α-AlH3對HMX基炸藥爆轟參數(shù)的影響

牛 磊，王親會，曹少庭，牛國濤，金大勇，王淑萍

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α-AlH3對HMX基炸藥爆轟參數(shù)的影響

牛 磊，王親會，曹少庭，牛國濤，金大勇，王淑萍

（西安近代化學(xué)研究所，陜西 西安，710065）

為了研究α-AlH3對混合炸藥爆轟性能的影響，設(shè)計了不同配比含α-AlH3和鋁粉系列炸藥配方。采用直接法制備炸藥造型粉，用模壓法制備測試用藥柱，分別進(jìn)行了爆熱和爆速測試。研究結(jié)果表明：HMX基含α-AlH3炸藥爆熱隨著α-AlH3含量的增加而增加，與含鋁炸藥爆熱的變化趨勢一致，其爆熱值與同質(zhì)量分?jǐn)?shù)含鋁炸藥相當(dāng)；HMX基含α-AlH3炸藥爆速隨α-AlH3含量增加呈下降趨勢，相對密度相同時同質(zhì)量分?jǐn)?shù)含α-AlH3炸藥的爆速低于含鋁炸藥。

α-AlH3；爆熱；爆速；含鋁炸藥

AlH3是一種有廣泛應(yīng)用前景的還原劑，目前發(fā)現(xiàn)的共有8種晶型，其中α型最為穩(wěn)定。α-AlH3密度為1.477g/cm3，與液態(tài)氫（0.071gH2/cm3)相比具有更高的儲氫密度（0.148gH2/cm3）[1]，該特性使其在含能材料領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。近年來國內(nèi)外在α-AlH3合成、穩(wěn)定化及在推進(jìn)劑應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行了系列研究[2-5]。α-AlH3釋氫規(guī)律的研究表明α-AlH3在高加熱速率下可以達(dá)到很高的釋氫速率，氫的釋放受其在晶體中擴(kuò)散過程控制，而不是Al-H斷裂反應(yīng)控制；AlH3點(diǎn)火行為研究表明其點(diǎn)火溫度明顯低于微米鋁，點(diǎn)火過程介于微米鋁和納米鋁之間[6]。Luigi T[7]等研究表明α-AlH3釋氫后為多孔鋁結(jié)構(gòu)，具有比同等粒徑微米鋁更高的比表面積，具有更高的反應(yīng)活性。這些研究表明α-AlH3在混合炸藥領(lǐng)域具有一定的應(yīng)用潛力。

將金屬氫化物引入混合炸藥，有研究表明可以提高炸藥做功能力[8-9]。為了研究α-AlH3對混合炸藥性能影響。本文設(shè)計了以HMX 為基的含α-AlH3、微米鋁系列炸藥配方，通過測量配方的爆熱及爆速，分析了添加α-AlH3對HMX基炸藥爆轟參數(shù)的影響，為α-AlH3在炸藥中的應(yīng)用研究提供參考。

1 試驗(yàn)

1.1 材料

鋁粉，F(xiàn)LQT-3，活性大于98%，鞍鋼實(shí)業(yè)微細(xì)鋁粉有限公司；HMX，120目，甘肅銀光化工公司；α-AlH3，西安近代化學(xué)研究所自制。

1.2 制備工藝

采用直接法制備HMX基含α-AlH3系列炸藥配方造型粉，為便于與含鋁炸藥進(jìn)行爆轟性能參數(shù)對比，采用相同工藝制備同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的含鋁炸藥，配方見表1。將造型粉模壓成形，制備測試用藥柱。用游標(biāo)卡尺測量藥柱外形尺寸，計算藥柱密度。爆速藥柱規(guī)格為Φ20mm×20mm，爆熱藥柱規(guī)格為Φ25mm ×25g。

表 1 HMX基含α-AlH3及含鋁炸藥配方及元素構(gòu)成計算

Tab.1 The formulation and calculated values of element composition for HMX based α-AlH3-contained and Al-contained explosive

1.3 測試方法

爆熱測試：按照GJB 772A-1997方法701.1進(jìn)行爆熱測試。在爆熱彈內(nèi)無氧環(huán)境中引爆試樣，以蒸餾水為測溫介質(zhì)，測定水溫的升高量。根據(jù)量熱計的熱容量及升溫值，求出單位質(zhì)量的試樣在給定條件下的爆熱。爆速測試：按照GJB 772A-1997方法702.1進(jìn)行爆速測試。該方法利用炸藥爆轟波陣面電離導(dǎo)電特性，用測時儀和電探針測定爆轟波在一定長度炸藥藥柱中的傳播時間，通過計算求出試樣的爆速。

