Al粉對含鋁炸藥爆轟性能的影響

馮曉軍，黃亞峰，徐洪濤

（西安近代化學(xué)研究所，陜西 西安，710065）

Al粉是一種高熱值的金屬添加劑，在混合炸藥配方中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用[1]。目前的研究表明，由于鋁粉的加入增大了混合炸藥的非理想爆轟特性，使得含鋁炸藥的爆轟反應(yīng)區(qū)增長，爆炸能量釋放速率減慢，從而延緩爆炸沖擊波在空中和水中的傳播衰減速率，增大沖擊波的沖量，同時(shí)鋁粉和爆轟產(chǎn)物的二次反應(yīng)放熱可以增加炸藥水中爆炸的氣泡能，提高混合炸藥的做功能力[2]，因此含鋁炸藥已經(jīng)成為水中武器主裝藥的首選。為了系統(tǒng)地分析Al粉對含鋁炸藥爆轟參數(shù)的影響規(guī)律，指導(dǎo)含鋁炸藥配方的設(shè)計(jì)，本文選擇TNT和RDX為主炸藥，通過添加不同含量的鋁粉組成含鋁炸藥配方，進(jìn)行了爆速、爆壓和爆熱測量，根據(jù)測量結(jié)果得到了含鋁炸藥的爆轟能量轉(zhuǎn)化率，分析了Al/O摩爾比對含鋁炸藥爆轟性能參數(shù)的影響。

1 試 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)樣品及制備

分別以TNT和RDX為主炸藥，通過添加不同含量的Al粉組成一系列含鋁炸藥，配方組成見表1。所有試驗(yàn)樣品均采用壓裝工藝制備，壓力為250MPa，根據(jù)炸藥爆轟參數(shù)測試項(xiàng)目的要求壓制成不同的尺寸，結(jié)果見表2。

表1 含鋁炸藥配方組成Tab.1 The formulation of aluminized explosive

表2 試樣制備尺寸Tab.2 The sample preparation size

1.2 試驗(yàn)方法

爆熱測試: 采用GJB 772A-97 方法701.1的絕熱法進(jìn)行。

爆壓測試：采用GJB 772A-97 方法704.2 錳銅壓力傳感器法進(jìn)行。

爆速測試：采用GJB 772A-97 方法702.1 電測法進(jìn)行。

2 結(jié)果與討論

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)得到的含鋁炸藥爆轟性能參數(shù)結(jié)果見表3。

2.2 Al粉含量對炸藥爆壓和爆速的影響

炸藥的爆壓和爆速都是爆轟波陣面能量釋放強(qiáng)度和釋放速率的體現(xiàn)，對于任何體系的炸藥，兩者的變化規(guī)律完全相同，因此同時(shí)討論Al粉對含鋁炸藥爆壓和爆速的影響。通常習(xí)慣用Al/O摩爾比表征Al粉含量的變化，得到的結(jié)果如圖1～2所示。

表3 含鋁炸藥試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 The experimental results of aluminized explosive

通過曲線擬合，得到TNT基含鋁炸藥和RDX基含鋁炸藥的爆壓和爆速隨Al/O摩爾比變化的經(jīng)驗(yàn)方程，見方程（1）～（4）。由經(jīng)驗(yàn)方程可以看出，含鋁炸藥的爆壓隨Al/O摩爾比以指數(shù)規(guī)律衰減，爆速隨Al/O摩爾比（χ）以線性規(guī)律衰減。

TNT基含鋁炸藥爆壓和爆速與Al/O摩爾比關(guān)系方程：

RDX基含鋁炸藥爆壓和爆速與Al/O摩爾比關(guān)系方程：

根據(jù)目前公認(rèn)的含鋁炸藥二次反應(yīng)理論[3]，當(dāng)含鋁炸藥爆轟時(shí)，配方中的Al粉沒有在爆轟波陣面上參加反應(yīng)，對于爆轟波陣面上的釋能反應(yīng)而言，Al粉是一種惰性吸熱物質(zhì)，它會從爆轟波陣面上吸收主炸藥反應(yīng)釋放的能量；同時(shí)由于Al粉是熱傳導(dǎo)性能很好的金屬質(zhì)點(diǎn)（導(dǎo)熱系數(shù)為230W/（m·K-1）），會隨著爆轟產(chǎn)物的快速膨脹將爆轟波陣面上的一部分能量快速地傳遞到空氣中去，這兩者的共同作用使得用于支持主炸藥傳播爆轟的能量減小，從而使含鋁炸藥的爆壓和爆速隨著Al粉含量的增大而減小。

2.3 Al粉含量對炸藥爆熱的影響

TNT基含鋁炸藥和 RDX基含鋁炸藥的爆熱隨Al/O摩爾比的變化規(guī)律如圖3所示。

圖3 含鋁炸藥爆熱與Al/O摩爾比關(guān)系Fig.3 The relation between Al/O and explosion heat

由圖3可見，通過擬合可以得到含鋁炸藥的爆熱與Al/O摩爾比成三次多項(xiàng)式關(guān)系，當(dāng)Al/O摩爾比達(dá)到1.0（Al粉含量為40%）左右時(shí)，炸藥爆熱值達(dá)到最大值，與不含鋁粉的單質(zhì)炸藥相比，TNT基含鋁炸藥爆熱增加了 74.2%，RDX基含鋁炸藥爆熱增加了37.5%；再增大Al/O摩爾比，炸藥爆熱值反而降低。TNT基含鋁炸藥和RDX基含鋁炸藥的爆熱與Al/O摩爾比的經(jīng)驗(yàn)方程見式（5）～（6）。

