含能结构材料释能特性的温压同步测试方法及测试系统

1.本发明涉及一种含能结构材料释能特性的温压同步测试方法及测试系统，属于材料性能测试技术领域。


背景技术：

2.具有一定结构强度的活性金属材料被称为含能结构材料，它在常温常压或弱外界环境刺激下表现出良好的结构强度和化学稳定性，可以作为部件的结构材料；而在高速冲击等极端条件下，材料的化学活性被激发，并通过剧烈的化学反应迅速释放出大量的能量，同时对周围物体产生引燃、引爆、超压等作用，因此在武器装备领域具有重要应用。
3.含能结构材料的冲击-释能过程主要包括：加载-变形-升温-破碎-燃烧-释能六个阶段，具有以下典型特点：冲击加载下材料剧烈变形，应变率可达103～105s-1
；变形阶段材料急剧升温和破碎，形成多个超过材料燃点的局部热点；燃烧-释能阶段瞬时完成，持续时间在微秒、毫秒量级，剧烈的化学能释放使得环境温度和压力显著提高。鉴于含能结构材料的冲击-释能过程具有高速、瞬态、高温、高压的特点，如何通过实验方法综合、定量评价含能结构材料的释能特性，包括：激活释能的阈值加载条件、诱发燃烧的阈值温度、能量释放量、能量释放烈度、环境温度/压力演化、火花/碎片云形态等，长期以来一直是学界研究的重点。
4.目前研究含能结构材料释能特性的实验主要利用开放空间或准密闭容器内冲击实验来引发材料燃烧释能，并借助仪器设备对释能过程进行观测和记录。具体而言，开放空间里的释能特性研究，主要基于高速摄像机、红外热成像仪等远距离拍摄的图像，通过对比火花亮度、火花面积、碎片云轮廓、温度场分布等，定性判断释能的强弱或难易程度，而无法对能量释放大小进行定量化描述，也难以准确测定激活释能的阈值加载条件、诱发燃烧的阈值温度；准密闭容器内的释能情况评估，主要基于ames提出的一套准密闭容器释能测试装置和计算方法，其通过压力传感器采集燃烧-释能阶段的压力数据，进而建立能量释放与压力的函数关系，但该方法必须假定容器内空气质量与体积恒定，并忽略燃烧过程导致的空气消耗和泄露，所以只适用于无气体参与反应的含能结构材料，而对于非密闭容器以及有明显气体消耗的含能结构材料的测试结果并不准确。
5.此外，评价含能结构材料的冲击-释能过程需要从多个维度进行分析，例如：(单位样品质量条件下的)能量释放量，释能过程的持续时间(能量释放烈度)，触发释能的敏感度(激活释能的阈值加载条件、诱发燃烧的阈值温度)等。而现有的含能结构材料测量值装置或系统大多采用的是准密闭容器配合弹道枪，由于试样速度极高、拍摄距离较远、撞击过程被准密闭容器遮挡等问题，只能提供能量释放量这一单一维度的信息，无法实现对其他维度信息的定量分析，也就无法对材料的综合释能特性进行科学评价，极大地限制了材料的优化设计与实际应用。因此，目前亟需一种针对含能结构材料高速、瞬态、高温、高压等释能特点的多维度、定量化测试方法与测试系统。


技术实现要素：

6.针对目前评价含能结构材料释能特性的方法与系统存在的不足，本发明提供一种含能结构材料释能特性的温压同步测试方法及测试系统，在非密闭容器中同步测量释能过程中的温度和压力变化数据，并考虑到释能过程中氧气消耗导致的空气密度变化，提出了更加准确的含能结构材料释能计算公式，同时也能对释能特性进行准确的多维度、定量化表征，从而使得含能结构材料的释能特性得到更加可靠且全面的表征；另外，所述测试系统为非封闭容器，结构简单，组装拆卸方便，而且能够实现对含能结构材料释能特性进行可靠性评价，具有很好的应用前景。
7.本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
8.含能结构材料释能特性的温压同步测试方法，包括以下步骤：
9.将非密闭释能测试装置与分离式霍普金森压杆实验装置配合安装，此时分离式霍普金森压杆实验装置的入射杆和透射杆位于非密闭释能测试装置的非密闭测试空间内，而待测含能结构材料夹在入射杆和透射杆之间；通过分离式霍普金森压杆实验装置提供激活待测含能结构材料释能所需的动态载荷，并通过非密闭释能测试装置中的数据采集单元实时采集含能结构材料在释能过程中的高速摄像图像、红外热成像图像、温度、压力、应变和时间数据；根据采集的数据对含能结构材料的释能情况进行定量化表征，其中定量化表征的具体过程如下：
