金属空心锥形的一些研究与实验
煎鸡蛋2024/03/18机械与工具 IP:美国
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聚能装药是一种能直观体现含能材料爆速、爆压的应用场景,简略的介绍聚能装药理论,着重介绍药型罩与装药技术。以理论设计与实验为主,提供了一些药型罩制作新方法与聚能装药的新思路,以作学习交流。

目录

1聚能装药概述

    1.1聚能效应

    1.2聚能装药

    1.3常用词缩写

2药型罩

    2.1概述

    2.2冲压制作

    2.3电铸制作

    2.4手工制作

    2.5改造与收藏

1聚能装药概述

1.1聚能效应

在了解聚能装药之前,我们需要理解什么是聚能效应。

先来看一组实验对比图,实验所用RDX/TNT质量比1:1的药柱,其中直径 30mm 高度 100mm。a 为圆柱形药柱钢板炸坑,b 为尺寸不变底部带有60 度圆锥形凹坑的药柱c为b加上了铜药型罩,其中d与c相同,不过与钢板间隔了一定距离。

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其中a只有一个很浅的凹坑  b有一个6-7mm的凹坑  c有一个80mm的凹坑 d有一个110mm的凹坑

那为什么会出现上述实验现象呢?众所周知,“爆炸“是一个瞬时释放大量能量的过程,其中化学爆炸通常伴有巨量气体的产生,对于炸药的爆轰来说,气体(爆轰产物)总是沿着药柱的法线向外飞散。如果使用平底药柱进行钢板炸坑测试,那么作用于钢板的爆轰产物就只有药柱底面飞散的爆轰产物,作用于钢板上的能量就只占有炸药释放能量的很少一部分。但是如果在药柱底部挖出凹坑,获得更大的底面积,使得爆炸产物更集中向法线飞散形成高压气流,则可以获得更好的效果(如下图所示),这个现象被称为”聚能效应“

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那为什么加上金属药型罩会获得更好的效果的?是因为在底部凹坑小于90度时,高压气流有两股力在起作用

  1 由原本爆轰过程带来的向内压合的压力

  2 由压合产生的超高压与外界低压区产生的压力差带来的力

其中第一种力使得能量集中,第二种力使得能量分散

由于这两种力的综合作用,气体射流无法无限集中,而在离药柱底部端面某一距离集中程度达到最大然后又迅速散开。然而想要射流的侵彻效果变好,就必须提高射流的能量密度。既然炸药爆轰的总能量基本是固定的,那么就应该尽可能地提升射流的集中程度。

炸药爆轰波阵面的能量(以8321炸药为例)内能占了75% 动能占了25%。其中内能是阻碍聚集的,动能则是可以聚集的。所以可压缩性强,内能上限高的气体的聚集程度不高。所以要增强聚能作用,就需要尽可能地把内能转化成动能,选择难以压缩的材料。

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在加上铜药型罩后,在爆轰波压垮药型罩的时候(如下图)将能量传递给了药型罩,由于药型罩可压缩性弱,大部分能量表现为动能形式,这样就可以避免高压膨胀使得能量分散,从而使能量更加集中。

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此外,铜药型罩对比气体射流还有两个优势:

1.在轴线处碰撞时发生能量的重新分配,内壁变为极高速射流向前,外壁变为较低速杵体(如下图),形成极高能量密度的射流(可达爆轰波能量密度15倍以上)

2.在金属射流中存在速度差异,随着时间的推移射流会逐渐被拉长,变细,提高比动能,但是由于铜良好的延展性,外加处于高温状态,所以不易断裂

总结来讲,药型罩中的作用就是将爆轰的能量转化为更加集中的动能,从而提高聚能效果。对于药型罩的选用,应选择密度大,不易气化,延展性好,可压缩性小,易于加工的原材料。世界主流普遍采用铜制作药型罩。

鉴于本文目的是对科技爱好者的快速科普,所以对于深度研究领域的聚能射流形成理论以及计算模型暂不过多叙述。

1.2聚能装药

聚能装药,顾名思义,就是将能量聚集起来的装药结构。在大多数的装药结构中一般具有四个组成部分,即起爆药,扩爆药,波形控制器,能量转换件。其本质就是一个增益很高的能量放大器或功率放大器。聚能装药也不例外,同样是由四个部分组成。

而聚能装药的本质,其实就是将电或火焰信号的能量通过起爆药,扩爆药,主装药一步步扩大达到  10^15-10^16w/m^2  级别的功率,再通过爆轰波控制器整理爆轰波获得  2*10^10j/m^3  级别的合适波形爆轰波,然后使用爆轰波推动药型罩向前压合获得  3*10^10j/m^3  级别的能量,最后药型罩内部压合碰撞能量重新分配形成能量密度高达  3*10^11j/m^3  的金属射流向前喷射。

“聚能“使得最后的金属射流能量密度提高为爆轰波能量密度的15倍,并且使得爆轰波的内能更多的转化为动能,使得其可以轻易破开金属。

1.3常用词缩写

CD:聚能装药直径(不包括壳体)。

穿深:射流在钢靶中的穿透深度,一般需要标注钢号,1cm 45 钢=0.9cm 装甲钢。

炸高:由于射流需要一段距离拉长变细以提高比动能,所以聚能装药底部离靶一段距离可以获得更好的穿深,炸高就是离靶的距离(详见“炸高”一章)。

隔板:调整爆轰波形状以适应药型罩获得更好的穿深的装置。一般由低声速, 压缩性好的材料制成(详见“隔板”一章)。

杵体/射流:在聚能装药发生能量重新分配时,被挤出的铜药型罩被分为低速的杵体与高速的射流两部分。

EGDN:乙二醇二硝酸酯

PETN:季戊四醇四硝酸酯

ETN:丁四醇四硝酸酯

 

