含硼儲(chǔ)氫合金(Mg(BHx)y)對(duì)硝酸酯炸藥能量的影響

張冠永, 魏曉安, 堵 平

(南京理工大學(xué)化工學(xué)院, 江蘇 南京 210094)

1 引 言

為實(shí)現(xiàn)硝酸酯火藥的高效毀傷能力,向炸藥體系中添加高能添加劑是目前常用方法。含能材料作為高能添加劑的一種,不但可以實(shí)現(xiàn)精確打擊、提高毀傷能力,而且可以有效降低武器重量,提高武器質(zhì)量效率。與其他含能材料不同,含硼儲(chǔ)氫合金(Mg(BHx)y)是由硼元素和MgH4通過特殊方式形成的具有復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)的一種含能材料。Mg(BHx)y不但可以在高溫下釋放氫參加爆轟反應(yīng),釋放大量的熱與水蒸氣,引燃體系中的中硼(B)、鎂(Mg)高熱值燃燒劑釋放能量,因此其提高炸藥能量的能力高于納米金屬材料。Mg(BHx)y具有儲(chǔ)氫密度高、含能高、污染小、安全可靠等特點(diǎn)。但是,Mg(BHx)y自身不穩(wěn)定,易與水反應(yīng),影響混合炸藥的儲(chǔ)存壽命和環(huán)境適應(yīng)性。且爆轟過程中,炸藥體系中的硼元素在爆轟過程中表面易生成沸點(diǎn)較高的液態(tài)氧化層,阻礙爆轟反應(yīng)的進(jìn)一步進(jìn)行[1-2]。因此,首先通過對(duì)Mg(BHx)y進(jìn)行包覆處理以改善其穩(wěn)定性; 其次選擇硝酸酯炸藥為基質(zhì),為Mg(BHx)y提供良好的爆轟環(huán)境。

目前,關(guān)于儲(chǔ)氫材料在炸藥體系中應(yīng)用研究的報(bào)道比較少[3-6]。本研究改進(jìn)了目前通用的含Mg(BHx)y硝酸酯炸藥制備工藝,以硝酸酯炸藥為基質(zhì),添加Mg(BHx)y混合造粒澆鑄成型,通過對(duì)含Mg(BHx)y硝酸酯炸藥進(jìn)行空中爆炸試驗(yàn)、水下爆炸試驗(yàn),分析能量輸出特點(diǎn),研究炸藥的反應(yīng)機(jī)理,并探索了Mg(BHx)y硝酸酯炸藥體系的后燃效應(yīng)。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 樣品制備

Mg(BHx)y采用液相離子交換法制備,并通過包覆處理進(jìn)行穩(wěn)定性改善。炸藥以硝化棉(NC)和硝化甘油(NG)為基質(zhì),添加Mg(BHx)y、鋁粉(Al)、黑索今(RDX)等混合造粒。配置高能灌注液,采用澆鑄法制備混合高能炸藥。樣品制備流程如下所示。

Scheme 1 Reparation process of mixing high explosive

選擇爆熱作為示性數(shù),以化學(xué)平衡等要求作為約束條件,建立數(shù)學(xué)模型進(jìn)行配方設(shè)計(jì)。樣品配方如表1所示。水下爆炸試驗(yàn)中每次實(shí)驗(yàn)藥量約200 g,每種試樣平行測(cè)試兩次,實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)為實(shí)驗(yàn)平均值?？罩斜ㄔ囼?yàn)中每次實(shí)驗(yàn)藥量約800 g。

表1 硝酸酯炸藥配方設(shè)計(jì)

Table 1 Formula design of nitric ester explosive

samplecomponentmassratio/%0#NG∶NC40～45∶55～601#matrix1)∶Al∶RDX30～35∶30～35∶30～352#matrix∶Mg(BHx)y∶Al∶RDX30～35∶15～20∶15～20∶30～353#matrix∶Mg(BHx)y∶RDX30～35∶30～35∶30～35

Note: 1) matrix is the 0#sample.

