不同制備工藝對含納米鋁粉炸藥機械感度的影響

封雪松，姚李娜，趙省向，王淑萍

（西安近代研究所， 陜西 西安，710065）

含鋁炸藥作為一類高密度、高爆熱的高威力炸藥，已被廣泛應用在水中兵器和對空武器彈藥[1]，但納米鋁粉在火炸藥中的應用研究很少。目前國內外關于納米鋁粉在含能材料方面的應用己經取得了很大的進展[2]。與普通鋁粉相比，納米鋁粉具有反應速率更快、反應完全率更高的特點。據(jù)國外研究報道[3-4]，在HTPB復合推進劑中，加入20% Alex（ARGONIDE公司產品），與同樣含量普通鋁粉相比，燃燒速率可以提高70%。

納米鋁粉作為提高火炸藥反應性能的一種金屬粉，在炸藥中的應用安全性成為目前研究的熱點。本文采用機械干混法、直接混合造粒法、熔融混合法等工藝制備了RDX基炸藥、TNT基炸藥，對其撞擊感度和摩擦感度進行了測試分析，研究不同制備工藝下含納米鋁粉炸藥的機械感度，并與含微米鋁粉炸藥進行對比，為納米鋁粉在炸藥中的安全使用提供依據(jù)。

1 試驗

1.1 原材料

納米 Al（100～200nm）；微米鋁粉（4.5～5.5μ m）；RDX；TNT；石蠟；含氟粘結劑；石墨。

1.2 測試儀器與方法

儀器：DM-l型摩擦感度儀，H3.5-10W落錘式撞擊感度儀。

1.2.1 撞擊感度試驗

采用經過標定的H3.5-10W落錘式撞擊感度儀測定炸藥試樣的撞擊感度，根據(jù) GJB772A-97標準中601.2試驗方法測定，落錘質量：10kg；藥量：(50±1) mg。

1.2.2 摩擦感度試驗

試驗按照GJB772A．97標準中602．1試驗方法測定炸藥試樣的爆炸百分數(shù)。表壓：3.92MPa；擺角：(90±1)°；藥量：(50±1)mg。

1.3 樣品制備

1.3.1 機械干混法

采用機械干混工藝，稱取 RDX/W（97/3）和不同含量納米鋁粉，機械搖勻混合，制備成粉狀炸藥樣品；同樣工藝制備含片狀Al粉的混合炸藥。鋁粉含量分別為20%、25%、30%、35%、40%。

1.3.2 直接混合造粒法

樣品由RDX/W（97/3）、納米鋁和5%粘結劑組成，稱取 RDX/W（97/3）和不同含量納米鋁粉，加入粘結劑溶液中，機械攪拌均勻，溶劑揮發(fā)后過篩造粒，制備成粒狀炸藥樣品。樣品干燥后，外混入1%的石墨。

1.3.3 熔融混合造粒法

以TNT炸藥為基，納米鋁含量分別為10%、20%，在 TNT熔融狀態(tài)下加入納米鋁粉機械混合均勻，導入樣品袋中揉搓成細粉，冷卻即為炸藥試樣。納米鋁含量為30%時，由于納米鋁粒度小、比表面積大，難以在熔融條件下均勻混合，故采用TNT細粉與納米鋁干混均勻，用石蠟包覆造粒，外混石墨。

2 結果與討論

2.1 機械干混工藝對炸藥機械感度的影響

采用機械干混工藝混合納米鋁粉與石蠟包覆RDX，含納米鋁粉炸藥的機械感度遠高于含片狀鋁粉的炸藥。由于納米鋁粉的粒度小、比表面積大，在機械作用下易于產生熱點；干混后炸藥試樣的堆積密度較低，顆粒間的空隙較多，在撞擊和摩擦過程中形成熱點較多，因此機械感度較高，試驗數(shù)據(jù)見表1。

表1 含納米鋁炸藥與含片狀鋁炸藥的機械感度Tab.1 The mechanical sensitivity of RDX-based explosive with nano- Al and flake- Al powders