2药型罩

2.1概述

自聚能装药发展以来,精度一直是十分重要的问题,通俗来讲,零点几毫米的精度差很可能导致射流偏转,射流发散,导致穿深大幅度下降,以下附上一张图证明精度的重要性

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纵坐标为射流穿深深度 横坐标为炸高

可以看出,非精密装药与精密装药的最大穿深相差甚远,最佳炸高更是差了好几个CD(药型罩直径),与理想模拟射流更是差了不止一点半点,足以见到精度的影响有多么大。插句题外话,炸高(药型罩底部离钢靶的距离)也是受精度影响为主,因为爱好者制作的罩子精度难以量化,所以无法使用公式准确计算炸高,更多靠经验的推测

在聚能装药装置中,药型罩以及装药的精度更是需要首先确保的点,所以本文主要以介绍药型罩加工,装药加工为主,并不对“超聚能射流”“异形射流”等理论作介绍

2.1.1材料的选择

首先我们要解决的问题,是材料问题,选择什么材料是非常重要且最为优先地问题,因为这个关乎到我们后面几乎所有的问题,例如加工难度/方式,装药选择,罩子形状/厚度,都与材料的选择有关

1,密度 密度越大,同体积声速下的性能就越高,同质量速度比动能越大

2,延展性 延展性关乎到射流的极限长度,所以一般同条件下的罩子,延展性越高炸高也可以相应提高,进而提高穿深,还可以降低加工难度,提高罩子精度避免射流过早断裂

3,熔点沸点 沸点不应低于1200摄氏度(即射流中心最高温度),比如铅,就是因为沸点太低,容易出现气化现象破坏射流的形成

4,强度 由于侵彻时不依靠射流的强度,所以对于强度要求不高,保证简单的加工不会出现损坏,压药过程不会变形即可

5,体积声速 当压合后药型罩外壁形成杵体速度(决定聚能装药射流速度)超过体积声速时,射流将变得不稳定,例如铜药型罩相对流动速度在超过其体积声速1.23倍后将发生发散

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可以看出,在备选的金属中综合来讲钨理论性能最好,但是纯度问题导致延展性差射流差,加工难度高,并且价格较为高昂

钼镍钽铀太贵了,而且加工困难,并不适合(镍可以尝试电铸)

综合下来,铝和铜是最适合加工条件不高的爱好者的,铜适合钢靶,铝则适合穿透混凝土(原因似乎是因为会与混凝土发生放热化学反应),但下文仅介绍应用最为广泛的铜,铝可以尝试采用铜药型罩的数据提高壁厚增加炸高来使用,经实测效果也不错。

2.1.2 外形的确定

1,外形 实际上,药型罩的外形是种类繁多的

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但是由于加工难度以及加工精度的问题,许多奇形怪状的罩子无法实现,哪怕实现了,罩子本来的优点也会被极差的加工精度所抵消甚至倒退(除非有现成的工业品)。接下来我们着重介绍锥形。锥形因为加工简单,射流美丽,被广泛应用于各类破甲弹,对于爱好者,其加工简单的优点更是被无限放大。

2,锥角 锥角对于射流的关系可谓是十分重大,其也是决定射流性能参数最重要的指标之一,需要我们认真探讨。下表给出了不同锥角药型罩的实验结果,实验条件分别是:装药:黑梯1:1,密度1.6,紫铜罩,壁厚1mm,cd30mm

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可以看出,射流头部速度随着锥角的减少而增加,但是锥角减小会导致射流稳定性降低,炸高降低,有效射流质量减少,所以需要找到一个平衡点。经过实验,发现锥角在30~70度稳定性较好,速度较高。大锥角时,射流头部速度较低,而射流侦量较大,且速度梯度较小,形成的射流短而粗,这种情况下侵彻深度下降而破孔直径增大,后效作用增强,侵彻稳定性较好。小锥角时,射流头部速度较高,射流质量较小,但速射流度梯度较大,形成的射流细而长,侵彻深度增加而破孔直径减小。当药型罩锥角小于30°时,侵彻性能就不稳定。

因此,大CD的装药锥角宜采用35~44度 小CD装药则适宜采用44~70度,无隔板时锥角适量减小,但考虑到加工难度,最终推荐使用60度的锥角

2.1.3 厚度的确定

可以使用公式计算,但是考虑到爱好者没有这么多厚度的铜板选择,所以笔者较为武断的推荐5厘米直径以下用1mm厚铜板,5cm以上7cm以下CD用1.5mm厚铜板加工,如果使用冲压/旋压工艺,考虑到变薄的影响可以适量增加铜板厚度,如果使用强束缚或者高做功能力装药也可以适量增加壁厚。

2.1.4顶部圆r直径确定

由于冲压旋压可能会留下半球型或者圆柱型的顶部,根据射流形成理论,顶部r越小顶部压垮角约小,压垮速度越快,越有利于射流形成,但是过小的r会导致难以加工,所以一般选用5mm~2mm的r,在保证加工精度以及加工质量的前提下,r应越小越好,使用冲压工艺时,过小的r可能使顶部破裂导致罩无法使用(如下图)

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一个十分可惜的罩子,前面冲压的很好,但是最后一个冲头太尖了,导致锥顶涨破裂开。

2.1.5选择制作工艺

制作时第一需要确定的就是制作工艺,制作罩子的工艺有很多种分别为

1,车制:使用圆铜棒进行车制加工,适合CD大要求低的罩子,工业使用短期成本相对较低,缺点是加工难度较高,浪费大,对于爱好者则是成本过高,一个罩子的成本远远高于同CD拆解罩,且很难找到愿意加工罩子的工厂(主要是因为浪费太大而且罩子薄不好车),另外还有热挤压冷挤压等与车制相结合的加工方法,但是难度过高

2,冲压:冲压法是很适宜使用的,但是也有其缺点,例如威力水平较低,开模成本较高,此方式适宜大量生产,将在后面的章节说明

3,旋压:所谓旋压法,就是将铜片通过旋压工艺压成罩子,此方法的优点是成本低,威力水平较冲压法的高,缺点则是需要机床,手工旋压威力水平不如冲压法,需要数控化同步旋压,但是其晶粒形状与组织有所改善,适宜旋转的战斗部

