等離子體點(diǎn)火中止后回收發(fā)射藥的X射線熒光光譜分析

等離子體點(diǎn)火中止后回收發(fā)射藥的X射線熒光光譜分析
摘要：利用中止燃燒裝置，對(duì)單基藥、雙基藥、太根藥及硝胺藥等不同種類發(fā)射藥進(jìn)行常規(guī)方式和等離子體點(diǎn)火 的比較研究。燃燒中止后，回收得到殘存發(fā)射藥。對(duì)這些回收發(fā)射藥表面進(jìn)行X射線熒光光譜(XRF)分析，以檢 測(cè)發(fā)射藥表面由于等離子體帶來的金屬含量。15／19單基藥和硝胺藥表面的cu沉積很少；沉積在太根藥樣品表 面的cu元素，經(jīng)估算后其含量約為Pb元素的20％左右；而等離子體點(diǎn)火雙芳．3的XRF譜圖中，cu元素所處的峰 的強(qiáng)度明顯增強(qiáng)，經(jīng)估算后其含量約為Pb元素的50％左右。cu元素在不同配方發(fā)射藥表面沉積的相對(duì)含量與金 屬蒸汽罩模型的觀點(diǎn)存在不一致。試驗(yàn)結(jié)果表明：與常規(guī)點(diǎn)火方式相比，等離子體點(diǎn)火燃燒中止后回收得到的發(fā) 射藥表面有金屬cu離子或原子沉積。cu在發(fā)射藥表面沉積的相對(duì)含量與等離子體發(fā)射藥能量轉(zhuǎn)移方式、發(fā)射藥 的配方及燃燒狀況相關(guān)。

1 引 言 等離子體應(yīng)用于發(fā)射藥的點(diǎn)火，能縮短點(diǎn)火延遲 時(shí)間，點(diǎn)火重現(xiàn)性好 ；容易消除裝藥溫度敏感性 ； 能增加燃?xì)馍�成速�?；能點(diǎn)燃常規(guī)點(diǎn)火方式難以 點(diǎn)燃的低易損火藥及高裝填密度裝藥等 。 等離子體溫度很高，一般在10000 K以上， 水份計(jì)| 水份儀| 分析儀| 溶氧計(jì)| 電導(dǎo)度計(jì)| PH計(jì)| 酸堿計(jì)| 糖度計(jì)| 鹽度計(jì)| 酸堿度計(jì)| 電導(dǎo)計(jì)| 水分測(cè)定儀| 濁度計(jì)| 色度計(jì)| 粘度計(jì)| 折射計(jì)| 滴定儀| 密度計(jì)| 熱流計(jì)| 濃度計(jì)| 折射儀| 采樣儀| 有的甚 至可以超過50000 K。因此，等離子體作用下，火藥的 熱分解、點(diǎn)火和燃燒與常規(guī)點(diǎn)火條件下的行為相比肯 定有所變化。大量實(shí)驗(yàn)事實(shí)已經(jīng)表明等離子體點(diǎn)火不 同于常規(guī)點(diǎn)火，點(diǎn)火過程是一個(gè)包含熱傳導(dǎo)、對(duì)流和輻 射的復(fù)雜過程 】。其中等離子體的一個(gè)顯著特點(diǎn)是 輻射作用，它主要以紫外線(uV)和可見光的形式存 在。有關(guān)輻射在等離子體與發(fā)射藥能量轉(zhuǎn)移的作用機(jī) 理研究也正在大量展開。 美國(guó)陸軍研究實(shí)驗(yàn)室(ARL)的研究 表明輻射 熱流可引起火藥溫度升高、高溫輻射改變化學(xué)反應(yīng)速 率(發(fā)射藥熱化學(xué)的改變、光化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生)等，能 顯著增強(qiáng)發(fā)射藥的燃燒。
