爆炸作用下Al/Mg/CuO 活性殼體的釋能特性

鄭 騰，梁曉璐，鄭佳辰，趙向軍，賈 宇，胡宏偉

（1. 西安近代化學(xué)研究所，陜西 西安 710065；2. 西安交通大學(xué)，陜西 西安 710049）

1 引言

活性材料及其在彈藥中的應(yīng)用是高效毀傷領(lǐng)域的研究熱點和前沿方向［1-2］，目前，主要用于制備破片或藥型罩等，在爆炸加載下對目標(biāo)產(chǎn)生侵徹、爆燃、擴(kuò)孔等效應(yīng)。活性材料作為殼體主要以兩種形式參與毀傷:一種是裝藥爆轟后殼體形成活性破片，撞擊靶標(biāo)后發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，釋放能量毀傷目標(biāo)；另一種是在炸藥爆炸作用下殼體碎裂成細(xì)小顆粒，顆粒參與爆炸過程中的化學(xué)反應(yīng)釋放能量，提高沖擊波超壓、沖量等。

國內(nèi)外圍繞活性破片配方設(shè)計及制備、沖擊引發(fā)、能量釋放特性等方面開展系列研究工作。Daniel等［3］設(shè)計了多種活性材料配方，形成了金屬?金屬、金屬?聚合物等配方體系。陽世清［4］探索了聚四氟乙烯/鋁（PTFE/Al）活性殼體制備工藝，完善了壓制?燒結(jié)的活性殼體的制備方法。Ames 等［5］測試了PTFE/Al 材料的沖擊起爆行為，獲取了該活性材料在高速撞擊后變形、斷裂行為誘發(fā)的燃爆反應(yīng)閾值。俄羅斯科學(xué)研究院的Alexander 等［6］對Al/Hf 疏松活性材料進(jìn)行了爆轟特性實驗測試，研究了基于炸藥爆炸誘發(fā)材料反應(yīng)的機(jī)制，獲取了Al/Ni、PTFE/Al/Ni 等多種活性材料在高速侵徹鋼靶情況下的反應(yīng)閾值。Lee［7］研究了亞穩(wěn)態(tài)分子間復(fù)合物和纖維復(fù)合活性材料等活性材料的配方和工藝，形成了Al?Ni 等活性材料配方體系。王海福等［8］開展了金屬?聚合物活性破片能量輸出特性研究，提出了通過測量密閉靶標(biāo)容器內(nèi)部壓力來評估活性破片所釋放化學(xué)能的方法。李旭鋒等［9］研究了PTFE/A1 活性破片的終點效應(yīng)，通過“升降法”得到了含能破片對不同蓋板厚度帶殼炸藥的引爆速度閾值。陳進(jìn)等［10］建立了撞擊條件下PTFE/A1 活性材料反應(yīng)效率與準(zhǔn)靜態(tài)壓力的函數(shù)關(guān)系，計算了該活性材料釋放的比化學(xué)能平均值為5583.8 J·g-1，反應(yīng)效率平均為38.34%。

爆破戰(zhàn)斗部殼體通常采用鋁合金、鋼等惰性金屬材料，其占戰(zhàn)斗部的總重約10%，如將惰性殼體材料換成活性材料，在保證強(qiáng)度的情況下，使活性殼體材料參與爆炸反應(yīng)，可大幅提高戰(zhàn)斗部的爆炸威力。國外已研發(fā)了Al/Mg 基金屬活性殼體［11］，其毀傷元主要為活性破片，殼體未參與爆炸反應(yīng)，未能提高沖擊波超壓等威力性能。

為此，本研究采用Al、Mg、CuO 活性金屬粉末為填充材料、纖維為襯層的復(fù)合材料為研究對象，開展活性殼體爆炸加載下釋能特性試驗，分析該活性殼體在爆炸過程中的反應(yīng)時間范圍和能量釋放特性，研究活性材料粒度和殼體尺寸等對沖擊波超壓等性能的影響，為Al/Mg 纖維復(fù)合活性殼體戰(zhàn)斗部的設(shè)計提供理論支撐。