4,电铸:这是适宜爱好者的方法,将在后面着重介绍,优点是威力水平高,门槛较低,缺点是成型慢,大罩子成型难。将在“电铸制造”章节详细阐述

5,手卷:直接使用铜板进行手卷制作,十分适合刚入门的爱好者进行尝试,优点是制作最为简单,几乎没有门槛。缺点是威力水平较差,一致性无法保障。将在“手工制造”章节详细阐述

6,收藏:有时候去二手购物平台转一转会有意想不到的好结果,将聚能装药最复杂最精密最重要的部分交给强而有力的现代工业是很好的选择。优点是无门槛无难度,威力水平高于除了电铸以外的任何制作方法(也得结合收藏的拆解药型罩具体性能分析)。缺点是比较稀少并且价格一般较为昂贵,不能作为长久之计。将在“改造与收藏”章节详细阐述

2.2冲压制作

接下来,笔者将使用冲压法制作药型罩

2.2.1确定参数

将使用CD(直径)为5.5cm的适中大小,使得制作时大小罩子皆有参考意义,根据CD=5.5cm,由于不算太大,并且冲压精度较差,角度太小则难以加工,最终选定罩子的角度确定为60度。由于冲压需要拉伸工艺,壁厚会变薄,根据计算得出,选择2mm的板材加工,加工后1.5~1mm的厚度。顶部r确定为5mm,经过4次冲压而成

对于铜板具体型号选择,自然是纯度约高越好,无氧铜更是因为退火时不易发生“氢脆”为最好的选择,但是由于高纯级别紫铜较难购买,所以将就采用更易购买且提前加工成型的T2紫铜 氢脆是指金属铜冶炼时混入氧化物,在还原性气体氛围高温下,氧化物与还原性气体结合在内部产生高压气泡导致金属的脆化现象,使用煤气灶/喷枪退火时需要特别注意

2.2.2模具选择

我们有以下两种冲压思路可以选择

1,连续冲压,多次退火,采用多个冲头同一模具多次冲压,冲压完后阶段性退火,这样做出来的罩子威力水平较低,但是胜在成本便宜,可复现性好。

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2.多次拉伸成型,需要多个模具,威力水平相比多次冲压有所改善,但是开模成本极高(可能上万)除非大量生产高质量罩子否则极不推荐使用,工艺流程如下

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2.2.3正式开始实践

直接用铜版冲压而成,铜板建议选择提前切割好的成品工业圆形铜板(如下图),提前切割好的铜板可以使得冲压时受力均匀,提高冲压药型罩的精度。一般工业生产使用模具将铜板冲裁成标准的圆形,但是考虑到可以直接在常用购物平台购买标准的T2圆形铜板,就没有必要另外开模冲裁。

冲压5.5cm直径的罩子笔者选的是8cm宽2mm厚的铜板,可以作为参考

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T2紫铜圆板

在选定原材料后,我们需要开始选定模具,笔者使用了万能的购物软件,在某购物平台上一通操作后,找到了一个定制模具厂家的链接。又在一通操作后,成功以500元的价格与老板预定了一套模具。

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这里笔者被坑了一下,哪怕金属铜质地软延展性好易于加工,但是这个锥度的罩子,仍然需要进行四次冲压,反复退火,并且最后一次头部r不可太小。笔者一开始购买了两个冲头,导致反复开裂,后来换成四个冲头才有所改善 退火,一般有两种目的,其一为释放内部应力,其二为促进晶体重新生长,增加延展性降低强度,其中第二种需要较高温度以及较长时间。

模具搞好了之后,需要的就是压力机了,对于爱好者来说,千斤顶是个不错的选择,可以找附近的五金店铺焊接一套槽钢制作的架子(需要承重五吨以上的张力),千斤顶也尽量选择5吨以上的,巨大的压力可以减少药型罩冲压后的回弹以及内应力。在冲压时可以使用不太坚固且韧性较好的材料作为压力超标的提醒,笔者在这里用了一个铸铁滑轮垫着。最后,成品如下。

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在所有材料都准备好后,可以开始冲压过程了。

首先将收到的圆形铜板进行第一次退火。由于T2紫铜板制作工艺的问题,刚收到货时的紫铜板晶粒细小但是被冷轧拉长过,延展性较差,直接冲压可收获开裂药型罩一份。关于紫铜退火工艺,笔者查阅到的是只要在390摄氏度以上烘烤足够的时间即可,并没有钢铁退火如此复杂,也与钢铁退火共性不多。所以这里就采用并且推荐简单的在煤气灶上烤红,之后丢入水里冷却即可。

随后使用第一级冲头进行冲压。冲压时有个小技巧,可以涂抹一些凡士林润滑,降低开裂的概率

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再次退火

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第二级,第三级。。。。。。

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在冲压完最后一级后,不需要再退火。使用烤箱230度烘烤一个小时,去除内部应力。(烤完如下)

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出炉之后,一个冲压紫铜药型罩的制作基本完成,接下来是进行表面处理使得表面性能更进一步,并且使其光洁度保持性尽量增强(还有就是为了好看)

准备5%浓度的酸,这里笔者采用的是硫酸,再将铜罩子完全浸没在酸里。这一步的目的是为了洗去氧化层,泡至表面无明显氧化物即可。

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洗完了之后使用铜抛光剂清洗至表面光滑。由于聚能装药要求内表面光滑,这一步可以使其达到要求。笔者使用的是购物平台购买的20元500ml的金属铜抛光剂。具体清洗过程请参照金属抛光剂说明书。

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在最后,可以根据自己的需求选择是否镀锡,镀锡可以改善表面抗氧化性能,这里选用的是常用购物平台购入的镀锡液。

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PS 后面那俩个大罩子不是自己冲压的,是收藏的拆解罩,在“改造与收藏”章节详细叙述

