真空環(huán)境下鋁粉粒度與形狀對RDX基炸藥爆炸場壓力和溫度的影響

黃亞峰, 田 軒, 馮 博, 王曉峰

(西安近代化學(xué)研究所, 陜西 西安 710065)

1 引 言

含鋁炸藥是在炸藥中加入一定比例具有高燃燒熱值金屬鋁粉的一類炸藥,其具有高爆熱、高比容的特點,廣泛應(yīng)用于對空武器彈藥、水下武器彈藥的裝藥中[1]。因此,含鋁炸藥成為混合炸藥研究中的熱點方向之一。

含鋁炸藥提高炸藥的能量是通過鋁粉與炸藥爆轟后的氣態(tài)產(chǎn)物發(fā)生二次反應(yīng)釋放大量熱量,含鋁炸藥的惰性熱稀釋理論認(rèn)為鋁粉在炸藥的C-J反應(yīng)區(qū)內(nèi)是惰性物質(zhì),不參與反應(yīng),因此,含鋁炸藥中鋁粉的含量對其爆熱、爆速、爆壓、金屬加速能力以及沖擊波超壓具有顯著影響,含鋁炸藥的研究多集中在鋁粉含量對炸藥性能的影響方面。Gogulya[2]等研究了奧克托今(HMX)基納米含鋁炸藥的爆速、爆熱、金屬片加速能力等性能; Makhov[3]通過理論計算和實驗測量研究了六硝基六氮雜異伍茲烷(CL-20)基含鋁炸藥的爆熱和加速能力; 沈飛[4]通過數(shù)值模擬和試驗驗證研究了兩種不同尺寸的黑索今(RDX)基含鋁炸藥的作功能力; 王庭輝[5]通過理論計算研究了不同鋁粉含量的TNT基和HMX基含鋁炸藥的爆壓和波頭處的放熱; 馮曉軍[6]等研究了鋁粉含量對梯鋁炸藥爆壓和沖擊波參數(shù)的影響,發(fā)現(xiàn)含鋁炸藥的爆壓隨鋁粉含量的增加呈指數(shù)衰減,近場沖擊波超壓亦隨鋁粉含量快速減小; 李媛媛[7]研究了密閉條件下鋁粉含量對炸藥爆炸場溫度的影響。

含鋁炸藥的爆轟過程包含化學(xué)反應(yīng)熱力學(xué)和動力學(xué),這兩種反應(yīng)過程與鋁粉顆粒度大小都具有密切關(guān)系。Cook[8]研究了鋁粉顆粒大小對硝酸銨基炸藥爆速的影響; Keicher T[9]研究了不同粒度鋁粉對氣泡能和沖擊波峰壓的影響; Peuker[10]研究了粒度和空氣環(huán)境對RDX基含鋁炸藥的沖擊波超壓增強能力的影響; 馮曉軍[11]研究了鋁粉粒度對炸藥爆炸能量的影響; 黃輝[12]研究了鋁粉粒度對金屬加速能力的影響,發(fā)現(xiàn)納米鋁粉在爆轟波前沿參加反應(yīng)促進金屬加速能力的增強。

國內(nèi)外對含鋁炸藥的研究多集中在鋁粉對炸藥性能的影響,而本研究則利用爆炸罐在真空環(huán)境測量含鋁炸藥的爆炸場壓力和爆炸場溫度,分析鋁粉粒度對炸藥爆炸場壓力和爆炸場溫度的影響規(guī)律,研究鋁粉粒度對含鋁炸藥爆轟性能的影響,揭示鋁粉粒度與鋁粉反應(yīng)性能之間的關(guān)系,以為含鋁炸藥鋁粉的選擇、配方設(shè)計提供技術(shù)支持。

2 實驗部分

2.1 實驗樣品

實驗原材料: RDX,Ⅱ類,國營805廠生產(chǎn); 球型鋁粉FLQT2,平均粒徑為28 μm,鞍鋼實業(yè)微細(xì)鋁粉有限公司生產(chǎn); 球型鋁粉FLQT3,平均粒徑為13 μm,鞍鋼實業(yè)微細(xì)鋁粉有限公司生產(chǎn); 球型鋁粉FLQT4,平均粒徑為4 μm,鞍鋼實業(yè)微細(xì)鋁粉有限公司生產(chǎn); 片狀鋁粉FLQ355A,平均粒徑為130 μm,哈爾濱東輕金屬粉業(yè)有限責(zé)任公司生產(chǎn)。實驗樣品配方為60RDX/35Al/5粘結(jié)劑,配方中鋁粉為以上四種不同型號。

