含硼儲氫合金炸藥能量研究

方　偉，封雪松，趙省向

（西安近代化學研究所，陜西 西安，710065）

含硼儲氫合金炸藥能量研究

方偉，封雪松，趙省向

（西安近代化學研究所，陜西 西安，710065）

設計了3種含硼儲氫合金炸藥的配方，通過進行水下爆炸實驗，對水下爆炸能量輸出進行了研究，并對含硼儲氫合金炸藥的能量進行理論分析。結果表明，氫氧化產生的高溫環(huán)境和水蒸氣能夠促進硼粉表面氧化層的蒸發(fā)和分解，從而提高硼粉的氧化速率和氧化率；含硼儲氫合金炸藥之所以產生高能量，是含硼合金與氫氣共同作用的結果。

炸藥；含硼儲氫合金；硼；水下爆炸；能量

含硼儲氫合金燃燒劑是一類由硼和金屬氫化物以及高含能金屬（鋁、鎂等）通過特定方法復合而成的具有特定空間相結構的新型可燃劑，其中氫元素以氫化鎂的形式儲存于合金體系中[1]。含硼儲氫合金具有較高的穩(wěn)定性，能夠解決金屬氫化物雖然能量較高，但化學性質不穩(wěn)定、與炸藥相容性差等問題。硼與鋁相比具有更高的質量熱值和體積熱值[2]，但硼氧化時表面形成沸點較高的液態(tài)氧化層，阻礙了硼與氧化劑的繼續(xù)反應，使其燃燒效率低下[3]，國外研究者探討了氫的燃燒產物與硼表面氧化層之間的反應機理[4-5]。

本文設計了幾種含儲氫合金炸藥的配方，與含鋁炸藥及含硼鋁混合金屬粉炸藥一起進行了水下爆炸實驗，并對含硼儲氫合金炸藥的能量進行了理論分析，研究了含硼儲氫合金炸藥的能量輸出，探討了含硼儲氫合金在炸藥爆炸過程中的反應機理。

1　實驗部分

1.1材料及實驗樣品制備

材料：RDX，八類；含硼儲氫合金，見表1；鋁粉， 4～5μ m；硼粉，粒度0.12μ m，純度93.9%；石蠟；EVA(乙烯醋酸乙烯共聚物)；硬脂酸；石油醚。實驗樣品采用直接法制備，以石油醚為溶劑，RDX為主體炸藥，用石蠟對其進行包覆，加入一定量的可燃劑（含硼儲氫合金、Al粉或Al粉與B粉的混合物），以一定比例的EVA與硬脂酸的混合物作粘結劑；將石蠟包覆的RDX、可燃劑和粘結劑溶液在26℃下混合，攪拌均勻，待溶劑揮發(fā)后，強制過篩造粒，烘干后壓制成Ф50mm、180～200 g/發(fā)的藥柱備用。所有樣品中石蠟的質量百分含量為2%，EVA和硬脂酸的質量百分含量分別為2%和1%。含硼儲氫合金水下爆炸實驗炸藥樣品配方見表2。

表1　幾種含硼儲氫合金燃燒劑的化學組成　（%）Tab.1　Composition of boron-containing hydrogen-storage-alloy

表2　炸藥樣品配方Tab.2　Formula of explosive

1.2水下爆炸實驗

水下爆炸實驗布局如圖1所示。

圖1　水下爆炸實驗布局圖Fig.1　Layout of the underwater explosion experiment

圖1中大水池深度9.5m，直徑12m，樣品和傳感器入水深度均為6.3m，4個PCB138A型電氣石水下激波傳感器安裝在距爆心的水平1.2m和1.8m處，兩側對稱放置。

2　實驗結果及分析

2.1實驗結果分析

在水中爆炸實驗條件下，進行了1至5號炸藥配方的水下爆炸實驗。其中1號含鋁炸藥配方及5號含硼鋁混合金屬粉配方用作與含硼儲氫合金炸藥配方對比。通過測試及數據處理得到沖擊波能量和氣泡能[6-7]，結果如表3所示。

表3　水下爆炸能量Tab.3　Energy of underwater explosion

從表3測試結果可知，含A-1、A-3配方的總能量高于1號含鋁配方；含A-2配方的比沖擊波能、比氣泡能均低于含鋁配方；其中A-1配方的比沖擊波能與含鋁配方相近，比氣泡能高于含鋁配方；含A-3配方的比沖擊波能低于含鋁配方，比氣泡能高于含鋁配方；含30%鋁硼混合金屬粉的5號配方能量最低，其原因一方面是由于硼表面液態(tài)氧化層阻礙其氧化放熱，另一方面是該配方的負氧程度很高（見表4），硼氧化不夠充分。

表4　炸藥配方的氧值計算Tab.4　Oxygen content of formula

圖2為硼含量與水下能量關系，可以看出，隨著配方中硼含量遞增（2號配方含硼3.72%、3號含硼6.48%、4號含硼10.08%）、鋁粉含量遞減（1號配方含鋁30%、2號含鋁21.2%、3號含鋁14.88%、4號不含鋁），比沖能先降低后升高，能量變化幅度很?。槐葰馀菽芟壬吆蠼档驮偕?，變化幅度較大；總能量具有與比氣泡能相同的變化趨勢。含A-1配方的比沖擊波能和比氣泡能最高，含A-2配方的比沖擊波能和比氣泡能最低，含A-3配方的比沖擊波能和比氣泡能均高于含A-2配方，但低于含A-1配方。

圖2　儲氫合金中硼含量與水下能量的關系Fig.2　Relationship between boron content of hydrogen-storage-alloy and underwater explosion energy