这样子一个成品冲压罩子也做好了,笔者在制作中也遇到了很多困难,并且也有很多的失败品。

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这里总结一些小技巧

1,一定要在收到铜板之后立即开始退火,并且每次冲压后都需要退火

2,可以涂抹一些凡士林润滑

3,拉伸模具可以不用压的太紧,否则会导致壁厚不均

4,不要采用过厚的铜板,否则会发生不好的事情

5,在最后一次冲压可以适当加大压力,促进永久形变

2.2.4冲压药型罩测试 该测试转载自外网

使用内径匹配,外径63mm的pvc水管作为壳体,用农机胶加千斤顶把罩子压进去并固定,保障了底部的密封性

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装药采用400克egdn(乙二醇二硝酸酯)与etn(丁四醇四硝酸酯)的混合物,炸高12cm

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图一为一瓶纯egdn,底下沉淀的是硫酸钠,用于防潮

爆轰发出巨大的震撼爆轰声

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靶子留下干净的孔洞,证明药型罩精度很高。但因为没有做好药型罩内表面处理,并且由于使用的液体炸药,pvc水管作为束缚较弱,出现了低速爆轰现象(可以看出火球持续时间较长,三十帧的视频拍到了好几帧)导致穿深不太理想,12.5cm穿深,45号钢材,约为2.3倍直径(cd)

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2.3电铸制作

接下来笔者将尝试使用电铸法制作药型罩

2.3.1电铸药型罩概述

电铸是什么?顾名思义,电铸就是使用电化学原理进行的金属沉积,与我们常见的电镀不同的是,它更像是一种“铸造”工艺,沉积的厚度与速度均远大于电镀。并且电铸对于铸层(镀层)的要求与电镀不同,所以电铸大体上类似于电镀,但是具体细节与电镀差别很大。

如何衡量电铸药型罩的威力水平,当然是通过打靶实测啦!不过在没有打靶实测的情况下,一般来讲电铸后晶粒越细越好,延展性越高越好,均匀性越高越好。粗略的判断晶粒大小就是通过硬度,表面光滑程度。一般晶粒越细硬度越高,表面越光滑

1,优点

电铸药型罩的优点是很明显的。最突出的的就是成本低廉,不像冲压需要开模,旋压需要车床以及模具,更别说更高级的冷挤压之类的方法。相比之下,电铸只需要一些十分基础廉价,且大家都可以在日常生活中接触到的材料,就可以制作出精度以及内部结构丝毫不亚于最高品质冲压罩的药型罩。总的来讲,电铸优点在于成本低且产品质量可以做到很高,甚至是目前所有加工方法中上限最高的一个。也是相同成本下产品质量最高的一个。

电铸原理示意图

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2,缺点

电铸罩的缺点也很明显,那就是加工时间长,批量生产成本高昂。但是这两条缺点不是很作用于爱好者,因为很少会有大批量使用药型罩的场景。

总结:电铸实际上是非常适宜使用的一个方法,其加工生产的优点在爱好者中更是被无限放大。而其工序时间长的缺点也在爱好者条件中被大大缩小。

2.3.2电铸装置

如同其他加工方式,电铸也需要一个加工工具。我们一般称该工具为“电铸装置”。接下来,笔者将以电铸铜药型罩作为例子,选定电铸装置的相关参数。

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一个比较常见的实验室电铸装置

1,模具也就是电铸装置上的阴极芯模

首先要准备的是模具,不像冲压模具起到主要作用,电铸模具只起到传导电流以及铜沉积的平台,模具外形尺寸需要提前确定好,随后选定材料

确定外形:与冲压一样,这里选择5.5cm作为内直径,使得大小罩子制作都具有参考意义,角度选择60度,顶部r则决定为2mm,太小会导致电流过于集中,出现过度沉积或“烧焦”现象

确定模具材料:对于模具材料,应具有以下特点

1,不易与电铸液发生反应

2,易于加工,价格便宜

3,导电性能良好

4,具有一定的机械强度,确保可以反复使用并且精度不发生难以接受的改变

综合选择下来,有以下几种备选方案

1,选用不锈钢作为模具材料。优点是易于加工,可以使用车床车削,加工精度足以保证,并且可以反复使用,导电性能优良,无需进行表面二次处理。缺点是低标号不锈钢可能与电铸液发生反应,高标号不锈钢价格则较为高昂,并且不锈钢脱模难度较高(但是经作者实测,使用内外径相配合的钢管可以很好的脱模)。

2,选用铸造铝作为模具材料。与不锈钢不同的是,这种模具需要一个“模具的模具”用于铝水铸造,这个“模具的模具”可以找机加工店铺定制。优点是不易于电镀液发生反应,脱模非常简单(是用氢氧化钠腐蚀铝即可)。缺点是精度较低,一次性使用。

3,选用树脂作为模具材料。这个模具也需要一个母模作为浇筑,与铸造铝类似,优点是可以常温浇筑,缺点是需要对表面做导电性处理。

综合来讲,不锈钢模具最为适合爱好者。因为加工制造容易,并且可以将尽可能多的工作交给“现代工业”来完成,对于爱好者来讲,自然是能买,绝不手搓。

image.png 不锈钢制作的模具

2,电铸液

确定具体的电铸液,首先要确定电铸液的种类

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主流铜电铸液铸层的性能,仅供参考,具体性能需结合情况分析

1,硫酸盐电铸液。该电铸液的优点是原料易于获取,毒性较低,并且相关资料丰富。铸层性能可以通过添加剂来改善,使用方便,较为适合。缺点是容易对金属产生腐蚀作用。

2,氰化物镀液。毒性过大,原材料过难获取,条件所限不予考虑

3,氨基磺酸盐。优点是杂质对于铸层表面性能影响较小,缺点是太贵而且用量较大

最终选定硫酸盐电铸液作为电铸液,根据添加剂的不同又可以分为不加入添加剂的电铸液,加入硫脲作为添加剂的电铸液(不建议),加入现代光亮添加剂的电铸液。这三种电铸液各有优点(除了硫脲,是一次失败的尝试),将在后面分为三次实验过程详细介绍

