[发明专利]研究含能材料快速反应机理的方法和装置

说明书

技术领域

本发明的各实施方式涉及光谱测量技术领域，更具体地涉及研究含能材料快速反应机理的方法和装置。 

背景技术

含能材料是一类本身具有较高能量性能、可释放大量能量的材料，它在航天、军工以及其它高科技领域的应用尤为广泛，因此对于含能材料反应机理的研究一直是个热点。要想研究物质反应机理，就必须要对反应过程中的化学动力学过程和分解通道进行分析，这主要是依据中间产物的瞬态实时测量。在这方面，各种光谱分析技术可被用来作为探测含能材料原子分子水平的一种手段，它有利于更全面更深入地了解冲击波作用下物质的物性变化及相应的机理。 

国外是从80年代开始对含能材料分解微观机理进行研究的。实验上主要采用分子束质谱仪、紫外/可见吸收光谱、自发拉曼光谱仪、傅立叶转换红外光谱仪等技术，但是由于含能材料快速反应时间为微秒量级甚至更短，一般的仪器的响应时间达不到，因此不能对中间和最终产物随时间的变化过程进行研究。国外有些机构采用激光诱导荧光、高放大率录象和高速摄影机等技术，这些方法虽然能鉴别在冲击压缩过程中材料内部所发生的物理和化学过程，但是这些仪器价格昂贵，且有些设备进口受到限制，一般单位和机构很难购买。因此国内大都限于热分析的方法，而热分析方法是一种在缓慢温度程序控制下研究材料的转变和反应的过程，它并不能真正模拟含能材料在高温高压条件下快速反应(燃烧、爆炸等)的过程。以上这些原因都极大地限制了含能材料快速反应微观机理的研究工作。 

针对由于经费和国外对高科技技术的限制等原因很难成套购买 适用于冲击瞬态光谱测试设备的问题，本发明通过现有光谱仪器进行组装使之能够满足冲击光谱实验的要求，并提出一种以理论模拟和动态实验相结合来研究含能材料快速反应机理的新方法和装置。这种方法不仅可大大减少实验量，而且能真实模拟含能材料快速反应时的状态，更贴近实际应用。 

发明内容

本发明一个目的在于克服现有对冲击瞬态光谱测试设备价格昂贵、进口困难以及对含能材料在极短时间内发生的反应机理较难研究等问题，提供主要由单色谱仪、光电倍增管及示波器组成的冲击瞬态光谱测试装置，并提出一种以理论模拟和动态实验相结合来研究硝铵类含能材料快速反应机理的新方法和装置。 

本发明为解决技术问题所采取的技术方案是： 

理论与实验相结合是研究含能材料反应机理最有效的方法，也是含能材料研究发展趋势。因此本项目的研究从实验研究和理论研究两个方面进行： 

实验上：利用以激波管为加载工具，由多台单色谱仪组成的瞬态谱测试系统，对含能材料快速反应的中间产物信号进行同步采集，利用获取的信号数据来修正计算出的反应的动力学特征。 

理论上：我们利用化学反应动力学软件计算出我们实验条件下(温度和压强由实验得出)含能材料快速反应的中间产物的反应动力学曲线。并对含能材料快速反应的反应通道速率(K)：K＝AT^βexp(-E/RT)中的A、β、E给予调整，使调整后反应动力程序模拟的动力学特征曲线和实验测定的主要产物辐射强度的变化曲线的“三点”时间尽量的吻合，这样修改后得到的反应模型可以较为准确的反映出实验条件下含能材料快速反应的真实过程。 

根据本发明的第一方面，提供了一种研究含能材料快速反应机理的装置，其特征在于：包括激波管、样品固定装置以及单色谱测试系统，其中激波管包括点火装置、驱动段充气口、实验段充气口、第 一压力传感器、第二压力传感器、聚乙烯薄膜和光纤出口；样品固定装置包括光纤观察口、高温管保护的光纤、圆环底座和样品袋；单色谱测试系统包括分光装置、单色谱仪、光电倍增管、电荷放大器、数字示波器和电缆线。 

根据本发明进一步的实施例，样品固定装置放在第一压力传感器的正下方，以保证压力传感器和光纤记录数据的时间同步。 

根据本发明进一步的实施例，光纤通过光纤观察口耦合到样品固定装置上，且端面背向冲击波传播方向，以防止光纤的误触发，光纤用高温管和波纹管保护，以免光纤在高温情况下受到损伤而影响光信号的传输。 

根据本发明进一步的实施例，激波管长6.00m，内径为10cm；第一压力传感器和第二压力传感器间隔55cm，第一压力传感器距离激波管末端为2.45m。 

根据本发明进一步的实施例，选择带宽500MHz、四通道的数字示波器，光谱范围300-650nm的光电倍增管，反射式单色谱仪，直径0.9mm的普通石英光纤。