測(cè)量爆炸材料的熱導(dǎo)率

圖1. 配備了 MTPS、TPS 和 TLS 傳感器的 Trident 熱導(dǎo)率儀

測(cè)試含能材料的熱導(dǎo)率對(duì)于通過自加速分解溫度（SADT）了解點(diǎn)火時(shí)間是必要的。然而，炸藥對(duì)傳統(tǒng)穩(wěn)態(tài)技術(shù)構(gòu)成挑戰(zhàn)，因?yàn)樗璧拇罅坎牧蠒?huì)帶來不良的安全風(fēng)險(xiǎn)，或者所需的樣品幾何形狀不切實(shí)際。這通常導(dǎo)致在預(yù)測(cè)模型中估算熱導(dǎo)率，而非進(jìn)行真實(shí)測(cè)量。C-Therm 公司的 Trident 熱導(dǎo)率儀可配置多種傳感器，包括改進(jìn)型瞬態(tài)平面源（MTPS）傳感器。該傳感器旨在能夠安全、快速地測(cè)試炸藥。MTPS 采用小而快速的熱脈沖，僅需 1.5 毫升的體積，與其他方法相比，可確保安全的測(cè)試環(huán)境。

圖2. 配備粉末池的 MTPS 傳感器，非常適合測(cè)試含能粉末、乳液或液體的熱導(dǎo)率

圖3. 卡門涅茨基理論是炸藥行業(yè)常用的一種模型，用于預(yù)測(cè)爆炸材料內(nèi)部的熱量產(chǎn)生。熱導(dǎo)率是該理論中的一個(gè)關(guān)鍵物理特性

圖4. 了解爆炸材料的熱導(dǎo)率有助于預(yù)測(cè)引發(fā)點(diǎn)火的條件，從而有助于防止過早爆炸

圖5. 推進(jìn)劑是航空航天工業(yè)的必需品，隨著航程增加和載荷加重，對(duì)推進(jìn)劑性能的要求也越來越高。了解這些材料的熱導(dǎo)率，有助于深入認(rèn)識(shí)其性能

為什么熱導(dǎo)率對(duì)含能材料很重要？

了解含能材料的熱導(dǎo)率對(duì)于安全性和性能評(píng)估都至關(guān)重要。知曉含能材料的熱導(dǎo)率和熱擴(kuò)散率，能夠預(yù)測(cè)其在意外受熱（比如火災(zāi)）情況下的反應(yīng)。含能材料吸熱越快，反應(yīng)速率就越快；而這種升溫速度可以通過材料的熱性能來確定。同樣，正在進(jìn)行放熱反應(yīng)的材料，其熱導(dǎo)率取決于材料的局部溫度；這對(duì)熱點(diǎn)火的臨界條件有顯著影響。熱點(diǎn)火理論 — 無論是否考慮反應(yīng)物的消耗和擴(kuò)散 — 通常使用弗蘭克 - 卡門茨基理論進(jìn)行分析，熱導(dǎo)率是該理論的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。同樣，熱導(dǎo)率也是確定自加速分解溫度（SADT）的必要參數(shù)，而自加速分解溫度對(duì)于炸藥的性能和安全性都至關(guān)重要。

案例亮點(diǎn)一

加拿大爆炸物研究實(shí)驗(yàn)室：硝酸銨乳液的熱導(dǎo)率

以下是加拿大爆炸物研究實(shí)驗(yàn)室所做的工作中的一個(gè)案例亮點(diǎn)。在這里閱讀。

硝酸銨乳液 （ANE） 在礦山、采石場(chǎng)和建筑業(yè)中的使用已經(jīng)很成熟，事實(shí)上，在正常制造的標(biāo)準(zhǔn)溫度和壓力下，ANE 是非常不敏感和穩(wěn)定的產(chǎn)品，特別是與以前使用的硝酸甘油基產(chǎn)品相比。研究ANE炸藥的熱分解行為是由于全球范圍內(nèi)不斷發(fā)生涉及ANE生產(chǎn)、加工和處理的悲慘事件。