3,阳极

阳极的选择并不需要过多篇幅进行叙述,既然是阳极,自然是根据需要电铸的材料进行选择。

这里笔者选择的是铜的电铸,虽然镍电铸罩子具有更优良的理论性能,但是镍电铸液的毒性较高,并且是可累积毒性,对爱好者并不友好。外加镍阳极价格高昂,电铸液主要成分氨基磺酸镍价格也不低。

对于铜的电铸,一般选择磷铜阳极(一般为含磷量0.1%的铜板),作为阳极材料。磷铜作为阳极对比紫铜(纯铜)有更易溶解的优势,不易产生铜粉导致电铸表面的瑕疵。

在选定阳极后,可以增设一个阳极袋,防止铜粉掉出导致电铸面瑕疵 image.png image.png

左图为磷铜阳极与阳极袋,右图为在硫脲电铸液电铸后的磷铜阳极,表面形成结痂,掉粉现象减少

4,电源

上图实验装置使用的电源为脉冲电源,脉冲电源比较与普通直流电源有优势,可以在电流密度相同的情况下调节更多的参数以改善电铸效果。

但是由于价格较为高昂,更加适用于实验室研究或者工业大批量生产,在一般条件下,可调电源是个非常不错的选择

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一台二手可调电源

5,恒温装置

对于电铸时的温度,是很有考究的。在不同温度下电铸液的性能不相同,电铸的沉积速率以及最合适的电流密度也会发生变化。而电铸过程一般需要持续两天以上,一天之中气温是不可能不发生变化的,如果没有一个将整个电铸液温度控制好的装置,将会使最终电铸效果不尽人意。

对于爱好者,我们首先需要考虑的是获取难度以及可靠性,在找寻一圈后,发现用来给鱼缸加热的恒温的加热棒就很不错,加热部分使用玻璃包裹,长时间电铸也不会有任何影响。但是其控温,测温部分的电路是塑料组成,长时间在电铸液的高酸性环境下容易漏电导致事故。一开始笔者想的解决办法是,在测温部分涂抹一些耐酸硅胶,但是这样又会影响测温精度,并且可靠性无法保障。最后发现了一款带有控温功能的插座,直接与鱼缸加热器搭配使用,效果出乎意料的好。

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左图为鱼缸加热器,右图为控温插座。鱼缸加热器底部为玻璃密封,图片里的塑料保护壳可拆卸

6,旋转装置

由于需要电铸的药型罩是圆锥形,所以电铸要保证均匀性,就需要使得阴极旋转或阳极围绕阴极旋转。

显然使得阴极旋转要比阳极围绕阴极旋转简单。而制作一个旋转阴极,首先需要确定转速。有文献指出,使用60转/分钟会取得比30转/分钟更细小的晶粒以及更均匀的铸层,但并不确定更高的转速会取得如何的效果。保险起见使用60转/每分钟。确定转速之后,只需要购买一个相应转速的电机以及导电滑环,再将其拼装在一起即可

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7,过滤装置

为了保证电铸液的干净,电铸瑕疵的减少,需要一个循环过滤的装置。

一个耐腐蚀的磁力泵以及一个pp棉滤芯可以很好的胜任这个工作。过滤泵的流量需要根据电铸液的体积确定,建议每分钟流量不要超过电铸液的两倍以上,不要低于电铸液的0.5倍。过滤装置无需二十四小时循环开启,每小时开启一到两分钟即可。

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8,其他

1,电铸池子,选用聚丙烯聚乙烯等对酸有一定抗性的塑料即可。

2,电铸液的蒸发,可以在电铸槽上画好标线,按时补加纯水(哇哈哈)

3,搅拌,可以使用鱼缸吹气泵加气石进行空气搅拌,还能有效氧化铸液内亚铜粒子,改善铸层性能。

 

2.3.3电铸实验

1,无添加剂 本章实验由王富贵提供

使用不含有添加剂的铸液进行电铸。具有制作简单,成本较低的优点。但是也有威力水平一般(看跟谁对比,对比冲压罩子也算是顶尖的性能),成型较慢的缺点

在最简单的无添加剂电铸中,甚至不需要磷铜阳极,搅拌,阴极旋转,温度度控制等操作,只需要将紫铜棒弯成一个圈,并把阴极放在圈中央,缓慢电铸成型即可。这里要感谢笔者朋友王富贵提供的实验素材。

1,电铸液:王富贵选用的是硫酸铜电铸液,含量为100克硫酸铜/升(注意这里指的是无水硫酸铜),不加硫酸。笔者认为150克硫酸铜,50克硫酸可能会取得更好的效果(该配方在化学品配方大全中有记载)。硫酸铜并不管制,直接购买即可,但需要注意市售一般是五水硫酸铜,需要根据相对分子质量进行换算。硫酸管制,但可以通过电池电解液获取中等浓度但纯度较高的硫酸。

image.png 一款典型的稀硫酸电池电解液

2,电铸阳极:王富贵选用了一根紫铜棒,并将其弯成一个圆,围绕在阴极模具周围。

image.png 左边为电流密度过大导致的铸层脱落,右边则是电铸阳极,一根铜棒

3,电流密度:使用纯硫酸铜不外加硫酸作为电铸液,极限电流密度较低。适合的电流密度为0.5a/dm2,可以通过该项计算电铸所需要的电流。方法为铸件表面积乘以电流密度。例如电铸的药型罩表面积为0.5平方分米,电流密度为0.5a/dm2,输入的电流则为0.25a。如果没有可调电源的可以根据自己需要的电流购买恒流电源,或者测试自己装置的电阻之后购买相近的恒压电源。

 

