真空環(huán)境下鋁含量對(duì)HMX基炸藥爆炸場(chǎng)壓力和溫度的影響

楊 雄，王曉峰，黃亞峰，馮曉軍，田 軒，馮 博，趙 凱，李文祥

(西安近代化學(xué)研究所，陜西 西安 710065)

真空環(huán)境下鋁含量對(duì)HMX基炸藥爆炸場(chǎng)壓力和溫度的影響

楊 雄，王曉峰，黃亞峰，馮曉軍，田 軒，馮 博，趙 凱，李文祥

(西安近代化學(xué)研究所，陜西 西安 710065)

為研究真空環(huán)境下鋁粉含量對(duì)HMX基含鋁炸藥爆炸反應(yīng)機(jī)制的影響，利用密閉爆炸罐測(cè)量了鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%(OA1)、20%(OA2)、25%(OA3)和30%(OA4)4種含鋁炸藥的爆炸場(chǎng)壓力與溫度，并采集分析了炸藥爆炸氣體產(chǎn)物。結(jié)果表明，4種含鋁炸藥的準(zhǔn)靜態(tài)壓力大小依次為OA2>OA1>OA3>OA4，炸藥OA2爆炸威力最大；爆炸場(chǎng)平衡溫度高低依次為OA4>OA3>OA2>OA1，表明平衡溫度隨炸藥中鋁粉含量的增大而升高；首次峰值溫度高低依次為OA1>OA2>OA3>OA4，炸藥OA1和OA2到達(dá)首峰溫度值的時(shí)間遠(yuǎn)快于炸藥OA3和OA4，除炸藥OA1外其余3種炸藥均有二次峰值出現(xiàn)，說(shuō)明含鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)15%和20%的炸藥中部分鋁粉提前反應(yīng)；鋁粉反應(yīng)率大小依次為OA1>OA2>OA3>OA4，表明隨鋁粉含量的增加，鋁粉反應(yīng)完全性降低。

含鋁炸藥；聯(lián)合效應(yīng)炸藥；爆炸場(chǎng)；準(zhǔn)靜態(tài)壓力；平衡溫度；鋁粉反應(yīng)率；HMX

引 言

傳統(tǒng)含鋁炸藥具有爆熱高和作功能力強(qiáng)的特點(diǎn)，大量應(yīng)用于對(duì)空武器彈藥、水下武器彈藥及空對(duì)地武器彈藥[1]。聯(lián)合效應(yīng)炸藥(Combined Effects Explosives)[2]是國(guó)外近年發(fā)展起來(lái)的一類新型含鋁炸藥，兼具優(yōu)良金屬驅(qū)動(dòng)性能與較強(qiáng)的沖擊波作用，其配方設(shè)計(jì)的依據(jù)是本征爆轟(Eigenvalue detonation)[3]理論，該理論認(rèn)為聯(lián)合效應(yīng)炸藥在爆轟反應(yīng)初期，除炸藥爆轟反應(yīng)外，金屬燃料鋁同時(shí)發(fā)生氧化還原反應(yīng)。因此，鋁粉的反應(yīng)機(jī)制直接影響炸藥的能量輸出結(jié)構(gòu)。

國(guó)內(nèi)外開(kāi)展了大量關(guān)于含鋁炸藥爆炸反應(yīng)機(jī)制的研究工作。Paul Anderson等[4]研究了HMX基聯(lián)合效應(yīng)炸藥中鋁粉含量對(duì)能量釋放與分配的影響，發(fā)現(xiàn)含質(zhì)量分?jǐn)?shù)15%～20%細(xì)顆粒鋁粉的炸藥中鋁粉能提前在爆轟反應(yīng)區(qū)參與反應(yīng)；馮曉軍等[5]研究了鋁粉含量對(duì)RDX基含鋁炸藥爆炸金屬加速能力的影響，結(jié)果表明，當(dāng)鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為15%時(shí)金屬加速能力最大，認(rèn)為部分鋁粉提前在爆轟反應(yīng)區(qū)參與反應(yīng)；Richard G. Ames等[6]測(cè)量了封閉空間中炸藥爆轟和二次燃燒能量的累積，并得到準(zhǔn)靜態(tài)壓力與時(shí)間的關(guān)系曲線；黃亞峰等[7]研究了真空環(huán)境下鋁粉粒度與形狀對(duì)RDX基壓裝炸藥爆炸場(chǎng)壓力和溫度的影響，研究認(rèn)為鋁粉粒度與爆炸場(chǎng)壓力和溫度不具相關(guān)性。但上述研究均未從爆炸場(chǎng)壓力和溫度歷程角度探討鋁粉含量對(duì)含鋁炸藥爆炸反應(yīng)機(jī)制的影響。

