自蔓延高温合成实验压力与燃烧速率测试方法研究

摘要：自蔓延高温合成技术是利用原料在初始点燃条件下化学反应所产生的高温高热，使燃烧反应自发地进行，从而得到新的成分和结构的产物。通过对自蔓延高温合成实验压力和燃烧速率测试方法的研究，根据实验的要求，选择合适的压力传感器，并自行设计有效的燃烧速率测试系统，合理选择监测点，编制满足测试需求的数据采集及控制程序，获取大量有效实验数据，为测定自蔓延燃烧过程中的压力和速率变化曲线，进行反应热力学、动力学分析，对反应安全进行评估，提供有力的数据支持，并对相关研究具有重要的借鉴意义。
关键词：自蔓延高温合成；压力测试；速率测试；传感器

    自蔓延高温合成(Self-propagating High-temperatureSynthesis，SHS)技术是利用原料在初始点燃条件下化学反应所产生的高温高热，使燃烧反应自发地进行，从而得到新的成分和结构的产物。SHS技术合成速度快、温度高、合成产品稀疏多孔(孔隙的形成，一方面是由于反应过程中原料中的气体在急剧的升温梯度下膨胀造成的，另一方面是杂质的释放、燃烧波的振荡所造成的)。而孔隙度太高不利于长期固化包容有害物质，有研究表明在含砂铝热剂熔融状态时施加压力，可提高生成材料的致密性。为测定自蔓延燃烧过程中的压力变化曲线，进行反应热力学、动力学分析，对反应安全进行评估，有必要对反应体系进行系统的压力和燃烧速率测量。

1 温度测量系统组成及监测点选取
    纯铝热剂燃烧理论计算温度在3 000℃以上，自蔓延高温合成固化项目中采用的是加砂铝热剂，燃烧过程中砂子熔融吸收部分热量降低铝热剂的燃烧温度，且燃烧速度放慢，降低了纯铝热剂燃烧时的剧烈反应。
1. 1 含砂铝热剂压力测试
1. 1. 1 压力测试原理

    压力传感器选用压阻压力传感器，由于容器内温度过高，可选择压为传递的方式来测量。传感器分3段，前端为感应部分，中段是压力传递部分，后端是测试芯片及变送器。前端伸进罐内约10 mm，与罐内填充砂土有一定距离，并罩上纱网，防止大量砂土进入空腔，感应膜片选择在高温下受压变形量小的膜片；中间压力传递部分选择压缩性小的硅油，压力传递快、损失小，硅油毛细管的长度可根据所测压力的温度来决定；后端采用普通应变片或者压阻芯片均可，直接测量硅油传递的压力并转换成4～20 mA的标准电流。前端设计成小法兰或者螺纹形式与罐体密封。这种方式可实现温度为400℃左右时的静态压力测量，可满足实验需求。
1．1．2 压力测量系统组成
    如图2所示：压力测量系统主要由压力传感器、ADAM数据采集控制模块、串行通讯模块以及测量主机组成。根据测量的实际需要拟采用上海朝晖压力仪器有限公司生产的压力传感器(ZH-PT124B)，该压力传感器测量范围为0～10 MPa，精度为0．5％FS，满足测量要求。

1．2 含砂铝热剂燃烧速率测试
1．2．1 燃烧测量原理
    实验所用自蔓延材料在常态情况下不导电，燃烧时导电。在实验容器内按一定间距布置多个电探针测点，材料燃烧时不同位置探针依次导通，并形成脉冲供示波器采集。通过测量各探针导通时间，可推算出材料的燃烧速率。
1．2．2 燃烧测量系统组成
    如图3所示，速率测量系统主要由探针、多通道脉冲形成网络和示波器组成。其中示波器是采用Agilent公司的DS06014A示波器，该系列示波器可提供100 MHz的高带宽和高达2GHz的采样率，具有MegaZoomⅢ深存储器以及高清晰的显示器和灵活的触发。其测量能力能够满足燃烧速率测量的要求。

2 实验数据及分析
2．1 压力测试数据及分析
2．1.1 10kg含砂铝热剂实验压力测量数据
    1)测试条件
    实验中含砂铝热剂用量10 kg，铝热剂和砂质量比例1.8：1，装药直径为25 cm，装药高度15 cm，埋深32 cm，点火方式为由上至下，铝热荆用圆柱形白铁皮固定，砂土烘干。
    2)测试结果及分析
    图4为实验过程中的现场测试部分图片，主要包括实验过程部分。

    通过对10 kg含砂铝热剂密闭容器压力的测试可看出：容器内压力峰值在1．2MPa范围，峰值时间为3．4 h范围，温度峰值在42℃范围，峰值时间为5．5～6 h范围，并且温度起始阶段有一个先下降后上升的过程，分析是因为密闭容器内砂土水蒸气蒸发所致，并且与实验完毕后，容器顶益布满水蒸气相印证。
2．1．2 15kg含砂铝热剂实验压力测量数据
    1)测试条件
    实验中含砂铝热剂用量15 kg，铝热剂和砂质量比例1．8：1，装药直径为22 cm，装药高度22 cm，埋深43 cm，点火方式为由上至下，铝热剂用圆柱形白铁皮固定，砂土烘干。
    2)测试结果及分析

    通过对15 kg含砂铝热剂密闭容器压力的测试可看出：容器内压力峰值在1．8MPa范围，压力稳定增加0．6 MPa左右，峰值时间为3．4 h范围，温度峰值在55℃范围，峰值时间为5．5_h范围，但温度增加变化不是很稳定，考虑主要是因为砂土内水蒸汽不易控制所致，并且温度起始阶段也有一个先下降后上升的过程，分析是因为密闭容器内砂土水蒸气蒸发所致，此现象与实验完毕后，容器顶盖布满水蒸气相印证。
2. 2 燃烧速率测试数据及分析

    通过对历次20 kg和50 kg含砂铝热剂实验燃烧速率测试可看出：
    1)由上至下的点火方式，铝热剂燃烧平稳，燃烧过程时间较长，不易出现烧偏现象，平均燃烧速率为0．47 mm／s；
    2)由下至上的点火方式，铝热剂燃烧剧烈，燃烧过程时间较短，易出现烧偏现象，平均燃烧速率为2．21mm／s。

3 结论
    通过多次实验验证，测量系统稳定可靠，能够满足实验需求，获取大量有效实验数据，为测定自蔓延燃烧过程中的压力和燃烧速率变化曲线，进行反应热力学、动力学分析，对反应安全进行评估，提供有力的数据支持，并对相关研究具有重要的借鉴意义。