集聚行为，释放大量能量，所释放的能量跨过势垒，达到爆燃，形成爆轰波，爆轰波与冲击波形成混合波，共同作用于粉体样品，其产生的光谱亮度急剧增加，与低厚度样品形成对照从而可以探寻在相同冲击作用下炸药厚度对炸药热点生成密度以及成长规律的影响，并判断其是否达到爆轰状态。
[0086]
样品产生的光辐射通过窗口传播到光线探头，用多通道辐射高温计记录，由于可观测热点辐射的光谱范围为440nm~850nm，所以在此范围内设置4~8个通道，将测得的各个波长下的辐射强度用普朗克公式进行拟合，求得三组粉体样品在冲击作用下随时间变化的温度以及发射率，通过发射率的变化判断不同厚度的炸药粉体中热点的成长现象，观察辐射高温计记录的光谱辐射强度。
[0087]
图12是厚度分别为0.15mm，0.285mm，0.645mm的含能材料daaf（二氨基偶氮呋咱）在1.6km/s的冲击速度下测得的在波长为650nm下辐射强度图，三组样品对应的峰值分别为a2、b2、c2，发现c2的数值远大于a2和b2，结合前文的理论，我们可以认为由于样品的厚度增加，在高厚度的样品中，热点得到了充分发展，最终达到了爆燃状态，其辐射强度急剧增加，所测量的辐射强度的峰值远超过其余两组低厚度样品的峰值，证明装置达到了设计要求。
[0088]
本领域的技术人员可以明确，在不脱离本发明的总体精神以及构思的情形下，可以做出对于以上实施例的各种变型。其均落入本发明的保护范围之内。本发明的保护方案
以本发明所附的权利要求书为准。

技术特征：
1.观测用快门靶装置，其特征在于，包括样品仓（100），具有仓体通腔（110），基板（200），设置于仓体通腔（110）中，外模片（300），设置于仓体通腔（110）中，且开设有外模片通孔（310），所述外模片通孔（310）用于放置含能粉体片（10）和内模片（400），内模片（400），设置于外模片通孔（310）中，所述内模片（400）开设有内模片通孔（410），蓝宝石片（500），设置于内模片通孔（410）中，光纤探头固定件（600），设置于内模片通孔（410）中，所述光纤探头固定件（600）用于固定光纤探头（700）；其中，位于观测用快门靶装置中的所述光纤探头（700）的端部与所述蓝宝石片（500）相邻，且可被冲击和/或高温破坏并导致无法进行光信号传输。2.根据权利要求1所述的观测用快门靶装置，其特征在于，还包括固定盖（800），所述固定盖（800）与所述样品仓（100）连接后，所述固定盖（800）用于抵接固定外模片（300）和内模片（400）；所述固定盖（800）具有盖体通孔（810），所述盖体通孔（810）可穿设光纤探头(700)。3.根据权利要求2所述的观测用快门靶装置，其特征在于，所述样品仓（100）远离所述基板（200）的一端设有盖体连接部（120），所述固定盖（800）的一端设有仓体连接部（820）；通过盖体连接部（120）、仓体连接部（820）的适配将固定盖（800）连接于所述样品仓(100)。4.根据权利要求1所述的观测用快门靶装置，其特征在于，所述光纤探头固定件（600）具有固定件通孔（610），所述固定件通孔（610）用于穿设并固定光纤探头（700）。5.根据权利要求4所述的观测用快门靶装置，其特征在于，所述固定件通孔（610）靠近所述基板（200）的一端内壁具有外扩部（620），所述外扩部（620）内径自固定件通孔（610）内至外逐渐扩大。6.根据权利要求1所述的观测用快门靶装置，其特征在于，所述光纤探头（700）的端部由三溴甲烷浸润。7.根据权利要求1所述的观测用快门靶装置，其特征在于，所述样品仓（100）远离固定盖（800）安装位的一端还设有气炮连接部，所述气炮连接部的气炮腔可与所述仓体通腔（110）相通。8.根据权利要求7所述的观测用快门靶装置，其特征在于，所述基板（200）位于气炮腔和仓体通腔（110）之间。9.根据权利要求1所述的观测用快门靶装置，其特征在于，所述光纤探头（700）还连接有辐射高温计；任一所述光纤探头（700）具有数个辐射通道；所述基板（200）为金属基板，优选为无氧铜基板。10.根据权利要求1所述的观测用快门靶装置，其特征在于，在快门靶装置中外模片（300），设置于仓体通腔（110）中，且开设有至少两个外模片通孔（310），所述外模片通孔（310）用于放置含能粉体片（10）和内模片（400），内模片（400），至少具有两个，且分别设置于不同的外模片通孔（310）中，且内模片（400）的厚度不等，所述内模片（400）开设有内模片通孔（410），蓝宝石片（500），至少具有两个，且分别设置于不同的内模片通孔（410）中，光纤探头固定件（600），至少具有两个，且分别设置于不同的内模片通孔（410）中，所述光纤探头固定件（600）用于并固定光纤探头（700）；其中，外模片通孔（310）中至多设置一个内模片（400），任一外模片通孔（310）中至多设置一个蓝宝石片（500），任一外模片通孔（310）中至多设置一个光纤探头固定件（600）；优选的，多个所述外模片通孔（310）以所述外
模片（300）的中心为对称中心均匀布设。

技术总结
针对炸药的起爆机理研究中，冲击粉体热点发展过程的观测需求，本专利提出了一种特定的观测冲击含能粉体发光过程的靶装置，选择粉体样品的厚度，结合不同蓝宝石窗口厚度的变化，对辐射观测窗口时间进行精确控制，在本发明中采用冲击蓝宝石损坏带动对应光纤头损坏，在特定的时间点，关闭光通道，最终达到类似照相机快门的效果；装置可用于精确观测含能粉体中热点发展过程，实施效果表明，该装置能满足炸药粉体的起爆机理观测需求。粉体的起爆机理观测需求。粉体的起爆机理观测需求。


技术研发人员：张岱宇 聂群朋 谯志强 张明建 杨光成
受保护的技术使用者：中国工程物理研究院化工材料研究所
技术研发日：2023.05.04
技术公布日：2023/7/20