納米鋁粉對黑索今基炸藥爆熱的影響

王淑萍，封雪松，姚李娜，牛國濤，曹少庭，牛 磊

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納米鋁粉對黑索今基炸藥爆熱的影響

王淑萍，封雪松，姚李娜，牛國濤，曹少庭，牛 磊

（西安近代化學研究所，陜西 西安，710065）

為了研究納米鋁粉的加入對混合炸藥爆轟能量的影響，設計了不同含量的RDX基含納米鋁混合炸藥配方，并采用直接混合造粒工藝制備炸藥樣品。通過爆熱測試和分析，發(fā)現(xiàn)混合炸藥的爆熱隨著鋁含量的增加而增加；對于RDX基炸藥，用納米鋁粉替代微米鋁粉，不能提高炸藥的爆熱；采用與微米鋁適當級配，可提高炸藥的爆熱；當炸藥中鋁粉總含量為35%，其中納米鋁含量為5%時，爆熱值較大，比同含量微米鋁炸藥提高5.83%。研究結(jié)果認為，適當調(diào)整混合炸藥中納米鋁的含量，可有效提高炸藥的爆轟能量。

含鋁炸藥；納米鋁粉；爆熱；反應機理

炸藥中由于鋁粉的加入具有高爆熱、高爆溫、釋放化學能時間較長、后燃燒效應突出等特性。自1897年含鋁炸藥首先被德國Deissler發(fā)現(xiàn)以來，作為軍用混合炸藥的重要系列，含鋁炸藥被廣泛應用于水中兵器和航空武器彈丸裝藥。

關(guān)于含鋁炸藥的爆轟機理有3種理論：二次反應論、惰性熱稀釋理論和化學熱稀釋理論。研究者認為，C-J面之前，微米鋁粉只有少量參與反應，大部分是在C-J面之后爆轟產(chǎn)物膨脹過程中完成的。苗勤書[1]認為，應用含鋁炸藥的二次反應理論和惰性熱稀釋理論可以解釋鋁粉形狀和粒度對炸藥爆炸性能的影響機理，其根本原因是由于鋁粉比表面積不同造成的，比表面積大的細鋁粉可較快地吸熱達到活化溫度，因而鋁參與反應的時間提前，反應更加充分，能量輸出大。該研究主要基于微米級鋁粉，而對于納米鋁粉的特殊性，并不完全遵循上述理論。黃輝[2]等人發(fā)現(xiàn)：含鋁復合炸藥中鋁粉的粒徑對炸藥的做功能力和反應時間都有顯著的影響，在以RDX為主體的粘結(jié)炸藥中，加入20％鋁粉，粒徑50nm的含鋁炸藥驅(qū)動銅板的最大速度明顯高于含5μm和50μm鋁粉的復合炸藥，其反應時間分別縮短14%和58.3%，說明含鋁混合炸藥的爆轟特性與鋁粉的粒度、形狀等有關(guān)。納米鋁粉粒徑較小，活性鋁含量低于90%；粒徑越小，活性鋁含量越低。由于鋁粉的粒度和活性對配方的性能有較大影響，因此納米鋁粉在含能材料中的應用研究成為當前的熱點之一。

本文設計了以RDX為基的含微米鋁、納米鋁及兩者級配的系列炸藥配方，利用恒溫式量熱劑測定了不同配方含鋁炸藥的爆熱，分析了鋁粉含量及規(guī)格對炸藥爆轟能量釋放的影響，為納米鋁粉在炸藥中的應用研究提供依據(jù)。

1 實驗

1.1 材料和儀器

根據(jù)GJB 772A-1997方法701.1進行爆熱測試，在爆熱彈內(nèi)無氧環(huán)境中引爆試樣，以蒸餾水為測溫介質(zhì)，測定水溫升高量。根據(jù)量熱計的熱容量及溫升值，即可求出單位質(zhì)量的試樣在給定條件下的爆熱。

實驗所用微米鋁粉平均粒徑5μm，來源于鞍鋼實業(yè)微細鋁粉有限公司；納米鋁粉為西安近代化學研究所通過爆炸法研制，平均粒徑為150nm。

1.2 試樣制備

準確稱量RDX炸藥，加入一定比例的微米鋁粉或納米鋁粉，加入一定量粘結(jié)劑溶液攪拌均勻，烘干后用φ25mm的模具在一定壓力下壓制成φ25mm×25g的藥柱樣品備用。

