鋁粉粒度和爆炸環(huán)境對含鋁炸藥爆炸能量的影響

馮曉軍，王曉峰，李媛媛，徐洪濤

（西安近代化學(xué)研究所，陜西 西安710065）

引 言

提高炸藥的爆炸能量一直是炸藥設(shè)計者最為關(guān)心的問題［1］。人們在長期的研究和使用過程中發(fā)現(xiàn)，提高炸藥的爆炸能量最有效而又簡便的方法是向炸藥配方中加入能夠放出高熱值的金屬可燃劑［2］。由于鋁粉具有較高的氧化熱、低廉的價格及廣泛的來源等優(yōu)點，而且又有很強的后燃燒效應(yīng)，已經(jīng)在含鋁炸藥、溫壓炸藥等高威力混合炸藥配方中作為高熱值金屬可燃劑得到了廣泛應(yīng)用。

為了使鋁粉在炸藥爆炸過程中發(fā)揮最佳的作用，國內(nèi)外研究者開展了大量的工作研究鋁粉對炸藥爆炸性能的影響。William［3］等研究了含鋁炸藥起爆后，鋁粉被加熱的早期動力學(xué)特性；Gert Bjam-holt［4］研究了化學(xué)反應(yīng)后期熱量從Al2O3傳遞到膨脹氣體對外作功方面的問題；M.N.Makhov［5］等人研究了不同鋁粉粒度的含鋁炸藥對金屬薄片的加速能力；馮曉軍［6］等人研究了鋁粉對含鋁炸藥爆壓和空中爆炸沖擊波參數(shù)的影響特性；韓勇［7］等人利用不同直徑的圓筒試驗研究了含鋁炸藥的爆炸作功能力。本研究采用自行設(shè)計的恒溫式爆熱量熱計測量了不同粒度含鋁炸藥在不同爆炸環(huán)境中的爆炸能量，分析了鋁粉粒度和爆炸環(huán)境對含鋁炸藥爆炸能量的影響規(guī)律，以期為含鋁炸藥配方設(shè)計和應(yīng)用提供幫助。

1 實 驗

1.1 樣品的制備

選用以HMX 為基的含鋁炸藥，配方見表1。鋁粉規(guī)格為片狀，粒徑分別為13μm 和130μm。采用澆注成型工藝制備成Φ40mm×50mm 的藥柱，利用裝藥尺寸為Φ15mm×15mm 的壓裝JH-14傳爆藥進(jìn)行端面中心起爆。

表1 含鋁炸藥配方Table 1 Formulation of aluminized explosive

1.2 爆炸能量測量裝置

采用自行設(shè)計的恒溫式爆熱量熱計測量含鋁炸藥在不同環(huán)境下的爆炸能量，量熱計裝置如圖1所示，最大試驗藥量為200gTNT當(dāng)量［8］。采用美國FLUKE1529型溫度記錄儀、FLUKE5642型電阻溫度計測量和采集爆熱量熱計內(nèi)桶溫度的變化；用HW-1型恒溫控制儀對量熱計外桶溫度進(jìn)行恒溫控制。

1.3 試驗方法

將被測含鋁炸藥試樣懸掛在爆熱彈內(nèi)并密封，然后將爆熱彈抽真空或者充入1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的空氣后，在爆熱量熱計內(nèi)采用恒溫法原理進(jìn)行測量，分別得到用兩種不同粒度鋁粉制備成的HMX 基含鋁炸藥在真空條件和1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓空氣條件下的爆炸能量。

圖1 測量爆炸能量恒溫裝置示意圖Fig.1 Isothermal apparatus scheme for measuring energy of explosion

恒溫量熱法測量含鋁炸藥爆炸能量的步驟如下［9］：（1）預(yù)備期，調(diào)節(jié)控溫儀，使內(nèi)桶溫度達(dá)到穩(wěn)定，然后將外桶升高一定的溫度，使內(nèi)外桶之間有一定的溫度差；（2）等待期，外桶升溫結(jié)束后等待外桶溫度穩(wěn)定，滿足15min 內(nèi)溫度波動不大于0.02℃；（3）試驗初期，維持20min，每分鐘記錄一次溫度，然后起爆試樣；（4）試驗主期，持續(xù)一定的時間，每分鐘記錄一次溫度，直到炸藥試樣的熱量全部釋放出來；（5）試驗?zāi)┢?，維持20min，每分鐘記錄一次溫度，結(jié)束試驗，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，按照式（1）求出不同環(huán)境溫度下含鋁炸藥的爆炸能量。

式中：Q為被測炸藥試樣的爆炸能量，J／g；C為量熱計系統(tǒng)的熱容，J／℃；M2為JH-14 傳爆藥的質(zhì)量，g；Q2為JH-14傳爆藥的爆炸能量，J／g；q為雷管的爆炸能量，J；Δt為炸藥試樣爆炸釋放的能量使量熱計內(nèi)桶升高的溫度，℃。