本研究利用密閉爆炸罐測(cè)量真空條件下HMX基含鋁炸藥的爆炸場(chǎng)壓力和溫度，分析鋁粉含量對(duì)炸藥爆炸場(chǎng)壓力和溫度歷程的影響規(guī)律，探討鋁粉在炸藥爆炸過(guò)程中的反應(yīng)機(jī)制，為聯(lián)合效應(yīng)炸藥配方設(shè)計(jì)提供參考。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 樣 品

HMX，粒徑125μm，甘肅銀光化學(xué)工業(yè)集團(tuán)有限公司；球形鋁粉FLQT4，平均粒徑4μm，鞍山鋼鐵廠。實(shí)驗(yàn)樣品配方如表1所示。

表1 含鋁炸藥配方

1.2 樣品制備

將黏結(jié)劑在乙酸乙酯中溶解，置入水浴升溫至60℃，在溶解好的黏結(jié)劑中依次加入HMX和鋁粉，攪拌均勻，待溶劑揮發(fā)至物料呈膏團(tuán)拉絲狀，再過(guò)篩造粒、烘干，最后壓制成帶8號(hào)雷管孔的Ф25mm藥柱，藥柱質(zhì)量(25±0.050)g。

1.3 實(shí)驗(yàn)裝置

本實(shí)驗(yàn)采用自主研制的密閉爆炸裝置，如圖1所示。裝置為圓柱形彈體，高400mm，內(nèi)徑188mm，體積5.8L。本實(shí)驗(yàn)裝置中壓力傳感器為美國(guó)Kulite公司超高溫硅壓阻傳感器；溫度傳感器為美國(guó)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，響應(yīng)時(shí)間可達(dá)10-5s，最大耐壓135MPa。傳感器布置在距端蓋中心40mm處，其下端距離端蓋底部120mm。測(cè)溫范圍-240～1200℃，精度小于1%。

德圖testo350氣體分析儀可定量分析O2、NO、NO2、CO和CO25種氣體產(chǎn)物的體積分?jǐn)?shù)。其中O2、NO、NO2和CO測(cè)量采用電化學(xué)傳感器，精度為±1%測(cè)量值，分辨率為0.01%；CO2測(cè)量采用紅外傳感器，精度為±0.3%，分辨率為0.01%。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of the experimental device

1.4 實(shí)驗(yàn)方法

將炸藥藥柱懸掛于距端蓋底面150mm處，接入雷管，密封彈體與端蓋，用真空泵抽空彈體內(nèi)空氣，抽至氣壓為-0.096MPa。起爆實(shí)驗(yàn)樣品，傳感器記錄52s內(nèi)的電信號(hào)數(shù)據(jù)，并利用德圖testo350氣體分析儀采集并定量分析爆炸氣體產(chǎn)物。

2 結(jié)果與討論

2.1 爆炸場(chǎng)壓力分析

爆轟氣體準(zhǔn)靜態(tài)壓指的是炸藥在有限體積的密閉結(jié)構(gòu)內(nèi)爆炸，爆轟氣體受約束不能無(wú)限膨脹，氣體趨于穩(wěn)定時(shí)的壓力,通常把爆轟后幾十毫秒的壓力均值作為準(zhǔn)靜態(tài)壓力值[8]。4種炸藥OA1、OA2、OA3和OA4在真空環(huán)境中起爆后，測(cè)得0.1s內(nèi)的爆炸場(chǎng)壓力對(duì)應(yīng)電壓與時(shí)間關(guān)系曲線如圖2所示。