TNT基含鋁炸藥爆熱與Al/O摩爾比關(guān)系方程：

RDX基含鋁炸藥爆熱與Al/O摩爾比關(guān)系方程：

含鋁炸藥的爆熱隨Al/O摩爾比變化的規(guī)律與其爆轟反應(yīng)機(jī)理有關(guān)，根據(jù)含鋁炸藥爆轟理論，當(dāng)炸藥發(fā)生爆轟時(shí)，其組分中的Al粉沒有參加C-J面上的反應(yīng)或者在C-J面上遠(yuǎn)未反應(yīng)完全，大部分是與炸藥的爆轟產(chǎn)物進(jìn)行二次反應(yīng)放出熱量[4]，其主要的反應(yīng)有：

也有人認(rèn)為Al粉在高溫高壓下還能與爆炸產(chǎn)物中的氮?dú)獍l(fā)生反應(yīng)，生成氮化鋁而放出熱量，即：

Al+0.5N2→AlN+241.0kJ

以上這些反應(yīng)都是放熱反應(yīng)，因此可以大幅度提高炸藥的爆熱值，但是當(dāng)Al/O摩爾比大于1.0后，由于Al粉含量已經(jīng)超過爆轟產(chǎn)物中可能與Al粉發(fā)生放熱化學(xué)反應(yīng)的物質(zhì)的量，此后，Al粉就會完全作為一種惰性吸熱物質(zhì)而存在，消耗大量熱量而使爆熱值降低。

2.4 Al粉含量對含鋁炸藥爆轟能量轉(zhuǎn)化率的影響

含鋁炸藥爆炸釋放的能量可以分為兩部分：一部分為爆轟反應(yīng)釋放的能量（Qd），該能量在10-4ms前釋放出來，主要貢獻(xiàn)給爆速或爆壓，用于維持爆轟波的傳播；另一部分能量為Al粉的二次反應(yīng)所釋放的能量（Qp），該能量釋放時(shí)間大約在0.1～100ms，對爆轟波沒有貢獻(xiàn)。通常利用爆熱量熱計(jì)測得的炸藥爆熱QV是這兩部分能量之和，通常用Qd/QV表示含鋁炸藥爆轟能量的轉(zhuǎn)化率[5]。Qd可以用式（7）和式（8）聯(lián)合求得：

通過計(jì)算可以得到以TNT為基和以RDX為基的含鋁炸藥的爆轟能量和爆轟能量轉(zhuǎn)化率，結(jié)果見表4。

利用Al/O摩爾比分析鋁粉含量對含鋁炸藥爆轟能量轉(zhuǎn)化率的影響，結(jié)果如圖4所示，通過擬合得到的經(jīng)驗(yàn)方程見式（9）～（10）。

表4 含鋁炸藥爆轟能量及轉(zhuǎn)化率Tab.4 The detonation energy and its transform scale of aluminized explosive

圖4 含鋁炸藥爆轟能量轉(zhuǎn)化率與Al/O摩爾比關(guān)系Fig.4 The relation between detonation energy transform scale and Al/O

TNT基含鋁炸藥爆轟能量轉(zhuǎn)化率與Al/O摩爾比關(guān)系方程：

RDX基含鋁炸藥爆轟能量轉(zhuǎn)化率與Al/O摩爾比關(guān)系方程：

可以看出，隨著Al粉含量的增大，爆轟能量轉(zhuǎn)化率以指數(shù)規(guī)律降低。這是因?yàn)锳l粉含量增大，含鋁炸藥爆轟的非理想性增強(qiáng)，爆轟反應(yīng)區(qū)增長，在爆轟波陣面上釋放的用于支持爆轟波傳播的能量減小，大部分能量在爆轟波陣面之后釋放出來，對爆轟波的傳播不再有貢獻(xiàn)；而且隨著鋁粉含量的增大，在爆轟波陣面后由于鋁粉與爆轟產(chǎn)物的二次反應(yīng)釋放的能量增大，使得含鋁炸藥的爆熱增大，因而使得爆轟能量轉(zhuǎn)化率降低。

3 結(jié)論

（1）含鋁炸藥的爆壓隨著Al/O摩爾比的增大以指數(shù)規(guī)律降低，爆速以線性規(guī)律降低。

（2）含鋁炸藥的爆熱隨著Al/O摩爾比的增大以三次多項(xiàng)式規(guī)律變化，當(dāng)Al/O摩爾比接近1.0時(shí)，爆熱值達(dá)到最大，而爆轟能量轉(zhuǎn)化率隨Al/O摩爾比增大以指數(shù)規(guī)律降低。

[1]殷海權(quán),潘清,張建亮.鋁粉對炸藥性能的影響[J].含能材料,2004,12(5):318-320.

[2]周俊祥,徐更光,王廷增.鋁化炸藥水下爆炸沖擊波特性分析[J].爆破,2005,22(1):41-51.

[3]陳朗,龍新平,馮長根,蔣小華.含鋁炸藥爆轟[M].北京:國防工業(yè)出版社,2004.

[4]孫業(yè)斌,惠君明.軍用混合炸藥[M].北京:兵器工業(yè)出版社,1995.

[5]馮曉軍.炸藥爆轟參數(shù)對水中爆炸能量輸出結(jié)構(gòu)的影響[D].西安:西安近代化學(xué)研究所,2011.