鋁粉粒度和鋁氧比對(duì)含鋁炸藥在密閉空間內(nèi)爆炸特性的影響

段曉瑜, 郭學(xué)永, 焦清介, 趙 倩, 張靜元, 張慶明

(北京理工大學(xué)爆炸科學(xué)與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100081)

1 引 言

炸藥在約束空間內(nèi)爆炸的作用規(guī)律與在開放空間有著明顯不同,壁面的約束導(dǎo)致了沖擊波的反射并增加炸藥的后燃效應(yīng)。瑞典Weibull R W[1]1968年首次對(duì)TNT在半密閉爆炸罐內(nèi)的壓力特性進(jìn)行的研究,他指出初始反射沖擊波持續(xù)時(shí)間很短,對(duì)厚實(shí)墻面的結(jié)構(gòu)效用效果可以忽略[2],而之后的壓力波的持續(xù)時(shí)間相比壁面的特征周期持續(xù)時(shí)間很長(zhǎng),可以被當(dāng)做是實(shí)際作用在墻面的載荷。Swisdak M M[3]指出炸藥在密閉空間內(nèi)爆炸時(shí)形成一個(gè)靜態(tài)的壓力波,其衰減與爆炸容器的熱傳導(dǎo)有關(guān)。Kingery C N[4]研究了結(jié)構(gòu)內(nèi)爆炸的壓力特征。Anderson C E[5]分析了大量在密閉和半密閉空間內(nèi)爆炸的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),并結(jié)合數(shù)值模擬研究了結(jié)構(gòu)中的準(zhǔn)靜態(tài)壓力、持續(xù)時(shí)間和沖量。Kuhl A L[6]通過數(shù)值模擬比較了TNT在密閉空間內(nèi)的燃燒熱與爆熱。Trzcin′ski W A[7]對(duì)壓力曲線進(jìn)行平均后,擬合了平均壓力并得到的指數(shù)衰減的指前因子作為準(zhǔn)靜態(tài)壓力。Lee K B[8]把緊隨初始沖擊波之后的壓力當(dāng)做準(zhǔn)靜態(tài)壓力。Ames R G[9]通過求取一段時(shí)間內(nèi)的壓力平均值來求得準(zhǔn)靜壓。金朋剛[10]將炸藥在密閉空間內(nèi)爆炸后的10～20 ms內(nèi)的壓力平均值作為準(zhǔn)靜態(tài)壓力。王等旺[11]測(cè)試了自制試驗(yàn)裝置中的準(zhǔn)靜態(tài)壓力,認(rèn)為準(zhǔn)靜壓是一定時(shí)間后達(dá)到的穩(wěn)定的準(zhǔn)靜態(tài)壓力值。Trzcin′ski W A[12]測(cè)試了含30% 5 μm或90 μm鋁粉的含鋁炸藥的準(zhǔn)靜態(tài)壓力,結(jié)果顯示含5 μm鋁粉炸藥的準(zhǔn)靜壓比含90 μm的略高; 金朋剛[13]等測(cè)試含有兩種粒度鋁粉的奧克托今/Al/端羥基聚丁二烯53/35/12炸藥的準(zhǔn)靜態(tài)壓力,結(jié)果顯示含13 μm鋁粉的炸藥比含130 μm的釋放更多的能量提高了密閉空間內(nèi)爆炸的準(zhǔn)靜態(tài)壓力。美國(guó)海軍水面武器中心在比較密閉空間中炸藥威力時(shí)采用準(zhǔn)靜態(tài)壓力作為唯一的威力評(píng)估參數(shù)[14],但如何確定爆炸罐內(nèi)的載荷表征方法仍然是要努力的方向,特別是前一階段反射沖擊波時(shí)間的確定[15]。

鑒于目前國(guó)內(nèi)外尚無統(tǒng)一的準(zhǔn)靜態(tài)壓力的讀取方法,且鋁粉粒度和含量對(duì)含鋁炸藥內(nèi)爆炸特性的影響的研究不夠充分,因此,本研究通過對(duì)含鋁炸藥內(nèi)爆炸實(shí)驗(yàn),獲得較為客觀的準(zhǔn)靜態(tài)壓力的讀數(shù)方法,測(cè)試了含不同粒徑,不同含量鋁粉的RDX基含鋁炸藥的內(nèi)爆炸特性,研究鋁粉粒度和鋁氧比對(duì)含鋁炸藥在內(nèi)爆炸中的能量釋放特性的影響。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)樣品由黑索今(RDX)、鋁粉和少量蠟組成,藥量為100 g,壓制成長(zhǎng)徑為1∶1的圓柱形藥柱,壓藥相對(duì)密度保持在95%以上,起爆藥柱采用JH14,質(zhì)量為20 g。由于單質(zhì)鋁的化學(xué)當(dāng)量比為0.67,因此,本研究選擇鋁氧比(Al/ O)分別為0.45和0.99的兩種含鋁炸藥配方,HL-01和HL-02,具體配方見表1。同時(shí)經(jīng)課題組已有實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證[16],試樣直徑均大于其臨界直徑且均可爆炸完全。

