鋁粉含量和粒度對CL－20含鋁炸藥水中爆炸反應(yīng)特性的影響＊

胡宏偉，嚴(yán)家佳，陳 朗，郭 煒，宋 浦

（1.西安近代化學(xué)研究所，陜西西安710065；2.北京理工大學(xué)，北京100081）

鋁粉含量和粒度對CL－20含鋁炸藥水中爆炸反應(yīng)特性的影響＊

胡宏偉1，嚴(yán)家佳1，陳 朗2，郭 煒1，宋 浦1

（1.西安近代化學(xué)研究所，陜西西安710065；2.北京理工大學(xué)，北京100081）

為了研究CL－20基含鋁炸藥的爆炸反應(yīng)機理，利用水中爆炸實驗，測量了不同鋁粉含量和粒度的CL－20炸藥水中爆炸的沖擊波參數(shù)、二次壓力波參數(shù)，計算了沖擊波能和氣泡能。結(jié)果表明，水中爆炸的沖擊波能和氣泡能表征了爆轟和二次反應(yīng)兩個階段的炸藥爆炸能量分配，CL－20炸藥中的鋁粉主要在二次反應(yīng)階段發(fā)生反應(yīng)，只有少部分的鋁粉參與了早期的爆轟反應(yīng)。氣泡脈動形成的二次壓力波能描述鋁粉含量和粒度對二次反應(yīng)過程的影響，鋁粉含量對炸藥的二次反應(yīng)有顯著的影響；鋁粉粒度對炸藥的水下爆炸的初始沖擊波參數(shù)、沖擊波能和氣泡能的影響很小，對鋁粉與爆轟產(chǎn)物的二次反應(yīng)速率影響較大。

爆炸力學(xué)；氣泡沖量；水中爆炸；CL－20炸藥；鋁粉含量；二次反應(yīng)；含鋁炸藥

六硝基六氮雜異伍茲烷（CL－20）能量密度高、化學(xué)與熱安定性好，是一種具有重要應(yīng)用前景的高能量密度化合物。近年來，已成功研制了多種含CL－20混合炸藥，如PAX－12［1－2］、PBXW－16［3］、LX－19［4］、PAX－11［5］和PAX－29［6］等，這些配方已接近或達到實用水平，在高爆戰(zhàn)斗部和反裝甲戰(zhàn)斗部中都得到了應(yīng)用。

含鋁炸藥是一種典型的非理想炸藥，廣泛應(yīng)用于水中和空中爆炸的武器中，深入研究含鋁炸藥的爆轟反應(yīng)機理，對含鋁炸藥的研制和使用具有重要的意義。M.A.Cook［7］認為，含鋁炸藥爆轟時在CJ面之前，鋁粉并不參加化學(xué)反應(yīng)，即使鋁粉參與了化學(xué)反應(yīng)，但在到達CJ面時也遠遠沒有完全反應(yīng)，因為鋁粉的反應(yīng)是當(dāng)爆轟產(chǎn)物膨脹時才開始并逐漸完成的。P.J.Miller［8］提出了一種含鋁炸藥爆轟反應(yīng)模型，該模型把反應(yīng)過程主要分為兩個階段：第1階段（CJ反應(yīng)區(qū)內(nèi)），含鋁炸藥的炸藥組分爆轟分解形成中間產(chǎn)物，同時少部分鋁粉參加反應(yīng)；第2階段（CJ面以后），大部分鋁粉與中間產(chǎn)物反應(yīng)形成最終產(chǎn)物。D.J.Pastine等［9］發(fā)現(xiàn)，含鋁炸藥的爆轟是穩(wěn)定的ZND結(jié)構(gòu)后面跟一個非穩(wěn)定的反應(yīng)區(qū)，鋁粉在穩(wěn)定區(qū)內(nèi)和后面的非穩(wěn)定區(qū)內(nèi)都參加反應(yīng)。薛再清等［10］研究了主要成份為RDX／TNT／Al的含鋁炸藥的爆轟，認為鋁粉在反應(yīng)區(qū)內(nèi)不參加反應(yīng)或者反應(yīng)很少，在CJ面后才與爆轟產(chǎn)物進行二次反應(yīng)釋放能量。陳朗等［11］用激光速度干涉儀測量了RDX基含鋁炸藥加速金屬過程和與透明窗口界面的粒子速度，發(fā)現(xiàn)鋁粉主要在爆轟反應(yīng)后期同爆轟產(chǎn)物反應(yīng)釋放能量，鋁粉尺寸和裝藥條件對炸藥爆轟性能有顯著影響。