10.(1)基于采集的温度数据和压力数据，计算含能结构的动态释能大小δq
11.根据boyle/gay-lussac理想气体状态方程建立释能前后非密闭测试空间内空气压力、温度与密度的计算关系：
12.p
2-p1＝δp＝r(ρ2t
2-ρ1t1)(1)
13.然而，在含能结构材料的释能过程中，一方面消耗空气中的氧气使非密闭测试空间内空气质量减少，密度降低；另一方面释放大量能量使非密闭测试空间内空气的温度和压力提高，故释能结束后非密闭测试空间内空气的温度、压力、密度均会发生改变。因此，要想准确计算含能结构材料的释能大小，必须考虑到释能过程中的氧气消耗，即：
14.ρ2≠ρ1(2)
15.含能结构材料的释能反应本质为金属与空气中氧气发生的剧烈氧化反应，氧化反应放出的热量即为含能结构材料释放的能量，则根据氧化反应原理可计算反应消耗的氧气为：
[0016][0017]
反应后的空气质量为：
[0018][0019]
反应后的空气密度为：
[0020][0021]
将式(5)代入boyle/gay-lussac理想气体状态方程式(1)得：
[0022][0023]
由于含能结构材料氧化反应输出到非密闭测试空间内的能量全部转换为了反应后的空气热能增量，则基于热能计算公式可计算反应过程中的温度变化δt：
[0024][0025]
联立上述方程(6)和(7)，最终建立能量释放量与温度、压力之间的计算公式：
[0026][0027]
公式(1)-(8)中，p1、p2、δp分别为测得的释能前后非密闭测试空间内的气压及气压变化；t1、t2、δt分别为测得的释能前后非密闭测试空间内的温度及温度变化；r为气体常数，取值为8.314j/mol/k；ρ1、ρ2为释能前后非密闭测试空间内气体的密度；m
oxygen
是反应消耗的氧气质量；m
oxygen
是氧气的摩尔质量；m
air
是反应前非密闭测试空间内的空气质量；δh是含能结构材料氧化反应的燃烧热；v为非密闭测试空间内的容积；c为气体的比热容，当非密闭测试空间内气体为空气时，取值为0.717kj/kg/k。
[0028]
进一步地，非密闭测试空间内气体的比热容c可以表示为：
[0029][0030]
其中，γ为气体的绝热指数，当非密闭测试空间内气体为空气时，取值为1.4。
[0031]
将公式(9)代入公式(8)中，可得到考虑氧气消耗的释能计算公式：
[0032][0033]
传统测试方法中未考虑氧气消耗的释能计算公式：
[0034][0035]
对比公式(10)和(11)可知，考虑氧气消耗的释能测试方法，能量释放量的测量结果比传统测试方法更加准确。
[0036]
(2)根据获得的不同时刻含能结构材料释能的高速摄像图像，选取第一次出现火花的高速摄像图像对应的时刻作为释能开始时间t1，选取火花结束后拍摄的第一张无火花的高速摄像图像对应的时刻作为释能结束时间t2，则释能过程持续的时间：δt＝t
2-t1，进而计算出含能结构材料的能量释放烈度为v：v＝δq/δt；
[0037]
(3)根据红外热成像图像，获得含能结构材料变形-升温阶段的局部热点温度t
cri
和热点数量n；其中，热点即变形过程中剧烈升温以至超过材料燃点的区域，也即变形过大导致破碎进而产生火花的区域，热点温度反映了含能结构材料诱发燃烧的阈值温度t
cri
，阈值温度越低代表越容易被激活，热点数量n反映了含能结构材料被点燃的区域数量，热点数
量越多代表更剧烈的燃烧和释能；
[0038]
调节分离式霍普金森压杆实验装置提供的动态载荷大小并重复上述实验，根据实时采集的含能结构材料在释能过程中的图像、温度、压力、应变和时间数据，获得不同载荷施加下样品的能量释放量δq和应变率以应变率为自变量、能量释放量δq为因变量拟合曲线，则拟合曲线与横坐标的交点即为激活材料释能所需的临界应变率亦即激活释能的阈值加载条件。