表1 實(shí)驗(yàn)用含鋁炸藥配方

Table 1 The compositions of tested aluminized explosives

samplecontent/%RDXAlwaxAl/OHL?01702550．45HL?02554050．99

2.1 鋁粉特性

實(shí)驗(yàn)采用的鋁粉有三種,為了便于區(qū)分,將鋁粉的名稱定為與中位徑相近的整數(shù)。50 nm鋁粉,由于顆粒較小,團(tuán)聚較嚴(yán)重,使用激光粒度儀分析其樣品的粒度分布時(shí)有較大偏差,因此其粒度是根據(jù)掃描電鏡的照片估算而確定的,5 μm和50 μm鋁粉的粒度根據(jù)粒度分析儀確定。為了觀察鋁粉的球形度以及整體粒徑分布,使用Hitachi S4700對(duì)三種鋁粉樣品進(jìn)行了掃描電鏡分析(SEM),結(jié)果如圖1。5 μm和50 μm鋁粉的粒徑分布如圖2所示。

圖1表明,50 nm鋁粉樣品顆粒飽滿,球形度好,但分布不太均勻,有一定團(tuán)聚現(xiàn)象,而5 μm和50 μm鋁粉無明顯團(tuán)聚現(xiàn)象。該團(tuán)聚主要是由于顆粒間范德華力和庫侖力所致的軟團(tuán)聚[17],很難避免,在使用前對(duì)鋁粉進(jìn)行超聲分散,有助于減輕這一現(xiàn)象。

2.2 爆炸容器及測(cè)試儀器

關(guān)于炸藥在約束空間內(nèi)爆炸的試驗(yàn)方法目前國(guó)內(nèi)外尚無相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),實(shí)驗(yàn)通常采用特制的鋼體,本實(shí)驗(yàn)采用西安近代化學(xué)研究所500L爆炸罐,頂部為球冠,四周及底部為平板鋼焊接而成的圓柱體,在圓柱體右側(cè)距圓柱底端400 mm外焊接傳壓管并安放傳感器,藥柱用雷管線懸掛于容器中央,爆心距離罐底400 mm,爆炸罐示意圖如圖3。

實(shí)驗(yàn)時(shí)爆炸罐內(nèi)充滿0.1 MPa的空氣,測(cè)試室溫為15 ℃。實(shí)驗(yàn)采用Kistler 603BQ-01型壁面壓力傳感器,傳感器諧振頻率為300 kHz,靈敏度為0.5～0.75 V/MPa,記錄儀為VXI高速數(shù)據(jù)采集儀。采樣頻率為200 kHz; 記錄時(shí)間為2.5 s。

a. 50 nm b. 5 μm c. 50 μm

圖1 鋁粉SEM照片

Fig.1 The SEM images of Al particles

a. 5 μm

b. 50 μm

圖2 5 μm和50 μm鋁粉粒徑分布

Fig.2 The particle size distributions of 5 μm and 50 μm aluminum

圖3 500 L爆炸容器示意圖

Fig.3 Schematic diagram of 500 L explosion chamber

3 測(cè)試結(jié)果及數(shù)據(jù)處理

3.1 壓力曲線測(cè)試結(jié)果(以含5 μm鋁粉的HL-02樣品為例)

