Page 189 - 《爆炸与冲击》2026年第8期

第 46 卷 纪文涛，等： 氢气/钛粉两相体系爆炸强度参数的变化规律 第 8 期

基于此，本文中拟采用标准 20 L 球形爆炸装置，对多种不同气体体积分数与钛粉粉尘浓度配比下氢
气/钛粉两相体系爆炸压力及爆炸压力上升速率的变化规律进行研究，并结合爆炸产物表征分析结果，分
析氢气/钛粉两相体系的爆炸机理，以期为钛基固态金属储氢技术的应用安全及钛金属行业的生产安全
提供理论依据。

1 实验装置与材料

1.1 实验装置
采用标准 20 L 球形爆炸装置开展相关实验，实验系统结构如图 1 所示。该实验装置由爆炸容器、
喷粉系统、点火系统、配气系统、控制系统和数据采集系统组成。爆炸容器为带夹层的不锈钢球形容
器，容积为 20 L，夹层中循环通入冷却水，使爆炸容器内的温度保持稳定，从而在最大程度上保证实验数
据的准确性以及实验的可重复性。球体顶部设置有可拆卸法兰盖，用以安装点火头及清理爆炸实验后
的粉尘残渣。底部安装有分散阀，与气粉两相阀相连接。球体正中设有可视化窗口，可以直接观察爆炸
过程。侧面接口分别与真空泵和排气阀相连，真空泵用于在喷粉前将容器内部抽至所需负压，保证在粉
喷完毕后，容器内压力等于环境压力；排气阀则用来排出爆炸发生后在容器内部燃烧生成的废气。球体
背面安装有压力传感器，用来测定并记录爆炸过程中的压力。本实验采用符合 GB/T-16426 的 10 kJ 化学
点火头（锆粉、硝酸钡、过氧化钡的质量之比为 4∶3∶3，总质量为 2.4 g）进行点火。
Control cabinet

Pressure collection line

Negative
pressure gauge Computer

Observation
window

Pressure Air-powder
relief port
two-phase valve

Powder storage bin
Compressed Vacuum Compressed air
hydrogen pump
图 1 20 L 球形爆炸实验装置示意图
Fig. 1 20 L spherical explosion experimental device
为确保粉尘云分散的均匀性，在实验前对喷粉压力、喷粉时间、点火延迟时间进行测试，测得的最
佳喷粉压力为 2.0 MPa，喷粉时间为 50 ms，点火延迟时间为 60 ms。由于粉尘在球内的分布存在着一定
的随机性，因此，每组实验至少重复 3 次，取相对稳定的 3 次实验结果的算术平均值进行分析，以减小粉
尘分布的随机性导致的实验误差。
1.2 实验材料
实验所的钛粉购自上海攀田纳米粉体材料有限公司，纯度为 99.9%；氢气购自河南源正特种气体有
限公司，纯度为 99.999%。实验前。将钛粉置于真空干燥箱中于 50 ℃ 干燥 10 h，以避免湿度对钛粉及氢气/
钛粉两相体系爆炸特性的影响。采用超高速智能粒度分析仪（Mastersize3000）和扫描电子显微镜（Merlin
Compact）对钛粉的粒径分布和形貌特征进行分析，结果如图 2 所示。钛粉粒径基本呈正态分布，中位直
径（D ）为 27.70 μm，钛粉颗粒呈不规则形状，表面粗糙，局部凸起，棱角较多。选取粒径为 27.70 μm 的钛
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粉是因为该粒径介于典型细颗粒（粒径小于 10 μm）与粗颗粒（粒径 50 μm）之间，其作为基准粒径有利于

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