但是，也有學(xué)者認(rèn)為，等離子體對(duì)發(fā)射藥點(diǎn)火時(shí)的 輻射作用不重要，甚至可以忽略。如英國(guó)學(xué)者Taylor 研究認(rèn)為，對(duì)于高功率的等離子體的點(diǎn)火，輻射作用在 能量轉(zhuǎn)移方面處于主導(dǎo)地位，但是，在低功率、低密度 等離子體的點(diǎn)火過程中，輻射作用大大減弱，可以忽 略。他給出了實(shí)驗(yàn)證據(jù)，同時(shí)提出了一種新的理論假 設(shè)，認(rèn)為在低功率固體電熱化學(xué)炮的等離子體點(diǎn)火過 程中，能量的轉(zhuǎn)移主要以金屬蒸汽(metallic vapor)沉 積的方式為主。 Taylor等利用電感耦合等離子體原子發(fā)射藥光譜 法表征金屬蒸汽在發(fā)射藥表面的沉積及其含量 ，該 項(xiàng)研究的主要缺點(diǎn)在于僅能測(cè)量由等離子體噴孔噴射 出來的等離子體中金屬蒸汽沉積到惰性發(fā)射藥表面的 含量，沒有考慮到等離子體點(diǎn)火發(fā)射藥瞬間，等離子體 與發(fā)射藥相互作用的動(dòng)態(tài)特性。從而使得等離子體與 發(fā)射藥相互作用的能量轉(zhuǎn)移機(jī)理研究中缺乏發(fā)射藥配 方和組成的貢獻(xiàn)。因此金屬蒸汽罩模型觀點(diǎn)仍然需要 進(jìn)一步的試驗(yàn)驗(yàn)證。 為了更深入研究發(fā)射藥配方等對(duì)等離子體點(diǎn)火性 能的影響，本研究主要利用等離子體點(diǎn)火燃燒中止試驗(yàn) 裝置，對(duì)等離子體點(diǎn)火燃燒中止后殘存發(fā)射藥表面進(jìn)行 X射線熒光光譜(XRF)分析，檢測(cè)發(fā)射藥表面的金屬含 量，從而討論等離子體點(diǎn)火蒸汽罩模型的適用范圍。

2 試驗(yàn)
2．1 試驗(yàn)材料及準(zhǔn)備 15／19單基藥、太根藥和雙芳一3發(fā)射藥均采用制 式發(fā)射藥，其中太根藥為19孑L。硝胺藥為南京理工大 維普資訊 http://www.cqvip.com 第5期 肖正剛等：等離子體點(diǎn)火中止后回收發(fā)射藥的x射線熒光光譜分析 53l 學(xué)黃振亞研究員提供。等離子體點(diǎn)火方式采用聚乙烯 毛細(xì)管消融放電方式，其初始放電電壓均為3000 V， 亦即等離子體的電能密度是一致的。常規(guī)的點(diǎn)火方式 中所用的點(diǎn)火藥為黑火藥或2／1樟。 開始試驗(yàn)前稱取一定質(zhì)量的發(fā)射藥置于燃燒室 內(nèi)，調(diào)整好發(fā)射藥的燃燒表面正對(duì)等離子體噴孔，并保 持距離3—14 mm。
2．2 試驗(yàn)裝置 實(shí)驗(yàn)中，發(fā)射藥的等離子體點(diǎn)火中止燃燒試驗(yàn)采 用圖1所示裝置。該裝置主要由脈沖功率源、等離子 體發(fā)生器、密閉燃燒室和測(cè)試系統(tǒng)四部分組成。常規(guī) 點(diǎn)火方式仍然用圖1所示的本體，僅在點(diǎn)火頭部分改 用常規(guī)的點(diǎn)火方式。 圖1 等離子體點(diǎn)火中止試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)示意圖 1一等離子體發(fā)生器，2一高壓開關(guān)，3一脈沖形成網(wǎng)絡(luò)， 4一燃燒室，5一發(fā)射藥，6一擋片， 7一剪切孔，8一泄氣孔，9一測(cè)壓孔 該裝置設(shè)有泄氣孔和剪切孔。剪切孔中置有擋 片，一般為銅片或鋁片，根據(jù)不同壓力、不同任務(wù)可調(diào) 節(jié)其厚度，從而達(dá)到不同的試驗(yàn)?zāi)康�。發(fā)射藥點(diǎn)火燃 燒過程中，通過測(cè)壓孔處安置測(cè)試系統(tǒng)，可以安全有效 地采集壓力和電流瞬態(tài)數(shù)據(jù)。