圖4為含5 μm鋁粉的HL-02電壓波形圖。圖5為相應(yīng)的壓力時(shí)間曲線,以及在80 ms內(nèi)采集的壓力曲線。

圖4 實(shí)測(cè)HL-02的電壓曲線

Fig.4 The voltage history of HL-02

圖5 實(shí)測(cè)HL-02壓力曲線

Fig.5 The pressure history of HL-02

由圖4和圖5可見,測(cè)試的壓力曲線在記錄時(shí)間(2.5 s)內(nèi)可大致分為三個(gè)階段,第一階段表現(xiàn)為壓力曲線的大幅震蕩,大致到20 ms左右,該階段為初始沖擊波的反射過程,這個(gè)過程已有部分鋁粉發(fā)生了反應(yīng)[18],但這些反射波的持續(xù)時(shí)間很短,并不是對(duì)墻板造成毀傷的主要來源[7,19]; 第二階段表現(xiàn)為壓力的非線性下降,到200～300 ms, Trzcin′ski W A[7]用指數(shù)衰減公式近似描述了該段的壓力曲線,該階段為持續(xù)時(shí)間很長(zhǎng)的準(zhǔn)靜態(tài)壓力波,可以當(dāng)做是實(shí)際作用在墻面的載荷,結(jié)合含鋁炸藥的二次反應(yīng)機(jī)理[20]以及文獻(xiàn)中對(duì)含鋁炸藥內(nèi)爆炸過程的區(qū)分[21],可知該段主要是炸藥爆轟產(chǎn)物的后燃過程,主要是鋁粉的反應(yīng)過程包括其與爆轟產(chǎn)物及周圍空氣中的氧的反應(yīng); 第三階段表現(xiàn)為壓力近似線性的緩慢下降,從第二階段結(jié)束開始到記錄終止,該階段為密閉體系降溫導(dǎo)致的壓力的緩慢下降過程[9]。

3.2 數(shù)據(jù)處理

應(yīng)用多點(diǎn)平均降噪法對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波。該方法的原理是對(duì)指定點(diǎn)數(shù)n的相鄰數(shù)據(jù)求平均,第i點(diǎn)壓力的計(jì)算方法如式(1):

(1)

利用Origin8平滑模塊中的相鄰平均法對(duì)壓力曲線進(jìn)行濾波處理,其中的窗口數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)即為式(1)的n,并以HL-02含有5 μm鋁粉的數(shù)據(jù)處理方法為例介紹該處理方法。圖6為經(jīng)過降噪處理后的HL-02含5 μm鋁粉的壓力曲線,由圖6可知,經(jīng)相鄰平均法降噪處理后的曲線仍能體現(xiàn)炸藥在密閉空間內(nèi)爆炸壓力曲線的特征,且能判別出明顯的峰值。

圖6 降噪后的HL-02壓力曲線

Fig.6 The soomthing pressure curve of HL-02

表2為不同窗口數(shù)據(jù)點(diǎn)光滑處理后所讀的峰值超壓的壓力值,窗口數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)的選取對(duì)峰值的影響很明顯,隨著窗口數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)的增加,曲線的峰值逐漸減小,同時(shí)在600 ms后的峰值變化很小。

表2 不同窗口數(shù)據(jù)點(diǎn)濾波后的峰值壓力

Table 2 The overpressures after smoothing using different numbers of the window

n2004006008001000pM/MPa0．8070．7920．7880．7820．781

根據(jù)文獻(xiàn)[14]對(duì)準(zhǔn)靜態(tài)壓力的定義可知,達(dá)到準(zhǔn)靜態(tài)壓力之后無明顯的沖擊波反射作用,因此光滑取點(diǎn)數(shù)應(yīng)該以達(dá)到準(zhǔn)靜態(tài)壓力之后無明顯擊波反射為依據(jù),即準(zhǔn)靜態(tài)壓力之后無反射帶來的跳動(dòng),表現(xiàn)為噪聲少。圖7窗口數(shù)據(jù)點(diǎn)為200、400和600點(diǎn)光滑后的曲線,其中,窗口數(shù)據(jù)點(diǎn)為200點(diǎn)時(shí),峰值后波形抖動(dòng)較大,400點(diǎn)時(shí)有所好轉(zhuǎn),但仍有一些震蕩,600點(diǎn)處理后的曲線在峰值后幾乎沒有大幅震蕩,可見400～600點(diǎn)的窗口數(shù)據(jù)點(diǎn)比較合適,其中由于400點(diǎn)和600點(diǎn)處理后的峰值差別很小,而且在600點(diǎn)后變化更為微小(如表2),因此選擇的光滑數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)為600。

a. n=200

b. n=400

c. n=600

圖7 不同窗口數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)降噪后的曲線

Fig.7 The smoothing curves with different numbers of window

由于經(jīng)處理后的壓力曲線在達(dá)到峰值后無明顯噪聲,滿足準(zhǔn)靜態(tài)的定義,因此定義降噪處理后的峰值為準(zhǔn)靜態(tài)壓力,pQS; 對(duì)應(yīng)的時(shí)間定義為壓力上升時(shí)間,tQS,反映了達(dá)到pQS所需時(shí)間。由于曲線中第三階段主要與體系的熱傳導(dǎo)有關(guān),因此主要研究第二階段,即在達(dá)到準(zhǔn)靜態(tài)時(shí)間后第一段下降較快的階段,如文獻(xiàn)[6],采用指數(shù)衰減近似如式(2)表征這個(gè)階段,并以這個(gè)階段的衰減系數(shù)ω作為特征量來表征爆炸罐內(nèi)的載荷,定義為壓力衰減系數(shù)。

p2(t)=(pQS-px)exp(-w(t-tQS))+px,tQS≤t

(2)