2 結(jié)果與討論

按照式（1）計算出不同粒度鋁粉的含鋁炸藥在真空和1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓空氣條件下的爆炸能量，結(jié)果見表2，將爆炸能量隨鋁粉含量的變化作圖，如圖2所示。

表2 含鋁炸藥的爆炸能量Table 2 Energy of explosion of aluminized explosive

圖2 爆炸能量隨鋁粉含量的變化曲線Fig.2 Energy of explosion versus Al powder content

2.1 爆炸環(huán)境對含鋁炸藥爆炸能量的影響

從表2和圖2可以看出，含細(xì)鋁粉和含粗鋁粉的含鋁炸藥在1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓空氣中的爆炸能量均大于真空條件下的爆炸能量。由含鋁炸藥爆炸理論分析可知，含鋁炸藥的爆炸釋能過程可以分為兩個階段：第一階段是含鋁炸藥中主炸藥，如HMX 的爆轟能量釋放過程，該能量釋放速率極快，大約持續(xù)數(shù)微秒，此時鋁粉還未參與爆炸反應(yīng)，但其會從主炸藥爆轟釋放的能量中吸收一部分用于升高自身的溫度；第二階段是加熱的鋁粉顆粒與主炸藥的爆轟產(chǎn)物如H2O、CO、CO2等發(fā)生氧化還原反應(yīng)釋放能量。由于含鋁炸藥配方中的氧含量有限，在真空條件下爆炸時，含鋁炸藥配方中的鋁粉不可能完全發(fā)生氧化反應(yīng)生成Al2O3而釋放大量能量，仍會有一部分鋁粉只是吸熱而不會參加放熱反應(yīng)，如果在爆熱彈內(nèi)充入1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的空氣，因為含鋁炸藥在爆熱彈內(nèi)封閉的環(huán)境中爆炸，其灼熱的爆轟產(chǎn)物及鋁粉顆粒被限制在一定的體積范圍內(nèi)，不會發(fā)生大尺度的飛散和降溫，此時的鋁粉顆粒仍具有發(fā)生燃燒反應(yīng)的能力，因此爆熱彈內(nèi)的空氣就成為含鋁炸藥配方中的一個額外組分，使未完全氧化的鋁粉繼續(xù)與空氣中的氧元素發(fā)生氧化還原反應(yīng)而釋放能量，從而使含鋁炸藥在空氣中的爆炸能量值增加。

從表2中還可以看出，炸藥中不論是含細(xì)鋁粉還是含粗鋁粉，當(dāng)鋁粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于30%時，1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓空氣條件下的爆炸能量值比真空條件下的爆炸能量值高700～890J／g，其爆炸能量增加值基本為11%～13%，這可以定性地認(rèn)為，由于充入到爆熱彈內(nèi)的氧氣含量是一定的，因此與鋁粉額外反應(yīng)釋放的能量值基本是一定的。但當(dāng)鋁粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到35%時，含細(xì)鋁粉的含鋁炸藥在空氣中的爆炸能量比真空條件下的爆炸能量提高了大約34%，而粗鋁粉的含鋁炸藥爆炸能量增加值基本未變，這主要是由于鋁粉的粒度不同引起，這也可以說明，在鋁粉含量增加后，爆炸環(huán)境對細(xì)鋁粉含鋁炸藥爆炸能量的影響要大于粗鋁粉的含鋁炸藥。

2.2 鋁粉粒度對含鋁炸藥爆炸能量的影響

由表2和圖2可以看出，在真空條件下，當(dāng)鋁粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于10%時，細(xì)鋁粉含鋁炸藥的爆炸能量大于粗鋁粉的含鋁炸藥，當(dāng)鋁粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過10%后，粗鋁粉含鋁炸藥的爆炸能量反而大于細(xì)鋁粉含鋁炸藥，但是兩者差別不是很大，直到鋁粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到25%后，兩者的差別才明顯增大，鋁粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到30%時，隨著鋁粉含量的繼續(xù)增加，細(xì)鋁粉的含鋁炸藥爆炸能量明顯快速降低，而粗鋁粉的含鋁炸藥爆炸能量仍繼續(xù)增加，當(dāng)鋁粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到35%時，仍呈增加趨勢，當(dāng)鋁粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為35%時，細(xì)鋁粉的含鋁炸藥爆炸能量比粗鋁粉的含鋁炸藥降低了近40%。在1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓空氣條件下，粗鋁粉的含鋁炸藥爆炸能量始終大于細(xì)鋁粉的含鋁炸藥，但兩者差別也不是很大，只是當(dāng)鋁粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到25%后才開始有明顯的差別，同樣，當(dāng)鋁粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到30%后，細(xì)鋁粉含鋁炸藥的爆炸能量快速降低，而粗鋁粉含鋁炸藥的爆炸能量仍有增加，當(dāng)鋁粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為35%時，爆炸能量仍有增大的趨勢，在鋁粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為35%時，細(xì)鋁粉含鋁炸藥的爆炸能量比粗鋁粉含鋁炸藥降低了18%。

