一种适用于声共振混合的混合容器及声共振混合设备

技术领域

本发明属于含能材料制造领域，具体涉及一种适用于声共振混合的混合容器及声共振混合设备。

背景技术

声共振混合机作为一种新型无桨混合方式，通过机械共振原理产生高强度振动，从而在混合物料中产生低频高强度声波使物料均匀混合，具有独特的环保、高效和安全等优点。声共振混合机适用于超细材料、高粘度材料等的分散混合，已逐渐应用到医药、食品、生物、化妆品、含能材料等化工领域。

目前，浇注PBX工艺生产及制备流程主要通过立式捏合机完成，立式捏合机的桨叶对接触的浇注组分产生剪切、摩擦等作用，强迫组分相对运动完成分散，是一种局部的混合方式，在混合高粘稠组分时容易造成“规则岛”现象；桨叶与高能敏感组分之间的摩擦、撞击等作用成为生产流程的危险因素。对混合炸药高能量密度、高固含的追求与传统的混合设备无法满足安全性和高固含之间的现实矛盾，推动着新型安全高效的混合设备及混合方式的研究。无桨混合是一种不依赖桨叶的安全混合方式，通过混合容器的整体运动完成组分的混合，避免了桨叶对高能固体组分的不均匀地剪切行为，整场式的混合方式也避免了“规则岛”现象的产生。声共振混合技术通过声共振设备内部的机械振动系统产生往返式的简谐加速度运动，通过传感器调节运动频率，从而达到系统共振，以最小能量产生最大振幅，并且在混合物料内部激发低频声波激励，进行物料高效混合实现均匀分散的目的，不存在混合死角的问题，对液态体系、固液粘稠体系、固料混合体系甚至气态混合体系保持极好的分散性，甚至在实际应用中能够显著地解决微纳米尺度材料的团聚问题，增强固液之间的润湿性。在安全方面，由于采用无桨叶混合方式，避免了对敏感组元的应力刺激，降低了高粘稠、高固含浇注体系混合过程中的安全隐患。因此，在含能材料领域，声共振技术在浇注PBX炸药混合、固体推进剂混合、含能材料共晶时具有广阔的应用前景。

在声共振辅助共晶时，容器内除了含能材料晶体外，往往只有少量溶剂，或直接干混共晶；在浇注PBX炸药和固体推进剂物料进行声共振混合过程中，预混阶段炸药晶体未被粘合剂等液体组分完全润湿，振动的容器壁面将不可避免地与物料内单质炸药出现撞击导致应力应变刺激。传统的不锈钢混合容器弹性模量很高，在与含能材料晶体撞击时容易使晶体产生较重的损伤，对声共振混合造成安全隐患，影响装药质量。因此，在含能材料领域应用时，有必要对传统不锈钢混合容器进行改良，提高声共振混合工艺安全性。

发明内容

本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的难题，提供一种适用于声共振混合的混合容器及声共振混合设备，该容器采用弹性模量较低的PTFE等塑料制成，其低弹性模量能减轻含能材料晶体与容器壁撞击力，从而降低声共振混合过程中应力应变刺激的安全隐患，提高PBX装药安全性。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明的第一个方面，提供一种适用于声共振混合的混合容器，包括顶端开口的罐体，所述罐体顶部设置有顶盖；

所述罐体和所述顶盖均采用低弹性模量材料制成，

或者，所述罐体和所述顶盖均为双层结构，包括外层和内层，外层为金属外壳，内层为低弹性模量材料层。

本发明的进一步改进在于：

当罐体和顶盖均为双层结构时，外层和内层之间胶接在一起。

本发明的进一步改进在于：

所述顶盖内表面设置有内螺纹，所述罐体上部的外壁上设置有外螺纹，所述外螺纹与所述内螺纹相匹配，以实现所述顶盖与所述罐体的螺纹连接。

本发明的进一步改进在于：

在所述罐体的侧壁上设有抽气孔和温度传感器；

抽气管的一端直接连接在所述抽气孔上，另一端与气泵连接抽气，所述抽气管上设有止逆阀。

本发明的进一步改进在于：

所述罐体的顶端端部边缘向外延伸形成罐体连接部，所述顶盖为具有一定厚度的平板结构，其形状、尺寸与所述罐体顶部的形状、尺寸相适应，所述顶盖的下表面与所述罐体连接部的上表面相贴合，并通过夹子夹紧。

