金屬基可燃膠體配方試驗(yàn)研究

賈栓柱，甄建偉，杜仕國(guó)，俞衛(wèi)博

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金屬基可燃膠體配方試驗(yàn)研究

賈栓柱，甄建偉，杜仕國(guó)，俞衛(wèi)博

（陸軍工程大學(xué)石家莊校區(qū)，河北 石家莊，050003）

基于采用金屬基可燃膠體高溫灼燒方式就地銷(xiāo)毀未爆彈藥，具有可操作性強(qiáng)、作業(yè)效率高、安全風(fēng)險(xiǎn)低、場(chǎng)地適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，制備了不同配比的金屬基膠體，并進(jìn)行數(shù)十組對(duì)5mm厚鋁板的灼燒試驗(yàn)。對(duì)比結(jié)果發(fā)現(xiàn)CuO燃燒產(chǎn)生氣體，易造成噴濺現(xiàn)象；Al/Ni容易產(chǎn)生高溫熔渣，但放熱量低；最終得出兩種高熱劑含量分別為總質(zhì)量的20%左右最合適，含量增大或減少都會(huì)影響熔穿效果。

金屬基可燃膠體；未爆彈藥；銷(xiāo)毀；氧化銅；鎳

實(shí)彈訓(xùn)練中，未爆彈藥銷(xiāo)毀處理主要采取炸毀[1-3]方法。如果采用就地引爆處理方式，受現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜、布置精度要求高等因素影響，往往需要人工放置炸藥或其它引爆裝置（如射流彈等）。然而近距離接觸未爆彈藥會(huì)給排爆人員帶來(lái)危險(xiǎn)，另外除未爆彈藥內(nèi)部炸藥外還額外增加了炸藥的當(dāng)量，這對(duì)于某些靶場(chǎng)的安全防護(hù)距離可能無(wú)法保證。由此可見(jiàn)，傳統(tǒng)方式具有人員操作安全性低、需要額外增加爆炸當(dāng)量、處理周期長(zhǎng)等缺點(diǎn)，難以滿足訓(xùn)練過(guò)程實(shí)時(shí)、安全、高效處理的需要。對(duì)于移除處理方式，雖然可采用機(jī)器人移除，但是移除后的未爆彈藥仍需要人工近距離接觸操作處理，人員的安全問(wèn)題仍未有效解決。

目前，鋁熱劑因其反應(yīng)產(chǎn)生的高溫及熔融態(tài)金屬而被廣泛應(yīng)用在金屬切割領(lǐng)域[4-11]，在彈藥銷(xiāo)毀領(lǐng)域也被廣泛關(guān)注。采用金屬基可燃膠體高溫灼燒方式可實(shí)現(xiàn)射擊訓(xùn)練場(chǎng)不增加額外爆炸當(dāng)量條件下就地銷(xiāo)毀未爆彈藥，且具有可操作性強(qiáng)、作業(yè)效率高、安全風(fēng)險(xiǎn)低、場(chǎng)地適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，特別適合于手榴彈、槍榴彈、子母彈子彈、單兵火箭彈等殼體較薄、彈體較小、戰(zhàn)斗部殼體為低熔點(diǎn)合金材料的彈種。而這些彈種也正是訓(xùn)練中應(yīng)用最多、未爆率最高、產(chǎn)生未爆彈藥最多的。本研究針對(duì)金屬基可燃膠體配方進(jìn)行試驗(yàn)，以期獲得較好的熔穿效果。

1 材料選擇

金屬基可燃膠體由于是膠體直接接觸灼燒，不會(huì)有模具，因此需要燃燒平穩(wěn)，燃燒過(guò)程不產(chǎn)生噴濺，以保證熔渣的有效利用和安全性。同時(shí)由于鋁熱劑在燃燒中熱量較有模具時(shí)易散失，因此需要有較好的溫度保持性；此外，金屬基膠體鋁熱劑不宜采用產(chǎn)生大量氣體的添加劑，大量氣體的產(chǎn)生會(huì)使膠體分散，不利于熱量的集中，但若添加可以提高接觸熔渣溫度的物質(zhì)，則可有效提高灼燒能力。因此，本文選取以下幾種材料：

