微/納米粒度級(jí)配對(duì)炸藥爆轟波陣面Dn(κ)關(guān)系的影響

沈　飛，王　輝，徐司雨,2

(1. 西安近代化學(xué)研究所，陜西 西安 710065；2. 西安近代化學(xué)研究所燃燒與爆炸技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710065)

引　言

含鋁炸藥作為一類高密度、高爆熱和高威力的混合炸藥，廣泛應(yīng)用于各類常規(guī)武器裝藥。為了改善或提升其性能，國(guó)內(nèi)外進(jìn)行了大量的研究和嘗試，微/納米粒度級(jí)配作為其中一個(gè)研究熱點(diǎn)，受到廣泛關(guān)注[1-3]。Patrick 等[3]采用微/納米鋁粉粒度級(jí)配技術(shù)提升炸藥的反應(yīng)速率及作功能力；肖磊等[4]采用微/納米R(shí)DX或HMX粒度級(jí)配技術(shù)改善炸藥的感度性能等。

爆轟波非理想傳播特性關(guān)系到裝藥尺寸對(duì)爆轟性能的影響程度、爆轟驅(qū)動(dòng)能量?jī)?yōu)化控制等方面[5]。由于微/納米粒度級(jí)配一定程度上改變了炸藥的微觀結(jié)構(gòu)，如增大了顆粒的比表面積、減小了顆粒間隙等，也使得顆粒的活性發(fā)生了明顯變化，如降低了鋁粉的點(diǎn)火溫度，進(jìn)而可能影響炸藥的反應(yīng)區(qū)結(jié)構(gòu)及爆轟波傳播特性。目前，對(duì)于微/納米粒度級(jí)配炸藥的爆轟性能研究主要是基于爆速、爆熱、作功能力等宏觀方面[1,4,6]，而對(duì)爆轟波非理想傳播行為的研究較少。曲率效應(yīng)試驗(yàn)是爆轟波非理想傳播行為研究的必需試驗(yàn)，因此，本研究主要采用光學(xué)波形掃描法及電探針測(cè)速法分別測(cè)量不同微/納米粒度級(jí)配的RDX基含鋁炸藥擬定態(tài)條件下的爆轟波形及爆速，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析爆轟波陣面法向速度Dn與當(dāng)?shù)厍蔾之間的函數(shù)關(guān)系，進(jìn)而分析微/納米鋁粉/RDX粒度級(jí)配對(duì)炸藥爆轟波陣面曲率特征、能量側(cè)向損耗等方面的影響規(guī)律，為相關(guān)炸藥的配方優(yōu)化設(shè)計(jì)及工程應(yīng)用提供依據(jù)。

1　實(shí)　驗(yàn)

1.1　材料及儀器

納米鋁粉，粒徑170～200nm，球狀顆粒，西安近代化學(xué)研究所；微米鋁粉，粒徑5μm，球狀顆粒，鞍鋼實(shí)業(yè)微細(xì)鋁粉有限公司；微米R(shí)DX，平均粒徑約100μm，甘肅銀光化學(xué)工業(yè)集團(tuán)有限公司；納米R(shí)DX，平均粒徑約100nm，西安近代化學(xué)研究所。

SJZ-15型轉(zhuǎn)鏡式高速掃描相機(jī)，蘇州第一光學(xué)儀器廠，狹縫寬度為0.02mm。

1.2　RDX基含鋁炸藥藥柱的制備

RDX基含鋁炸藥配方組成如表1所示，所有藥柱均采用壓裝成型工藝制作，且壓制過程中的最大壓強(qiáng)一致，藥柱直徑均為40mm，長(zhǎng)徑比約為1。

表1　RDX基含鋁炸藥的配方及密度

RL-1作為基準(zhǔn)樣品；RL-2、RL-3和RL-4采用微/納米鋁粉粒度級(jí)配，且隨著納米鋁粉含量的增加，其裝藥密度逐步減小，即納米鋁粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%時(shí)，壓裝成型時(shí)納米鋁粉顆粒易于填充微米鋁粉間的孔隙，保證了樣品的密實(shí)性，而進(jìn)一步提升納米鋁粉含量時(shí)，可能由于發(fā)生部分團(tuán)聚而使裝藥密度略有降低；RL-5采用微/納米R(shí)DX粒度級(jí)配，其裝藥密度明顯提升。