4,其他需要注意的事项:电铸对于灰尘或细小颗粒极为敏感,最好在电铸时找个盖子将电铸槽盖上

经过了几天的电铸(0.5a/dm2的电流密度一般需要4天以上才可以成型0.7mm厚的药型罩)。使用内径与模具直径相符合的钢管进行脱模处理,得到一个精美的药型罩。

                                               image.png

由于聚能装药对于药型罩表面光洁度有所要求,所以要进行打磨处理。

打磨完成后使用厚pvc水管作为外壳,塑性炸药作为装药,炸高 3CD

image.png image.png image.png image.png

响亮的爆轰声后(其实是沉闷的爆轰声,因为埋在土里),一个漂亮的破孔便出现了

image.png image.png

第一块钢块的入射孔与破孔

image.png 第二块钢块的入射孔

经过测量,总穿深达到8cm左右,为2.7CD左右,已经属于惊人的成绩了

2,硫脲添加剂

后续实验表明,硫脲作为添加剂制作的药型罩可能因为某些原因导致脆性较大。

如果硫脲过少,电流密度过大会出现烧焦且电铸不均匀的缺陷

                                               image.png

如果铸层过薄,且硫脲含量过多的话,会直接碎裂

image.png image.png

并且笔者与王富贵参考关于硫脲药型罩的博士学位论文,但都出现了力学性能较差,发脆的现象

哪怕是正常电铸的药型罩,外表看来也十分正常

image.png image.png

经过王富贵实测后,穿深甚至没有超过两倍直径!并且两次实验皆获得了相似的结果,而外壳,装药等方式都有所改变,基本可以确定是药型罩所导致的。

所以基本可以认为,这次硫脲作为添加剂的硫酸盐铜电铸药型罩宣告失败。

3,现代添加剂

使用现代添加剂作为电铸液添加剂,具有性能优秀,制作流程快,无需进行二次表面处理的优点

但是缺点也显而易见,那就是操作起来较为复杂,电铸添加剂的配置也较为复杂,笔者经过电铸行业前辈指导,外加自己实验得出一个较为适合电铸酸铜的添加剂

image.png

A剂配法:TMX5 25g/公斤 黄粉 8.5g/ 公斤 KS80615ml/ 公斤 分散剂5 g /公斤 硫酸15 g/公斤

B:黄粉 2g / L SPS6.5克/L HT36克/公斤 KS8085克/公斤 OPX0.9 克/ L硫酸20g / L

C:黄粉1克/公斤 SPS1.5克/公斤 HT 36克/公斤 KS808 5 克/公斤 OPX 0.9g/公斤 硫酸20g /公斤

使用方法为在每升含有100克硫酸,200克硫酸铜(无水)的铸液中,加入每升0.9mlA剂,0.6mlB剂量,12mlC剂。随后每4.5A/小时(例如我的总电流为1A,那么每4.5小时就需要补加)分别补加ABC剂1,0.1,1.5ml

上述添加剂只能给各位提供一个参考。大家也可以选择去电镀厂要一些添加剂样品或直接去购物平台购买成品,并且按照说明书进行操作。

 

开始电铸

根据电铸药型罩,电铸装置所介绍,购买相应的设备到位,随后将其拼装成型

这里需要注意以下几点

1,模具进行电铸前需要进行抛光处理以保障成品内表面的光洁

2,市面上的一般是五水硫酸铜,需要根据分子量进行换算

3,电铸液需要保持绝对干净,需使用哇哈哈纯水配置,并且电铸过程需要做好防止灰尘进入的准备

随后开始电铸实验,这一步笔者按照上面确定的参数,使用3a/dm的电流密度,电铸了48小时。如果使用的是添加剂“样品”或购买的成品,按照说明书操作即可(为了防尘所以套上了垃圾袋)

image.png image.png

在电铸完成之后,使用钢管取下药型罩

image.png image.png

在没有抛光的情况下就已经十分闪亮,证明现代电铸添加剂效果显著

并且电铸阳极较硫脲添加剂也有所改善,表明光亮剂起到了作用,铜粉产生少了,电铸阳极表面结痂也相应减少

image.png

左为现代添加剂的磷铜阳极,右为硫脲添加剂的磷铜阳极

随后使用烤箱 230摄氏度一小时去应力退火

image.png

表面因高温产生的氧化,但是问题不大

随后进行酸洗

image.png

酸洗后

再使用抛光剂进行抛光

image.png image.png

左图为抛光后,右图为与笔者第一次硫脲电铸的药型罩对比

将其装配于不锈钢壳中

image.png

2.3.4 电铸聚能实验

实验一

该实验由王富贵完成

使用现代添加剂的电铸罩子,CD32mm,锥角60°,装药约为45克(塑性太安),使用2mm钢壳束缚,炸高60mm,靶材为45号钢

  image.png

一声响亮的爆轰声后

    image.png image.png image.png

钢靶出现了一种奇怪的现象,那就是背面出现孔洞,而正面孔洞却被“堵住“了

   image.png image.png

原来是因为该钢靶被重复使用了,上次聚能实验底部被穿透了40mm,而钢靶子总长100mm,也就是这次有效穿深只有60mm,实属可惜。而聚能的杵体又堵住了孔洞,所以入射孔才会被堵住

但从杵体堵住孔洞这种前所未有的事情来看,现代添加剂电铸药型罩精度十分之高


实验二 该测试转载自外网

靶子45号钢,炸高3倍直径,装药300克(塑性太安),使用的药型罩为36页的电铸药型罩,CD60mm,2mm塑料壳束缚

  image.png image.png

将铜药型罩压入塑料外壳内

    image.png image.png

少量多次压入塑性炸药后再在顶上压入一层纯petn,最后盖上定位用大小头

  image.png

最后成品如上

image.png image.png image.png image.png

一声响亮的爆轰声后。。。

image.png

地面出现巨大破孔(bushi

image.png image.png image.png image.png image.png image.png

可以发现两个特点,第一个就是射流从侧面穿出,并没有完全消耗利用。第二个就是杵体堵住了入射孔,证明罩子精度很高。

在经过测量后,穿深达到了16.5cm以上,即2.75CD以上,因为射流透出钢靶,所以无法知晓真正的穿深,比较可惜。但笔者预计现代添加剂电铸药型罩加塑性太安的穿深不会低于4CD。