式中,p2(t)為第二階段的壓力值,MPa,px為第三階段的初始?jí)毫χ?MPa,tx為第三階段的初始時(shí)間,ms。

為確定tx的值,分別選取準(zhǔn)靜態(tài)壓力后的150～400 ms內(nèi)的壓力值以式(2)進(jìn)行擬合,表3為擬合得到的衰減系數(shù)及其相關(guān)系數(shù)。

表3 HL-02不同時(shí)間內(nèi)的指數(shù)衰減速率

Table 3 The attenuation rate of different time for HL-02

timeintervalafterpQS/ms150200250300350400ω0．01440．01190．00940．00890．00800．0074R20．9950．9940．9960．9940．9940．994

Note:ωis attenuation factor of pressure.

由表3可見,運(yùn)用式(2)的指數(shù)衰減公式擬合的相關(guān)系數(shù)均為0.994以上,說明該公式較為適用,同時(shí)衰減系數(shù)ω隨著峰值后時(shí)間的增加而減少。圖8為壓力衰減系數(shù)與達(dá)到準(zhǔn)靜態(tài)壓力后時(shí)間段之間的關(guān)系。

圖8ω與達(dá)到準(zhǔn)靜態(tài)壓力之后時(shí)間段的關(guān)系

Fig.8 The relationship ofωvs times afterpQS

由圖8可見,ω在準(zhǔn)靜態(tài)壓力后250 ms內(nèi)變化較為劇烈,在250 ms之后變化較小,因此取達(dá)到準(zhǔn)靜態(tài)峰值壓力后250 ms來擬合ω。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

依據(jù)上節(jié)所述數(shù)據(jù)處理方法對(duì)幾個(gè)樣品的壓力曲線進(jìn)行處理后得到的特征值如表4。圖9為兩類配方的pQS、tQS和ω隨鋁粉粒度變化的關(guān)系。

4.1 準(zhǔn)靜態(tài)壓力pQS

根據(jù)表4可知,對(duì)于HL-01,含5 μm鋁粉的pQS比含有50 nm鋁粉的高0.3%,可見對(duì)于低鋁氧比配方HL-01,相比5 μm的鋁粉,納米鋁粉的使用不會(huì)對(duì)pQS有太大的影響; 而含50 μm鋁粉的pQS比含有50 nm鋁粉的高0.7%。對(duì)于HL-02,含50 nm鋁粉的pQS只比含有5 μm鋁粉的低0.5%,對(duì)于高鋁氧比炸藥,鋁粉粒徑為50 nm或5 μm也不會(huì)影響準(zhǔn)靜態(tài)峰值壓力的大小; 而含50 μm鋁粉的準(zhǔn)靜態(tài)壓力比含有50 nm鋁粉高31.9%,說明對(duì)HL-02鋁粉粒徑越大,pQS越大。由圖9a可知,任一粒度下,HL-02的pQS均比HL-01的高。

表4 不同配方的特征值

Table 4 The eigenvalue of samples

sizeofaluminumpQS/MPaHL?01HL?02tQS/msHL?01HL?02ωHL?01HL?0250nm0．7240．7843．2206．5050．01700．00975μm0．7270．7884．5506．6050．01540．009450μm0．7291．03413．1915．890．01040．0073

Note:pQSis quasic-static pressure,tQSis rising time of pressure,ωis attenuation factor of pressure.

4.2 壓力上升時(shí)間tQS

由表4可知,對(duì)于HL-01,含50 μm鋁粉的tQS比含有5 μm鋁粉的tQS高8.6 ms,比含有50 nm鋁粉的tQS高10.0 ms。對(duì)于HL-02,含50 μm鋁粉的tQS比含有5 μm鋁粉的高9.3 ms,比含有50 nm鋁粉的高9.4 ms。由圖9b可知,鋁粉粒度對(duì)兩種炸藥tQS的影響保持相同的趨勢(shì),均隨著鋁粉粒度的增加而增加。