1.3　實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)前將6節(jié)藥柱同軸粘接，采用密度為1.67g/cm3的Φ25mm×25mm JH-14壓裝藥柱作為傳爆藥柱，并粘接在主裝藥一端的中心位置處。

采用電探針測(cè)量藥柱中心的爆速，同時(shí)通過高速掃描相機(jī)獲得藥柱尾部端面的擬定態(tài)爆轟波形，實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，其中，主裝藥柱固定于木制支架的“V”形槽內(nèi)，以減小邊界約束條件對(duì)爆轟波形的影響。測(cè)量爆速時(shí)，為了盡可能準(zhǔn)確地獲得擬定態(tài)爆轟波的傳播速度，同時(shí)不干擾藥柱尾端的光學(xué)測(cè)量，將兩個(gè)探針分別置于第三節(jié)藥柱的前端和第五節(jié)藥柱的尾端中心位置。掃描爆轟波形時(shí)，相機(jī)的光學(xué)狹縫通過高清晰反射鏡對(duì)準(zhǔn)主裝藥柱端面的直徑，相機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)定為1.2×105r/min，其對(duì)應(yīng)的掃描速度為6mm/μs；同時(shí)，為了能夠提高相機(jī)底片的空間分辨率，獲得清晰的爆轟波形，可將有機(jī)玻璃光探板與主裝藥的測(cè)量端面粘貼，并預(yù)留0.1mm左右的間隙，當(dāng)沖擊波進(jìn)入空氣隙時(shí)，隙中空氣電離而發(fā)出強(qiáng)光，且沖擊波離開光探板后，又能夠阻止后續(xù)爆轟產(chǎn)物的光線進(jìn)入鏡頭，起到爆炸快門的作用。

2 　結(jié)果與討論

2.1　擬定態(tài)爆轟波形

高速相機(jī)記錄的爆轟波形如圖2所示，圖中的縱向表示裝藥直徑，橫向表示掃描時(shí)間。

從圖2可以清晰地看出波形的前沿。由于主裝藥柱的長(zhǎng)徑比較大，可以使爆轟波演化為擬定態(tài)波形。此外，第一根電探針距離起爆端較遠(yuǎn)，此時(shí)炸藥的爆速已基本穩(wěn)定，則探針?biāo)鶞y(cè)得的爆速可認(rèn)為是擬定態(tài)爆速 ，具體數(shù)值見表2。

表2　RDX基含鋁炸藥波形擬合參數(shù)

采用高精度比長(zhǎng)儀對(duì)實(shí)驗(yàn)所獲底片進(jìn)行數(shù)字化判讀，并結(jié)合相機(jī)的瞬時(shí)掃描速度及底片的放大比，便可得到爆轟波到達(dá)藥柱端面不同位置處的相對(duì)時(shí)間差；再將其與D0相乘，即可獲得波陣面曲線的一系列數(shù)據(jù)點(diǎn)。目前，對(duì)于波陣面曲線的擬合函數(shù)一般選擇擬合精度較高的ln[cos(r)]級(jí)數(shù)，同時(shí)該函數(shù)還具有較高的數(shù)值計(jì)算效率，其具體表達(dá)式為[8]

(1)

式中：r為波陣面上截面圓的半徑，mm；R為主裝藥柱的半徑，mm；z(r)為波陣面曲線，mm；ai及b均為擬合參數(shù)。

在擬合過程中，一般n=2即具有較高的精度。對(duì)5種炸藥試樣爆轟波陣面曲線的擬合效果如圖3所示，所得擬合參數(shù)值列于表2中。

由圖3和表2可看出，對(duì)于采用微/納米鋁粉粒度級(jí)配的3種含鋁炸藥，其爆轟波形彎曲程度均小于RL-1，其中，納米鋁粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%時(shí)(RL-2)，含鋁炸藥的波形最為平坦，且擬定態(tài)爆速也與RL-1相當(dāng)；納米鋁粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)增至10%時(shí)(RL-3)，含鋁炸藥的波形雖然與RL-2差距較小，但其擬定態(tài)爆速約下降100m/s；全部采用納米鋁粉時(shí)(RL-4)，其波形的彎曲程度顯著提升，但擬定態(tài)爆速與RL-3相當(dāng)。

