納米鋁粉對炸藥水下爆炸能量的影響研究?

封雪松 田 軒 馮 博 徐洪濤 趙 娟 馮曉軍 王曉峰

西安近代化學(xué)研究所（陜西西安，710165）

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納米鋁粉對炸藥水下爆炸能量的影響研究?

封雪松 田 軒 馮 博 徐洪濤 趙 娟 馮曉軍 王曉峰

西安近代化學(xué)研究所（陜西西安，710165）

［摘 要］為了研究鋁粉顆粒尺度對炸藥爆炸能量的影響，分別對含納米鋁粉和微米鋁粉的RDX基炸藥進(jìn)行水下試驗，獲得了不同組成下含納米鋁粉和含微米鋁粉炸藥水下爆炸的沖擊波能和氣泡能，分析了納米鋁粉的含量對炸藥水下爆炸能量輸出的影響規(guī)律。試驗發(fā)現(xiàn)（以質(zhì)量分?jǐn)?shù)計）：當(dāng)鋁粉的含量為20%～40%時，含納米鋁粉的炸藥在水下沖擊波能和氣泡能方面始終低于相同鋁粉含量的含微米鋁粉的炸藥，且差值隨鋁粉含量的增加而增大；當(dāng)鋁粉總含量為30%和35%時，納米鋁粉與微米鋁粉混合使用可使炸藥具有較大的水下爆炸總能量，納米鋁粉的最優(yōu)加入量為10%。結(jié)果表明，當(dāng)混合鋁粉總質(zhì)量分?jǐn)?shù)為35%，且m（微米鋁粉）︰m（納米鋁粉）＝25︰10時，炸藥具有最大的水下爆炸能量。

［關(guān)鍵詞］含鋁炸藥；納米鋁粉；微米鋁粉；水下爆炸能量；反應(yīng)機(jī)理

［分類號］ TJ55

引言

鋁粉常用作添加劑以提高炸藥能量。研究表明［1］，鋁粉的加入量、粒度、比表面積和形狀等物理性能與含鋁炸藥的性能密切相關(guān)［2］，其中納米鋁粉因具有不同于微米鋁粉的化學(xué)和物理性質(zhì)，在推進(jìn)劑、炸藥和鋁熱劑中的應(yīng)用研究受到廣泛關(guān)注［3］。

Brousseau等［4］認(rèn)為，對TNT-Al混合炸藥，納米鋁粉配方的爆速和板痕深度有明顯提高；但對于HMX基的含鋁炸藥，含微米鋁粉炸藥的爆速仍高于含納米鋁粉炸藥的爆速。Lefrancois等［5］制備了分別含5 μm鋁粉、100 nm鋁粉和氟化鋰的高能炸藥RDX-AP-Al（LiF）-WAX（質(zhì)量比為20︰43︰25︰12），結(jié)果發(fā)現(xiàn)，含納米鋁粉的炸藥水下爆炸沖量和氣泡周期比含氟化鋰的炸藥分別提高60%和18%，但作者并未給出含微米鋁粉炸藥具體的能量值，也未與相應(yīng)含微米鋁粉的炸藥配方進(jìn)行比較，無法準(zhǔn)確獲得納米鋁粉對炸藥水中爆炸能量輸出結(jié)構(gòu)的影響。Miller等［6］用金屬板爆痕試驗和爆速試驗測量了炸藥性能，結(jié)果表明：在澆注PBX配方中，含納米鋁粉與含微米鋁粉無明顯差異，并認(rèn)為原因是超細(xì)鋁粉的氧化層較厚，使活性鋁含量比普通鋁粉低。

本文采用水下試驗方法，研究了納米鋁粉含量對RDX基炸藥水下爆炸能量輸出結(jié)構(gòu)的影響，并與含微米鋁粉炸藥的性能進(jìn)行了對比。

1 試驗

1. 1 試樣制備

以RDX為主炸藥；以氟橡膠F 2641作黏結(jié)劑；微米鋁粉的粒度為4～5 μm；納米鋁粉粒度為60～80 nm。鋁粉含量（本文均以質(zhì)量分?jǐn)?shù)計）分別為20%、25%、30%、35%、40%。采用直接法制備了含納米鋁粉的炸藥、含納米鋁粉與微米鋁粉混合物的炸藥，并分別壓制成30 mm×30 g的炸藥藥柱。