2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

水下爆炸試驗(yàn): 實(shí)驗(yàn)水池直徑D為8 m、深度H為8 m。實(shí)驗(yàn)藥包距水面距離h為4 m,藥包距傳感器距離L為2.5 m,設(shè)備滿足實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)一維對(duì)稱條件[7]。采用壓力傳感器記錄炸藥爆轟后產(chǎn)生的能量,實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。

圖1 水下爆炸試驗(yàn)裝置

Fig.1 Device used in underwater explosion test

空中爆炸試驗(yàn): 壓力傳感器為PCB113B系列,數(shù)據(jù)采集儀為成都微測(cè)公司VXI-1115型。爆源離地高度為40 cm,測(cè)試點(diǎn)至爆心的距離為1.5 m。

3 結(jié)果與討論

3.1 空中爆炸試驗(yàn)

為探究混合體系炸藥真實(shí)爆炸情況,以1#混合炸藥為參比樣,對(duì)含Mg(BHx)y含量較高的3#高能炸藥進(jìn)行了空中爆炸試驗(yàn),并通過高速攝影、超壓測(cè)量技術(shù)分析炸藥的燃燒過程、反應(yīng)持續(xù)時(shí)間等爆轟特點(diǎn),分析混合體系炸藥的爆轟機(jī)理。圖2為兩種混合體系炸藥的沖擊波超壓。圖3為兩種混合體系炸藥空中爆炸試驗(yàn)高速攝影圖像,分別選取火球形成、火球減小和火球消失三組圖片進(jìn)行比較。

由圖2可以看出,在爆轟開始時(shí),1#與3#形成空氣沖擊波超壓大致相等,表明1#與3#基質(zhì)與RDX被點(diǎn)燃,均發(fā)生明顯的爆轟反應(yīng)?；|(zhì)爆轟釋放的能量使Mg(BHx)y分解,產(chǎn)生的氧元素參加爆轟反應(yīng),生成水并放出熱量。為爆轟后期B、Al、Mg等元素的繼續(xù)反應(yīng)提供條件。在0.3 ms左右時(shí),混合炸藥中的Al、Mg(BHx)y等被點(diǎn)燃,發(fā)生爆轟反應(yīng),并釋放出熱量?？梢钥闯鰞煞N炸藥均有明顯后燃效應(yīng)。由圖3可以看出,在6.6 ms時(shí),1#與3#火球火焰亮度高,無(wú)明顯邊界。在26.4 ms時(shí),1#與3#火焰出現(xiàn)邊界,邊界火焰亮度降低,3號(hào)樣在火焰基底顏色開始黃綠色,與硼元素的燃燒火焰顏色相一致。在36.3 ms時(shí),1#與3#火球火焰亮度、顏色發(fā)生明顯不同,1#火焰亮度明顯降低,3#仍保持大面積高亮度火焰,且火焰基地顏色保持黃綠色。這表明,Mg(BHx)y在爆炸過程中產(chǎn)生分解,分解產(chǎn)物參與了后期的爆炸反應(yīng),體系能量得到釋放。

由空中爆炸試驗(yàn)可知,在外界激發(fā)條件下,含硝酸酯和黑索今最先發(fā)生劇烈的爆轟反應(yīng),在極短的時(shí)間內(nèi)完成,并釋放出大量的熱量。在爆轟中期,Mg(BHx)y在高溫和強(qiáng)波陣面的作用下發(fā)生分解放氫反應(yīng),氫、鋁、鎂等可燃元素被點(diǎn)燃,放出大量的熱量和水蒸氣。在爆轟后期能量的主要來(lái)源主要來(lái)自硼的燃燒,硼在爆轟過程中表面生成高沸點(diǎn)液態(tài)氧化膜,阻礙硼與氧化劑的繼續(xù)反應(yīng)。氫燃燒生成的水蒸氣與爆轟中期反應(yīng)產(chǎn)生的熱量可以消除硼表面的氧化物,推動(dòng)反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行,其反應(yīng)如公式(1)、(2)所示[6]。完成含能炸藥體系能量較為完全的釋放。

a. explosion air shock wave of 1#

b. explosion air shock wave of 3#

圖2 1.5 m處爆炸空氣沖擊波

Fig.2 Explosion air shock wave measured at 1.5 m

a. high-speed photographic image of 1#

b. high-speed photographic image of 3#

圖3 空中爆炸試驗(yàn)高速攝影圖像

Fig.3 High-speed photographic images of the explosion in air

0.5H2O(g)+0.5B2O(l)=HBO2(g)+63 kJ·mol-1

(1)

1.5H2O(g)+1.5B2O3(l)=H3B3O6(g)+28 kJ·mol-1

(2)

3.2 水下爆炸試驗(yàn)

對(duì)負(fù)氧平衡的2#、3#混合炸藥樣品進(jìn)行水下爆炸試驗(yàn)。試驗(yàn)測(cè)量方法和數(shù)據(jù)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn),依據(jù)Bjarnholt G[8]、陳網(wǎng)樺等[9]關(guān)于水下爆炸試驗(yàn)測(cè)試和數(shù)據(jù)計(jì)算的研究。結(jié)果見表2。

表2 水下爆炸試驗(yàn)結(jié)果

Table 2 Experimental results of the underwater explosion

samplepm/MPaes/kJ·g-1eb/kJ·g-1e/kJ·g-12#9.40.93095.4437.52183#10.010.9866.56168.841

Note:pmis the blast wave overpressure;esis the shock wave energy;ebis bubble energy;eis the total energy.