2 試驗

2.1 材料與樣彈

2.1.1 活性材料

為了使活性材料參與爆炸反應(yīng)，必須結(jié)合活性材料釋放能量的大小、加工工藝以及爆炸環(huán)境選擇活性材料。根據(jù)活性材料沖擊釋能研究，選擇了Al 和Mg作為活性材料；結(jié)合炸藥的氧平衡設(shè)計理論，選擇CuO 作為氧化劑，纖維作為骨架材料，既可以保證強(qiáng)度，又可以參加反應(yīng)，Al/Mg/CuO 在空氣條件下發(fā)生了鋁熱反應(yīng)，鋁熱反應(yīng)不需要外界氧化劑參與反應(yīng)，其自身在高溫下就可以發(fā)生反應(yīng)。Al 與CuO/O2、CO2、H2O 等發(fā)生反應(yīng)。Mg 能夠有效改善Al 的燃燒性能。Al?Mg?CuO 體系活性材料發(fā)生的主要化學(xué)反應(yīng)有:

2.1.2 試驗樣彈

Al、Mg 及CuO 活性顆粒首先進(jìn)行機(jī)械研磨，再通過小型混合機(jī)與樹脂進(jìn)行攪拌混合，形成浸潤混合料，然后以纖維為支撐體，通過浸潤工藝，將Al/Mg/CuO浸潤混合料充填在纖維縫隙內(nèi)，最后加壓固化。該工藝既可以保證殼體強(qiáng)度，又可以使殼體在爆炸強(qiáng)沖擊作用下迅速破碎、分散并參與爆炸過程的化學(xué)反應(yīng)釋放能量。

設(shè)計了9 個試驗樣彈，包括活性殼體樣彈（1#、3#、5#、6#、7#）、鋁殼體樣彈（4#和8#）和裸藥柱（2#）三類，活性殼體密度1.9 g·cm-3，鋁殼體采用2A12 鋁合金材料。樣彈的裝藥均為聚奧鋁炸藥（95%HMX/5%黏結(jié)劑），裝藥工藝為真空澆注，固化時間3～5 天。其中5#樣彈活性殼體材料粒徑為20 μm，1#、3#、6#、7#活性殼體材料的粒徑均為7 μm。1#樣彈和4#樣彈用于觀察活性材料殼體的破碎過程，2#、3#、4#樣彈用于對比研究活性殼體的反應(yīng)程度，5#和6#樣彈用于研究材料粒徑大小對活性殼體能量輸出特性的影響，7#和8#樣彈用于驗證大尺寸樣彈能量釋放特性。

2#樣彈的結(jié)構(gòu)如圖1 所示，其余樣彈的結(jié)構(gòu)如圖2所示，鋁殼體和活性殼體樣彈分別如圖3a、3b 所示。

表1 試驗樣彈參數(shù)Table 1 Parameters of test bombs

圖1 裸藥柱結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of bare charge

圖2 帶殼體樣彈結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of test bombs with shells

圖3 鋁殼體和活性殼體樣彈Fig.3 Diagram of test bombs with aluminum shells and reac?tive shells

2.2 試驗布局

2.2.1 活性殼體的破碎試驗

試驗樣品為1#號樣彈，樣彈起爆方式為上端面中心點起爆，裝藥起爆后，爆轟產(chǎn)物強(qiáng)烈壓縮殼體，利用強(qiáng)光燈照射樣彈，并設(shè)置反光鏡片，通過超高速轉(zhuǎn)鏡攝像機(jī)（25×104幅/s）在另一方向拍攝活性殼體在爆炸加載作用下碎裂過程及形態(tài)。試驗布局如圖4 所示。

圖4 殼體破裂試驗場布局Fig.4 Layout of a broken test of shells

2.2.2 活性殼體爆炸加載下釋能試驗

樣彈固定在距地面1.5 m 支架上，2#～6#樣彈設(shè)置1.5，2.0，2.5 m 三個測試點，試驗布設(shè)情況如圖5 所示。7#和8#樣彈設(shè)置3，4，6，9，12，14，18，24 m 共7個測量點，試驗布設(shè)情況如圖6 所示。傳感器高度與樣彈幾何中心一致，起爆方式為上端面中心起爆。