1. 2 含鋁炸藥的水下爆炸能量測試

1. 2. 1 試驗原理

當(dāng)炸藥在水下爆炸時，首先是沖擊波在水中迅速傳播，然后是高壓氣態(tài)產(chǎn)物向四周擴(kuò)散、膨脹，達(dá)到氣泡的最大半徑，此時氣泡內(nèi)的壓力低于周圍水的靜壓，因此，周圍的水再反向中心聚合，壓縮氣泡形成氣泡脈動。炸藥的能量分為兩部分——沖擊波能和氣泡能，前者表征炸藥爆炸的動作用，后者表征炸藥爆炸的靜作用。通過測量不同試樣的水下爆炸沖擊波峰值壓力、氣泡脈動周期，可計算炸藥水下爆炸的比沖擊波能和比氣泡能，分析納米鋁粉的含量對水下爆炸的能量輸出結(jié)構(gòu)的影響。

1. 2. 2 試驗儀器

采用PCBl38A自由場傳感器，靈敏度為6. 937 MPa/ V，壓力測量范圍為0～69 MPa。每組樣品至少獲取2發(fā)有效數(shù)據(jù)，取其平均值計算炸藥的比沖擊波能、比氣泡能和總能量。

1. 2. 3 試驗裝置和布局

試驗水池直徑為3. 2 m，水深為2. 4 m，池底和池壁均由8 mm鋼板焊接而成。以十字鋼支架作為壓力傳感器和藥柱懸掛支撐，為保持傳感器和藥柱垂直水平面，防止因水的浮力和湍流給測試造成影響，使用重物懸掛，使得兩者保持在同一水平面上，具體布局見圖1所示。

2 結(jié)果與討論

2. 1 炸藥的水下爆炸試驗結(jié)果

通過水下爆炸試驗，獲得了含微米鋁粉炸藥和含納米鋁粉炸藥的能量分布，見表1。

由表1可知，含納米鋁粉的炸藥，在水下沖擊波能和氣泡能方面均低于相同鋁粉含量的含微米鋁粉的炸藥，且差值隨鋁粉含量的增加而增大。

2. 2 鋁粉對炸藥水下爆炸能量的影響

2. 2. 1 水下爆炸沖擊波能

圖2記錄了含納米鋁粉炸藥和含微米鋁粉炸藥的水下爆炸沖擊波能的曲線。

由圖2可知，當(dāng)鋁粉含量在20%～40%時，含不同粒度鋁粉的炸藥的比沖擊波能變化趨勢相同：比沖擊波能隨鋁粉含量的增加而增加，在含量為25%左右時達(dá)到最大值，之后，比沖擊波能隨鋁粉含量的增加而迅速降低。

值得注意的是：含微米鋁粉炸藥的比沖擊波能大于含納米鋁粉的炸藥，當(dāng)鋁粉含量為20%時，二者差值最小，當(dāng)鋁粉含量為25%～35%時，比沖擊波能差值隨鋁粉含量的增加而增加，當(dāng)鋁粉含量為40%時，比沖擊波能差值最大。原因在于：

1）納米鋁粉中活性含量為85%，低于微米鋁粉99%的活性含量，隨著鋁粉含量增加，比沖擊波能的差值逐漸增大；

2）納米鋁粉參與爆轟反應(yīng)的時間早于微米鋁粉，且反應(yīng)的速率高于微米鋁粉，對緊跟波陣面后的沖擊波能的貢獻(xiàn)在含量較低時優(yōu)于微米鋁粉的能量貢獻(xiàn)。

2. 2. 2 水下爆炸氣泡能

圖3記錄了含納米鋁粉的炸藥和含微米鋁粉炸藥的水下爆炸氣泡能曲線。由圖3可知，含微米鋁粉炸藥的平均比氣泡能隨鋁粉含量的增加而增大；而含納米鋁粉炸藥的平均比氣泡能呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，并在鋁粉含量為35%時具有最大值。當(dāng)鋁粉含量相同時，含微米鋁粉炸藥的平均比氣泡能高于含納米鋁粉的炸藥，當(dāng)鋁粉含量為20%時，微米鋁粉的比納米鋁粉的高9. 8%；當(dāng)鋁粉含量增至25%、30%、35%時，含微米鋁粉炸藥的比氣泡能比含納米鋁粉炸藥的比氣泡能高12%～13%；當(dāng)鋁粉含量為40%時，比氣泡能差值最大，達(dá)到21%。