雖然對RDX、HMX基含鋁炸藥的反應(yīng)機理進行了大量的研究，但CL－20作為一種新型高能量密度化合物，具有更高的能量、爆速和爆壓，還需研究CL－20基含鋁炸藥的爆轟機理，有效指導(dǎo)該炸藥的使用及研制新型的含鋁炸藥。本文中，利用水下爆炸沖擊波與高壓氣團的脈動開展CL－20基含鋁炸藥水下爆炸的能量釋放特性的研究，測試其水中爆炸的沖擊波、二次壓力波和氣泡參數(shù)，研究鋁粉含量和粒度對CL－20基含鋁炸藥爆炸反應(yīng)的影響，擬為CL－20炸藥的研制及其在武器中的應(yīng)用提供參考。

1 實 驗

1.1 樣品

樣品是以CL－20炸藥為主體的含鋁炸藥，鋁粉為圓球形。共設(shè)計了7種樣品，樣品1、4～6中的鋁粉平均直徑為17μm，樣品7中的鋁粉平均直徑為3μm，樣品3不含鋁粉，樣品2以粉狀氟化鋰（LiF）代替Al粉。LiF的熱力學(xué)性能與鋁相似，但在爆轟中保持惰性，能夠反映鋁粉沒有參加反應(yīng)下炸藥的爆轟性能。

樣品1、2具有相同的密度和質(zhì)量，用于對比樣品在相同性能參數(shù)條件下的反應(yīng)特性。LiF代替Al粉后，由于LiF的密度（2.635g／cm3）略低于鋁粉的密度，為了保持相同密度，樣品1未壓制成較大的密度，因此，樣品1的密度略低于樣品4。樣品4～6所含鋁粉逐漸增大，用于研究鋁粉含量對CL－20基炸藥反應(yīng)特性的影響。樣品7與樣品4密度、組分相同，鋁粉的粒度不同，是為了對比不同粒度的鋁粉對炸藥爆炸反應(yīng)特性的影響。樣品全部為壓裝柱形炸藥，具體炸藥組分見表1。

表1 炸藥組分Table 1 Explosives formulation

1.2 布局

測試系統(tǒng)包括美國PCB公司的138型ICP壓電式電氣石水下激波傳感器（測量沖擊波參數(shù)）、耐壓硅壓阻式壓力傳感器（測量二次壓力波參數(shù)）和482A型信號適配器，微測公司的高低頻數(shù)據(jù)記錄儀。沖擊波信號的采樣頻率為10MHz，氣泡脈動信號的采樣頻率為100kHz。

2 結(jié)果與分析

2.1 鋁粉對水中爆炸能量輸出結(jié)構(gòu)的影響

CL－20基含鋁炸藥的水中爆炸沖擊波與氣泡參數(shù)和能量見表2，表中ps，max為沖擊波峰值壓力，Is為沖擊波的沖量，es為沖擊波能，eb為氣泡能。

表2 CL－20基炸藥的水下爆炸沖擊波與氣泡參數(shù)和能量Table 2 Shock wave and bubble parameter and energy of underwater explosion for CL－20－based explosives

由表2可知，相同比例距離時，用惰性組分LiF代替Al粉后，在實驗誤差范圍內(nèi)，可認為二者的沖擊波峰值壓力基本一致，鋁粉在CJ面上沒有參與反應(yīng)。沖擊波沖量和沖擊波能降低了約15%，這表明，在CJ面后的爆轟產(chǎn)物的快速膨脹初期，少部分的鋁粉發(fā)生反應(yīng)支持了沖擊波。氣泡能降低了70%以上，這是由于炸藥爆轟的反應(yīng)時間為微秒量級，鋁粉的反應(yīng)時間在百微妙量級，該裝藥量下氣泡脈動周期在幾十毫秒量級，鋁粉的反應(yīng)過程發(fā)生在氣泡的膨脹期內(nèi)，因此鋁粉反應(yīng)釋放的能量主要通過二次反應(yīng)貢獻給了氣泡能，即鋁粉主要是同炸藥的爆轟產(chǎn)物反應(yīng)，增加了炸藥爆轟后期的能量。