4.3 壓力衰減系數(shù)ω

由圖9c可知,對(duì)于任一鋁氧比配方,壓力衰減速率ω均隨著鋁粉粒度的增加而減少,且同一粒度下HL-02的ω比HL-01的小。

4.4 反應(yīng)機(jī)理分析

由以上分析可知,鋁粉的粒度和含量影響著含鋁炸藥在密閉空間內(nèi)爆炸前兩個(gè)階段的能量釋放。在第一階段的初始沖擊波反射過程中,主要包含了鋁粉和高能炸藥(RDX)的爆轟產(chǎn)物發(fā)生的氧化還原反應(yīng),即無氧燃燒過程,以及部分鋁粉與周圍空氣中氧的反應(yīng),主要影響pQS和tQS兩個(gè)特征量。對(duì)于pQS,含有50 μm鋁粉的樣品的值大于含有50 nm和5 μm鋁粉的樣品的值,這可能是由于納米鋁粉和小尺寸微米鋁粉的活性鋁含量少所導(dǎo)致[22],另一方面可能是鋁粉尺寸的減小導(dǎo)致反應(yīng)過程提前,準(zhǔn)靜態(tài)壓力反應(yīng)的是長(zhǎng)時(shí)間量級(jí)變量[23],過早的反應(yīng)不會(huì)增加pQS; HL-01中大多數(shù)鋁粉與爆轟產(chǎn)物反應(yīng),而HL-02中由于鋁較多,鋁粉與環(huán)境中氧氣進(jìn)一步反應(yīng),后燃時(shí)間更長(zhǎng),可持續(xù)增加準(zhǔn)靜壓,故每個(gè)粒度下HL-02配方的pQS均比HL-01高。對(duì)準(zhǔn)靜壓的增加不明顯; 對(duì)于tQS,一方面,粒度越小的鋁粉越容易與炸藥爆轟產(chǎn)物發(fā)生反應(yīng),體現(xiàn)在壓力上升時(shí)間tQS的減小; 另一方面,鋁粉含量越多其與爆轟產(chǎn)物的反應(yīng)時(shí)間越長(zhǎng),增加了tQS,tQS隨鋁粉粒度的降低程度隨Al/O的不同而不同。低Al/O的混合物HL-01,納米鋁粉可以減少準(zhǔn)靜態(tài)壓力形成的時(shí)間更明顯,這主要是由于HL-01里的主體炸藥足夠多,相比HL-02更高的爆速和爆壓導(dǎo)致炸藥爆轟后的高溫高壓環(huán)境更易于鋁粉的燃燒,這時(shí)小尺寸的鋁粉更快地反應(yīng)。

第二階段的鋁粉的后燃燒過程中,粒度對(duì)HL-01的ω影響更為劇烈,這主要是由于一方面HL-01里的主體炸藥足夠多,相比HL-02更高的爆速和爆壓導(dǎo)致炸藥爆轟后的高溫高壓環(huán)境更易于鋁粉的燃燒,這時(shí)小尺寸的鋁粉更快地反應(yīng),對(duì)壓力的支持作用也更容易衰退,而大粒徑的鋁粉由于其反應(yīng)速率慢,對(duì)壓力的支持作用持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng); 另一方面,由于HL-02中的鋁粉對(duì)爆速和爆壓的稀釋作用更強(qiáng),鋁粉不僅要和爆轟產(chǎn)物反應(yīng),更需要分散到空間內(nèi)與爆炸罐內(nèi)的空氣反應(yīng),這就使得鋁粉粒徑對(duì)HL-02的準(zhǔn)靜態(tài)壓力的衰減不如HL-01明顯。同一配方下,粒徑越小,鋁粉所需的反應(yīng)時(shí)間越短,短時(shí)間內(nèi)準(zhǔn)靜壓提升較快,同時(shí)壓力衰減也更快。

a. pQS

b. tQS

c. ω

圖9 含不同粒度鋁粉的兩種炸藥的特征值

Fig.9 The eigenvalues for HL-01 and HL-02 containing different sizes of Al

5 結(jié) 論

(1) 采用多點(diǎn)平均降噪法獲得準(zhǔn)靜態(tài)壓力和指數(shù)衰減近似法獲得壓力衰減系數(shù)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法,并提出了由準(zhǔn)靜態(tài)壓力pQS、壓力上升時(shí)間tQS和壓力衰減系數(shù)ω三個(gè)特征量表征含鋁炸藥在密閉空間內(nèi)爆炸的能量輸出特性。

(2) 對(duì)于含有50 nm、5 μm、50 μm鋁粉的樣品,鋁氧比為0.99的pQS和tQS均高于鋁氧比為0.45的,ω則相反; 對(duì)于任一鋁氧比的配方,pQS均隨鋁粉粒度的增加而增加,ω均隨鋁粉粒度的增加而減小。

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