產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因在于：

1）由于納米鋁粉在早期參與爆轟反應(yīng)，且在短時間內(nèi)反應(yīng)完全，能夠與爆轟氣體產(chǎn)物和水作用的鋁粉很少，對氣泡能的貢獻(xiàn)極??；而微米鋁粉反應(yīng)速率較慢，大量與氣體產(chǎn)物和水作用而釋放能量；

2）當(dāng)炸藥在水下爆炸后，在氣泡邊界處會形成大量的水蒸氣（由周圍水介質(zhì)產(chǎn)生），爆炸產(chǎn)物中過量的鋁粉將與水蒸氣反應(yīng)，從而提高混合炸藥整體的能量。綜上，含納米鋁粉的炸藥與含微米鋁粉的炸藥相比，水下氣泡能的差距遠(yuǎn)高于沖擊波能的差距，且隨著鋁粉含量增加，差距不斷增大。

對比含納米鋁粉的炸藥與含微米鋁粉的炸藥的水下爆炸能量可知，含納米鋁粉的炸藥在水下沖擊波能和氣泡能方面均低于相同鋁粉含量的含微米鋁粉的炸藥，且差值隨鋁粉含量的增加而增大。

2. 3 含納米鋁粉和微米鋁粉混合物炸藥的水下爆炸能量

為了同時發(fā)揮微米鋁粉單質(zhì)鋁含量高和納米鋁粉反應(yīng)速率高的優(yōu)勢，將納米鋁粉和微米鋁粉混合使用，研究其對水下作功能力和能量輸出結(jié)構(gòu)的影響，鋁粉總含量分別為30%、35%，見表2、表3。

當(dāng)鋁粉總含量為30%時，純微米鋁粉的比沖擊波能、比氣泡能和總能量分別為1. 253、5. 104 MJ/ kg和6. 357 MJ/ kg，其中當(dāng)m（微米鋁粉）︰m（納米鋁粉）＝10︰20時，配方具有最大的比沖擊波能；當(dāng)m（微米鋁粉）︰m（納米鋁粉）＝20︰10時，配方具有最大的比氣泡能和水下爆炸總能量。當(dāng)鋁粉總含量為35%時，純微米鋁粉的比沖擊波能、比氣泡能和總能量分別為1. 126、5. 373 MJ/ kg和6. 499 MJ/ kg，其中當(dāng)m（微米鋁粉）︰m（納米鋁粉）＝25︰10時，配方具有最大的比沖擊波能、比氣泡能以及最大的總能量。

表2 混合鋁粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的炸藥的水下能量Tab. 2 Under-water detonation energy of the explosive with 30%（mass fraction）aluminum powder

表3 混合鋁粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為35%的炸藥的水下能量Tab. 3 Under-water detonation energy of the explosive with 35%（mass fraction）aluminum powder

2. 4 機(jī)理分析

納米金屬粉粒度較低、氧化活潑性較高，在炸藥爆轟過程中，納米鋁粉參與爆轟反應(yīng)的時間遠(yuǎn)遠(yuǎn)早于微米鋁粉，這與點燃試驗中納米鋁粉的燃點（600℃）遠(yuǎn)低于微米鋁粉是一致的；而且，由于活性金屬粉的反應(yīng)速率高，其在較短的時間內(nèi)即可反應(yīng)完全，能量釋放主要在爆轟波陣面之前完成，在爆轟波陣面之后釋能較少，難以在波陣面之后與爆轟氣體產(chǎn)物繼續(xù)反應(yīng)釋放能量，因此，對炸藥的長期爆炸效應(yīng)不利，即對爆轟波陣面之后所需要的沖擊波效應(yīng)、氣泡效應(yīng)、后燃效應(yīng)等沒有明顯貢獻(xiàn)。

由于炸藥在水介質(zhì)中爆炸時，產(chǎn)生比沖擊波能的時間先于比氣泡能，粒度低、比表面積更大的納米鋁粉能夠更多、更快地參與爆轟反應(yīng)，支持前沿沖擊波的能量；但超過一定含量后，高活性鋁單質(zhì)鋁含量偏低、氧化膜較厚的劣勢開始顯現(xiàn)，超壓和比沖擊波能開始降低。由于氣泡作用在沖擊波之后產(chǎn)生，時間較晚，納米鋁粉先行反應(yīng)而難以對其貢獻(xiàn)能量，只能一定程度提高微米鋁粉的反應(yīng)速率，而對氣泡能產(chǎn)生影響，加之納米鋁粉氧化層厚，因而在含量10%時氣泡能即達(dá)到最高，隨后即開始下降。