（1）Al/Fe2O3，反應(yīng)速度平穩(wěn)，且熱值高，粉狀鋁熱劑反應(yīng)溫度可達(dá)2 500℃左右。

2Al+Fe2O3= 2Fe+Al2O3-827.6kJ/mol ≈ - 4.06kJ/g （1）

（2）Al/CuO，Al/CuO反應(yīng)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的熱，熱值甚至高于Al/Fe2O3，但是由于反應(yīng)過(guò)程中CuO于1 015℃時(shí)會(huì)分解產(chǎn)生O2[12]，不宜大量采用。

2Al+3CuO = 3Cu+Al2O3-1 212.5kJ/mol≈ - 4.42kJ/g （2）

（3）Al/Ni，反應(yīng)生成物NiAl的熔點(diǎn)為1 640℃，鐵的熔化溫度在1 500℃左右，Cu的熔點(diǎn)在1 083℃，因此在反應(yīng)過(guò)程中，生成熔融的NiAl更有利于提高熔渣的溫度。但是其反應(yīng)的產(chǎn)生熱值較低，因此也不易大量采用。

2 實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)共進(jìn)行數(shù)十組，每組鋁熱劑定量為50g。在所有實(shí)驗(yàn)結(jié)果中，挑選6組具有代表性的數(shù)據(jù)，如表1所示。

表1 各組成分質(zhì)量配比 (%)

每組鋁熱劑總質(zhì)量50g，按照表1中的質(zhì)量配比，配置完后，再在每組藥劑中加入5g Mg粉，混合均勻，加入15g所配置的特殊膠體進(jìn)行混合潤(rùn)濕，制得所需膠體，然后置于厚度為5mm厚的鋁板上，用打火機(jī)引燃，如圖1（a）所示。

(a) 金屬基可燃膠體的放置

(b) 金屬基可燃膠體燃燒初期

圖1 金屬基可燃膠體的放置與引燃

Fig.1 Placement and ignition of metal-based combustible colloids

3 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及分析

3.1 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

在點(diǎn)燃膠體后，金屬基膠體中的膠體首先被點(diǎn)燃，如圖1（b）所示，待膠體燃燒基本完畢，鋁熱劑被引燃。高熱劑燃燒過(guò)程如圖2（a）所示，均會(huì)產(chǎn)生大量火焰，待高熱劑燃燒完畢后，生成大量金屬熔渣，由圖2（b）可見(jiàn)在燃燒產(chǎn)物中心處為紅色高溫熔渣，核心部位甚至達(dá)到黃色。待金屬熔渣逐漸冷卻，輕輕刮去金屬熔渣，觀察鋁板。

(a)膠體中鋁熱劑燃燒

(b) 膠體全部燃燒完畢

圖2 金屬基可燃膠體燃燒

Fig.2 Metal-based combustible colloid burning

6組燃燒實(shí)驗(yàn)后鋁板如圖3所示。

（a） 組1

（b） 組2

（c） 組3

（d） 組4

（e） 組5

（f） 組6

圖3 金屬基可燃膠體灼燒5mm厚鋁板結(jié)果

Fig.3 Result of 5mm thick aluminum plate burned by metal-based combustible colloids

從圖3可以看出，不同組分的鋁熱劑配比，其燃燒效果相差明顯，對(duì)于組4、組5，鋁板只是變形，并沒(méi)有燒透，而組2效果最好，組3次之。

3.2 實(shí)驗(yàn)分析

組1組分為Al/Fe2O3，產(chǎn)生直徑約10mm的孔洞，反應(yīng)平穩(wěn)，產(chǎn)生高溫熔渣依附在鋁板表面，使鋁板熔透；組2組分包含20%Al/CuO與20%Al/Ni，產(chǎn)生直徑約30mm的孔洞，燃燒過(guò)程中Al/CuO產(chǎn)生高溫，Al/Ni又可提高熔渣溫度，從而使灼燒侵蝕效果達(dá)到最好；組3組分包含20%Al/CuO與40%Al/Ni，燃燒產(chǎn)生長(zhǎng)20mm、寬10mm的孔洞，雖然Al/Ni熔渣溫度高，但是其燃燒熱值較低，因此當(dāng)含量過(guò)高時(shí)，反應(yīng)產(chǎn)生熱值降低，從而限制溫度提升；組4組分包含40%Al/CuO與20%Al/Ni，燃燒后沒(méi)有產(chǎn)生孔洞，雖然Al/CuO燃燒過(guò)程中產(chǎn)生高溫，但是CuO在1 015℃高溫時(shí)會(huì)分解產(chǎn)生氧氣，CuO含量過(guò)高，使氣體產(chǎn)量過(guò)大，導(dǎo)致藥劑噴濺，如圖4所示，因此熔渣得不到利用，效果反而下降。組5組分含40%Al/Ni，效果次于組3，因?yàn)橄鄬?duì)于組3，組5缺少Al/CuO，而Al/CuO會(huì)產(chǎn)生高熱，所以本組效果要差于組3；組6組分含40%Al/CuO，效果好于組4，因?yàn)橄鄬?duì)于組4，組6中將20%Al/Ni替換為Al/Fe2O3，產(chǎn)生的熱值要高于組4，但是此時(shí)由于Al/CuO會(huì)產(chǎn)生大量氣體，因此兩組都會(huì)產(chǎn)生大量噴濺，在此時(shí)，產(chǎn)生的高熱值起到了關(guān)鍵作用。