2．3 試驗(yàn)方法
2．3．1 等離子體點(diǎn)火中止燃燒試驗(yàn) 等離子體點(diǎn)火中止燃燒實(shí)驗(yàn)的基本過程：高壓電 源開關(guān)閉合，經(jīng)調(diào)壓器調(diào)節(jié)，輸入脈沖形成網(wǎng)絡(luò)(PFN)， PFN提供強(qiáng)脈沖電流，引發(fā)等離子體發(fā)生器工作，產(chǎn)生 高溫等離子體流，以高壓拉弧、噴射或者其它方式作用 于密閉燃燒室內(nèi)的固體發(fā)射藥，與發(fā)射藥表面相互作 用，使得發(fā)射藥達(dá)到點(diǎn)火溫度進(jìn)而開始點(diǎn)火燃燒。發(fā)射 藥點(diǎn)火燃燒達(dá)到一定程度后，本體內(nèi)部壓力達(dá)到擋片所 能承受的最大壓力時(shí)，擋片受到瞬時(shí)剪切力被破壞飛 出，本體瀉壓，中止儀內(nèi)燃燒著的發(fā)射藥因迅速降壓而 熄火，將其回收，進(jìn)行表面觀察或化學(xué)分析。
2．3．2 X射線熒光光譜分析 x射線熒光光譜分析是透過次級(jí)輻射所產(chǎn)生的不 同能量特性來辨認(rèn)、識(shí)別元素及進(jìn)行定量分析。 試驗(yàn)測(cè)試用的x射線熒光光譜分析所用儀器型 號(hào)為：順序取樣x射線熒光光譜儀ARL 9800，激發(fā)電 壓為50 kV，電流50 mA。測(cè)試試樣無(wú)須標(biāo)定，可完成 自動(dòng)取樣檢測(cè)。

3 結(jié)果與討論 等離子體點(diǎn)火和常規(guī)點(diǎn)火的XRF譜圖中都發(fā)現(xiàn) 了Fe元素和Pb元素，F(xiàn)e元素來自密閉燃燒室的本體 或其它硬件，Pb元素為發(fā)射藥組分所含。對(duì)于同一配 方發(fā)射藥，一般為定值，因此可以用來作參比值。 圖2一圖4分別是19／19太根藥、雙芳-3發(fā)射藥和硝胺 藥表面的XRF分析結(jié)果。 圖2 19／19太根藥表面XRF分析 Fig．2 XRF analysis results of 19／19 TEGN propellant 圖2所示的19／19太根藥XRF譜圖中，在原始樣 品和常規(guī)點(diǎn)火下，19／19太根藥表面沒有Cu元素的明 顯證據(jù)(當(dāng)元素強(qiáng)度低于一定值時(shí)，可以認(rèn)為不存 在)，等離子體點(diǎn)火中止后殘存的發(fā)射藥表面，可以觀 察到Cu元素，相對(duì)原樣和常規(guī)點(diǎn)火下的發(fā)射藥，強(qiáng)度 明顯增強(qiáng)，說明了等離子體中含有的Cu元素沉積在 太根藥樣品中，經(jīng)估算后其含量約為Pb元素的20％ 左右。試驗(yàn)結(jié)果與文獻(xiàn)[3]的報(bào)道一致。試驗(yàn)過程中 等離子體點(diǎn)火的起爆絲是銅絲，放電瞬間，銅絲在兩極 間被大電流加熱，經(jīng)歷加熱、熔化、氣化、電爆炸以至電 離，形成等離子體，經(jīng)等離子體噴孔噴射并沉積在發(fā)射 藥表面。根據(jù)英國(guó)學(xué)者Taylor 的金屬蒸汽罩模型觀 點(diǎn)，這些Cu在高溫下將以蒸汽的形態(tài)在發(fā)射藥的表 面形成金屬蒸汽罩，在發(fā)射藥的表面經(jīng)歷低溫冷卻、沉 積，最終將能量從等離子體轉(zhuǎn)移至發(fā)射藥的表面，從而 達(dá)到發(fā)射藥表面升溫，進(jìn)而點(diǎn)燃的目的。 雙芳．3發(fā)射藥表面的XRF分析結(jié)果如圖3所示。 圖3所示的雙芳一3的XRF譜圖和圖2類似。