2.2 直接混合造粒工藝對炸藥機械感度的影響

采用直接混合造粒工藝的機械感度見表2，由于粘結劑的包覆和石墨的潤滑，含納米鋁粉炸藥的機械感度得以降低，能夠滿足炸藥的安全性要求；隨著納米鋁含量的增加， RDX基炸藥的撞擊感度逐步增加，且含量高至40%時，撞擊感度顯著增大；而含微米鋁粉炸藥的撞擊感度基本穩(wěn)定；這說明在撞擊和摩擦的機械作用下，納米鋁的反應活性遠高于微米鋁粉。

表2 含納米鋁炸藥與含微米鋁炸藥的機械感度Tab.2 The mechanical sensitivity of RDX-based explosive with nano-Al and micro-Al powders

2.3 熔融混合造粒工藝對炸藥機械感度的影響

在以TNT為基的炸藥中，采用熔融TNT與納米鋁混合造粒工藝，其機械感度數(shù)據(jù)見表3。由表3可見，當納米鋁含量為10%和20%時， TNT基炸藥的機械感度較低，基本滿足使用要求；當活性鋁含量為30%時，由于采用干混工藝，其機械感度急劇升高，說明TNT的包覆作用能夠降低含納米鋁炸藥的機械感度，而機械干混工藝不利于感度的降低。

為了降低干混試樣（TNT/Al（納）=70/30）的感度，后采用 2%石蠟包覆干混顆粒，過篩造粒后外混1%石墨，其撞擊和摩擦感度分別降至56%和20%，達到使用要求。

表3 TNT基含鋁炸藥的機械感度Tab.3 The mechanical sensitivity of TNT-based explosive with nano-Al and micro-Al powders

2.4 討論

在相同制備工藝條件下，對于含微米鋁炸藥和含納米鋁炸藥的機械感度和成型密度出現(xiàn)較大差異的原因，可以分析如下：

（1）納米鋁顆粒的平均直徑為140 nm，而微米鋁顆粒的直徑在 4.5～5.5μm，納米鋁粉的粒徑遠低于微米鋁粉，而納米鋁粉的比表面積遠高于微米鋁粉，鋁粉形貌呈蓬松狀態(tài)。

（2）納米鋁和微米鋁的堆積密度和孔隙率不同。在試驗中發(fā)現(xiàn)，相同質量的納米鋁體積遠大于微米Al，用乙酸乙酯分散時納米鋁所需的溶劑量也遠大于微米Al，說明納米鋁-1的堆積密度遠低于微米Al，納米鋁顆粒之間空隙率遠高于微米鋁。

（3）從納米鋁的SEM圖片可見，顆粒之間存在大量團聚，使其在炸藥中的分散性和分散均勻性不好，內部空穴增大，導致含納米鋁炸藥的組分均勻性較差。

以上3點使含納米鋁的炸藥顆粒在外力的撞擊和摩擦過程中，炸藥的熱點易于形成，造成炸藥機械感度升高。

3 結論

（1）采用機械干混工藝、直接混合造粒工藝、熔融混合工藝制備含納米鋁粉炸藥，試樣的撞擊感度和摩擦感度均高于相應含微米鋁粉的炸藥，且隨納米鋁粉含量的增加，呈現(xiàn)出上升的趨勢；

（2）由于直接混合造粒工藝和熔融混合工藝能夠實現(xiàn)對納米鋁粉的包覆，因此其試樣的撞擊感度和摩擦感度較低；機械干混工藝中由于納米鋁粉未被包覆，在撞擊和摩擦作用下，產生較強的反應性；

（3）對機械干混工藝的試樣采用石蠟包覆，并外混石墨進行鈍感，能夠降低其撞擊感度和摩擦感度，使其滿足炸藥對安全性的要求。

[1]陳朗,張壽齊,趙玉華.不同鋁粉尺寸含鋁炸藥加速金屬能力的研究[J].爆炸與沖擊,1999,19(3):45-47.

[2]黃輝,黃勇,李尚斌.含納米級鋁粉的復合炸藥研究 [J].火炸藥學報,2002,25(2):1-3.

[3]Mench M M, Kuo K K, Yeh C L.et al.Comparison of the thermal behavior of regular and ultra-Fine Aluminum Powders (Alex) made from plsma explosion process [J].Combustion Science and Technology, 1998,135 (1-6):269-292.

[4]Brousseau P, Anderson C J.Nanometric Aluminum in Explosives [J].Propellants, Explosives, Pyrotechnics, 2002,27(5):300-306.