2 結(jié)果與討論

2.1 鋁粉粒徑及含量對炸藥爆熱的影響

設計了鋁含量分別為20%、25%、30%、35%的RDX基炸藥，其中鋁的規(guī)格為微米鋁和納米鋁，爆熱測試結(jié)果見表1，含微米鋁和納米鋁炸藥的爆熱隨鋁含量的變化規(guī)律見圖1?？梢钥闯?，隨著炸藥中鋁粉含量的增加，無論是微米鋁、納米鋁，炸藥爆熱呈現(xiàn)上升的趨勢[3]，當鋁含量達35%和40%時，增加趨緩。此外，含納米鋁炸藥的爆熱均低于同含量微米鋁炸藥，鋁含量為30%時，降低達7%。原因可能納米鋁粒度小，比表面積大（見圖2微米鋁和納米鋁的掃描電鏡圖），容易參加反應，活性較低，降低了鋁粉在反應過程中的能量釋放效率。本實驗所用納米鋁粉活性為82%～85%，而微米鋁的活性可達99%；同時，單質(zhì)鋁含量低于微米鋁，造成氧化釋放的總能量偏低，因而爆熱較低。另一方面，藥柱密度對爆熱也有一定影響，含納米鋁藥柱的密度較低，使爆熱值下降。

表1 含微米鋁和納米鋁炸藥的爆熱測量結(jié)果

Tab.1 Explosion heat of explosive containing micro-aluminum and nano-aluminum

圖2 微米鋁粉和納米鋁粉的電鏡掃描圖

2.2 納米鋁和微米鋁級配對炸藥爆熱的影響

采用與上述相同的配方，將微米鋁和納米以不同比例級配制備樣品，測量炸藥的爆熱，結(jié)果見表2，不同鋁含量炸藥爆熱隨納米鋁粉含量變化情況見圖3?？梢钥闯?，在鋁粉含量為20%、25%、30%時，爆熱較同含量納米鋁有所提高，但仍低于含微米鋁炸藥，當鋁粉含量為35%和40%時，經(jīng)過1∶1級配的炸藥爆熱值沒有發(fā)生明顯變化。當鋁含量為35%，其中納米鋁含量為5%時爆熱出現(xiàn)最大值，比同含量微米鋁提高5.83%。原因可能是，納米鋁粉雖然粒徑較小、反應活性較高，但自身氧化層較厚、單質(zhì)鋁含量較低，優(yōu)勢與劣勢綜合可能影響炸藥能量的釋放效率。因此，考慮降低納米鋁含量，提高鋁粉中單質(zhì)鋁的總含量，發(fā)揮納米鋁作為敏化劑提高總體反應速率的優(yōu)勢，提高鋁粉總體的反應完全率，進而提高了炸藥的爆轟能量。

表2 微米鋁和納米鋁級配的炸藥爆熱測量結(jié)果

Tab.2 Explosion heat of explosive containing micro- aluminum matched by nano-aluminum

圖3 不同鋁含量及配比炸藥爆熱比較

2.3 納米鋁粉對炸藥爆轟能量的影響機理

實驗采用的納米鋁粉尺寸為50～300nm，顆粒呈球形，微米鋁粉尺寸為4.5～5.5μm。在自然流動的空氣氣氛中，分別測試了納米鋁粉和普通微米鋁粉的DSC/TG曲線，如圖4~5所示。從圖4中看出，660℃的強吸熱峰是因為鋁的熔化導致，微米鋁粉在1 000℃之前重量沒有明顯的變化。一般情況下，鋁在空氣環(huán)境下極易氧化而在表面覆蓋一層非晶態(tài)的Al2O3薄膜，該層膜是很穩(wěn)定的，阻止鋁粉的進一步氧化。圖5顯示納米鋁在600℃左右有一強放熱峰，同時TG曲線顯示納米鋁粉的重量急劇增加，這是由于納米鋁粉在此溫度開始氧化造成的。由于納米鋁的小尺寸和大的比表面，具有很高的活性，使其氧化溫度大大降低，說明納米鋁粉的熱感度遠高于微米鋁粉?？傊?，納米鋁粉在自然流動的空氣中，當氧化溫度低于600℃時，由于其表面存在一層很薄的致密氧化膜，阻止了鋁粉與氧氣的進一步反應，因而在600℃以下納米鋁粉未見明顯氧化現(xiàn)象，微米鋁粉在1 000℃以下不會出現(xiàn)明顯氧化。

