颗粒级配技术及其在含能材料中的应用_黄辉.pdf

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1、第9卷第4期含能材料Vol.9,No.42001年12月ENERGETICMATERIALSDecember,2001文章编号:1006-9941(2001)04-0161-04颗粒级配技术及其在含能材料中的应用黄辉(中国工程物理研究院化工材料研究所,四川绵阳621900)摘要:在固液相填充复合体系中,采用合理的颗粒级配可使颗粒排列更加紧密,提高堆积密度。常用的颗粒级配方法主要是半经验法,依靠实验来确定,工作量大。采用混料回归设计,建立颗粒级配模型,优化级配比例,获得了最佳颗粒级配,提高了悬浮体系的固相含

2、量。关键词:含能材料;颗粒级配;模型中图分类号:O24;TQ560文献标识码:A的空隙率达到最小,体系的堆积密度为最大。这是一1引言种连续级配方式,其排列的平面示意图如图1所示。固体填料的颗粒级配是一个十分重要的课题。在涉及固体颗粒填充的体系中,存在颗粒的堆积(或排列)问题。颗粒形状、尺寸及粒径分布对颗粒的堆积有直接影响。为了获得最紧密的颗粒排列,通常采取颗粒级配,即小尺寸的颗粒填充到大尺寸颗粒的空隙中。[1]早期的颗粒级配研究主要有最紧密排列理论,它建立在球形颗粒的基础上,是一种连续级配方式。[2,3]

3、后来有人提出一些半经验法,对理想模型进行适当修正,但仍与实际情况有较大差异。常用的级配方式,主要采用间断级配法,一般是通过实验方法来确定,工作量较大。我们对常用的双级配和多级配模型进行优化设图1颗粒紧密排列示意图计,应用混料回归设计方法[4],将固相填料的颗粒级Fig.1Closearrangementdiagramofparticles配与悬浮体系的流变性能相关联,进行优化设计和试显然,颗粒级配问题就是要求出大小粒径的颗粒验,得到颗粒级配的流变模型,使悬浮体系的固相含量分数之和为1的最佳粒级组合,包括最

4、佳级配数、颗粒高达90%,体系具有优良的流变性能,表观粘度小于的尺寸比和体积分数(即级配比例)。450Pa·s。2.1双级配模型2颗粒级配模型在一般情况下,采用双级配模型最为简单,即采用大、小两种尺寸的颗粒进行级配。颗粒级配理论实际上是一种“钻空隙”理论。按最对理想的均一球形颗粒,堆积主要有两种排列模紧密排列理论,在大尺寸颗粒堆积的体系中,加入粒径型,即正方体型和三角体型,理论计算可得到均一球形较小的颗粒填充在大颗粒空隙中,再在大、小颗粒之间颗粒堆积的空隙率ε0,在紧密排列时ε0=25.95%,余下的空隙

5、中,填充粒径更小的颗粒……直至颗粒间自由排列时ε0′=47.64%,对应固体颗粒的体积分数收稿日期:2001-05-15;修回日期:2001-07-26V0分别为74.05%和52.36%。作者简介:黄辉(1961-),男,研究员,主要从事低易损性炸药对于双级配颗粒填充体系,设大颗粒直径为d1,研究和炸药精密装药技术研究等工作。在紧密排列时,允许自由填入大颗粒之间空隙的小颗162含能材料第9卷粒直径为d2=0.154d1,而在大颗粒自由排列时可自在由70%固相RDX颗粒与30%液相TNT组成由填入空隙的小

6、颗粒直径为0.414d1,这种不紧密的的悬浮体系和88%RDX/12%液体聚合物组成的浇注排列情况实际上就存在干涉现象。固化炸药(ECX)体系中,当小颗粒RDX的2=30%设:大、小颗粒堆积的空隙率分别为ε1、ε2,大小左右时,体系的表观粘度最低(如图2所示),其浇注流颗粒所占的体积分数为1、2,变性能最好,有利于保证装药质量和进一步提高悬浮1-ε1体系的固相含量。1=1-ε1ε2上述实验结果与理论估算的级配比例十分吻合。则(1)(1-ε2)ε12.2多级配模型2=1-ε1ε2双级配模型虽然较单一颗粒填充

7、排列更紧密,但大、小颗粒级配后,体系的空隙率为εm体系仍存在较大的空隙率,欲进一步减小空隙率,则需1-ε1采用多级配模型。εm=1-2(2)[1+ε1(2.62K-1.62K)1]多级配颗粒模型的理论求解十分复杂,一般采用式中,K=d2/d1。实验法确定,可用下面模型来表示:由于实际颗粒形状均为非球形,颗粒排列一般介0≤xi≤1于紧密排列和自由排列之间,假设ε1=ε2=ε,取ε=n΢xi=1(3)40%,那么代入(1)式可得到大、小颗粒体积分数的理i=1论估算值:ρ堆=ρmax1-ε11式中,xi为第i粒

8、级颗粒的体积分数;n为级配数;1=2===71%1-ε1+ε1+0.4ρ堆为颗粒级配后的堆积密度。(1-ε)εε0.42=2===29%根据最紧密排列理论,n越大,则ρ堆越大,但实际1-ε1+ε1+0.4应用中颗粒的粒径分布范围是有限的(工业生产的单由此,可以得到双级配颗粒填充体系的空隙率εm=[2]质炸药颗粒度分布为50～300μm。根据干涉论:相26.26%。[5]邻两级颗粒粒径之比大于6.4时,小颗粒的填充才不利用双级配