含鋁纖維復(fù)合炸藥的能量輸出和力學(xué)強(qiáng)度*

廖學(xué)燕,沈兆武,姚保學(xué),董樹男,馬宏昊,蔣耀港

(1.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)近代力學(xué)系,安徽 合肥230026;2.西安近代化學(xué)研究所,陜西 西安710065)

鋁作為高熱值和低成本的金屬,通常以粉末的形式被加入到炸藥中,以提高炸藥的爆熱、沖擊波效應(yīng)和水中氣泡能等效果。但是鋁粉在炸藥中是潛在的熱點(diǎn),當(dāng)炸藥受到?jīng)_擊的時(shí)候,鋁粉就成為熱點(diǎn)[1],導(dǎo)致炸藥的感度提高。近年來,隨著納米技術(shù)的發(fā)展,納米鋁粉對(duì)炸藥的能量影響成為關(guān)注的熱點(diǎn)[2-3]。鋁粉顆粒越細(xì),燃燒反應(yīng)越快,而爆轟前鋁表面氧化層所占的比例越大,導(dǎo)致活性鋁的含量越低,鋁的有效利用率也就越低。Alex 鋁(100 ～200 nm)活性鋁含量只有85%～88%[4],普通鋁粉活性鋁含量大于99%;納米鋁粒徑從50 nm 減小到20 nm,納米鋁粉反應(yīng)放熱從3.721 kJ/g 減少到0.928 kJ/g[5]。如何提高鋁比表面積,同時(shí)保證鋁的活性度,就成為重要的問題。碳纖維對(duì)無(wú)殼藥柱力學(xué)性有一定的增強(qiáng)作用,加入碳纖維的藥柱壓縮強(qiáng)度由原來的1.244 5 kg/mm2提高到1.966 7 kg/mm2[6]。但是碳纖維對(duì)彈藥能量貢獻(xiàn)不大。

本文中,將鋁纖維加入炸藥,制備含鋁纖維復(fù)合炸藥,同時(shí)探討炸藥能量輸出問題和力學(xué)強(qiáng)度問題。一方面,在炸藥爆炸前,鋁纖維作為纖維增強(qiáng)材料,能對(duì)炸藥基體起到增強(qiáng)作用,實(shí)現(xiàn)力學(xué)強(qiáng)度增強(qiáng);另一方面,在炸藥爆轟時(shí),爆轟產(chǎn)物高溫、高壓作用下,鋁纖維被撕裂成小單元顆粒,裸露出大量的沒氧化層的“新鮮”表面。這些“新鮮”表面在爆轟產(chǎn)物中快速燃燒釋放出大量的熱量,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)炸藥能量輸出的提高。通過空中爆炸沖擊波超壓實(shí)驗(yàn),研究鋁纖維對(duì)炸藥能量輸出的影響;通過抗壓實(shí)驗(yàn),研究鋁纖維對(duì)炸藥抗壓強(qiáng)度的影響。

1 理論分析

含鋁炸藥因?yàn)橛袖X粉參加反應(yīng):一方面,含鋁爆炸反應(yīng)非常復(fù)雜,理想爆轟模型已經(jīng)不適用;另一方面,復(fù)合炸藥對(duì)炸藥組分、鋁粉形狀和尺寸、約束條件、炸藥尺寸等影響因素很敏感。加上炸藥爆轟本身高溫、高壓、高速等特點(diǎn),含鋁炸藥爆轟的研究很困難,至今未能得出統(tǒng)一的結(jié)論。J.M.Philip[7]將含鋁炸藥的爆轟反應(yīng)分成2 個(gè)階段:第1 個(gè)階段(CJ 反應(yīng)區(qū)內(nèi)),含鋁炸藥的炸藥組分爆轟分解,生產(chǎn)爆轟產(chǎn)物,并釋放大量熱量,有少部分鋁參與第1 階段的反應(yīng);第2 階段(CJ 面后),Al 在高溫高壓的條件下與和等爆轟產(chǎn)物快速燃燒,形成最終產(chǎn)物并釋放大量的熱量。含鋁炸藥輸出總能量為

式中:Ee為復(fù)合炸藥爆炸所釋放的質(zhì)量總能量;ECH 為炸藥組分釋放的質(zhì)量能量;w CH 為炸藥組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為復(fù)合炸藥中鋁的初始質(zhì)量分?jǐn)?shù);λA l為鋁的反應(yīng)度;QAl為鋁反應(yīng)生產(chǎn)的質(zhì)量熱量。對(duì)于相同組分的含鋁炸藥,QAl和ECH相等,因此改變鋁的質(zhì)量分?jǐn)?shù)wAl和反應(yīng)度λAl,就可以改變含鋁炸藥的能量輸出[8-9]。鋁對(duì)爆炸作用的影響不但和鋁釋放的總能量有關(guān),而且還與鋁能量釋放的速度有關(guān),單位時(shí)間內(nèi)鋁反應(yīng)的質(zhì)量為[10]