但 在等離子體點(diǎn)火雙芳-3的XRF譜圖中，Cu元素所處 的峰的強(qiáng)度明顯增強(qiáng)，經(jīng)估算后其含量約為Pb元素的 50％左右。然而在本試驗(yàn)中雙芳一3等離子體點(diǎn)火困 難，沒能實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火燃燒，回收得到的雙芳一3發(fā)射藥的 表面被沖擊出現(xiàn)了裂痕，從表面可以看到被覆蓋了大 量金黃色的Cu。利用該發(fā)射藥在同樣的試驗(yàn)條件下 作了重復(fù)試驗(yàn)，仍然得到同樣的結(jié)果。根據(jù)金屬蒸汽 罩模型的觀點(diǎn)，大量Cu在發(fā)射藥表面的沉積將會(huì)使 得等離子體的能量迅速轉(zhuǎn)移到發(fā)射藥的表面，使得發(fā) 射藥表面快速升溫，從而點(diǎn)燃發(fā)射藥。本試驗(yàn)中相同 點(diǎn)火條件下，雙芳．3等離子體點(diǎn)火困難，而回收得到 發(fā)射藥的表面覆蓋了大量金黃色的Cu，這與蒸汽罩模 型的觀點(diǎn)是不一致的。
圖4是相同條件下硝胺藥表面的XRF分析結(jié)果。 從圖4可以看出，相同條件下，15／19單基藥和硝 胺藥表面發(fā)現(xiàn)Cu沉積很少。結(jié)合回收樣品的表面觀 察，可能的原因是等離子點(diǎn)火后，表面發(fā)生大量熱分 解，持續(xù)了一段時(shí)間的穩(wěn)定燃燒，表面已經(jīng)被嚴(yán)重破 壞，等離子體中Cu元素很難附著在發(fā)射藥表面。 以上試驗(yàn)結(jié)果表明，含金屬的熱流在發(fā)射藥表面 的沖擊和存積可能導(dǎo)致等離子體點(diǎn)火與常規(guī)點(diǎn)火有極 大的不同，能顯著影響點(diǎn)火能量的傳遞和作用方式。 蒸汽罩模型的提出能說明等離子體與發(fā)射藥相互作用 的一些現(xiàn)象。然而從本試驗(yàn)結(jié)果可以看出，金屬蒸汽 罩模型的適用范圍是有限的，不同配方發(fā)射藥的等離 子體點(diǎn)火試驗(yàn)中，Cu在發(fā)射藥表面沉積的相對(duì)含量與 蒸汽罩模型的觀點(diǎn)存在不一致。
進(jìn)一步的分析表明，金屬蒸汽罩模型建立在Cu 蒸汽對(duì)惰性發(fā)射藥表面的相互作用試驗(yàn)結(jié)果上，與等 離子體的電能密度相關(guān)，沒有充分考慮到等離子體射 流與發(fā)射藥之間的化學(xué)及輻射效應(yīng)，對(duì)于輻射與熱金 屬蒸汽的能量轉(zhuǎn)移機(jī)制的判別沒有得出有力的結(jié)論。 Cu在發(fā)射藥表面沉積的相對(duì)含量不僅與等離子體的 電能密度相關(guān)，還與等離子體發(fā)射藥能量轉(zhuǎn)移方式、發(fā) 射藥的配方及燃燒狀況相關(guān)。不同配方發(fā)射藥與等離 子體的相互作用能導(dǎo)致等離子體與發(fā)射藥相互之間能 量轉(zhuǎn)移方式的不同，從而影響Cu離子或原子沉積在 發(fā)射藥表面的相對(duì)含量。

4 結(jié) 論 x射線熒光光譜分析殘存發(fā)射藥表面金屬含量， 較原始樣品和常規(guī)點(diǎn)火，等離子體點(diǎn)火條件下，部分樣 品中Cu的含量有較大升高，是等離子體發(fā)生器中Cu 絲激發(fā)產(chǎn)生等離子體射流，噴射在發(fā)射藥表面并沉積 的結(jié)果。Cu在發(fā)射藥表面沉積的相對(duì)含量不僅與等 離子體的電能密度相關(guān)，還與等離子體發(fā)射藥能量轉(zhuǎn) 移方式、發(fā)射藥的配方及燃燒狀況相關(guān)。