1至3號配方的比氣泡能先升后降再升的變化趨勢，可用配方的缺氧程度加以分析。如表4所示，2號與1號配方相比負氧程度較小，所含的硼能夠較充分地氧化，而硼比鋁具有更高的質量熱值，所以具有較高的能量；隨著硼含量提高，3號配方負氧程度較高，造成硼粉氧化不充分，比氣泡能下降。4號配方在負氧量更大的情況下能量高于3號配方，原因是氫含量較高，氧化釋放出較高能量造成高溫環(huán)境，同時生成水蒸氣，而高溫環(huán)境有利于硼粉表面氧化層的蒸發(fā)，水蒸氣能夠與硼粉表面的氧化層發(fā)生放熱反應（1）和（2），這兩個方面均有利于氧化層的消除和促進硼的繼續(xù)氧化[4-5]。

0.5H2O(g)+0.5B2O (l) = HBO2(g) + 63kJ/mol（1）1.5H2O(g)+1.5B2O3(l)=H3B3O6(g)+28 kJ/mol（2）2.2含硼儲氫合金炸藥能量的理論分析

與含鋁炸藥相比，含儲氫合金炸藥的能量具有一定優(yōu)勢，是由于炸藥爆轟時，氫、鋁、鎂等易燃物質首先發(fā)生氧化反應，釋放能量，造成高溫環(huán)境；隨后硼在此高溫環(huán)境下，與剩余氧和氫氣氧化產生的水蒸氣進行氧化反應釋放出較高能量。依據此反應機理，在100g試樣在理想狀況下，即炸藥中所含氧除用于氧化金屬鋁、鎂外，全部用于硼的氧化，對2、3、4號炸藥配方的能量進行了理論計算。結果含A-1和A-2的配方隨著硼含量的升高，爆熱值由953.8kJ/100g降低至931.5kJ/100g，與水下實驗測試結果一致；含A-3配方爆熱計算值為902.2kJ/100g，A-3可燃劑不含鋁，由于A-3中鎂粉耗氧量低且放熱速度快于鋁粉，氫含量高于另外兩種可燃劑，爆炸過程中的氧化產物可以促進硼粉氧化放熱，所以其實測水下能量高于含A-2的配方。

從能量計算結果可知，含硼儲氫合金在爆轟反應過程中，基本遵循活潑金屬和氫氣首先氧化產生高溫，隨后硼開始氧化的反應順序。但在隨后的反應中，并不是氫和活潑金屬反應完全后，硼才開始反應，而是在高溫環(huán)境下，硼與活潑金屬相互競爭，同時發(fā)生氧化反應。根據上述分析，含硼儲氫合金之所以能夠產生高能量，是硼與活潑金屬及氫共同作用的結果。

3　結論

（1）含30%鋁硼混合金屬粉配方的水下爆炸能量最低，其原因一方面是由于硼表面液態(tài)氧化層阻礙其氧化放熱，另一方面是由于配方的負氧程度高，硼氧化不夠充分。（2）在氫含量相差不多的情況下，負氧程度是含硼儲氫合金炸藥水下爆炸能量的影響因素之一，負氧程度越高，其水下爆炸能量越低。（3）氫氧化產生的高溫環(huán)境和水蒸氣能夠促進硼粉表面氧化層的蒸發(fā)和分解，從而提高硼粉的氧化速率和氧化率。（4）含硼儲氫合金爆轟過程中，基本遵循活潑金屬和氫氣首先氧化產生高溫，隨后硼開始氧化的反應順序，但并不是氫和活潑金屬反應完全后，硼才開始反應，而是在高溫環(huán)境下，硼與活潑金屬相互競爭，同時發(fā)生氧化反應。含硼儲氫合金炸藥之所以產生高能量，是含硼合金與氫氣共同作用的結果。

[1] 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.

[2] 王曉峰，郝仲璋.炸藥發(fā)展中的新技術[J].火炸藥學報，2002，25(2):35-37.

[3] 王浩,王親會. DNTF基含硼和含鋁炸藥水下能量[J].火炸藥學報, 2007,30(6):38-40.

[4] Glassman I，Williams F A， Antaki P. A physical and chemical interpretation of boron particle combustion, Twentieth symposium(international) on combustion[R].The Combustion Institute, 1984.

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[6] 周俊祥,于國輝.RDX/Al含鋁炸藥水下爆炸試驗研究[J].爆破,2005,22(2):4-6.

[7] 周霖,徐少輝,徐更光.炸藥水下爆炸能量輸出特性研究[J].兵工學報,2006,27(2):235-238.

Research on the Explosion Energy of Explosive with Boron-containing Hydrogen-storage-alloy

FANG Wei, FENG Xue-song, ZHAO Sheng-xiang
(Xi’an Modern Chemistry Research Institute, Xi’an, 710065)

In this paper, three formulas of explosive with boron-containing hydrogen-storage-alloy were designed, the underwater explosion energy was tested, and the energy of explosive with boron-containing hydrogen-storage-alloy were researched theoretically. The result shows that high temperature and vapour generated by combustion of hydrogen can promote the process of evaporation and disintegration of B2O3on surface of boron particles, thereby it improves the oxidation velocity and ratio of boron particles. It’s the combined reaction of boron-containing alloy with hydrogen that explosive with boron-containing hydrogen-storage-alloy releases high energy.

Explosive；Boron-containing hydrogen-storage-alloy；Boron；Underwater explosion；Energy

TQ564

A

1003-1480（2015）02-0036-03

2014-09-10

方偉（1982-），男，工程師，從事混合炸藥配方及工藝研究。