樣品制備: 首先將水浴溫度升至為60 ℃,然后將粘結(jié)劑用一定量乙酸乙酯完全溶解,依次加入黑索今和鋁粉,攪拌均勻,乙酸乙酯揮發(fā)至物料呈拉絲狀時,將混合炸藥倒出過篩、烘干,最后將造型粉壓制成帶8#雷管孔的Ф25 mm的藥柱,高度28 mm,藥柱質(zhì)量為(25.000±0.050) g。

2.2 實驗裝置

自研的實驗裝置如圖1所示。密閉爆炸裝置是一高為400 mm內(nèi)徑188 mm內(nèi)容積為5.8 L的圓柱形彈體。本實驗裝置的溫度傳感器采用美國NANMAC公司研制的具有自恢復(fù)能力的快速反應(yīng)鎢錸熱電偶,布置在距離端蓋中心40 mm處,下端距離上端蓋底部180 mm,傳感器響應(yīng)時間達10-5s,最大可耐壓力達135 MPa; 測溫系統(tǒng)頻帶寬度為200 kHz; 放大倍數(shù)為100倍,溫度范圍為-240～1200 ℃,精度小于1%。本實驗裝置的壓力傳感器采用美國Kulite公司超高溫硅壓阻傳感器,布置在距離端蓋中心40 mm處,傳感器壓力范圍為0～14 MPa,精度小于1%。

a. elevationb. platform

圖1實驗裝置示意圖

1—溫度傳感器, 2—點火裝置, 3—通氣裝置, 4—壓力傳感器

Fig.1Schematic diagrams of experiment device

1—temperature sensor, 2—ignition device, 3—vent device, 4—pressure sensor

2.3 實驗方法

首先將點火裝置短路,實驗用含鋁炸藥樣品懸掛于距離上端蓋20 cm處后將起爆雷管接到點火裝置上,然后將實驗裝置上端蓋密封,用真空泵抽空爆炸罐內(nèi)的空氣,然后向爆炸罐內(nèi)緩慢充入氮氣,如此循環(huán)三次,將爆炸罐內(nèi)的氧氣完全抽走,使爆炸罐內(nèi)剩余氣體的壓力約為3 kPa,起爆實驗樣品,壓力傳感器和溫度傳感器記錄50 s內(nèi)的電信號數(shù)據(jù),最后通過通氣裝置用氣體采樣袋采集反應(yīng)后的氣體樣品,利用Perkin Elmer公司的Clarus500氣相色譜儀對爆轟后的N2、CO2、CO、CH4等主要氣體產(chǎn)物進行定量分析。

3 結(jié)果與討論

3.1 爆炸場壓力分析

通過真空爆炸罐密閉實驗得含不同粒度鋁粉的含鋁炸藥爆炸場壓力隨時間變化曲線，如圖2所示,將圖2的時間尺度縮小到1 s,得圖3。由圖2可知,FLQ355A和FLQT2兩種鋁粉對爆炸場壓力的降低效果基本相當(dāng),FLQT4和FLQT2兩種鋁粉對爆炸場壓力的降低效果基本相當(dāng),FLQ355A和FLQT2兩種鋁粉對爆炸場壓力的降低效果比FLQT4和FLQT2兩種鋁粉小。由圖3可知,四種粒度的鋁粉對爆炸場壓力的降低顯著性的順序是FLQT3>FLQT4>FLQT2>FLQ355A,上述結(jié)論可以用含鋁炸藥惰性熱稀釋理論解釋,含鋁炸藥惰性熱稀釋理論認(rèn)為作為惰性物質(zhì)的鋁粉在單質(zhì)炸藥爆炸瞬間不參與反應(yīng),由于鋁是熱的良導(dǎo)體,可以從爆轟產(chǎn)物中吸收熱量,因此便降低了爆轟波陣面的能量,使爆速、爆壓明顯下降,粒度越小,比表面積越大的稀釋劑,降低效果越明顯。因此,惰性熱稀釋理論推測的四種粒度的鋁粉對爆炸場壓力的降低顯著能力的順序應(yīng)是FLQT4>FLQT3>FLQT2>FLQ355A,而依據(jù)實驗結(jié)果,平均粒度為4 μm的FLQT4的鋁粉應(yīng)該比平均粒度為13 μm的FLQT3鋁粉對爆炸場壓力的降低效果更明顯。這種現(xiàn)象解釋是,單質(zhì)炸藥爆轟反應(yīng)時間在10-6～10-8s,這個時間內(nèi)純鋁可熱透的半徑約在10 μm以內(nèi),非金屬顆粒約在1 μm以內(nèi)[1]。由于鋁顆粒外表面有一層Al2O3的非金屬薄膜,實際能夠熱透的半徑遠小于10 μm。因此平均粒度為4 μm的鋁粉在單質(zhì)炸藥的爆轟反應(yīng)時可以完全熱透變成液體導(dǎo)致體積變大,存在少量鋁粉沖破Al2O3薄膜暴露后在爆轟波陣面前沿參與反應(yīng)放出大量熱量,從而彌補了爆轟波陣面降低的能量。