圖2 不同鋁含量炸藥0.1s內(nèi)爆炸場(chǎng)壓力對(duì)應(yīng)電壓與時(shí)間關(guān)系曲線Fig.2 The voltage corresponding explosion field pressure of explosive with different Al content in 0.1s as a function of time

由圖2可以看出，4種炸藥的準(zhǔn)靜態(tài)壓力OA2>OA1>OA3>OA4。準(zhǔn)靜態(tài)壓力是炸藥總能量的一部分，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)僅采用準(zhǔn)靜態(tài)壓力作為威力判斷參數(shù)，認(rèn)為準(zhǔn)靜態(tài)壓力可用來(lái)表征炸藥威力[9]。因此，本實(shí)驗(yàn)4個(gè)炸藥樣品爆炸威力大小順序?yàn)镺A2>OA1>OA3>OA4，即含鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%的炸藥爆炸威力最大，其鋁粉含量接近HMX基含鋁炸藥理論計(jì)算最大威力值所需的鋁粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為19.6%[1]。

2.2 爆炸場(chǎng)溫度分析

試驗(yàn)測(cè)得爆炸場(chǎng)溫度對(duì)應(yīng)電壓與時(shí)間關(guān)系曲線，如圖3所示。取第52s內(nèi)10000個(gè)點(diǎn)的溫度平均值作為爆炸場(chǎng)平衡溫度，平衡溫度和首次達(dá)到的峰值溫度值如表2所示。由表2可知，隨著炸藥中鋁粉含量的增加，爆炸場(chǎng)平衡溫度呈遞增趨勢(shì)，首峰溫度呈遞減趨勢(shì)。

表2 炸藥爆炸場(chǎng)溫度測(cè)量值

注：T1為平衡溫度；T2為首峰溫度。

圖3 不同鋁含量炸藥的爆炸場(chǎng)溫度對(duì)應(yīng)電壓與時(shí)間關(guān)系曲線Fig.3 The voltage corresponding to explosion field temperature of explosive with different Al content as a function of time

將圖3時(shí)間尺度分別縮小至3s和0.2s，可得圖4和圖5。圖4表明，炸藥OA2、OA3和OA4的溫度均有明顯的二次升高現(xiàn)象，3種配方爆炸場(chǎng)溫度達(dá)到二次峰值的時(shí)間分別為：t22=0.0521s、t32=1.9536s、t42=0.2205s。而炸藥OA1爆炸場(chǎng)溫度達(dá)到首次峰值后快速下降，無(wú)二次峰出現(xiàn)，在0.2s左右溫度下降相對(duì)變緩，之后又快速下降。圖5中4種炸藥達(dá)到首峰溫度的時(shí)間分別為：t11=0.0038s、t21=0.0027s、t31=0.0221s和t41=0.0834s。結(jié)果表明，炸藥OA1和OA2起爆后，溫度很快達(dá)到首次峰值，二者時(shí)間相當(dāng)，快于炸藥OA3和OA4。

圖4 不同鋁含量炸藥3s內(nèi)爆炸場(chǎng)溫度對(duì)應(yīng)電壓與時(shí)間關(guān)系曲線Fig.4 The voltage corresponding to explosion field temperature of explosive with different Al content in 3s as a function of time

根據(jù)二次反應(yīng)理論[10]將含鋁炸藥的反應(yīng)分為3個(gè)階段：(1)無(wú)氧爆轟階段，主炸藥發(fā)生爆轟分解，鋁粉不參與反應(yīng)；(2)無(wú)氧燃燒階段，鋁粉與單質(zhì)炸藥分解的產(chǎn)物進(jìn)行氧化還原反應(yīng)；(3)有氧燃燒階段，主要為第二階段剩余鋁粉等可燃組分與空氣中氧氣反應(yīng)。本實(shí)驗(yàn)在真空環(huán)境下進(jìn)行，因此炸藥的反應(yīng)只有前兩個(gè)階段。