[0039]
含能结构材料释能特性的温压同步测试系统，包括分离式霍普金森压杆实验装置、非密闭测试容器、数据采集单元、数据处理单元以及支撑底座；
[0040]
所述分离式霍普金森压杆实验装置用于提供激活待测含能结构材料释能所需的动态载荷；
[0041]
所述非密闭测试容器是一个中空的圆柱体结构，其左右两个端面上加工有用于装配分离式霍普金森压杆实验装置的入射杆和透射杆的安装通孔；所述非密闭测试容器上还加工与外部气源连接用的通气孔，如向其内部通入氧气、氮气、氩气等以改变非密闭测试容器内的环境，用于测试含能结构材料在不同环境中的释能特性；
[0042]
所述数据采集单元用于采集含能结构材料在释能过程中的高速摄像图像、红外热成像图像、温度、压力、应变和时间数据；
[0043]
所述数据处理单元用于对来自数据采集单元的高速摄像图像、红外热成像图像、温度、压力、应变和时间数据进行后续处理以获得相应的测试结果；
[0044]
非密闭测试容器固定安装在支撑底座上，分离式霍普金森压杆实验装置的入射杆和透射杆一一对应穿过非密闭测试容器两端的两个安装通孔，数据采集单元安装在非密闭测试容器的周围，数据采集单元与数据处理单元电气连接。
[0045]
进一步地，所述数据采集单元包含高速摄像机、红外热成像仪、温度传感器、压力传感器以及动态应变仪；其中，高速摄像机用于采集释能过程中的火花/碎片云轮廓信息，红外热成像仪用于采集试样变形-升温阶段的热点分布和变化信息，温度传感器用于采集非密闭测试容器内的温度信息，压力传感器用于采集非密闭测试容器内的压力信息，动态应变仪用于采集分离式霍普金森压杆实验装置中的应变信号；
[0046]
相应地，所述非密闭测试容器的外圆周面上设置有摄像测试窗口、红外测试窗口、温度测试孔以及压力测试孔；高速摄像机放置于摄像测试窗口的前方，通过摄像测试窗口获取释能过程的高速摄像图像；红外热成像仪放置于红外测试窗口的前方，通过红外测试窗口获取释能过程的红外热成像图像；温度传感器安装在温度测试孔中，用于采集非密闭测试容器内的温度信息；压力传感器安装在压力测试孔中，用于采集非密闭测试容器内的压力信息；动态应变仪与粘贴在分离式霍普金森林压杆实验装置的入射杆以及透射杆上的应变片电气连接，用于采集入射杆和透射杆中的应变信号；高速摄像机、红外热成像仪、温度传感器、压力传感器以及动态应变仪分别与数据处理单元电气连接。
[0047]
进一步地，温度测试孔以及压力测试孔沿非密闭测试容器的轴向并排分布，且温度测试孔与压力测试孔沿非密闭测试容器的圆周方向呈一一轴对称关系，而温度测试孔以及压力测试孔的数量根据非密闭测试容器的大小调整。
[0048]
进一步地，摄像测试窗口安装的是透明的有机玻璃，红外测试窗口上安装的是锗玻璃。
[0049]
有益效果：
[0050]
(1)本发明所述测试方法，基于在非密闭测试容器中同步测量释能过程中的温度和压力变化数据，并考虑到释能过程中氧气消耗导致的空气密度变化，提出了更加准确的含能结构材料释能计算公式，同时也能对释能特性进行准确的多维度、定量化表征，从而使得含能结构材料的释能特性得到更加可靠且全面的表征。
[0051]
(2)本发明所述测试方法涉及一种非密闭测试体系，综合了开放空间里和准密闭容器内研究含能结构材料释能特性的优势，在单次实验中既可实现对释能过程的高时空分辨同步观测，同时也能对释能特性进行准确的多维度、定量化表征，实现对含能结构材料释能特性的全面性可靠表征。
[0052]
(3)本发明所述测试系统结构简单，组装拆卸方便，而且能够在非密闭空间内对含能结构材料释能特性进行可靠性评价，具有很好的应用前景。
附图说明
[0053]
图1为实施例1中所采用的含能结构材料释能特性的温压同步测试系统的局部结构示意图。
[0054]
其中，1-非密闭测试容器，2-安装通孔，3-通气孔，4-温度测试孔，5-压力测试孔，6-摄像测试窗口，7-红外测试窗口，8-支撑底座。
具体实施方式