2.2 鋁粉含量對水中爆炸反應(yīng)的影響

樣品4的水中爆炸的沖擊波壓力曲線和氣泡脈沖波形如圖1～2所示，這里的氣泡脈沖波形是指水中爆炸第1次氣泡脈動產(chǎn)生的壓力波。

圖1 沖擊波壓力波形Fig.1 Shock wave pressure history

圖2 氣泡脈沖波形Fig.2 Bubble pulse profile

氣泡脈沖的峰值壓力（pb，max）由氣泡脈沖的波形讀取，數(shù)據(jù)處理以初始沖擊波的基線為基準(zhǔn)?；€為40～60ms之間平滑曲線的壓力平均值（見圖2中紅色直線）。當(dāng)沖擊波經(jīng)過后，水下壓力傳感器測量的氣泡脈沖波形會產(chǎn)生偏移，基線向負壓偏移，文獻［14－15］中取p1為氣泡脈沖峰值壓力的5%?？紤]到測量時的噪聲以及傳感器性能的影響，本文中取p1為氣泡脈沖峰值壓力的10%。

氣泡脈沖的沖量為：

式中：Ib為氣泡脈沖沖量；T1和T2分別為氣泡壓力上升和下降到壓力p1的時間，二次壓力波脈沖寬度ΔTb＝T2－T1；pbt（）為任意時刻二次壓力波的壓力；t為時間。

CL－20基炸藥的水中爆炸參數(shù)見表3。由表3可知，第1次氣泡脈動產(chǎn)生的二次壓力波的峰值壓力僅為沖擊波峰值壓力的7.0%～9.0%，但其沖量是初始沖擊波沖量的2.1～2.9倍，明顯大于沖擊波的沖量。隨著鋁粉含量的增加，二次壓力波的峰值壓力逐漸降低，沖量和脈沖寬度不斷增加，二次壓力波主要受到氣泡的膨脹收縮速率和膨脹程度的影響。對于含鋁炸藥，鋁粉的能量主要在氣泡的膨脹過程中釋放，氣泡的膨脹過程中，鋁粉在釋放出大量能量或爆轟產(chǎn)物溫度升高的同時，爆轟產(chǎn)物氣體組分的分子量顯著減少（達百分之幾十），從而導(dǎo)致在比容不變的條件下爆轟產(chǎn)物壓力下降［16］。因此，當(dāng)鋁粉含量不斷增加時，爆轟產(chǎn)物氣體的分子量逐漸減少，爆轟產(chǎn)物壓力下降，導(dǎo)致氣泡的膨脹速率降低，二次壓力波的峰值壓力逐漸降低，但鋁粉含量較大時，鋁粉與爆轟產(chǎn)物二次反應(yīng)時間較長，同時釋放了較多的能量，氣泡的膨脹程度大，沖量和脈沖寬度變大。

表3 CL－20基炸藥的水中爆炸參數(shù)Table 3 Parameters of underwater explosion for CL－20－based explosives

2.3 鋁粉尺寸對水中爆炸反應(yīng)的影響

含兩種不同規(guī)格鋁粉的CL－20基炸藥的水下爆炸參數(shù)見表4。由表4可知，與樣品4相比（鋁粉粒度為17μm），樣品7（鋁粉粒度為3μm）的沖擊波峰值壓力、沖量、沖擊波能、氣泡周期、氣泡能都基本一致，未受到鋁粉尺寸的影響；二次壓力波峰值壓力變大，脈沖寬度和沖量變小。

表4 含兩種粒度鋁粉的CL－20基炸藥的水下爆炸參數(shù)Table 4 Parameters of underwater explosion for CL－20－based explosives containing powders with two particle sizes