式中:ρA l為鋁的密度,SP 為鋁的表面積,N P 為鋁的體積顆粒數(shù),﹒a 為鋁燃燒面速度,T G 為爆轟產(chǎn)物的溫度,T*為的熔化溫度。為海氏函數(shù),當(dāng)時(shí),,否則,H(TGT*)=0。假定在相同條件下,)為常數(shù),若要提高﹒mAl,可以改變SP、N P,即改變鋁表面積。直接的方式是減小鋁顆粒的粒徑,如超細(xì)鋁粉、納米鋁粉,但研究結(jié)果卻有較大差異[2-3]。其中的一個(gè)重要原因是,鋁顆粒越細(xì),表面被氧化的鋁含量就越大,活性鋁的含量就越低。A lex 鋁含活性鋁只有85%～88%[5],納米鋁粒徑從50 nm 減小到20 nm,納米鋁粉反應(yīng)放熱從3.721 kJ/g 減少到0.928 kJ/g[6]。因此為了有效提高鋁的質(zhì)量反應(yīng)速度,不僅要求鋁的比表面積大,而且要求鋁活性度高。

為了解決上述矛盾,本文中用鋁纖維取代傳統(tǒng)的鋁顆粒,制得含鋁纖維炸藥。一方面,在爆轟前,鋁纖維避免了表面積過大,導(dǎo)致的活性鋁含量過低的問題。因?yàn)橄嗤|(zhì)量的纖維狀鋁的表面積小于顆粒狀鋁,鋁纖維氧化層的面積小于鋁顆粒。另一方面,爆轟反應(yīng)時(shí),鋁纖維迅速斷裂成小尺寸鋁顆粒,增加了大量的燃燒表面,因此鋁能快速燃燒釋放熱量,以提高復(fù)合炸藥總能量。因?yàn)檎ㄋ幈Z時(shí),炸藥組分先反應(yīng),生成高溫、高壓和高速湍流的中間產(chǎn)物,把鋁纖維迅速粉碎成小尺寸的鋁顆粒,提高了鋁纖維的比表面積,鋁的質(zhì)量反應(yīng)速度也提高;同時(shí)鋁纖維斷裂處會(huì)裸露出沒有氧化層的“新鮮”表面,這些“新鮮”表面燃燒速度高于有表面氧化層包裹的鋁。

根據(jù)纖維增強(qiáng)機(jī)理,合理地加入纖維能增強(qiáng)基礎(chǔ)材料的力學(xué)性能。在炸藥中加入鋁纖維,可提高炸藥的強(qiáng)度。在炸藥爆轟前,鋁纖維作為增強(qiáng)纖維材料,可以在炸藥內(nèi)部起到橋連作用,使鋁纖維和炸藥形成一個(gè)復(fù)合整體,改善復(fù)合炸藥的成型效果;當(dāng)含鋁纖維炸藥受到外界應(yīng)力時(shí),鋁纖維和炸藥形成一個(gè)復(fù)合整體產(chǎn)生協(xié)同作用,提高炸藥的力學(xué)強(qiáng)度。

2 炸藥制備

原料有 TNT、RDX、添加劑和鋁纖維,將原料按一定配比加工成藥柱。鋁纖維的等效直徑80 μs、長(zhǎng)度2 mm。炸藥配方和藥柱參數(shù)見表1。

表1 炸藥配方和藥柱參數(shù)Table 1 Formulations of explosives

3 空中爆炸沖擊波超壓實(shí)驗(yàn)

3.1 空中爆炸實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1 所示,主要設(shè)備有爆炸容器、壓電式壓力傳感器、電荷放大器、示波器和起爆器。爆炸容器尺寸為?2.4 m×5 m,鋼板壁厚7 cm。傳感器與藥包固定在爆炸容器中軸線上,水平距離為94 cm。雷管為無(wú)起爆藥導(dǎo)爆管雷管,RDX 藥量1 g。實(shí)驗(yàn)設(shè)定信號(hào)采樣頻率為5 M Hz,采樣時(shí)間為50 ms。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置Fig.1 Experimental system

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)測(cè)得的壓力時(shí)程曲線如圖2 所示。炸藥的沖擊波壓力峰值見表2。

圖2 壓力時(shí)程曲線Fig.2 Curves of pressure

表2 空中爆炸實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 2 Experimental results of air blast

根據(jù)爆炸相似理論[11]

式中:pm 為空中沖擊波超壓峰值,MPa;R 為考慮點(diǎn)到爆心的距離,m;W 為炸藥質(zhì)量,為炸藥A 爆熱與TN T 爆熱的比值;令,根據(jù)實(shí)驗(yàn)可以擬合得到球形藥包在空中點(diǎn)爆炸的沖擊波超壓峰值經(jīng)驗(yàn)公式[11]