[0055]
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步阐述。其中，所述方法如无特别说明均为常规方法，所述原材料如无特别说明均能从公开商业途径获得。另外，在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“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。
[0056]
实施例1
[0057]
含能结构材料释能特性的温压同步测试系统，包括分离式霍普金森压杆实验装置、非密闭测试容器1、数据采集单元、数据处理单元以及支撑底座8；
[0058]
所述分离式霍普金森压杆实验装置用于提供激活待测含能结构材料释能所需的动态载荷；其中，分离式霍普金森压杆实验装置的入射杆和透射杆上分别粘贴应变片；
[0059]
如图1所示，所述非密闭测试容器1是一个中空的圆柱体结构，其左右两个端面上加工有用于装配分离式霍普金森压杆实验装置的入射杆和透射杆的安装通孔2；非密闭测试容器1的外圆周面的上部沿轴向加工有一排温度测试孔4以及一排压力测试孔5，且温度测试孔4与压力测试孔5呈一一轴对称关系(即一个温度测试孔4与一个压力测试孔5在非密闭测试容器1的圆周方向对称分布)，在本实施例中温度测试孔4与压力测试孔5均为两个；非密闭测试容器1的外圆周面的前部设置有一个摄像测试窗口6及后部设置有一个红外测试窗口7，摄像测试窗口6上安装的是透明有机玻璃，红外测试窗口7上安装的是锗玻璃；所述非密闭测试容器1上还加工与外部气源连接用的通气孔3，通过向非密闭测试容器1内通入不同的气体，用于测试含能结构材料在不同环境中的释能特性；
[0060]
所述数据采集单元包含高速摄像机、红外热成像仪、温度传感器、压力传感器以及动态应变仪，用于采集含能结构材料在释能过程中的高速摄像图像、红外热成像图像、温度、压力、应变和时间数据；另外，在本实施例中，高速摄像机的拍摄帧率为6000～7000000fps以及记录时间范围为0～1000ms，红外热成像仪的采集频率为1000～150000hz以及温度测量范围为20～4000℃，温度传感器的测温范围为20～4000℃，压力传感器测压范围为0～1000kpa，动态应变仪采集频率1～10mhz；
[0061]
所述数据处理单元用于对来自数据采集单元的高速摄像图像、红外热成像图像、温度、压力、应变和时间数据进行后续处理以获得相应的测试结果；
[0062]
非密闭测试容器1固定安装在支撑底座8上；分离式霍普金森压杆实验装置的入射杆和透射杆一一对应穿过非密闭测试容器1两端的两个安装通孔2；待测含能结构材料夹在入射杆和透射杆之间且位于非密闭测试容器1内；高速摄像机放置于摄像测试窗口6的前方，通过摄像测试窗口6获取释能过程的高速摄像图像；红外热成像仪放置于红外测试窗口7的前方，通过红外测试窗口7获取释能过程的红外热成像图像；温度传感器安装在温度测试孔4中，用于采集非密闭测试容器1内的温度信息；压力传感器安装在压力测试孔5中，用于采集非密闭测试容器1内的压力信息；动态应变仪与粘贴在分离式霍普金森林压杆实验装置的入射杆以及透射杆上的应变片电气连接，用于采集入射杆和透射杆中的应变信号；高速摄像机、红外热成像仪、温度传感器、压力传感器以及动态应变仪分别与数据处理单元电气连接。
[0063]
基于所述测试系统对含能结构材料释能特性进行温压同步测试的步骤如下：
[0064]
(1)将分离式霍普金森压杆实验装置与非密闭测试容器1配合安装，使分离式霍普金森压杆实验装置的入射杆和透射杆穿过非密闭测试容器1上的安装通孔2并位于非密闭测试容器1内，再将待测含能结构材料夹在入射杆和透射杆之间并用二硫化钼润滑脂固定；
[0065]
(2)通过分离式霍普金森压杆实验装置提供激活待测含能结构材料释能所需的动态载荷，使得试样在103～104s-1
