[发明专利]一种含能材料细观热点物理模型的建模方法

摘要

本发明属于含能材料热安全技术领域，涉及一种含能材料细观热物理模型的建模方法。包括：热分解机理函数和参数的确定；对含能材料微结构表面形貌演化规律的研究；对含能材料微结构内部形貌演化规律的研究；对含能材料组分热物理常数的测定四个部分。本发明同现有技术相比的优越性在于：该方法充分考虑了含能材料自身损伤所特有的特性，为含能材料细观损伤数值仿真采用的界面模型参数的选择提供了方便性和通用性，以全面模拟预测实际的特征和过程，建立了物理模拟准则体系和满足准则的细观热物理模型，功能全面、易于实现。

主权项

1.一种含能材料细观热点物理模型的建模方法，其特征在于：在考虑细观结构形成及演变和温度对组分材料的热物理性能的影响，对其细观热点物理模型的建立方法进行描述，该方法包括：热分解机理函数和参数的确定；对含能材料微结构表面形貌演化规律的研究；对含能材料微结构内部形貌演化规律的研究；对含能材料组分热物理常数的测定四个部分，具体包括以下步骤：步骤1：通过DSC法和激光导热法确定组分材料的热容和导热率；步骤1.1采用差示扫描量热DSC法获取含能颗粒和粘合剂基体的热容高纯氮气气氛，流速为30‑50ml/min；粘合剂基体试样预先加工成厚度为0.5‑1.5mm，直径为5‑7mm的平整圆片型试件；含能颗粒粉末状样品直接装入样品盘中，装样品时要轻震样品盘，以便样品间、样品与盘之间接触良好；从室温25摄氏度，按照一定的升温速率加热试样，直至试样完全挥发，得到试样的DSC曲线；根据曲线计算得到样品的热容，其中，一定的升温速率为1～10摄氏度/min；步骤1.2：采用激光导热法获取含能颗粒和粘合剂基体的导热率将含能颗粒和粘合剂基体预先加工成直径为10‑14mm，误差小于1.5mm；厚度0.5‑1.5mm，误差小于0.5mm的平整圆片型试件；将制作好的试件放入导热仪中，按照一定的升温速率加热试件，至400摄氏度，每升温50摄氏度，通过探针获取其导热系数，每个试件获取5个值，通过取平均值，得其导热率，其中，一定的升温速率为1～10摄氏度/min；步骤2：基于DSC‑TG试验确定热分解机理函数和参数；步骤2.1：获取含能材料的组分材料，在四种升温速率下的DSC曲线，其中含能材料的组分材料包括含能颗粒和粘合剂基体，四种温度分别为1℃/min、5℃/min、10℃/min、15℃/min，用于计算组分材料的阿伦尼乌斯参数，包括反应活化能、指前因子、机理函数，计算方法如下：采用非等温动力学Kissinger方程(1)和Coats‑Redfern方程(2)共同确定含能材料的组分材料的化学反应动力学参数和机理函数：首先从所测试样的四种升温速率的TG曲线获得DTG峰温和反应深度值，用Kissinger方程得到反应活化能和指前因子，再通过Coats‑Redfern方程确定g(α)函数；其中β为升温速率，Tp为峰温，T为在热分解过程中任一温度，Ea为表观活化能，A为指前因子，R为气体常数，8.314J/K.mol，g(α)为机理函数积分形式，α为反应深度；步骤2.2：获取含能材料的组分材料，在升温速率为5℃/min下的TG曲线，其中含能材料的组分材料包括含能颗粒和粘合剂基体，用于对比计算材料随温度几何形貌的演化；步骤3：通过扫描电镜试验获取含能材料表面形貌随温度的演化规律，进行定量分析，得出表面形貌随温度演化规律；步骤3.1：获取含能颗粒在不同温度下的细观表面形貌图片，为计算含能颗粒形貌随温度演化曲线提供基础；步骤3.2：获取粘合剂基体在不同温度下的细观表面形貌图片，为研究粘合剂基体形貌随温度演化规律提供依据；步骤4：通过μCT试验获取含能材料内部形貌随温度的演化规律，并进行定量分析，与表面形貌演化规律相比较，为数值模型的建立提供基础；步骤4.1：获取含能颗粒在不同温度下的细观内部形貌图片，为计算含能颗粒形貌随温度演化曲线提供基础；步骤4.2：获取粘合剂基体在不同温度下的细观内部形貌图片，为研究粘合剂基体形貌随温度演化提供依据；步骤5：总结以上四步骤的结果，基于传热学方程(3)和结构演化规律得出含能材料的热物理模型：其中ρ为密度、C为比热容、T为温度、t为时间、λ为导热系数、S为化学反应放热项；所述的热物理模型包括三部分：粘合剂基体热分解和热传导、含能颗粒的热分解和热传导、含能颗粒/基体界面演化；对于化学反应放热项S有以下普适表达式其中Q为单位质量的化学反应放热、α为含能材料已反应掉的质量百分数。