2025年第33卷第3期      

>爆炸与毁伤

• 隧道内甲烷蒸气云爆炸特性及杀伤效应研究

  顾琳琳, 徐永行, 朱黄浩, 王振

  2025,33(3):213-224, DOI: 10.11943/CJEM2024155

  摘要(132) HTML(51) PDF(2.33 M)( 155)

  摘要：为探究隧道内甲烷蒸气云爆炸波的传播规律与特性，采用Ls-dyna软件中的时空守恒元和求解元（CE/SE）法建立隧道内甲烷空气预混爆炸模型，并通过试验数据验证了模型的准确性。通过数值仿真展示了9.5%浓度燃爆波传播至不同位置的典型波形，分析了超压和温度的传播演化规律，探讨了不同浓度甲烷蒸气云爆炸条件下超压和热辐射对隧道内的杀伤效应。研究表明：燃爆压力波在隧道轴向可分为自由扩展、反射耗散、壁面加速和马赫传播4个阶段，压力变化呈现碰壁跃升、反射衰减和稳定传播3种特征；在隧道径向表现为沿壁面做周期性反射传播，强度随甲烷的消耗逐渐递减。温度场的演化规律在隧道轴向表现为由爆炸中心向隧道出入口对称传播，温度峰值沿程衰减迅速；径向则表现为向隧道底部辐射，随着时间推移，截面温度逐渐趋于一致并缓慢降低。综合燃爆超压和热辐射的杀伤效应，5.0%浓度的甲烷燃爆致死范围为距爆源13.51 m，严重损害范围为13.51~23.51 m，中度损害范围为23.51~160 m；6.5%浓度的甲烷燃爆致死范围为距爆源16.46 m，严重损害范围为16.46~45.36 m，中度损害为范围45.36~160 m；9.5%浓度的甲烷燃爆致死范围为距爆源20.58 m，严重损害范围为20.58~160 m。

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• 密闭容器内氢气-甲烷-空气的爆炸特性

  梅亮, 郭进, 黄时凯, 王金贵

  2025,33(3):225-235, DOI: 10.11943/CJEM2024186

  摘要(103) HTML(14) PDF(3.30 M)( 119)

  摘要：为了氢气-甲烷混合燃料的安全使用，利用内径和长度皆为300 mm的圆柱形密闭容器进行爆炸实验，研究了掺氢比（X_H2=0~100%）和当量比（Φ=0.6~1.4）对火焰演化和爆炸压力特性的影响，并采用CHEMKIN软件分析了氢气-甲烷-空气预混气体的层流燃烧速度及其敏感性。结果表明，在当量比（Φ）不变的情况下，随着掺氢比（X_H2）的增加，最大爆炸压力（p_max）、最大压力上升速率（（dp/dt）_max）、爆炸指数（K_G）以及层流燃烧速度增大，到达最大压力和最大压力上升速率的时间（t_A和t_B）逐渐缩短。点火后，火焰表面由最初的较为光滑，逐步形成蜂窝状的火焰胞格结构。在相同当量比（Φ）下，随着掺氢比（X_H2）的增加，从点火到爆炸结束的时间大幅缩短，且在同一时刻，火焰半径增大，火焰表面皱褶增多。反应敏感性计算结果表明，基元反应H+O₂⇌O+OH（R38）和H+CH₃（+M）⇌CH₄（+M）（R52）对层流燃烧速度的影响最大；关键自由基（H·、O·、OH·）的最大摩尔分数与层流燃烧速度正相关，且掺氢比（X_H2）的增加，使得关键自由基的最大摩尔分数显著增大；基元反应R38和R84是影响关键自由基生成速率（ROP）的最主要反应。

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• 冲击波和破片联合作用下多层级复合防护结构设计与优化

  周猛, 梁民族, 陈荣, 林玉亮, 张玉武

  2025,33(3):236-245, DOI: 10.11943/CJEM2024175

  摘要(87) HTML(24) PDF(2.27 M)( 158)

  摘要：为高效防护弹药近场爆炸产生的冲击波和破片联合载荷，设计了包括抗侵彻层、协调支撑层和缓冲吸能层的多层级复合防护结构，建立了有限元分析模型并开展了近场爆炸试验进行验证。基于有限元仿真结果，构建了复合防护结构的响应面代理模型，并以复合防护结构的面密度和总厚度为优化目标，采用非支配排序遗传算法（NSGA-II）分别对破片单独作用、冲击波单独作用以及两者联合作用下，复合防护结构的厚度配置进行了多目标优化，得到了Pareto最优解集。结果表明，相比于初始结构，破片单独作用下优化后复合防护结构的面密度最高可降低19.2%，厚度最高可降低10.0%；冲击波单独作用下复合防护结构的面密度最高可降低34.9%，厚度最高可降低27.5%；冲击波和破片联合作用下复合防护结构的面密度最高可降低19.2%，厚度最高可降低10.0%。对于限制厚度不超过40 mm的典型应用场景，优化后复合防护结构的面密度比初始构型降低约17.5%，总厚度降低约9.1%。同时观察到，破片单独作用和联合作用下得到的Pareto最优解集几乎相同，这表明加装复合防护结构后冲击波对破片后续作用的影响明显减弱，即复合防护结构有效抑制了冲击波和破片的联合作用效果。