的应变率下发生高速剧烈变形，在动态载荷的作用下试样被激活并剧烈释能，释放出的能量使非密闭测试容器1内空气的温度和压力升高，同时形成火花/碎片云；
[0066]
(3)通过粘贴在分离式霍普金森压杆实验装置上的应变片采集动态压缩过程中入射杆和透射杆中的应变信号，动态应变仪采集应变片信号并将采集的数据传输给数据处理单元，当数据处理单元收到入射杆中的应变信号时，高速摄像机、红外热成像仪、温度传感器以及压力传感器同时触发，开始记录；此时，数据处理单元还具有控制功能，根据收到入射杆中的应变信号用于控制高速摄像机、红外热成像仪、温度传感器以及压力传感器进行数据采集；
[0067]
(4)数据处理单元根据接收的高速摄像图像、红外热成像图像、温度、压力、应变和时间数据，对含能结构材料的释能情况进行定量化表征，其中定量化表征的具体过程如下：
[0068]
①
根据boyle/gay-lussac理想气体状态方程建立释能前后非密闭测试空间内空气压力、温度与密度的计算关系：
[0069]
p
2-p1＝δp＝r(ρ2t
2-ρ1t1)(1)
[0070]
然而，在含能结构材料的释能过程中，一方面消耗空气中的氧气使非密闭测试空间内空气质量减少，密度降低；另一方面释放大量能量使非密闭测试空间内空气的温度和
压力提高，故释能结束后非密闭测试空间内空气的温度、压力、密度均会发生改变。因此，要想准确计算含能结构材料的释能大小，必须考虑到释能过程中的氧气消耗，即：
[0071]
ρ2≠ρ1(2)
[0072]
含能结构材料的释能反应本质为金属与空气中氧气发生的剧烈氧化反应，氧化反应放出的热量即为含能结构材料释放的能量，则根据氧化反应原理可计算反应消耗的氧气为：
[0073][0074]
反应后的空气质量为：
[0075][0076]
反应后的空气密度为：
[0077][0078]
将式(5)代入boyle/gay-lussac理想气体状态方程式(1)得：
[0079][0080]
由于含能结构材料氧化反应输出到非密闭测试空间内的能量全部转换为了反应后的空气热能增量，则基于热能计算公式可计算反应过程中的温度变化δt：
[0081][0082]
联立上述方程(6)和(7)，最终建立能量释放量与温度、压力的计算公式：
[0083][0084]
公式(1)-(8)中，p1、p2、δp分别为测得的释能前后非密闭测试空间内的气压及气压变化；t1、t2、δt分别为测得的释能前后非密闭测试空间内的温度及温度变化；r为气体常数，取值为8.314j/mol/k；ρ1、ρ2为释能前后非密闭测试空间内气体的密度；m
oxygen
是反应消耗的氧气质量；m
oxygen
是氧气的摩尔质量；m
air
是反应前非密闭测试空间内的空气质量；δh是含能结构材料氧化反应的燃烧热；v为非密闭测试空间内的容积；c为气体的比热容，当非密闭测试空间内气体为空气时，取值为0.717kj/kg/k；
[0085]
进一步地，非密闭测试空间内气体的比热容c可以表示为：
[0086][0087]
其中，γ为气体的绝热指数，当非密闭测试空间内气体为空气时，取值为1.4；
[0088]
将公式(9)代入公式(8)中，可得到考虑氧气消耗的释能计算公式：
[0089][0090]
传统测试方法中未考虑氧气消耗的释能计算公式：
[0091][0092]
对比公式(10)和(11)可知，考虑氧气消耗的释能测试方法，能量释放量的测量结果比传统测试方法更加准确；
[0093]
②
根据获得的不同时刻含能结构材料释能的高速摄像图像，选取第一次出现火花的高速摄像图像对应的时刻作为释能开始时间t1，选取火花结束后拍摄的第一张无火花的高速摄像图像对应的时刻作为释能结束时间t2，则释能过程持续的时间：δt＝t
2-t1，进而计算出含能结构材料的能量释放烈度为v：v＝δq/δt；
[0094]
③
根据红外热成像图像，获得含能结构材料变形-升温阶段的局部热点温度t
cri
和热点数量n；其中，热点即变形过程中剧烈升温以至超过材料燃点的区域，也即变形过大导致破碎进而产生火花的区域，热点温度反映了含能结构材料诱发燃烧的阈值温度t