傳感器為PCB137 系列壓力傳感器，量程0～3.45 MPa，線性度≤1%，數(shù)據(jù)采樣速率≥1 MS·s-1，A/D分辨率≥10 bit，采樣長度≥1 s。同時布設(shè)1 臺高速攝影儀，高速攝影儀采集幀頻為1×104幅/s。

圖5 小尺寸樣彈（2#～6#）試驗布局Fig.5 Test layout of small size test bombs（2#-6#）

圖6 30 kg 級樣彈（7#、8#）試驗布局Fig.6 Test layout of 30 kg test bombs（7# and 8#）

3 結(jié)果與討論

3.1 爆炸加載作用下活性材料殼體的破碎過程

活性殼體（3#）和鋁殼體樣彈（4#）在爆炸加載作用下碎裂過程如圖7a 和圖7b 所示。

由圖7 可知，活性殼體在炸藥爆炸加載作用下能夠破碎成微小粒子，在高能炸藥爆炸加載作用下，活性殼體（圖7a）呈現(xiàn)出均勻、細(xì)小的暗光點，而鋁殼碎裂（圖7b）呈現(xiàn)出條狀不均勻的亮帶，對比表明，活性殼體碎裂成細(xì)小顆粒，此時爆轟波陣面還沒有和爆轟產(chǎn)物分離，粉末狀活性材料存在與爆轟產(chǎn)物混合并參與早期爆炸反應(yīng)的可能。

圖7 活性殼體（3#）和鋁殼體（4#）在爆炸加載下碎裂的高速攝像圖片F(xiàn)ig.7 High?speed images broken process of aluminum shell（3#）and reactive shell（4#）under explosion loads

3.2 活性材料殼體的釋能反應(yīng)時間尺度和釋能特性

為了對比活性殼體的釋能效果，對2#（裸藥柱）、3#（活性殼體）和4#（鋁殼）樣彈開展了空中靜爆試驗。利用高速攝像機(jī)（采集幀頻為1 萬幅/s）觀察爆炸火球演化過程（圖8），以驗證活性材料殼體破碎后是否參加了爆炸反應(yīng)，定性分析活性殼體材料的反應(yīng)時間尺度。

圖8 高速攝像機(jī)拍攝的火球演化過程圖像Fig.8 Evolution of fireballs recorded by a high?speed camera

由圖8 可看出，在爆炸加載作用下，200～1000 μs的時間范圍，活性殼體樣彈（3#）的爆炸火球大小、發(fā)光亮度均高于裸藥（2#）和鋁殼裝藥（4#），爆炸火球持續(xù)時間延長1 倍以上，說明活性殼體破碎后參與了爆轟后燃燒反應(yīng)。

2#～4#樣彈的沖擊波超壓測試結(jié)果對比見表2。

由表2 可知，與裸藥（2#）相比，測試范圍內(nèi)，含鋁殼體樣彈（4#）沖擊波超壓均減少，原因為殼體的破碎消耗了爆炸能量?；钚詺んw樣彈的沖擊波超壓出現(xiàn)了先低后高的特性，測試距離0～2.0 m（比例距離小于2.52 m?kg-1/3）范圍內(nèi)沖擊波超壓降低了3%～5%，測試距離2.5 米處（比 例距離3.15 m ?kg-1/3）超壓提高約12%。分析認(rèn)為沖擊波出現(xiàn)在近距離處較低，在遠(yuǎn)距離處較高的原因為:距爆心2.0 m 以內(nèi)，沖擊波超壓降低與活性材料參與爆炸反應(yīng)時間有關(guān)，活性殼體破碎后需要與爆轟產(chǎn)物混合后才能參與反應(yīng)，所以釋放能量的時間相對滯后［12］，在比例距離2.52～3.15 m?kg-1/3范圍內(nèi)，活性材料開始參與爆炸反應(yīng)，沖擊波超壓提高。

表2 2#～4#號樣彈的沖擊波超壓對比Table 2 Comparison of shock wave overpressures of 2#-4#test bombs