总结:电铸药型罩具有门槛低威力大的特点,现代添加剂电铸药型罩门槛较高,但只要动动脑经还是可以取得很好的效果的。在掌握了该技术后爱好者也可以获得批量生产高质量药型罩的能力

2.4 手工制作

接下来,笔者将使用手工(手卷)制作药型罩

手卷药型罩需要确定的参数并不多,只需要简单的确定药型罩的角度,以及药型罩的直径算出圆锥母线长度,购买相应的铜板即可。

对于铜板的厚度则尽量选择较薄的铜板,以0.5-1mm为好(具体根据直径在选择。有以下两个原因

1,手卷药型罩并不会产生厚度前后变化

2,由于使用手卷加工,铜板过厚会导致难以加工

由于直径选定5.5cm,角度选定60度。最终决定使用1mm厚度的圆形铜板,直径10cm。


开始制作

将购买的铜板剪半,再弯成一个圆锥,可以去机加工店铺定制一个60度锥角的钢模,再将铜板用橡胶锤砸上去,精度会有所提升。如果使用液体装药可以对接口处进行密封处理(铜焊接,锡焊,胶水等),再找一个大小合适的壳体将其装入 

image.png image.png

由于没找到金属壳egdn装药的照片,使用同为手卷药型罩的塑料壳照片来代替


装药为200克egdn,使用熔铸etn起爆以保证高的输出爆速,外壳为金属壳加焊接,炸高2.5倍直径 该测试转载自外网

  image.png

30帧的爆轰视频并未拍摄到火球,证明发生了高速爆轰,穿深也达到了惊人的13cm,45号钢,也就是2.6CD

  image.png

可以看出入射孔并不干净,证明手卷药型罩精度欠佳,但是由于egdn的高速爆轰可达到7500m/s以上的爆速,所以穿深依然很可观

2.5 改造与收藏

使用改造或收藏获得药型罩,有两个办法

1,使用具有锥度的工业制成品,买回来再改造成药型罩(例如铜大小头,可以轻松改造成截锥药型罩),优点是十分简单,成本极低。缺点是威力水平一般,无法根据自己要求选择准确的直径

2,去私人渠道收藏军用弹药的拆解药型罩,也就是俗称的拆解罩。优点是方便,威力水平高。缺点是需要渠道,价格较贵


大小头改造截顶药型罩。

首先需要确定一些参数。例如大小头的尺寸数据,可以通过询问商家得到。大小头的壁厚,可以通过自己测量得出(一般铜大小头壁厚为1mm左右)。

在大小头的选择上,首先要确定合适的直径,例如笔者想制作5cm左右的聚能装药,则需要购买大头外径为5cm左右的大小头,但是一般给出的数据为内径,外径数据需要通过自己测量得出准确值。

image.png

在确定好大小头的大头外径,也就是聚能装置的CD后,可以开始选择合适的大小头了。由于一般大小头为上下两个圆柱,中间一个截锥的形状(如上图)。

所以一般的改装思路为:切去上下两个圆柱体,在小头用胶水黏上铜板改装成截顶型药型罩,或钨/钽板形成截顶型超聚能射流药型罩

既然要改装成聚能药型罩,药型罩的锥度就必须小于90度,实际使用中建议使用锥度为60度左右的大小头(因为大小头精度不算太高,太小的角度可能会导致射流效果不佳),至于大小头的具体角度可以通过客服或者买回来测量得到

有文献指出,对于截顶型药型罩,其顶部圆板半径底部圆板半径的比值越小越好,与锥形药型罩顶部r类似。但是小头足够小的药型罩较为难以寻找,所以一般大小头制作的药型罩对于大直径更有优势

在确定大小头直径后,可以开始选择截顶材料,根据文献指出,使用冲击强度远大于药型罩的厚材料截顶(例如铝药型罩铜截顶,铜药型罩钨截顶)可以创造超聚能射流,穿深较普通铜截顶有15%左右的提升。对于大头60mm,小头15mm,壁厚1mm的铜药型罩,钨截顶4mm厚,直径18mm为最佳。


确定好参数后,寻找到了一款锥度合适(54°),壁厚合适(1mm),大小头外径(内径加壁厚)合适(大头57mm,小头14mm),材料合适(据客服所说是T1紫铜,我有点不信)的大小头,于是便将其买了回来,并锯掉了上下两个空心圆柱的部分

  image.png

随后又根据截顶型超聚能射流文献提供的数据,获取了一块 18mm*4mm的圆形钨板(由于不纯的钨脆性大,所以想尝试超聚能射流的朋友一定要使用高纯钨板)。不使用超聚能射流也完全可以用一块2mm厚的紫铜板代替钨板

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随后将其装配至外壳中

image.png image.png image.png

使用egdn作为装药,熔铸etn起爆,钢壳束缚,12cm炸高 该测试转载自外网

一声响亮的爆轰声过后,钢靶上出现巨大破孔

image.png

由于手机高温警报,并没有拍摄到视频

可能是由于炸高固定柱固定的不好,导致射流发生偏转,使得这次试验提供价值不多,不过仍然可以证明大小头改装药型罩的可行性 45号钢,穿深10cm以上

2,收藏拆解药型罩

对于拆解药型罩,比较现实的方法则是去二手购物平台上多逛一逛,一般会以“铜铃当”,“紫铜碗”等名字售卖。

image.png

11cm直径,双锥形紫铜的拆解药型罩 二手平台照

在本文中,我们详细探讨了四种聚能装药药型罩的制作方法以及实际测试结果。这些方法不仅提供了多样化的选择,而且展现了其在实际应用中的效果和潜力。通过不断的研究和实践,我们可以进一步优化这些方法,提高其性能,为聚能装药的应用提供更多可能性。期待未来的进一步研究能够为该领域的发展贡献更多新的发现和突破。

最后十分感谢参与了实验并提供了珍贵实验数据的王富贵,以及耐心指导笔者对本文进行修改的哈哈哈哈哈士奇版主

注意 文中涉及含能材料的实验皆为笔者在美国的朋友Fugui完成,金属罩为笔者提供 严禁模仿!