為了測(cè)試 ANE，使用了小體積測(cè)試套件，以盡量減少所需的材料。樣本測(cè)試使用約2.5mL，約相等于約4克ANE。將傳感器放置在烤箱內(nèi)，并使用加重蓋來確保在測(cè)試過程中完全覆蓋傳感器。

圖6. 將傳感器放置在烤箱內(nèi)

下表列出了鋁和微球含量增加的各批乳液的測(cè)得熱導(dǎo)率值。

表1. 鋁和微球含量增加的各批乳液的測(cè)得熱導(dǎo)率值

案例亮點(diǎn)二

防止軍用炸藥的意外點(diǎn)火

以下是圣路易法德研究所所做的工作亮點(diǎn)。在這里閱讀。

為了提高軍事安全，對(duì)減少意外引爆爆炸的方法進(jìn)行了研究。點(diǎn)火是由于熱量的運(yùn)動(dòng)，特別是材料內(nèi)熱量的積聚而發(fā)生的。熱量通常會(huì)積聚在材料的異質(zhì)區(qū)域，其中包含通常稱為“熱點(diǎn)”的空隙、缺陷或氣穴。

該研究的重點(diǎn)是開發(fā)納米β-HMX，一種高密度和高爆炸速度的炸藥。在納米尺度上，該結(jié)構(gòu)內(nèi)的大部分空隙空間被空氣占據(jù);空氣的導(dǎo)熱系數(shù)較低，因此會(huì)在空隙的周圍區(qū)域積聚熱量。為了解決這個(gè)問題，使用了科萊恩 Licowax BJ 的填料，因?yàn)樗染哂卸栊杂志哂袑?dǎo)熱性。測(cè)量炸藥的熱散發(fā)率，以確定 HMX 與環(huán)境（在本例中為空隙空間）交換熱量的速度。結(jié)果如下所示。

表2. HMX和Licowax BJ各種組合的導(dǎo)熱系數(shù)

含有 Licowax 的 HMX 表現(xiàn)出比不含有 Licowax 高得多的熱散發(fā)率。這表明，隨著蠟的添加，熱量將更容易擴(kuò)散到空隙區(qū)域，從而減少熱點(diǎn)，從而減少意外點(diǎn)燃。

案例亮點(diǎn)三

粉塵爆炸：采用惰性固體材料防控風(fēng)險(xiǎn)

以下是法國(guó)國(guó)家工業(yè)環(huán)境與風(fēng)險(xiǎn)研究所發(fā)表的一篇論文中的案例摘要。在這里閱讀。

可燃粉塵和粉末濃度高的區(qū)域是眾所周知的爆炸危險(xiǎn)。采礦業(yè)或谷物加工業(yè)可能會(huì)產(chǎn)生爆炸性環(huán)境，其中大量細(xì)顆粒物因其可燃性和高表面積而面臨爆炸風(fēng)險(xiǎn)。減少這種情況的一種策略是將惰性固體材料與可燃粉末混合，以減少著火的機(jī)會(huì)，以及發(fā)生點(diǎn)火的嚴(yán)重程度。

在這項(xiàng)研究中，對(duì)各種可燃有機(jī)粉末使用各種體積百分比測(cè)試了多種惰性物質(zhì)。以最低導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試的惰性是一種稱為硅藻土的巖粉，其導(dǎo)熱系數(shù)僅為 0.049 W/mK。各種有機(jī)粉塵的結(jié)果如下所示：

圖7. 固體惰性的加入對(duì)最小點(diǎn)火能量幾乎沒有影響，直到超過閾值，之后能量急劇增加。這項(xiàng)工作的進(jìn)一步研究是比較其他具有不同導(dǎo)熱系數(shù)的惰性物質(zhì)，以了解這如何影響閾值點(diǎn)

可以看出，固體惰性的加入對(duì)最小點(diǎn)火能量幾乎沒有影響，直到超過閾值，之后能量急劇增加。這項(xiàng)工作的進(jìn)一步研究是比較其他具有不同導(dǎo)熱系數(shù)的惰性物質(zhì)，以了解這如何影響閾值點(diǎn)。