本发明的进一步改进在于：

所述罐体的外侧壁设置有夹套，所述夹套顶端端部边缘向外延伸形成夹套连接部，所述夹套连接部的上表面与所述罐体连接部下表面相贴合，所述顶盖、所述罐体连接部、所述夹套连接部通过夹子夹紧。

本发明的进一步改进在于：

所述夹套的底端端部边缘向外延伸形成固定连接部，所述固定连接部上设置有至少一个螺栓孔。

本发明的进一步改进在于：

所述夹套上设置有循环水出口和循环水入口，所述循环水出口和所述循环水入口分别设置于所述夹套相对的两侧。

本发明的进一步改进在于：

所述顶盖上设置有顶盖温度传感器和顶盖抽气孔。

本发明的第二个方面，提供一种声共振混合设备，包括所述的混合容器。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明利用低弹性模量材料制作声共振混合容器，容器壁与含能材料晶体碰撞时会产生较大的变形以吸收能量，降低晶体碰撞过程中产生的应力；容器的内壁具有合适的粗糙度，同样能够通过不规则结构可以分散晶体与容器壁之间的撞击力，具有以上特征的容器可以避免晶体在碰撞过程中产生过大的应变，导致开裂等损伤。声共振辅助共晶等工艺中，容器内只加入少量液体溶剂或不加溶剂进行干混共晶；而浇注PBX炸药和固体推进剂混合过程中，尽管具有粘结剂等高粘度液体组分，但预混过程中含能材料晶体颗粒仍有可能在未被润湿的情况下与壁面直接接触，且随着浇注PBX炸药和固体推进剂固含量的提高，润湿不足的情况越来越普遍。因此本发明具有安全的优势，能够避免润湿不足等情况下含能材料晶体与容器壁撞击导致的意外损伤和点火；同时本发明能够降低含能材料晶体在混合时产生的损伤，能够提高最终产品的质量。

附图说明

图1为本发明的能够直接压紧固定在声共振平台上的低弹性模量安全容器的剖视图；

图2为本发明的适用于声共振夹套的低弹性模量安全容器的剖视图；

图3为采用本发明混合容器进行某浇注温压PBX炸药的混合得到的晶体的结构图；

图4为采用不锈钢材质的混合容器进行某浇注温压PBX炸药的混合得到的晶体的结构图。

图中，1、罐体，2、顶盖，3、抽气孔，4、温度传感器，5、罐体连接部，6、夹套，7、夹套连接部，8、固定连接部，9、螺栓孔，10、循环水出口，11、循环水入口，12、顶盖温度传感器，13、顶盖抽气孔。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述：

【实施例1】

如图1和图2所示，本实施例提供了一种适用于声共振混合的混合容器，包括顶端开口的罐体1，罐体1顶部设置有顶盖2，罐体1和顶盖2均采用低弹性模量材料制成，或者罐体1和顶盖2均为双层结构，包括外层和内层，外层为金属外壳，内层为低弹性模量材料层。

当罐体1和顶盖2均为双层结构时，外层和内层之间胶接在一起。

所述的低弹性模量材料一般为塑料，包括PTFE、PMMA、聚乙烯等，其弹性模量在1GPa以下，具备与被混合的含能材料良好的相容性，强度能够适用于加速度10-120g、频率30-120Hz、温度20℃～70℃的声共振混合工艺条件。按GJB 772A-1997，以差热分析和差示扫描量热法测定相容性，峰温改变量ΔT

所述罐体1一般为圆柱状，必要时也可采用其他形状。罐体1底部平整，能够平放在声共振平台上。所述容器的外形结构适合与声共振混合设备配合使用，既可以直接通过压紧的方式固定在声共振平台上，也可以通过夹套容器固定，以实现有效的混合、分散含能材料，具备良好的声共振混合效果。