分析認(rèn)為，鋁粉具有良好的熱傳導(dǎo)性，能從灼熱的主炸藥爆轟產(chǎn)物中吸收熱量，隨著由外到內(nèi)的熱透，鋁粉內(nèi)部純鋁熔為液態(tài)，體積逐漸增大，導(dǎo)致表面Al2O3外殼脹破，熔融的鋁與具有氧化性的爆轟產(chǎn)物相遇從而發(fā)生反應(yīng)。單質(zhì)炸藥爆轟反應(yīng)時(shí)間為10-6～10-8s，金屬在此時(shí)間段可熱透半徑為10μm以內(nèi)[1]。本實(shí)驗(yàn)采用粒徑為4μm的球形鋁粉，粒度小，比表面積大，導(dǎo)熱速率快。當(dāng)鋁粉含量較低時(shí)，主炸藥爆轟瞬間釋放的能量使鋁粉整體快速熱透并脹破氧化鋁外殼，在極短的時(shí)間內(nèi)發(fā)生氧化還原反應(yīng)釋放能量。因此，炸藥OA1和OA2爆炸場(chǎng)溫度很快達(dá)到首次峰值，是由于鋁粉氧化還原反應(yīng)時(shí)間提前，甚至有可能提前到了第一階段爆轟反應(yīng)區(qū)。炸藥OA1的爆炸場(chǎng)溫度無(wú)二次峰值且在0.2s左右下降趨勢(shì)減緩，是因?yàn)樘崆皡⑴c反應(yīng)的鋁粉量較大，少量剩余鋁粉在后期反應(yīng)釋放的熱量不足以產(chǎn)生二次峰。炸藥OA3和OA4溫度值達(dá)到首峰和二次峰相對(duì)較慢，峰值較低。原因是隨著炸藥中鋁粉含量的增加，主炸藥含量減少，無(wú)氧爆轟階段主炸藥爆轟反應(yīng)釋放的能量降低，后期無(wú)氧燃燒階段大量鋁粉吸熱，使得單個(gè)鋁粉顆粒能得到的熱量減少，因此鋁粉雖然被加熱，但是卻不易達(dá)到破殼及反應(yīng)的閾值溫度，只有極少量鋁粉在無(wú)氧燃燒階段的初期熱透，發(fā)生氧化還原反應(yīng)放熱，之后將熱量傳遞給鄰近的鋁粉繼續(xù)維持后續(xù)反應(yīng)，鋁粉在整個(gè)無(wú)氧燃燒階段燃燒反應(yīng)較慢，持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)。

文獻(xiàn)[4]中，含質(zhì)量分?jǐn)?shù)15%～20%細(xì)顆粒鋁粉的聯(lián)合效應(yīng)炸藥鋁粉能提前在爆轟反應(yīng)區(qū)反應(yīng)，釋放大量能量，增強(qiáng)格尼能，解決了傳統(tǒng)爆破毀傷含鋁炸藥鋁粉反應(yīng)相對(duì)滯后導(dǎo)致金屬加速能力低的問(wèn)題。本試驗(yàn)從爆炸場(chǎng)溫度歷程的角度證實(shí)了含鋁粉(粒徑為4μm)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%和20%的炸藥中，鋁粉能提前發(fā)生氧化還原反應(yīng)并釋放熱量。

2.3 氣體產(chǎn)物分析

測(cè)得O2、NO、NO2、CO和CO25種氣體產(chǎn)物的體積分?jǐn)?shù)，結(jié)果見(jiàn)表3。根據(jù)所測(cè)結(jié)果與質(zhì)量守恒及元素守恒定律結(jié)合，計(jì)算爆炸產(chǎn)物組成與其含量，寫(xiě)出4種炸藥爆炸反應(yīng)方程式，進(jìn)而得出4種炸藥的鋁粉反應(yīng)完全性。