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>制备与性能

• 三元活性金属燃料Al/B/Mg和Al/B/MgH₂的燃烧特性

  程志鹏, 夏语, 罗一民, 马腾, 徐飞扬, 张宇, 吴星亮, 徐森

  2025,33(3):246-255, DOI: 10.11943/CJEM2024100

  摘要(115) HTML(21) PDF(2.42 M)( 153)

  摘要：为探究三元活性金属燃料Al/B/Mg（ABM）和Al/B/MgH₂（ABM-H）的燃烧特性，分别利用氧弹量热仪和哈特曼管研究样品的燃烧热与最小点火能，借助高速摄像系统与高速红外摄像系统研究火焰传播亚瞬态过程和温度场域时空分布特性。研究结果表明：ABM、ABM-H的燃烧热值分别为34.1 MJ·kg^-1和32.2 MJ·kg^-1，较纯Al的燃烧热值（29.8 MJ·kg^-1）分别提高了14.4%和8.1%；ABM、ABM-H和Al的最小点火能量分别在160~170，100~110，20~30 mJ之间；质量浓度为625 g·m^-3时，ABM和ABM-H较纯Al燃烧持续时间分别增加了65.5%和34.5%，火焰传播速度峰值分别提升了12.6%和23.0%。质量浓度在500 g·m^-3条件下，ABM-H和ABM的火焰传播速度峰值均最大，分别为45.05 m·s^-1和38.7 m·s^-1，火焰表面最高温度峰值分别为1856 ℃和1717 ℃，ABM-H较ABM提高了7.6%，同时升温速率更快。可见，ABM和ABM-H配方在显著降低粉尘/空气混合物爆炸危险性的同时，燃烧性能明显提高，且ABM在燃烧热值和燃烧持续时间上表现出更好的热效应，ABM-H在最小点火能量、火焰传播速度和温度上升速率方面表现出更高的反应活性。

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• 典型含氮化合物在氮气中的等离子体特性

  刘海庆, 向书杰, 方普懿行, 李春天, 沈瑞琪, 张伟

  2025,33(3):256-265, DOI: 10.11943/CJEM2024101

  摘要(89) HTML(18) PDF(3.36 M)( 110)

  摘要：作为供氮体的含氮化合物会直接影响激光作用下形成的高氮化合物的种类。为了深入认识不同含氮化合物供氮体对形成高氮化合物的影响，本研究利用脉冲Nd：YAG激光对氮气氛围中的NaN₃、Si₃N₄和P₃N₅三种典型含氮化合物进行溅射，使用光谱仪记录并分析了瞬态中间产物的等离子体特性及其演化过程。研究结果表明，激光烧蚀NaN₃产生的氮原子（NⅠ）、一价氮离子（NⅡ）和三价氮离子（NⅣ）数量最多，氮等离子体存在时间也最长，NⅠ、NⅡ和NⅢ的最大存在时间分别达到39400，39400 ns和19450 ns。在三种目标供氮体中，激光溅射氮气中NaN₃最有可能形成高含氮或全氮原子簇。

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>分析与检测

• 基于BDD电极的实际含能材料废水中氮转化电化学处理

  尤家军, 熊鹰, 王兵, 汪建

  2025,33(3):266-276, DOI: 10.11943/CJEM2024092

  摘要(63) HTML(12) PDF(1.98 M)( 97)

  摘要：中试含能材料废水含各类高浓度含氮化合物（氨氮（NH₃─N）、亚硝酸盐（NO₂^-）、硝酸盐（NO₃^-）等）和有机污染物，是一类极难降解的废水。为实现对含能材料废水中含氮化合物的高效、定向去除，采用热丝化学气相沉积（热丝化学气相沉积法（HFCVD））法制备的掺硼金刚石（BDD）电极对其进行电化学降解，重点研究了氯化钠和硫酸钠等电解质成分及浓度、修饰电极类型（如Cu/BDD、Ni/BD电极）及电解装置结构（单池、双池）对含氮化合物降解效果的影响。结果表明：在含能材料废水中添加0.1 M氯化钠电解质有助于提高NH₃─N直接转化为氮气（N₂）的选择性；采用Cu/BDD、Ni/BDD阴极可加速高价氮向NH₃─N的转化过程；双电解池结构体系下，以Cu/BDD、Ni/BDD电极为阳极可以提高NH₃─N转化为N₂的降解速率。因此，采用金属修饰BDD电极为阳极的双电解池结构在添加0.1 M NaCl电解质情况下有望对宏量含能材料废水进行快速、高效、高选择性降解。

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• PNIMMO的初始热老化行为的等温量气法研究

  龚雪玲, 关健, 刘红妮, 莫洪昌, 张庆元, 彭汝芳, 金波

  2025,33(3):277-283, DOI: 10.11943/CJEM2024157

  摘要(87) HTML(16) PDF(1.03 M)( 112)