2 結(jié)果及討論

2.1 α-AlH3對HMX基炸藥爆熱的影響

HQ及HL系列配方爆熱測試結(jié)果見圖1。

圖1 HQ炸藥及HL炸藥爆熱與可燃劑含量的關(guān)系

由圖1可以看出兩種混合炸藥爆熱隨可燃劑含量增加均呈現(xiàn)增大趨勢，數(shù)值與含鋁炸藥爆熱理論計算值相近。計算表明當(dāng)鋁粉含量不大于30%時，HMX基含鋁炸藥爆熱隨鋁粉含量增加逐漸增大。王彩玲等[9]對含鋁非理想炸藥爆轟產(chǎn)物的分析表明，隨著炸藥負(fù)氧程度的增加，混合炸藥爆轟產(chǎn)物中的H2O及CO2等物質(zhì)含量逐漸減少，H2、C和Al2O3等含量增加。含鋁炸藥爆轟二次反應(yīng)理論認(rèn)為，鋁與高能炸藥爆轟產(chǎn)物發(fā)生了二次反應(yīng)，主要的二次反應(yīng)有：

2Al+3CO2→Al2O3+3CO ΔH= - 826 kJ/mol

2Al+3CO→Al2O3+3C ΔH= - 1 314 kJ/mol

2Al+3H2O→Al2O3+3H2ΔH= - 939 kJ/mol

這些反應(yīng)將炸藥中的有效氧轉(zhuǎn)移到鋁的氧化物中，有效氧轉(zhuǎn)移的過程伴隨著更多能量的釋放。

兩種系列炸藥的氧平衡見圖2，可以看出兩種系列炸藥均為負(fù)氧平衡，且氧平衡隨可燃劑含量的增加而降低，HQ系列炸藥較HL系列炸藥降低更多。

圖2 HQ炸藥與HL炸藥氧平衡

圖3是兩種炸藥氫氧比（H/O），圖3中HL炸藥氫氧比隨鋁粉含量增加只有微量提高，HQ系列炸藥氫氧比隨α-AlH3含量的增加迅速增大，α-AlH3含量為30%時混合炸藥氫氧比是不含α-AlH3混合炸藥的2倍多。

圖4是HQ系列和HL系列炸藥鋁氧比（Al/O），圖4中HQ和HL系列炸藥的鋁氧比均隨炸藥中可燃劑含量的增加而增大，且HL炸藥略高于HQ炸藥。

圖 3 HQ炸藥與HL炸藥H/O比

圖 4 HQ炸藥與HL藥Al/O比

HQ炸藥和HL炸藥中的氧元素只來源于HMX，當(dāng)炸藥中的可燃劑含量相同時，兩種炸藥中的氧元素含量相同。由于α-AlH3極高的含氫量，導(dǎo)致HQ炸藥中H含量隨可燃劑含量增加快速增加，使得HQ炸藥氫氧比遠(yuǎn)高于HL炸藥，也使得HQ炸藥負(fù)氧程度高于HL炸藥。單位質(zhì)量α-AlH3中鋁元素含量較相同質(zhì)量鋁粉低10%左右，使得HQ炸藥鋁氧比略低于HL炸藥。從圖1～4可以看出，在爆轟反應(yīng)發(fā)生時，HQ和HL兩種炸藥中對爆熱增加的貢獻(xiàn)主要來源于鋁元素的二次反應(yīng)，且兩種炸藥中鋁元素在爆炸反應(yīng)中的反應(yīng)度相近。HQ炸藥中α-AlH3中的氫元素在爆炸反應(yīng)完成后多以H2的形式存在，增加了氣態(tài)爆轟產(chǎn)物的量。

2.2 α-AlH3對HMX基炸藥爆速的影響

混合炸藥的爆速與被測樣品的密度密切相關(guān)，為了研究α-AlH3對HMX基炸藥爆速的影響，測試了HQ炸藥爆速，結(jié)果見表2，采用Urizar公式計算α-AlH3特征爆速，通過該特征爆速計算不同情況下HQ炸藥爆速，與含鋁炸藥進(jìn)行對比研究。Urizar公式見式（1）：

v=Σ（vW） （1）

式（1）中：v為無限直徑時混合炸藥的爆速，m/s ；v為組分的特征爆速，m/s；W為組分的體積分?jǐn)?shù)，%。處理數(shù)據(jù)后得到α-AlH3的特征爆速為6 078m/s，采用該特征爆速帶入Urizar公式計算相對密度為96%時HQ炸藥及HL炸藥的爆速，見圖5。