分析認(rèn)為，鋁粉粒度較小時，比表面積大，導(dǎo)熱速率也快，當(dāng)含鋁炸藥中細(xì)鋁粉含量較少時，在真空條件下，主炸藥爆轟時釋放的能量可以快速使細(xì)顆粒鋁粉整體加熱到可發(fā)生氧化還原反應(yīng)的溫度閾值，從而使細(xì)鋁粉以較快的速率發(fā)生反應(yīng)釋放出能量，但對含鋁炸藥中的粗顆粒鋁粉而言，其得到的主炸藥爆轟能量只能使鋁顆粒表面部分達(dá)到反應(yīng)溫度閾值，鋁顆粒內(nèi)部的溫度相對較低，而且發(fā)生反應(yīng)所需的氧量有限，因此參與反應(yīng)的鋁粉含量相對較少，而且內(nèi)部未參加反應(yīng)的鋁粉仍要吸收部分熱量，使得在鋁粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于10%時，細(xì)鋁粉的含鋁炸藥爆炸能量高于粗鋁粉的含鋁炸藥。但在1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的空氣條件下，由于有部分氧氣的補充，使得主炸藥爆轟時生成的CO2增大，導(dǎo)致爆轟環(huán)境的溫度更高，促使在真空條件下可能不會發(fā)生放熱反應(yīng)的部分鋁粉發(fā)生了反應(yīng)，相當(dāng)于增加了鋁粉反應(yīng)的完全性，使得爆炸能量增加，因此，在1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的空氣條件下，鋁粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于25%時，鋁粉粒度對爆炸能量的影響不是很明顯。

在含鋁炸藥中隨著鋁粉含量的增加，主炸藥含量減少，第一階段主炸藥爆轟釋放的能量總量會減少，由于細(xì)顆粒鋁粉的導(dǎo)熱速率大于粗顆粒鋁粉，因此細(xì)顆粒鋁粉從含鋁炸藥爆炸反應(yīng)第一階段得到的熱量要遠(yuǎn)大于粗顆粒鋁粉，相當(dāng)于細(xì)顆粒含鋁炸藥的熱量分散度大于粗顆粒含鋁炸藥，因此使得大量的細(xì)顆粒鋁粉雖然被加熱但卻不會達(dá)到反應(yīng)的溫度閾值，而只有很少一部分得到熱量的鋁粉顆粒發(fā)生氧化反應(yīng)釋放能量，未反應(yīng)的鋁粉顆粒相當(dāng)于惰性吸熱物質(zhì)，反而對鋁粉的后續(xù)氧化反應(yīng)不利。相反，由于粗顆粒鋁粉的導(dǎo)熱速率較小，因此從含鋁炸藥爆炸第一階段得到的熱量較少，但是其熱量相對較為集中，因此可以使部分鋁粉很快達(dá)到反應(yīng)溫度閾值而發(fā)生氧化反應(yīng)釋放出能量，并傳遞給相鄰鋁粉顆粒繼續(xù)反應(yīng)，這雖然在反應(yīng)速率上要比細(xì)顆粒含鋁炸藥慢，但可以使更多的鋁粉達(dá)到反應(yīng)溫度閾值而發(fā)生釋能反應(yīng)。由于爆炸能量測量是一個不考慮化學(xué)反應(yīng)速率的熱力學(xué)過程，因此，從最終的爆炸能量總量上，粗顆粒的含鋁炸藥會大于細(xì)顆粒含鋁炸藥。

當(dāng)鋁粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過30%后，細(xì)顆粒鋁粉的高傳熱速率和高熱量分散性的影響會更大，導(dǎo)致大量鋁粉被加熱，卻都無法達(dá)到發(fā)生反應(yīng)的溫度閾值，反而會大量吸收含鋁炸藥第一階段爆炸釋放出來的能量，相當(dāng)于炸藥配方中吸熱的惰性物質(zhì)大量增加，因此使含鋁炸藥的爆炸能量值快速降低；而粗顆粒的逐步加熱集中反應(yīng)方式會使更多的鋁粉參與反應(yīng)，因此爆炸能量仍有一定的增加趨勢。

3 結(jié) 論

（1）不論是含細(xì)鋁粉還是含粗鋁粉的含鋁炸藥，在空氣中的爆炸能量均大于真空條件下的爆炸能量，鋁粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于30%時，1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓空氣條件下的爆炸能量比真空條件下的爆炸能量增加值基本在11%～13%。

（2）真空爆炸條件下，當(dāng)鋁粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于10%時，細(xì)鋁粉的含鋁炸藥爆炸能量優(yōu)于粗鋁粉的含鋁炸藥，當(dāng)鋁粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于10%時，粗顆粒的含鋁炸藥爆炸能量優(yōu)于含細(xì)鋁粉的含鋁炸藥。

（3）當(dāng)鋁粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過30%時，無論是在真空條件還是1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的空氣條件，隨著鋁粉含量的增加，細(xì)顆粒含鋁炸藥的爆炸能量快速降低，而粗顆粒含鋁炸藥在鋁粉達(dá)到35%時，爆炸能量仍呈增加趨勢。

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