【实施例2】

参见实施例1，如图1所示，本实施例中顶盖2与罐体1之间螺纹连接，具体地：在顶盖2内表面设置有内螺纹，罐体1上部的外壁上设置有外螺纹，所述外螺纹与所述内螺纹相匹配，以实现顶盖2与罐体1的螺纹连接。

在罐体1的侧壁上设有抽气孔3和温度传感器4，温度传感器4与抽气孔3具备良好密封；

抽气管的一端直接连接在抽气孔3上，另一端与气泵连接抽气，抽气管具备止逆阀，防止粉末随气流进入管中。

当使用本实施例混合容器进行浇注PBX炸药或固体推进剂的混合时，将确定固含量、增塑比、质量比的浇注PBX炸药或固体推进剂原材料依次放入罐体2，将顶盖1旋紧后，用压紧固定装置将带顶盖的罐体固定在声共振平台上，抽真空后进行预混合。贴片温度传感器4记录混合过程中的温度，由于罐体与顶盖均采用低弹性模量材料制成或者内层为低弹性模量材料层，通过自身变形减轻晶体与罐体与顶盖内壁面撞击时受到的作用力，同时不会对晶体产生过多摩擦，降低了预混阶段晶体损伤的风险，提升了混合过程的安全性。

当使用本实施例混合容器进行含能材料声共振辅助共晶时，将不同的含能材料晶体加入罐体2，加入少量溶剂或直接进行无水共晶，将顶盖1旋紧后，用压紧固定装置将带顶盖1的罐体2固定在声共振平台上，通过抽气孔3抽真空后进行声共振处理，加速度保持在50g以上，时间为1h以上。由于溶剂量较少且粘度低，不足以对晶体进行保护，本容器的内壁面可以降低含能材料晶体与壁面碰撞产生的损伤，但不会影响不同含能材料晶体之间的机械接触，不阻碍共晶体的形成，有助于获得更高质量的含能共晶体。

【实施例3】

参见实施例1，如图2所示，本实施例中罐体1与顶盖2之间通过夹紧的方式连接，具体地，罐体1的顶端端部边缘向外延伸形成罐体连接部5，顶盖2为具有一定厚度的平板结构，其形状及尺寸与罐体顶部的形状和尺寸相适应，顶盖2的下表面与罐体连接部5的上表面相贴合，并通过夹子夹紧。

顶盖2下表面设置有密封圈。

罐体1的外侧壁设置有夹套6，夹套6顶端端部边缘向外延伸形成夹套连接部7，夹套连接部7的上表面与罐体连接部5下表面相贴合，顶盖2、罐体连接部5、夹套连接部7通过夹子夹紧。

夹套6的底端端部边缘向外延伸形成固定连接部8，固定连接部8上设置有至少一个螺栓孔9，所述螺栓孔9与声共振平台上设置的螺栓孔的位置和数量相适应，以实现混合容器与声共振平台之间的螺栓连接。

夹套6上设置有循环水出口10和循环水入口11，循环水出口10和循环水入口11分别设置于夹套6相对的两侧，可以通过水浴保持罐体内温度。

顶盖2上设置有顶盖温度传感器12和顶盖抽气孔13。

当使用本实施例混合容器进行浇注PBX炸药或固体推进剂的混合时，将确定固含量、增塑比、质量比的浇注PBX炸药或固体推进剂原材料依次放入罐体7后，将罐体7放入用螺栓固定在声共振平台上的夹套8内。应注意单质炸药粉体、金属粉等成分应置于下层，粘结剂、小组分功能助剂和固化剂等应覆盖在粉体之上。用夹子将顶盖6与罐体7、夹套8固定后，通过顶盖抽气孔10抽真空后进行预混合。在粘结剂未润湿含能材料晶体时，混合容器与晶体的碰撞、摩擦不会导致晶体出现严重的损伤，提升了混合过程的安全性。