+1  科创币    MR_FX    2024/03/18 支持\o/
+5  科创币    粥粥    2024/03/18 高质量发帖
+1  科创币    helium    2024/03/18 期待有更多测试
+1  科创币    zRed洲虹    2024/03/19 好帖帮顶!
+5  科创币    QQQQQQQ    2024/03/30 聚能还是泰恩最好用。
+1  学术分    哈哈哈哈哈士奇    2024/03/30 理论实践相结合,内容公开详实,在相关领域有创新性
来自:仪器与装备 / 机械与工具动手实践:实验报导
22
 
38
已屏蔽 原因:{{ notice.reason }}已屏蔽
{{notice.noticeContent}}
~~空空如也
The_integral_of_ix
4个月8天前 IP:山西
930353

有关机械加工和测试的内容丰富程度都无可挑剔,很难看到如此高质量的业余工作了,顶一个。

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helium
4个月8天前 修改于 4个月8天前 IP:广东
930354

业余条件能做到这样确实不错了,但是应该还有一个使用预热高精度模具离心铸造的方法,但还没有人试过离心铸造过这个罩子,B站倒是有人用液态铜铸造饮料瓶盖成功了,而且光洁度可以做到不需要打磨,精度也达到了拧上瓶子不漏水的程度,这个倒是一个很好的方法。工业上还有一种工艺叫做挤压成型(个人认为军工行业现在用的这个工艺可能性最大),直接把一坨热态或者常温退火态的金属材料通过模具挤出一次成型(这个方法在钢瓶/铝瓶这些高压气瓶生产行业里非常常用)。

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Trinitrotoluene
4个月8天前 IP:河北
930360


有理论有实践的长文,支持


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zRed洲虹
4个月8天前 IP:上海
930362

写的太漂亮了 sticker

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哈哈哈哈哈士奇
4个月8天前 IP:陕西
930364

理论和实践相结合,较为详细的分享了以电铸工艺为代表的药型罩制作加工工艺,以较低成本解决了多年来相关困扰爱好者关于药型罩加工的问题,为后续相关爱好的发展提供了技术支持👍

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煎鸡蛋作者
4个月8天前 IP:广东
930370

忽然发现自己忘记传视频上来了 这周末回家传一下

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XZGSW1
4个月0天前 IP:江苏
930540

有个问题请教下,爆轰形成的金属铜的射流是液态还是固态?

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煎鸡蛋作者
4个月0天前 IP:美国
930544
引用XZGSW1发表于7楼的内容
有个问题请教下,爆轰形成的金属铜的射流是液态还是固态?

根据射流的金相分析,温度一般在1000℃以下,也就是说大多数情况射流的温度都是不超过金属铜熔点的(少数条件下可能超过)。

不过一般会将射流当做液态处理,因为在如此高温高压下金属铜射流比起固态更像是液态(例如具有极高的延展性)。

是固态还是液态,得看你从哪个角度看了

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bby1116
4个月0天前 IP:山东
930560

rn_image_picker_lib_temp_4ce468d3-779b-495a-a5d2-9e0c1afc6311.jpg

15一个

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XZGSW1
3个月29天前 IP:江苏
930569
引用煎鸡蛋发表于8楼的内容
根据射流的金相分析,温度一般在1000℃以下,也就是说大多数情况射流的温度都是不超过金属铜熔点的(少...

有文献说这个金属射流的速度可以达到9000米/秒。金属射流击穿装甲的原理是不是就是依靠高速产生的动能,如果可以在常温常压下加速到9000米/秒的速度,比如太空中,以9000米/秒运行的细铜棒与相同直径,相同质量,相同速度的水银条(液态)击中钢板时的穿甲深度会不会有很大区别?

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航模发烧友
3个月28天前 IP:广东
930603

"应选择密度大,不易气化,延展性好,可压缩性小,易于加工的原材料。"
这个条件下,用黄金岂不是最好 sticker


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CuCN
3个月28天前 IP:四川
930621

我豆辉夜


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QQQQQQQ
3个月27天前 修改于 3个月0天前 IP:天津
930626

小直径做聚能 业余黑索金和泰恩属于顶尖的炸药 其余的过于昂贵,黑太最关键的还是白菜价。本身这样高猛,还这样便宜是99分的炸药。黑索金的射流速度想超过泰恩 需要非常大的体积 和起爆能(叠氮化物以及合格的起爆直径),一般情况下 泰恩业余速度最大。 

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高氯酸甲酯
3个月27天前 IP:北京
930639

请问lz参考的那本书,能否发上来让鄙人学习一下?另外,很好的帖子顶一个

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煎鸡蛋作者
3个月27天前 IP:美国
930643
引用高氯酸甲酯发表于16楼的内容
请问lz参考的那本书,能否发上来让鄙人学习一下?另外,很好的帖子顶一个

我主要参考了这本书,但是在理论上参考了许多不同的其他书籍,如果你需要确切的参考的话请将具体段落引用下来,“都发一下”这种要求我无法满足

attachment icon 聚能装药理论与实践.pdf 63.77MB PDF 142次下载 预览


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sssb
3个月26天前 IP:加拿大
930671
引用bby1116发表于10楼的内容
15一个

旋压工艺?直径我看着像45的,是不?

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bby1116
3个月25天前 IP:山东
930728
引用sssb发表于18楼的内容
旋压工艺?直径我看着像45的,是不?

具体工艺不知道,拼夕夕买的,外径47

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氢氧的氢
3个月3天前 IP:黑龙江
931483

之前想了解电铸工艺,没想到在这里看到了(^-^) 

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VIfun
2个月15天前 IP:山西
931924

收藏了

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moonating
2个月1天前 IP:广东
932329

mark


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