對(duì)于采用微/納米R(shí)DX粒度級(jí)配的樣品RL-5，雖然其密度明顯高于樣品RL-1，但擬定態(tài)爆速與樣品RL-1相當(dāng)；爆轟波形相對(duì)于其他樣品最為平坦，與樣品RL-2較為接近。

2.2　Dn(κ)關(guān)系分析

當(dāng)爆轟波達(dá)到擬定態(tài)波形時(shí)，其爆轟波法向傳播速度Dn與擬定態(tài)爆速D0之間的關(guān)系如圖4所示，根據(jù)圖中的幾何關(guān)系，可得出[8]

(2)

式中：θ為波陣面法向與藥柱軸線方向的夾角。對(duì)于爆轟波陣面上當(dāng)?shù)仄骄师?，可采用如下公式?jì)算：

(3)

式中：當(dāng)r=0時(shí)，公式右端的兩項(xiàng)相等。由公式(1)～(3)便可計(jì)算出爆轟波陣面的Dn(κ)關(guān)系曲線。

2.2.1微/納米鋁粉粒度級(jí)配對(duì)Dn(κ)關(guān)系的影響

圖5為不同微/納米鋁粉粒度級(jí)配RDX基含鋁炸藥的Dn(κ)關(guān)系曲線。通常，裝藥軸線處(r=0)的波形曲率最小，但在實(shí)際計(jì)算過程中，由于在該位置處判讀的原始數(shù)據(jù)數(shù)量有限，導(dǎo)致這部分區(qū)域的計(jì)算偏差稍大，因此，本研究中將該部分的數(shù)據(jù)刪除，使得圖中曲線的平均曲率κ并不是從0開始，但這并不影響對(duì)曲線整體變化規(guī)律的分析。

從圖5可以看出，曲率κ從裝藥軸線至邊界兩側(cè)逐漸增大時(shí)，爆轟波法向傳播速度Dn均隨之呈近似線性趨勢(shì)降低。在裝藥邊界處，RL-1的波陣面曲率增至0.023mm-1，對(duì)應(yīng)的Dn較D0約降低了0.065mm/μs；RL-2的波陣面曲率相比RL-1大為降低，約為0.014mm-1，Dn較D0約降低了0.04mm/μs，其下降幅度僅相當(dāng)于RL-1的約60%；而納米鋁粉含量進(jìn)一步增加后，此時(shí)RL-3和RL-4的波陣面曲率分別約為0.015、0.017mm-1，相應(yīng)的Dn較D0也分別降低了0.045、0.05mm/μs。由于爆轟波陣面的彎曲程度反映了反應(yīng)區(qū)能量的損耗，Dn的下降幅度反映了邊界處側(cè)向稀疏波對(duì)炸藥內(nèi)部區(qū)域的影響程度，或爆轟傳播過程中沿波陣面從軸線向兩側(cè)流動(dòng)的能量大小[5]，因此，圖5結(jié)果表明，微/納米鋁粉粒度級(jí)配從整體上使得側(cè)向稀疏波對(duì)炸藥內(nèi)部區(qū)域的影響程度降低，減小了波陣面能量的側(cè)向流動(dòng)，但隨著納米鋁粉含量的增加，波陣面能量的側(cè)向流動(dòng)程度逐漸加大。

對(duì)于一般反應(yīng)速率形式下的Dn(κ)函數(shù)關(guān)系，難以通過理論分析獲得，通常采用經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，目前提出的函數(shù)形式包括簡(jiǎn)單的線性函數(shù)及一些復(fù)雜的弱非線性函數(shù)，從圖5可看出，曲線整體呈線性趨勢(shì)，僅在靠近裝藥邊緣處(即曲率值上限處)，曲線逐漸呈微弱的彎曲狀態(tài)，為了便于擬合數(shù)據(jù)的對(duì)比，這里選擇如下線性函數(shù)對(duì)Dn(κ)關(guān)系進(jìn)行分析[7]，所得擬合參數(shù)列于表3中。