当使用本实施例混合容器进行含能材料声共振辅助共晶时，将不同的含能材料晶体加入罐体2，加入少量溶剂或直接进行无水共晶，将罐体2放入用螺栓固定在声共振平台上的夹套8内，用夹子将顶盖6与罐体7、夹套8固定，通过顶盖抽气孔10抽真空后进行声共振处理，加速度保持在50g以上，时间为1h以上。由于溶剂量较少且粘度低，不足以对晶体进行保护，本容器的内壁面可以降低含能材料晶体与壁面碰撞产生的损伤，但不会影响不同含能材料晶体之间的机械接触，不阻碍共晶体的形成，有助于获得更高质量的含能共晶体。

本发明提供一种适用于含能材料声共振混合的低弹性模量安全容器，采用低弹性模量的材料制作容器或为金属容器增加弹性内衬，例如PTFE或其他具有类似特性的塑料，这些材料具有较低的弹性模量，能够吸收冲击能量并减轻含能材料晶体受到的力。与传统的不锈钢容器相比，低弹性模量容器能更有效地减少晶体与容器壁之间的碰撞和摩擦，从而降低晶体的损伤。

与现有技术相比，本发明的低弹性模量安全容器有效减轻了晶体与容器壁之间的碰撞和摩擦，降低了晶体的损伤风险。相较于传统的不锈钢容器，本发明的容器更适合声共振混合过程，提高了混合效果并增强了声共振混合的安全性。此外，本发明的容器结构经济简单，适应性广泛，可满足不同声共振混合设备的需求。

【实施例4】

本实施例提供了一种声共振混合设备，包括声共振平台和设置于声共振平台上的混合容器。

【实施例5】

本使用实施例3的混合容器进行某浇注温压PBX炸药的混合，配方中各组分质量比为粘结剂体系：HMX：AP：Al＝12：46.5：12：29.5，按质量比称取原材料共200g后，依次放入罐体7内，再将罐体7放入用螺栓固定在声共振平台上的夹套8内。用夹子将顶盖6与罐体7、夹套8固定后，通过顶盖抽气孔10抽真空后进行混合，加速度50g，外部循环水通过循环水入口12流入，循环水出口11流出，控制罐体内温度，30min后混合均匀。

通过有限元模型仿真计算HMX晶体与低弹性模量壁面碰撞过后的损伤，设置壁面材料为PTFE，弹性模量158.80MPa，将晶体未被粘合剂体系充分润湿保护的情况下撞击容器壁的过程简化为HMX晶体撞击PTFE平板的过程，设置单元的应变超过0.002时，单元即因损坏而被删除。假设晶体较短的棱与壁面相撞一次，结果如图3所示，可见晶体的棱角没有因撞击产生大应变而损伤。

【对比例1】

本对比例中混合容器的结构与实施例3中的混合容器的结构相同，不同的是本对比例中混合容器的材质为不锈钢材料，在某浇注温压PBX炸药的混合时，配方中各组分质量比为粘结剂体系：HMX：AP：Al＝12：46.5：12：29.5，按质量比称取原材料共200g后，依次放入罐体7内，再将罐体7放入用螺栓固定在声共振平台上的夹套8内。用夹子将顶盖6与罐体7、夹套8固定后，通过顶盖抽气孔10抽真空后进行混合，加速度50g，外部循环水通过循环水入口12流入，循环水出口11流出，控制罐体内温度，30min后混合均匀。

通过有限元模型仿真计算HMX晶体与低弹性模量壁面碰撞过后的损伤，设置壁面材料为不锈钢，弹性模量210GPa，将晶体未被粘合剂体系充分润湿保护的情况下撞击容器壁的过程简化为HMX晶体撞击PTFE平板的过程，设置单元的应变超过0.002时，单元即因损坏而被删除。假设晶体较短的棱与壁面相撞一次，结果如图4所示，HMX晶体的棱因碰撞出现了明显损伤，造成HMX晶体的感度提升，对工艺安全性产生不利影响。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明的描述中，除非另有说明，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

上述技术方案只是本发明的一种实施方式，对于本领域内的技术人员而言，在本发明公开了原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本发明上述具体实施例所描述的技术方案，因此前面描述的只是优选的，而并不具有限制性的意义。