表2 含α-AlH3炸藥爆速

Tab.2 The detonation velocity of explosive containing α-AlH3

圖 5 相對密度96%時HQ及HL炸藥爆速計算值

由圖5中可見混合炸藥中可燃劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)相同時，HQ炸藥爆速低于HL炸藥，隨著可燃劑含量的增大，HQ炸藥及HL炸藥爆速均呈下降趨勢，HQ炸藥下降更為明顯。炸藥的爆速和炸藥密度密切相關(guān)，圖6是兩類混合炸藥密度為1.5g/cm3時的爆速計算結(jié)果。

圖6 密度為1.5g/cm3時HQ及HL炸藥的爆速計算值

圖6中曲線表明，當(dāng)密度為1.5g/cm3時，炸藥中可燃劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)相同時，HL炸藥爆速低于HQ炸藥，隨著混合炸藥中可燃劑含量增加，混合炸藥的爆速均呈下降趨勢，HL系列炸藥下降更為明顯。這表明鋁粉對爆轟波的削弱作用比α-AlH3明顯。結(jié)合250MPa下HQ及HL炸藥密度曲線（圖7），可以看出導(dǎo)致HL炸藥爆速較HQ炸藥低的主要原因是α-AlH3密度（1.477 g/cm3）比鋁粉密度（2.7g/cm3）低，使得含α-AlH3炸藥密度低于含鋁炸藥。

鋁粉爆轟反應(yīng)熱稀釋理論認(rèn)為，鋁粉在爆轟波陣面上起稀釋、吸收能量的作用，這樣會降低炸藥的爆速和爆壓，在爆轟產(chǎn)物膨脹階段參與反應(yīng)放出熱量，增加爆轟產(chǎn)物的做功能力。

圖7 250MPa下HQ及HL炸藥密度曲線

圖6表明添加α-AlH3對炸藥爆速降低的影響弱于添加鋁粉，A.A. Selezenev等分析認(rèn)為可能是由于爆轟時沖擊波對氫化鋁的影響，導(dǎo)致了氫化鋁在爆轟波陣面發(fā)生非熱分解，降低了其對爆速的影響。

3 結(jié)論

（1）向HMX基炸藥中添加α-AlH3可以提高混合炸藥爆熱，爆熱與同等質(zhì)量分?jǐn)?shù)的HMX基含鋁炸藥相當(dāng)；（2）向HMX基炸藥中添加α-AlH3會降低混合炸藥爆速，相對密度相同時同質(zhì)量分?jǐn)?shù)含α-AlH3炸藥爆速低于含鋁炸藥。（3）計算表明炸藥密度相同時，HMX基含α-AlH3炸藥爆速高于HMX基含鋁炸藥，表明α-AlH3對混合炸藥爆速影響弱于鋁粉。

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The Influence of α-AlH3on the Detonation Parameters of HMX-based Explosive

NIU Lei，WANG Qin-hui，CAO Shao-ting，NIU Guo-tao，JIN Da-yong，WANG Shu-ping

（Xi’an Modern Chemistry Research Institute, Xi’an,710065）

In order to investigate the influence of α-AlH3on the detonation parameters of HMX-based explosive, the explosive containing α-AlH3was designed. The explosive was prepared by immediate mixing technology, and the sample was prepared by molding. The explosion heat test shows that the explosive of HMX-based aluminized explosives is equivalent to the same mass fraction of α-AlH3containing explosives. The detonation velocity test shows that the detonation velocity of HMX-based α-AlH3containing explosive decreases with the increase of α-AlH3content, and is lower than that of HMX-based aluminized explosives under same mass fraction and relative density.

α-AlH3；Explosion heat；Detonation velocity；Aluminized explosive

TQ564

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2018.03.006

1003-1480（2018）03-0023-04

2018-03-22

牛磊（1987 -），男，助理研究員，從事高能混合炸藥配方與性能研究。

總裝高能毀傷科研專項(xiàng)（00403020201）