(4)

式中：DCJ為炸藥的C-J爆速；α為曲率系數(shù)。

表3　不同微/納米鋁粉粒度級(jí)配樣品的Dn(κ)關(guān)系擬合參數(shù)

從表3可以看出，對(duì)于不同微/納米鋁粉粒度級(jí)配的樣品，其C-J爆速呈現(xiàn)的規(guī)律與擬定態(tài)爆速Dn類似。為了進(jìn)一步對(duì)比Dn相對(duì)于DCJ的衰減狀況，可設(shè)η=(DCJ-Dn)/DCJ，結(jié)合表3所列參數(shù)，可得到η-κ關(guān)系曲線，如圖6所示。

從圖6可以看出，當(dāng)曲率κ相同時(shí)，含納米鋁粉的3種樣品，其η值均高于RL-1，尤其是波形較為平坦的RL-2，當(dāng)κ值相同時(shí)，其η值反而最大，表明其Dn相對(duì)DCJ的衰減程度最大，造成這一現(xiàn)象的機(jī)理還需要進(jìn)一步研究。

2.2.2微/納米R(shí)DX粒度級(jí)配對(duì)Dn(κ)關(guān)系的影響

圖7為不同微/納米R(shí)DX粒度級(jí)配含鋁炸藥樣品的Dn(κ)關(guān)系曲線。

從圖7可以看出，樣品RL-5的波陣面最大曲率僅為0.013mm-1，約為樣品RL-1的56%，甚至還低于微/納米鋁粉粒度級(jí)配中波形較為平坦的樣品RL-2，對(duì)應(yīng)的Dn較D0約降低了0.03mm/μs，這表明采用微/納米R(shí)DX粒度級(jí)配后，側(cè)向稀疏波對(duì)炸藥內(nèi)部區(qū)域的影響程度得到顯著降低，減少了波陣面能量因側(cè)向流動(dòng)而發(fā)生的損耗。

采用公式(4)對(duì)RL-5的Dn(κ)函數(shù)關(guān)系進(jìn)行擬合，所獲參數(shù)為DCJ=7.961mm/μs，α=1.0356mm，由此可得到η-κ關(guān)系曲線，如圖8所示。由圖8可以看出，當(dāng)曲率κ相同時(shí)，采用微/納米R(shí)DX粒度級(jí)配的樣品RL-5，其η值明顯高于完全采用微米R(shí)DX顆粒的RL-1，但對(duì)比圖6可以發(fā)現(xiàn)，其η值略低于樣品RL-2，這一現(xiàn)象可能與試驗(yàn)中樣品僅采用了一種直徑有關(guān)，還需要進(jìn)一步深入研究。

3　結(jié)　論

(1)采用微/納米鋁粉粒度級(jí)配時(shí)，爆轟波形彎曲程度、法向爆速較擬定態(tài)爆速的衰減程度均有所下降，表明波陣面的法向爆速受曲率效應(yīng)的影響減弱，中，微/納米鋁粉顆粒質(zhì)量比為15∶5時(shí)波形最為平坦，其最大曲率約為0.014mm-1，法向爆速較擬定態(tài)爆速的最大降幅約為0.04mm/μs，相當(dāng)于不含納米鋁粉樣品的61%；隨著納米鋁粉比例的增大，波形彎曲程度逐漸增大，且擬定態(tài)爆速也大幅降低。

(2)采用微/納米R(shí)DX粒度級(jí)配時(shí)，爆轟波形

較為平坦，波陣面最大曲率僅為0.013mm-1，約為不含納米R(shí)DX顆粒樣品的56%，法向爆速較擬定態(tài)爆速的最大降幅約為0.03mm/μs，表明波陣面能量因側(cè)向流動(dòng)而發(fā)生的損耗較小，甚至優(yōu)于微/納米鋁粉顆粒質(zhì)量比為15∶5的試樣。

(3)當(dāng)曲率κ相同時(shí)，采用微/納米粒度級(jí)配的樣品，其法向爆速相對(duì)于C-J爆速的衰減比例均有明顯提升。

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