（a） 燃燒過(guò)程

（b） 燃燒結(jié)果

圖4 含40%CuO/Al的金屬基可燃膠體燃燒現(xiàn)象

Fig.4 Combustible of metal-based combustible colloid with 40% CuO/Al

Al/CuO含量過(guò)高時(shí)會(huì)噴濺而導(dǎo)致效果下降，Al/Ni含量過(guò)高時(shí)會(huì)因熱值較低效果同樣下降，因此，為使金屬基可燃膠體能夠達(dá)到最好的燃燒效果，經(jīng)過(guò)多組實(shí)驗(yàn)比較發(fā)現(xiàn)，當(dāng)Al/CuO為20%，Al/Ni為20%，Al/Fe2O3為60%時(shí)，鋁板熔穿效果最優(yōu)。

4 結(jié)論

通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比探究金屬基可燃膠體配方，比較Al/CuO、Al/Ni、Al/Fe2O3不同配比的燃燒效果，發(fā)現(xiàn)當(dāng)Al/CuO占粉體質(zhì)量的20%、Al/Ni占粉體質(zhì)量的20%、Al/Fe2O3占粉體質(zhì)量的60%時(shí)，可以達(dá)到最佳效果，根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象總結(jié)出原因如下：（1）Al/Fe2O3反應(yīng)平穩(wěn)，產(chǎn)生高溫熔渣依附在鋁板表面，50g時(shí)可使5mm鋁板熔透；（2）Al/CuO燃燒過(guò)程中放出熱量高于Al/Fe2O3，因此加入Al/CuO可以增加反應(yīng)熱，但是CuO在1 015℃會(huì)分解放出氧氣，將反應(yīng)物噴濺，導(dǎo)致熔渣得不到利用，實(shí)驗(yàn)結(jié)果也表明不適合大量加入。（3）Al/Ni反應(yīng)生成物NiAl的熔點(diǎn)為1 640℃，鐵的熔化溫度在1 500℃左右，Cu的熔點(diǎn)在1 083℃，因此Al/Ni可提高熔渣溫度，從而使灼燒侵蝕效果達(dá)到最好。雖然Al/Ni熔渣溫度高，但是其燃燒熱值較低，因此當(dāng)含量過(guò)高時(shí)，反應(yīng)產(chǎn)生熱值降低，從而限制溫度提升。

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Experimental Study on Formula of Metal-based Combustible Colloid

JIA Shuan-zhu，ZHEN Jian-wei，DU Shi-guo，YU Wei-bo

(Army Engineering University Shijiazhuang Campus，Shijiazhuang，050003)

To disposal the unexploded ammunition by metal-based combustible colloid high temperature burning, based on the advantages such as easy operation, high efficiency, low safety risk and so on, the metal-based combustible colloids with different component ratio were prepared, and the burning test for aluminum plate with 5mm thickness were carried out. The results show that CuO combustion produced gas, which was easy to cause splashing phenomenon, Al / Ni was easy to produce high temperature slag, while heat amount was small. The test concluded that the two kinds of high heat agent content in the total mass should be about 20%, higher or lower content will affect the penetration effect.

Metal-based combustible colloid；Unexploded ammunition；Disposal；Copper oxide；Nickel

TQ567.7

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2017.06.008

1003-1480（2017）06-0030-03

2017-10-20

賈栓柱（1993 -），男，在讀碩士研究生，主要從事特種能源與防護(hù)材料研究。