圖4 微米鋁粉的TG-DSC曲線

圖5 納米鋁粉的TG-DSC曲線

不同鋁粉的DSC/TG熱分析表明納米鋁粉與微米鋁粉熔點溫度一致(660℃左右)，但前者在空氣中于600℃左右開始出現(xiàn)氧化，而微米鋁粉在1 000℃以后才出現(xiàn)明顯氧化，這歸結(jié)于納米鋁粉具有很高的比表面和表面缺陷，使得納米鋁粉體顆粒間保持一定的氧分壓，滿足了其氧化條件。

納米鋁粉由于反應速率較高，會先于微米鋁粉氧化而耗氧，使微米鋁粉不能完全氧化；因此加入少量高活性鋁提高微米鋁粉的氧化速率和反應完全率，能夠提高爆熱；繼續(xù)加入納米鋁會因含量較多而先行消耗氧，使微米鋁無法氧化而降低其氧化率，進而降低爆熱。

爆熱測試結(jié)果表明，當鋁粉含量為20%～30%時，以納米鋁粉取代部分微米鋁粉爆熱值沒有顯著變化；當鋁粉含量為35%～40%時，以少量納米鋁粉取代微米鋁粉，配方爆熱值出現(xiàn)明顯提高。說明當鋁粉含量較高、炸藥體系負氧顯著時（見表3），加入少量納米鋁能夠提高鋁粉整體的氧化速率和氧化程度，從而提高了爆轟過程鋁粉整體的反應速率和反應完全性。同時由于納米鋁粉含量降低、單質(zhì)鋁含量升高，進一步提高含鋁炸藥體系的爆熱。

表3 不同鋁粉含量的氧平衡

Tab.3 Oxygen balance of explosive containing diverse aluminum content

此外，在表2數(shù)據(jù)中，當鋁粉總含量為30%，其中納米鋁含量為10%時，爆熱值偏高(8 016J/g)。該配方只獲得一發(fā)數(shù)據(jù)，樣品量少，而其它配方均為兩發(fā)平均值。同時由于對含納米鋁炸藥爆轟機理的認識水平有限，有待于今后進行全面深入地研究。

3 結(jié)論

（1）鋁粉含量對炸藥爆熱值有一定影響，當鋁粉含量為35%～40%時，炸藥的爆熱值較高。含納米鋁炸藥的爆熱均低于同含量微米鋁炸藥的爆熱。

（2）以適當?shù)谋壤壟浼{米鋁和微米鋁，可提高鋁粉在炸藥中反應完全率，從而提高炸藥體系的爆轟能量。

（3）由于納米鋁材料的熱感度高于微米鋁粉，反應速度較高，其含量和配比對炸藥的能量釋放率有不同程度的影響。

[1] 苗勤書,徐更光,王廷增.鋁粉粒度和形狀對含鋁炸藥性能的影響[J].火炸藥學報,2002,25(2):4-8．

[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 (2):1-3.

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

The Influence of Nanometer Aluminum on the Explosion Heat of RDX-based Explosive

WANG Shu-ping, FENG Xue-song, YAO Li-na, NIU Guo-tao, CAO Shao-ting, NIU Lei

(Xi'an Modern Chemistry Research Institute, Xi'an, 710065)

In order to investigate the influence of nanometer aluminum on the detonation energy of RDX-based explosive, the formula with diverse nanometer aluminum content was designed, and the sample was prepared by immediate mixing technology. Through measuring the explosion heat, it can be found that explosion heat of RDX-based explosive increased with the content of aluminum increasing, while didn’t increase with replacement of micrometer aluminum by nanometer aluminum. If blending 30% micrometer aluminum with 5% nanometer aluminum, explosion heat of RDX-based explosive can be increased by 5.83% comparing with formula containing 35% micrometer aluminum. The results show that detonation energy can be effectively enhanced with proper nanometer aluminum content.

Aluminum-containing explosive；Nanometer aluminum；Explosion heat；Reaction mechanism

1003-1480（2014）01-0021-04

TQ560.5

A

2013-10-16

王淑萍（1964-），女，研究員，從事混合炸藥應用研究。