  摘要：为了研究聚3-硝酸酯甲基-3-甲基氧杂环丁烷（PNIMMO）的初始等温热老化行为，采用等温量气装置，对PNIMMO在100~120 ℃等温条件下的老化动力学参数和热老化机理进行了探究，采用Berthelot方程外推了PNIMMO在不同温度下的贮存寿命。结果表明，由Arrhenius方程得到PNIMMO老化深度达到0.1%时E_a=156.42 kJ·mol^-1，lgA=16.86 s^-1，老化深度达到0.5%时E_a=156.05 kJ·mol^-1，lgA=16.03 s^-1；由模式配合法得出，在100~120 ℃时，PNIMMO热老化均符合28号机理函数，即反应级数n=1/4，E_a=154.33 kJ·mol^-1；以老化深度0.1%作为评判标准，PNIMMO在室温下可贮存51.6年；PNIMMO在热分解初期主要为侧链─O─NO₂键断裂加氢，随后主链缓慢分解，生成稳定的多聚芳香类化合物。

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>计算与模拟

• ε-CL-20冲击感度各向异性规律的分子动力学模拟研究

  梁琳, 王亚军, 甘强, 张文博, 任姝, 李根, 冯长根

  2025,33(3):284-294, DOI: 10.11943/CJEM2024121

  摘要(110) HTML(21) PDF(3.65 M)( 148)

  摘要：为了揭示笼状含能材料六硝基六氮杂异伍兹烷（hexanitrohexaazaisowurtzitane， ε-CL-20）冲击感度各向异性规律，采用低梯度色散校正的反应性力场（reactive force field with low-gradient dispersion corrections，ReaxFF-lg）和分子动力学方法，分别垂直ε-CL-20的6个重要晶面（0 1 0）、（1 1 0）、（2 0 ）、（0 1 1）、（1 1 ）和（0 0 1）进行多尺度冲击加载模拟，考察体系内应力、温度以及化学反应与冲击方向的关联规律。结果表明ε-CL-20具有明显的冲击感度各向异性，6个重要晶面冲击感度强弱顺序为：（0 1 0）>（1 1 0）>（2 0 ）≈（0 1 1）>（1 1 ）>（0 0 1）。垂直于（0 1 0）晶面冲击时体系的力-热-化学响应最强、感度最高，垂直于（0 0 1）晶面冲击时体系的力-热-化学响应最弱、感度最低。以ε-CL-20不同晶面冲击响应特性为基础，总结了平面层状堆积含能材料的冲击感度各向异性规律，即当冲击方向平行于分子层时冲击感度最高，垂直于分子层时冲击感度最低。

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• 3-硝基-1，2，4-三唑-5-酮（NTO）在不同二元溶剂中的溶解度和热力学模型（英）

  郭昊琪, 杨玉林

  2025,33(3):295-303, DOI: 10.11943/CJEM2024184

  摘要(91) HTML(14) PDF(885.73 K)( 124)

  摘要：在278.15K~318.15K的温度范围内，利用动态激光监测法测定了3-硝基-1，2，4-三唑-5-酮（NTO）在硝酸羟胺（HAN）-水和硼酸（HB）-水两种不同二元体系中的溶解度。实验数据表明，NTO在二元溶剂混合物中的溶解度与温度呈正相关。此外，用修正的Apelblat方程、Van’t-Hoff方程、λh方程和CNIBS/R-K方程对溶解度数据进行了拟合，所有模型在二元溶剂中都取得了令人满意的结果。本文计算的均方根偏差的平均值（10⁵RMSD）均小于13.93。最后，用Van"t-Hoff和Gibbs方程计算了表观热力学性质，即吉布斯能、焓和熵。本文计算的%ζ_H大于%ζ_TS，且%ζ_H均≥58.63%，表明焓对吉布斯能的贡献大于熵。

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>综述

• 3D打印技术在固体推进剂装药制造中的应用与展望

  宋仕雄, 任全彬, 王嘉炜, 庞爱民, 唐敏

  2025,33(3):304-315, DOI: 10.11943/CJEM2024129

  摘要(203) HTML(66) PDF(2.80 M)( 240)

  摘要：3D打印技术具有无模具、多材料、柔性化等特点，可以为单室多推力、多脉冲式等固体火箭发动机所需的特殊结构固体推进剂装药成型提供新的技术途径。当前，围绕固体推进剂的3D打印，国内外均开展了相关研究。本文重点介绍了粘合剂喷射、光聚合固化和材料挤出成形等典型3D打印工艺在复杂结构、梯度化结构、多材料一体化固体推进剂装药制造中的应用，总结了上述3种典型结构在3D打印装药制造中存在的关键问题。对未来的研究方向进行了展望，强调了针对未来异形异质固体推进剂装药制造需求，需重点关注低感度专用固体推进剂材料、大型药柱3D打印装备及绝热包覆打印技术等。

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