即使在高溫高壓的極端條件下，鋁粉發(fā)生氧化還原反應(yīng)的時間（數(shù)百微秒）也遠長于爆轟時間（數(shù)微秒）［17］，雖然鋁粉粒度較小時，鋁粉顆粒比表面積增加，但參加前期爆轟反應(yīng)的鋁粉數(shù)量并未增加，沖擊波能和氣泡能的分配比例、沖擊波超壓和沖量基本沒有變化。因此，鋁粉顆粒的平均直徑由17μm降低到3μm時，對炸藥的爆轟反應(yīng)和能量輸出結(jié)構(gòu)影響很小。

鋁粉主要是在爆轟產(chǎn)物與鋁粉的二次反應(yīng)時參加反應(yīng)，鋁粉粒度對炸藥爆炸反應(yīng)的影響主要體現(xiàn)在二次壓力波上。鋁粉粒度小時，鋁粉顆粒比表面積增加，爆轟產(chǎn)物與鋁粉的二次反應(yīng)的速率提高，氣泡的膨脹速率變快，使二次壓力波的峰值壓力增大。但爆轟產(chǎn)物與鋁粉的二次反應(yīng)的速率提高，導(dǎo)致其二次反應(yīng)時間變短，氣泡的膨脹程度變小，二次壓力波的沖量和脈沖寬度略低。

3 結(jié) 論

（1）水中爆炸實驗?zāi)軌蛴脕硌芯亢X炸藥的爆炸反應(yīng)特性，沖擊波和氣泡膨脹過程分別表征了炸藥爆轟和二次反應(yīng)的能量釋放過程。對于CL－20含鋁炸藥，鋁粉主要是在二次反應(yīng)時與爆轟產(chǎn)物反應(yīng)釋放能量，鋁粉的能量主要貢獻給了氣泡能，少部分在CJ面后膨脹擴散時貢獻給了沖擊波沖量。

（2）鋁粉含量對CL－20炸藥的二次反應(yīng)過程有顯著的影響，氣泡膨脹過程反映了鋁粉與爆轟產(chǎn)物的二次反應(yīng)速率和時間，可從時間和空間二維角度描述鋁粉與爆轟產(chǎn)物二次反應(yīng)過程的能量釋放過程。

（3）鋁粉粒度對炸藥的水下爆炸的初始沖擊波參數(shù)、沖擊波能和氣泡能的分配比例影響很小，對二次壓力波有較大的影響，小尺寸鋁粉更容易與炸藥爆轟產(chǎn)物反應(yīng)，導(dǎo)致二次反應(yīng)的反應(yīng)速率變快。

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Effect of aluminum powder content and its particle size on reaction characteristics for underwater explosion of CL－20－based explosives containing aluminum

Hu Hongwei1，Yan Jiajia1，Chen Lang2，Guo Wei1，Song Pu1
（1.Xi’an Modern Chemistry Research Institute，Xi’an 710065，Shaanxi，China；2.Beijing Institute of Technology，Beijing100081，Beijing，China）

In the present work，the parameters of shock wave and secondary pressure wave with different aluminum powder content and particle size of CL－20－based aluminized explosives were measured by underwater explosion testing，the shock wave energy and bubble energy were calculated，and the explosion reaction mechanism of CL－20－based aluminized explosives was analyzed.The results show that the shock wave energy and the bubble energy of the underwater explosion represent the energy distribution in the early detonation period and the secondary reaction period，with only a minor portion of the aluminum powder participating in the early detonation period.The secondary pressure wave formed by the bubble pulsation can describe the effect of the aluminum and detonation products on the secondary reaction.The amount of the aluminum content has a significant influence on the process of the secondary reaction and，while the aluminum particle size has little effect on the initial shock wave parameters，shock wave energy and bubble energy，its effect is great on the secondary reaction rate of the aluminum power and detonation products.

mechanics of explosion；bubble impulse；underwater explosion；CL－20explosives；aluminum powder content；secondary reaction；aluminized explosives

O381國標(biāo)學(xué)科代碼：1303510

A

10.11883／1001－1455（2017）01－0157－05

（責(zé)任編輯 丁 峰）

2015－04－23；

2015－07－13

總裝重大預(yù)先研究專項項目（00401030701）

胡宏偉（1982— ），男，碩士，副研究員；通信作者：宋 浦，songpu73＠163.com。