cri
，阈值温度越低代表越容易被激活，热点数量n反映了含能结构材料被点燃的区域数量，热点数量越多代表更剧烈的燃烧和释能；
[0095]
④
调节分离式霍普金森压杆实验装置提供的动态载荷大小并重复上述实验，根据实时采集的含能结构材料在释能过程中的图像、温度、压力、应变和时间数据，获得不同载荷施加下样品的能量释放量δq和应变率以应变率为自变量、能量释放量δq为因变量拟合曲线，则拟合曲线与横坐标的交点即为激活材料释能所需的临界应变率亦即激活释能的阈值加载条件。
[0096]
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。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。

技术特征：
1.含能结构材料释能特性的温压同步测试方法，其特征在于：包括以下步骤：将非密闭释能测试装置与分离式霍普金森压杆实验装置配合安装，此时分离式霍普金森压杆实验装置的入射杆和透射杆位于非密闭释能测试装置的非密闭测试空间内，而待测含能结构材料夹在入射杆和透射杆之间；通过分离式霍普金森压杆实验装置提供激活待测含能结构材料释能所需的动态载荷，并通过非密闭释能测试装置中的数据采集单元实时采集含能结构材料在释能过程中的高速摄像图像、红外热成像图像、温度、压力、应变和时间数据；根据采集的数据，结合释能过程中氧气消耗导致的空气密度变化，对含能结构材料的能量释放量、能量释放烈度、局部热点温度、热点数量以及激活释能的阈值加载条件进行定量化表征。2.根据权利要求1所述的一种含能结构材料释能特性的温压同步测试方法，其特征在于：对含能结构材料的能量释放量、能量释放烈度、局部热点温度、热点数量以及释能的阈值加载条件进行定量化表征的结果如下：能量释放量的计算公式为能量释放烈度的计算公式为v＝δq/δt根据红外热成像图像，获得含能结构材料变形-升温阶段的局部热点温度t
cri
和热点数量n；以不同载荷施加下的应变率为自变量、能量释放量δq为因变量拟合曲线，则拟合曲线与横坐标的交点即为激活材料释能所需的临界应变率亦即激活释能的阈值加载条件；其中，δp为测得的释能前后非密闭测试空间内的气压变化；t1、t2、δt分别为测得的释能前后非密闭测试空间内的温度及温度变化；r为气体常数；ρ1为释能前非密闭测试空间内气体的密度；v为非密闭测试空间内的容积；c为气体的比热容；δt为释能过程的持续时间。3.根据权利要求1或2所述的一种含能结构材料释能特性的温压同步测试方法，其特征在于：对含能结构材料的能量释放量、能量释放烈度、局部热点温度、热点数量以及释能的阈值加载条件进行定量化表征的具体过程如下：(1)基于采集的温度数据和压力数据，计算含能结构的动态释能大小δq根据boyle/gay-lussac理想气体状态方程建立释能前后非密闭测试空间内空气压力、温度与密度的计算关系：p
2-p1＝δp＝r(ρ2t
2-ρ1t1)(1)考虑到释能过程中的氧气消耗，即：ρ2≠ρ1(2)根据氧化反应原理可计算反应消耗的氧气为：反应后的空气质量为：
反应后的空气密度为：将式(5)代入boyle/gay-lussac理想气体状态方程式(1)得：基于热能计算公式可计算反应过程中的温度变化δt：联立上述方程(6)和(7)，最终建立能量释放量与温度、压力之间的计算公式：或者公式(1)-(10)中，p1、p2、δp分别为测得的释能前后非密闭测试空间内的气压及气压变化；t1、t2、δt分别为测得的释能前后非密闭测试空间内的温度及温度变化；r为气体常数；ρ1、ρ2为释能前后非密闭测试空间内气体的密度；m
oxygen
是反应消耗的氧气质量；m
oxygen
是氧气的摩尔质量；m
air
是反应前非密闭测试空间内的空气质量；δh是含能结构材料氧化反应的燃烧热；v为非密闭测试空间内的容积；c为气体的比热容；γ为气体的绝热指数；(2)根据获得的不同时刻含能结构材料释能的高速摄像图像，选取第一次出现火花的高速摄像图像对应的时刻作为释能开始时间t1，选取火花结束后拍摄的第一张无火花的高速摄像图像对应的时刻作为释能结束时间t2，则释能过程持续的时间：δt＝t