圖2含不同鋁粉炸藥的爆炸場壓力與時間曲線

Fig.2Curves of explosion field pressure vs. time for explosives containing different aluminum powder

圖3含不同鋁粉炸藥1 s內(nèi)爆炸場壓力與時間曲線

Fig.3Curves of explosion field pressure vs time within one second for explosives containing different aluminum powder

3.2 爆炸場溫度分析

通過密閉真空爆炸罐測得含不同粒度鋁粉的含鋁炸藥爆炸場溫度與時間變化曲線如圖4,將圖4的時間尺度縮小到1 s,得圖5。由圖4、圖5可知,鋁粉粒度對含鋁炸藥爆炸場溫度的提升作用大小順序是FLQT2>FLQ355A>FLQT4>FLQT3。圖5顯示,FLQ355A、FLQT2、FLQT3等三種鋁粉的爆炸溫度有明顯的先下降然后再升高的現(xiàn)象,而FLQT4鋁粉不存在下降趨勢,而是呈現(xiàn)出逐漸升高隨后形成一個溫度平臺。爆炸場溫度實驗結(jié)果可以用含鋁炸藥惰性熱稀釋理論解釋,含鋁炸藥中的單質(zhì)炸藥首先發(fā)生瞬間爆炸并釋放出大量熱量,鋁粉吸收爆轟波陣面的熱量使波陣面的能量減小以及氣體向外膨脹做功致使爆轟產(chǎn)物溫度下降,當(dāng)鋁粉完全熱透變成液體,體積逐漸增大,致使鋁粉表面的三氧化二薄膜破裂而與爆轟產(chǎn)物發(fā)生二次反應(yīng)釋放大量的熱量,溫度上升,反應(yīng)完成后,系統(tǒng)溫度呈緩慢下降趨于平衡,因此爆炸場溫度呈現(xiàn)先下降后上升最后緩慢下降趨于平衡。對于粒度較小的FLQT4鋁粉,其在單質(zhì)炸藥爆炸瞬間,鋁粉顆粒已全部熱透變成液體,體積逐漸增大,漲破表面的三氧化二鋁薄膜發(fā)生二次反應(yīng)釋放熱量,其釋放的熱量抵消了其吸收的熱量,所以爆炸場溫度沒有出現(xiàn)先降低后升高的趨勢,而是形成一個溫度平臺,在鋁粉二次反應(yīng)后,系統(tǒng)溫度呈緩慢下降趨于平衡。

圖4含不同鋁粉炸藥的爆炸場溫度與時間曲線

Fig.4Curves of explosion field temperature vs time for explosives containing different aluminum powder

圖5含不同鋁粉炸藥的1 s內(nèi)爆炸場溫度與時間曲線

Fig.5Curves of explosion field temperature vs time within 1 s for explosives containing different aluminum powder