因此，利用納米鋁粉能夠更活潑、更快速地參與反應(yīng)的性質(zhì)，將其少量替代微米鋁粉，能夠在不降低密度的前提下，提高鋁粉的整體反應(yīng)速率，減少鋁粉的整體反應(yīng)時間，提高鋁粉的整體反應(yīng)完全率，最終實現(xiàn)整體能量釋放的提高。

3 結(jié)論

1）當(dāng)鋁粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)在20%～40%時，含納米鋁粉的炸藥在水下沖擊波能和氣泡能方面始終低于相同鋁粉含量的含微米鋁粉的炸藥，且差值隨鋁粉含量的增加而增大。納米鋁粉在水下爆轟反應(yīng)中的后效作用遠(yuǎn)低于微米鋁粉；納米鋁粉的高反應(yīng)速率和高反應(yīng)完全率，使其提前參與了炸藥的爆轟反應(yīng)，對爆轟波陣面后作用時間較長的沖擊波能和氣泡能貢獻(xiàn)少。

2）當(dāng)鋁粉總含量為30%和35%時，納米鋁粉與微米鋁粉混合使用可使炸藥具有較大的水下爆炸總能量，此時納米鋁粉的加入量為10%。當(dāng)混合鋁粉總含量為35%，且m（微米鋁粉）︰m（納米鋁粉）＝25︰10時，炸藥具有最大的水下爆炸能量。

參考文獻(xiàn)

［1］ 王曉峰.軍用混合炸藥的發(fā)展趨勢［J］.火炸藥學(xué)報，2011，34（4）：1-4. WANG X F. Developmental trends in military composite explosive［J］. Chinese Journal of Explosives and Propellants，2011，34（4）：1-4.

［2］ 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.

［3］ 陳朗，龍新平，馮長根，等.含鋁炸藥爆轟［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2004.

［4］ BROUSSEAU P，ANDERSON C J. Nanometric aluminum in explosives［J］. Propellants，Explosives，Pyrotechnics，2002，27（5）：300-306.

［5］ LEFRANCOIS A，BAUDIN G，LE GALLIC C，et al. Nanometric aluminum powder influence on the detonation efficiency of explosives［C］/ / Proceedings of the 12th International Detonation Symposium. San Diego，California，2002：22-32.

［6］ MILLER P J，BEDFORD C D，DAVIS J J. Effect of metal particle size on the detonation properties of various metallized explosives［C］/ / Proceedings of 11th International Detonation Symposium. Colorado，USA，1998：214-220.

Effect of Nano-aluminum on the Under-water Detonation Energy of Explosive

FENG Xuesong，TIAN Xuan，F(xiàn)ENG Bo，XU Hongtao，ZHAO Juan，F(xiàn)ENG Xiaojun，WANG Xiaofeng

Xi’an Modern Chemistry Research Institute（Shaanxi Xi’an，710065）

［ABSTRACT］ In order to investigate the influence of nano-aluminum on the detonation energy of explosive，RDX-based explosive containing nano-aluminum and micron aluminum were prepared and used in the under-water detonation experiment. Shockwave energy and bubble energy of explosives with different components of nano-aluminum and micron aluminum were measured. Effect of nano-aluminum content on the energy output in under-water detonation was also analyzed. It can be found that shockwave energy and bubble energy of explosives containing 20%-40%（mass fraction）nano-aluminum are lower than those of explosives containing 20%-40%（mass fraction）micron aluminum，and the difference increases with the raise of aluminum content. When the mass fraction of aluminum powder is 30%or 35%，explosives with the mixtures of nano-aluminum and micron aluminum have higher total energy in underwater detonation，and the optimal mass fraction of nano-aluminum is 10%. Results also show that when the mass fraction of aluminum powder is 35%［m（micron aluminum）︰m（nano-aluminum）＝25︰10］，underwater detonation energy of the explosive is the highest.

［KEY WORDS］ aluminized explosives；nano-aluminum；micron aluminum；under-water detonation energy；reaction mechanism

doi：10. 3969/ j. issn. 1001-8352. 2016. 03. 001

收稿日期：?2015-06-09

作者簡介：封雪松（1972 -），女，高級工程師，主要從事壓裝混合炸藥技術(shù)研究。E-mail：xuan110@163. com

通信作者：田軒（1987 -），男，工程師，主要從事炸藥爆炸化學(xué)研究。E-mail：aaaxuanyuan@163. com