表3 不同鋁含量炸藥爆轟后的氣體產(chǎn)物體積分?jǐn)?shù)

氣態(tài)產(chǎn)物中O2、NO和NO2的體積分?jǐn)?shù)均為0，認(rèn)為氣態(tài)產(chǎn)物中氧元素僅存在于CO和CO2中。在真空環(huán)境下，對(duì)含鋁炸藥爆炸產(chǎn)物中各元素存在形式作以下近似處理：(1)實(shí)測(cè)NO2與NO體積分?jǐn)?shù)均為0，因此認(rèn)為N元素完全以N2形式存在；(2)H元素以H2和液態(tài)H2O兩種形式存在；(3)C元素以CO、CO2和C 3種形式存在；(4)O元素以CO、CO2、H2O以及Al2O34種形式存在；(5)Al元素以Al和Al2O3兩種形式存在。

在上述近似處理的基礎(chǔ)上，炸藥爆炸產(chǎn)物有N2、H2、H2O、CO、CO2、C、Al和Al2O38種物質(zhì)。設(shè)炸藥分子式為CaHbNcOdAle，8種產(chǎn)物摩爾數(shù)為nN2、nH2、nH2O、nCO、nCO2、nC、nAl和nAl2O3，氣體總摩爾數(shù)由理想氣體狀態(tài)方程n總=pV/RT得到， CO和CO2的體積分?jǐn)?shù)分別為φCO和φCO2，依據(jù)質(zhì)量守恒和元素守恒，由下列公式計(jì)算8種爆炸產(chǎn)物的摩爾數(shù)：

nN2=c/2

(1)

nCO=n總·φCO

(2)

nCO2=n總·φCO2

(3)

nC=a-nCO-nCO2

(4)

nH2=n總-nN2-nCO-nCO2

(5)

nH2O=(b-2nH2)/2

(6)

(7)

nAl=e-2nAl2O3

(8)

根據(jù)表3中5種氣體產(chǎn)物檢測(cè)結(jié)果，通過(guò)上述8個(gè)公式計(jì)算得出4種含鋁炸藥爆炸產(chǎn)物各組分含量，其爆炸反應(yīng)方程式分別如下：

炸藥OA1:

C0.273H0.546N0.546O0.546Al0.139→0.273N2+0.017CO2+0.194CO+0.131H2+0.142H2O+0.062C+0.059Al2O3+0.021Al

炸藥OA2:

C0.256H0.512N0.512O0.512Al0.185→0.256N2+0.016CO2+0.208CO+0.185H2+0.074H2O+0.032C+0.067Al2O3+0.052Al

炸藥OA3:

C0.239H0.478N0.478O0.478Al0.231→0.239N2+0.005CO2+0.162CO+0.127H2+0.112H2O+0.072C+0.071Al2O3+0.089Al

炸藥OA4:

C0.222H0.445N0.445O0.445Al0.277→0.222N2+0.0005CO2+0.153CO+0.169H2+0.054H2O+0.069C+0.085Al2O3+0.107Al

由反應(yīng)方程式計(jì)算得出4種炸藥OA1、OA2、OA3和OA4的鋁粉反應(yīng)率分別為84.9%、72.4%、61.7%、61.3%，大小順序?yàn)镺A1>OA2>OA3>OA4，即鋁含量越少，鋁粉反應(yīng)越完全。但4種炸藥爆炸產(chǎn)物中氧化鋁生成量隨鋁含量的增加而升高，這與爆炸場(chǎng)平衡溫度趨勢(shì)一致，說(shuō)明鋁粉反應(yīng)量越多，燃燒釋放的熱量越多，導(dǎo)致體系溫度升高。