3.3 活性材料粒度對爆炸加載反應(yīng)釋能特性的影響

活性殼體材料的粒度對其爆炸反應(yīng)釋能特性具有重要影響，利用5#（20 μm）和6#（7 μm）兩種不同粒度的活性殼體樣彈開展了爆炸加載下反應(yīng)釋能試驗，其沖擊波超壓對比見表3。

表3 兩種不同粒徑的活性殼體樣彈沖擊波超壓對比Table 3 Comparison of overpressures of test bombs with re?active shells of two particle sizes

由表3 可知，當(dāng)活性材料的粒徑由20 μm 減小到7 μm 時，測試距離1.5m 處活性殼體可能還未參與反應(yīng)，沖擊波超壓未提高；測試距離2.0～2.5 m（比例距離2.52～3.15m?kg-1/3）的范圍，活性殼體破碎形成了顆粒參與了爆炸反應(yīng)，與粒徑20 μm（5#）活性材料殼體相比，粒徑7 μm（6#）活性材料殼體沖擊波超壓提高了13.3%～14.4%，可見較小粒徑的活性材料由于比表面積更大，更容易與爆轟產(chǎn)物反應(yīng)。

3.4 活性殼體樣彈的爆炸加載釋能特性驗證

由于2#～6#樣品均為公斤量級，為了研究活性殼體的尺寸及體積效應(yīng)對其能量釋放的影響，所以采用7#和8#樣彈，進(jìn)一步開展了30 kg 級活性與鋁殼體樣彈的釋能試驗，其沖擊波超壓和沖量對比見表4。

由表4 可知，在相同尺寸下，活性殼體（7#）相比于鋁殼體（8#）樣彈在各測試距離上沖擊波超壓均有較大提升，距爆心6～18 m（比例距離2.1～6.3 m?kg-1/3）內(nèi)，超壓增幅18%以上，沖量增幅19%以上；在比例距離8.4 m?kg-1/3處，超壓增幅6%，沖量增幅13%。

兩種30 kg 樣彈（7#、8#）不同距離的沖擊波超壓和沖量的變化曲線如圖9 和圖10 所示。

表4 30 kg 活性與鋁殼殼體樣彈沖擊波超壓及沖量對比Table 4 Comparison of overpressures and impulses of test bombs with reactive shells and aluminum shells

圖9 7#和8#樣彈沖擊波超壓隨測試距離的變化曲線Fig.9 Overpressure vs. distance curves of 7# and 8# test bomb

圖10 7#和8#樣彈沖量隨測試距離的變化曲線Fig.10 Impulse vs. distance curves of 7# and 8# test bomb

由圖9、圖10 可知，活性殼體樣彈在測試距離范圍內(nèi)沖擊波超壓和沖量均有所增加，驗證了3.2節(jié)和3.3節(jié)的試驗結(jié)果。

4 結(jié)論

（1）活性材料能夠在爆炸加載下快速碎裂并在爆轟膨脹階段參加反應(yīng)。對于千克級樣彈，活性殼體樣彈與裸藥相比，活性殼體樣彈的沖擊波超壓出現(xiàn)了近距離低、遠(yuǎn)距離高的特性?；钚詺んw釋放能量時間相對于爆轟反應(yīng)有微秒級延遲，在比例距離2.52～3.15 m?kg-1/3之間，活性材料逐步參與爆炸反應(yīng)，沖擊波超壓逐漸提高；并且與鋁殼體樣彈相比，其火球持續(xù)燃燒時間提高1 倍以上。

（2）活性材料粒徑對釋能的反應(yīng)有顯著影響，活性材料的粒徑由20 μm 減小到7 μm 時，沖擊波超壓提高了13.3%～14.4%，較小粒徑的活性材料更容易與爆轟參物反應(yīng)。

（3）相比鋁殼體戰(zhàn)斗部，以30 kg 活性殼體樣彈為例，在比例距離超過2.1 m?kg-1/3時，活性殼體沖擊波超壓提高較大，最低為18%，隨著比例距離增加到6.3 m?kg-1/3以上時，沖擊波超壓隨著距離的增加而逐步減小，到比例距離8.4 m?kg-1/3處，其沖擊波超壓僅提高了6%。