3.3 氣體產(chǎn)物分析

反應(yīng)后各氣態(tài)產(chǎn)物分析結(jié)果見表1,含鋁炸藥氣態(tài)產(chǎn)物的定量分析是采用外標(biāo)法,首先測量標(biāo)準(zhǔn)樣的氣象色譜,將各組分含量與色譜峰的面積相對應(yīng),然后測定本實驗的氣態(tài)產(chǎn)物的氣象色譜進行定量分析?，F(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)樣為CH4、CO2、N2和CO的混合氣體,因此實驗所得數(shù)據(jù)為CH4、CO2、N2和CO的定量分析數(shù)據(jù),其余氣體沒有定量分析。由表1數(shù)據(jù)可知,含不同粒度鋁粉的炸藥爆轟后氣態(tài)產(chǎn)物含量不同,其中含F(xiàn)LQT3鋁粉含鋁炸藥反應(yīng)后的CO氣體最大,剩余氧含量最多。含不同鋁粉炸藥爆轟后氣態(tài)產(chǎn)物中氧含量的多少順序為FLQT3>FLQT4>FLQ355A>FLQT2。

由含鋁炸藥的二次反應(yīng)理論[8]可知,含鋁炸藥的反應(yīng)可分成三個階段: 一是無氧爆轟階段,主要是炸藥中的單質(zhì)炸藥發(fā)生分解反應(yīng)。二是無氧燃燒階段,主要是炸藥中的鋁粉等可燃組分與單質(zhì)炸藥的分解產(chǎn)物發(fā)生氧化還原反應(yīng),此反應(yīng)不需要外界的氧氣。三是有氧燃燒階段,主要是無氧燃燒階段剩余的鋁粉等可燃組分與周圍空氣中的氧氣發(fā)生反應(yīng)。前兩個階段是含鋁炸藥爆轟反應(yīng)階段,是炸藥自身爆轟能釋放階段,第三個階段是后燃燒階段,因本實驗是在真空環(huán)境下進行,不存在第三階段反應(yīng)。鋁粉發(fā)生氧化反應(yīng)必須有兩個前提: 一是與氧化劑充分接觸,二是必須提供足夠高的反應(yīng)溫度使鋁粉與氧化劑發(fā)生反應(yīng)。含鋁炸藥爆轟產(chǎn)物向外膨脹時可以使鋁粉與氧化性氣態(tài)產(chǎn)物發(fā)生湍流作用而密切接觸,因此條件一不是問題,所以含鋁炸藥中鋁粉的反應(yīng)效果取決于含鋁炸藥爆轟能量釋放提供的環(huán)境溫度。含不同鋁粉炸藥的爆炸場溫度分析已知,爆炸場溫度大小順序為FLQT2>FLQ355A>FLQT4>FLQT3,與炸藥最終氣態(tài)產(chǎn)物中氧含量的大小順序正好相反,說明溫度越高越有利于鋁粉與氧化劑反應(yīng)消耗掉氧元素,反應(yīng)放出的熱量繼續(xù)維持高溫環(huán)境,促進鋁粉與氧化劑的充分反應(yīng)。

表1含不同鋁粉炸藥爆轟后的氣態(tài)產(chǎn)物

Table1Gas products after detonation for explosives containing different aluminum powder %

4 結(jié) 論

利用密閉爆炸罐實驗,研究了真空環(huán)境下四種不同鋁粉對含鋁炸藥的爆炸場壓力和爆炸場溫度的影響規(guī)律,分析了鋁粉的反應(yīng)性能,得到以下結(jié)論:

(1) 四種鋁粉對含鋁炸藥爆炸場壓力的降低顯著性的順序是13 μm球狀鋁粉>4 μm球狀鋁粉>28 μm球狀鋁粉>130 μm片狀鋁粉,因此鋁粉對含鋁炸藥爆炸場壓力的降低能力與鋁粉的粒度大小不具有相關(guān)性。

(2) 四種鋁粉對含鋁炸藥爆炸場溫度的提升作用大小順序是28 μm球狀鋁粉>130 μm片狀鋁粉>4 μm球狀鋁粉>13 μm球狀鋁粉,因此鋁粉對含鋁炸藥爆炸場溫度的提升作用與鋁粉的粒度大小不具有相關(guān)性。

(3) 鋁粉發(fā)生氧化反應(yīng)的條件一是需與氧化劑充分接觸,二是必須有較高的溫度,因此含鋁炸藥爆轟后的環(huán)境溫度越高越有利于鋁粉的氧化反應(yīng)。

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