實(shí)驗(yàn)中,測(cè)點(diǎn)到爆心的距離與炸藥半徑比為38,可以將炸藥近似為球形。20、50 g 的TNT 在94 cm 處時(shí),1/φ分別為3.46、4.2,滿足式(4)適用范圍,計(jì)算結(jié)果見表2。

從圖2 和表2 可以看出,加入鋁纖維后,能提高TN T 和RDX 炸藥空中爆炸的沖擊波超壓:TN T的超壓峰值增加至純TN T 的1.19 倍,爆熱提高至原來的1.29 倍;RDX 的超壓峰值提高至純RDX 的1.20 倍,爆熱提高至TN T 的1.64 倍,RDX 的1.31 倍。鋁纖維能有效提高炸藥的能量輸出,可以認(rèn)為:在爆轟時(shí),炸藥組分先反應(yīng),產(chǎn)生的高溫、高壓和不穩(wěn)定流場(chǎng)將鋁纖維粉碎成小尺寸鋁顆粒,鋁纖維斷裂處裸露出沒有氧化層包裹的“新鮮”表面,這些“新鮮”表面與爆轟產(chǎn)物一接觸即發(fā)生快速燃燒,釋放大量的熱量,提高了炸藥的總能量。

4 力學(xué)強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)

TN T 和TN T/Al 纖維試件尺寸為?42.5 mm×38.5 mm,采用WDW4100 型萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī),加載速度為0.8 mm/min。TN T/Al 纖維的應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖3,未測(cè)得TN T 應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)。試件破壞效果如圖4。

TN T 澆鑄成型冷卻后,出現(xiàn)明顯的不規(guī)則孔隙,當(dāng)試件被加載時(shí),裂紋擴(kuò)展,直到試件被破壞,破壞應(yīng)變一般為0.007[12],破壞的TNT 試件分裂出許多大塊TNT 碎片,表現(xiàn)出明顯的脆性。TN T 中加入鋁纖維后,鋁纖維在TNT 內(nèi)起到連接作用,炸藥形成一個(gè)復(fù)合整體,澆鑄藥柱沒有發(fā)現(xiàn)孔隙。鋁纖維改善了TN T 的成型效果。從圖4 可以看出,初始階段試件被壓實(shí),被壓實(shí)以后,承載能力提高,接著塑性加載到最大抗壓6.87 MPa,應(yīng)變?yōu)?.043,然后試件沒有立即碎裂卸載,而是出現(xiàn)平緩卸載階段。應(yīng)變到0.06 時(shí)試件仍沒出現(xiàn)純TNT 似的破碎解體,呈現(xiàn)出較好的韌性。實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí),試件中出現(xiàn)一條明顯的裂縫,裂縫與中軸線成約45°。可見,鋁纖維提高了TN T 炸藥的成型效果和整體力學(xué)強(qiáng)度。

圖3 TNT/Al 纖維試件應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.3 Stress-strain curve of TNT/Al fibre

圖4 破壞效果圖Fig.4 Failure patterns

5 結(jié) 論

(1)用鋁纖維代替鋁顆粒制備復(fù)合炸藥,可以解決鋁比表面積和活性度的矛盾。對(duì)相同直徑的鋁纖維和鋁顆粒,爆轟前,鋁纖維比表面積較小,解決了鋁活性度的問題。爆轟反應(yīng)時(shí),鋁纖維迅速斷裂成小尺寸鋁顆粒,比表面積得到迅速提高,確保了鋁的反應(yīng)速率。

(2)鋁纖維能有效提高炸藥的能量輸出。加入Al 纖維(w A l=0.20)后,TN T 超壓峰值增加為純TN T 的1.19 倍,爆熱提高為純TN T 的1.29 倍;RDX 超壓峰值提高為純RDX 的1.20 倍,爆熱為TN T 的1.64 倍,是RDX 的1.31 倍。

(3)鋁纖維加入炸藥,可以對(duì)炸藥起到纖維增強(qiáng)的作用,使炸藥形成一個(gè)復(fù)合整體,能改善炸藥整體成型效果。

(4)鋁纖維在炸藥內(nèi)起到有效的連接作用,與外界應(yīng)力產(chǎn)生協(xié)同作用,得到纖維增強(qiáng)復(fù)合炸藥,提高炸藥的力學(xué)強(qiáng)度。

簡(jiǎn)單加入鋁纖維,同時(shí)提高了炸藥的能量輸出和力學(xué)強(qiáng)度,可以為設(shè)計(jì)現(xiàn)代高性能炸藥提供一個(gè)新的方向。下一步可以通過改變鋁纖維的直徑、長(zhǎng)徑比和含量,尋找合適的含鋁纖維炸藥配方。

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