由表2可以看出,與含鋁體系(2#)相比,3#沖擊波超壓提高6.5%,沖擊波能提高5.9%,氣泡能提高20.6%,總能量提高17.56%。這種現(xiàn)象的產(chǎn)生可能是因?yàn)? 爆轟起始階段,硝酸酯基質(zhì)最先反應(yīng),隨后Mg(BHx)y分解,氫元素參加反應(yīng),導(dǎo)致沖擊波超壓提高。爆轟產(chǎn)生的熱量、水蒸氣、活性氧,為Al、B、Mg金屬元素的爆轟反應(yīng)提供條件,使沖擊波衰減減緩,沖擊波能提高。爆轟總反應(yīng)釋放能量增多,使氣泡的最大半徑提高,檢測(cè)到的氣泡能提高。這與硝酸酯炸藥爆轟機(jī)理相一致。僅從能量方面來(lái)說,Mg(BHx)y提高炸藥能量的能力高于高能金屬材料,Mg(BHx)y在硝酸酯炸藥中具有較好的應(yīng)用前景。

在水下爆炸試驗(yàn)中,由于含Mg(BHx)y硝酸酯炸藥氧平衡為負(fù)值,在水下爆炸試驗(yàn)中能量并不能完全釋放,因此,通過水下爆炸試驗(yàn)研究了硝酸酯炸藥的后燃效應(yīng)。對(duì)1#與3#分別在氬氣和氧氣氣氛下進(jìn)行實(shí)驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 后燃效應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果

Table 3 Experimental results of the afterburning effects

sampleAtmospherees/kJ·g-1eb/kJ·g-1e/kJ·g-12#Ar0.375.25.43#Ar0.255.45.52#O20.5110.511.33#O20.3512.913.2

Note:esis the shock wave energy;ebis the bubble energy;eis the total energy.

由表3可以看出,后燃實(shí)驗(yàn)沖擊波能小于水下爆炸實(shí)驗(yàn),這是由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備的影響,即破壞鋼瓶過程中損耗一部分沖擊波能。添加的Al、B、Mg等金屬元素,是在爆轟后期反應(yīng),減緩沖擊波的衰減,提高了炸藥后期的沖擊波能量。因此,2#沖擊波能高于3#的沖擊波能[10]。在氬氣環(huán)境中,硝酸酯炸藥的總能量小于表2中實(shí)驗(yàn)測(cè)得的炸藥釋放的能量,這是因?yàn)樗卤芰酷尫艑?shí)驗(yàn)中,炸藥可以從水中獲得一部分氧氣,使爆轟繼續(xù)進(jìn)行。在氧氣環(huán)境下,3#比1#總能量提高16.8%。與在氬氣環(huán)境中相比,1#與3#在氧氣氣氛中爆炸釋放的總能量均提高100%以上。即兩種硝酸酯炸藥均有明顯的后燃效應(yīng),在含氧環(huán)境中,能量能夠得到更完全的釋放。

4 結(jié) 論

(1) Mg(BHx)y在高溫下釋放氫參加爆轟反應(yīng),釋放大量的熱與水蒸氣,引燃體系中的中B、Mg高熱值燃燒劑釋放能量。能顯著提高炸藥的能量。

(2) 水下爆炸試驗(yàn)中,與同體系含鋁體系相比,含Mg(BHx)y硝酸酯炸藥沖擊波超壓提高6.5%,沖擊波能提高5.9%,氣泡能提高20.6%,總能量提高17.56%。僅從能量方面來(lái)說,Mg(BHx)y提高炸藥能量的能力高于高能金屬材料。

(3) 含硝酸酯高能炸藥為負(fù)氧平衡,存在后燃效應(yīng)。水下爆炸試驗(yàn)中,與在無(wú)氧環(huán)境中相比,兩種含硝酸酯高能炸藥體系在有氧環(huán)境中釋放能量提高100%以上。

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