含鋁炸藥中全部鋁粉恰好與爆轟產(chǎn)物中的CO2和H2O反應(yīng)完全生成CO和H2時(shí)，威力最大[11]。上述4個(gè)反應(yīng)方程式爆炸產(chǎn)物中炸藥OA2的CO和H2生成量最大，且鋁粉反應(yīng)也較完全，達(dá)到質(zhì)量分?jǐn)?shù)72.4%，炸藥OA2含鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%，接近HMX基含鋁炸藥理論計(jì)算威力最大值的炸藥含鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)19.6%，此結(jié)果與3.1節(jié)中炸藥OA2準(zhǔn)靜態(tài)壓力最高、威力最大的結(jié)論相符。

3 結(jié) 論

(1) 4種含鋁炸藥爆炸后準(zhǔn)靜態(tài)壓力大小順序?yàn)椋篛A2>OA1>OA3>OA4，即含鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%的炸藥OA2爆炸威力最大。

(2) 4種炸藥爆炸場(chǎng)溫度的首次峰值溫度大小順序?yàn)椋篛A1>OA2>OA3>OA4，并且炸藥OA1和OA2到達(dá)首峰溫度值的時(shí)間遠(yuǎn)快于炸藥OA3和OA4；炸藥OA2、OA3和OA4的爆炸場(chǎng)溫度均有二次峰值出現(xiàn)，而炸藥OA1無(wú)二次峰值。說(shuō)明炸藥OA1和OA2的大量鋁粉提前參與反應(yīng)，且鋁粉反應(yīng)量前者大于后者。

(3) 4種含鋁炸藥爆炸鋁粉反應(yīng)完全性的大小順序?yàn)椋篛A1>OA2>OA3>OA4，表明隨鋁粉的含量增加，鋁粉反應(yīng)完全性降低。

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Effect of Al Content on the Explosion Fild Pressure and Temperature of HMX-based Explosive in Vacuum Environment

YANG Xiong，WANG Xiao-feng，HUANG Ya-feng，F(xiàn)ENG Xiao-jun，TIAN Xuan，F(xiàn)ENG Bo，ZHAO Kai，LI Wen-xiang

(Xi′an Modern Chemistry Research Institute，Xi′an 710065，China)

To investigate the effect of Al powder content on the explosion reaction mechanism of HMX based aluminized explosive in vacuum environment, the explosion field pressure and temperature of four kinds of aluminized explosives of aluminum mass fraction as 15%(OA1), 20%(OA2), 25%(OA3) and 30%(OA4) were measured in a sealed explosion chamber, and explosion gas products of explosive were collected and analyzed. The results show that the quasi-static pressure value decreases in the order of OA2>OA1>OA3>OA4, meaning that explosive OA2 has the greatest explosion power. The equilibrium temperature of explosion field decreases in the order of OA4 > OA3 >OA2 > OA1, indicating that the equilibrium temperature increases with the increase of aluminum content in the explosive. The first peak temperature of the four explosivesase decreases in the order of OA1>OA2>OA3>OA4. For the time required to the first peak temperature, explosive OA1 and OA2 are far faster than explosive OA3 and OA4. Except explosive OA1, other three explosives appear the secondary peak. The part of aluminum in the explosive of aluminum mass fraction as 15% and 20% are reacted in advance. The reaction ratio of Al powder decreases in the orde of OA1>OA2>OA3>OA4, indicating that with the increase of aluminum powder content, the completeness of Al powder reaction decreases.

aluminized explosives; combined effects explosives; explosion fild; quasi-static pressure; equilibrium temperature; Al powder reaction ratio;HMX

2017-08-13；

2017-09-15

國(guó)家重大預(yù)研專項(xiàng)

楊雄(1992-)，男，碩士研究生，從事混合炸藥技術(shù)研究。E-mail：yangxiong0135@163.com

王曉峰(1967-)，男，博士，研究員，從事混合炸藥技術(shù)研究。E-mail：wangxf_204@163.com

10.14077/j.issn.1007-7812.2017.06.012

TJ55;TQ56

A

1007-7812(2017)06-0073-05