2-t1，进而计算出含能结构材料的能量释放烈度为v：v＝δq/δt；(3)根据红外热成像图像，获得含能结构材料变形-升温阶段的局部热点温度t
cri
和热点数量n；调节分离式霍普金森压杆实验装置提供的动态载荷大小并重复上述实验，根据实时采集的含能结构材料在释能过程中的图像、温度、压力、应变和时间数据，获得不同载荷施加下样品的能量释放量δq和应变率以应变率为自变量、能量释放量δq为因变量拟合曲线，则拟合曲线与横坐标的交点即为激活材料释能所需的临界应变率亦即激活释能的阈值加载条件。4.基于权利要求1～3任一项所述测试方法测试含能结构材料释能特性的温压同步测试系统，其特征在于：包括分离式霍普金森压杆实验装置、非密闭测试容器、数据采集单元、数据处理单元以及支撑底座；
所述分离式霍普金森压杆实验装置用于提供激活待测含能结构材料释能所需的动态载荷；所述非密闭测试容器是一个中空的圆柱体结构，其左右两个端面上加工有安装通孔；所述非密闭测试容器上还加工与外部气源连接用的通气孔，通过该通气孔通入不同气源用于测试含能结构材料在不同环境中的释能特性；所述数据采集单元用于采集含能结构材料在释能过程中的高速摄像图像、红外热成像图像、温度、压力、应变和时间数据；所述数据处理单元用于对来自数据采集单元的高速摄像图像、红外热成像图像、温度、压力、应变和时间数据进行后续处理以获得相应的测试结果；非密闭测试容器固定安装在支撑底座上，分离式霍普金森压杆实验装置的入射杆和透射杆一一对应穿过非密闭测试容器两端的两个安装通孔，数据采集单元安装在非密闭测试容器的周围，数据采集单元与数据处理单元电气连接。5.根据权利要求4所述含能结构材料释能特性的温压同步测试系统，其特征在于：所述数据采集单元包含高速摄像机、红外热成像仪、温度传感器、压力传感器以及动态应变仪；相应地，所述非密闭测试容器的外圆周面上设置有摄像测试窗口、红外测试窗口、温度测试孔以及压力测试孔；高速摄像机放置于摄像测试窗口的前方，通过摄像测试窗口获取释能过程的高速摄像图像；红外热成像仪放置于红外测试窗口的前方，通过红外测试窗口获取释能过程的红外热成像图像；温度传感器安装在温度测试孔中，用于采集非密闭测试容器内的温度信息；压力传感器安装在压力测试孔中，用于采集非密闭测试容器内的压力信息；动态应变仪与粘贴在分离式霍普金森林压杆实验装置的入射杆以及透射杆上的应变片电气连接，用于采集入射杆和透射杆中的应变信号；高速摄像机、红外热成像仪、温度传感器、压力传感器以及动态应变仪分别与数据处理单元电气连接。6.根据权利要求5所述含能结构材料释能特性的温压同步测试系统，其特征在于：温度测试孔以及压力测试孔沿非密闭测试容器的轴向并排分布，且温度测试孔与压力测试孔沿非密闭测试容器的圆周方向呈一一轴对称关系。7.根据权利要求5所述含能结构材料释能特性的温压同步测试系统，其特征在于：摄像测试窗口上安装的是透明的有机玻璃，红外测试窗口上安装的是锗玻璃。

技术总结
本发明涉及一种含能结构材料释能特性的温压同步测试方法及测试系统，属于材料性能测试技术领域。通过分离式霍普金森压杆实验装置提供激活待测含能结构材料释能所需的动态载荷，使位于非密闭释能测试装置的非密闭测试空间内的含能结构材料释能，并通过非密闭释能测试装置中的数据采集单元实时采集含能结构材料在释能过程中的高速摄像图像、红外热成像图像、温度、压力、应变和时间数据，结合采集的数据以及考虑释能过程中氧气消耗导致的空气密度变化，对含能结构材料的释能情况进行定量化表征。本发明基于非密闭释能测试装置，实现了对含能结构材料释能特性更加可靠且全面的表征，而且涉及的装置结构简单，具有很好的应用前景。前景。前景。


技术研发人员：郭寻 眭明斌 王本鹏 薛云飞
受保护的技术使用者：北京理工大学
技术研发日：2023.04.27
技术公布日：2023/7/21