含鋁溫壓炸藥的爆炸能量結(jié)構(gòu)研究?

楊勝暉 鄭 波

北京理工大學(xué)爆炸科學(xué)與技術(shù)國家重點實驗室(北京，100081)

引言

溫壓炸藥是在燃料空氣炸藥基礎(chǔ)上發(fā)展而來的新型炸藥，爆炸時利用熱效應(yīng)和壓力效應(yīng)能夠有效地打擊有限空間中的目標。溫壓炸藥主要包含炸藥顆粒、高熱值金屬粉及含能聚合材料等，鋁粉通常作為溫壓炸藥金屬添加劑使用，具有良好的綜合性能[1]。鋁粉的加入使得炸藥的爆轟過程為非理想爆轟，在爆轟反應(yīng)區(qū)鋁粉呈現(xiàn)惰性作用，爆轟反應(yīng)之后，鋁粉和爆轟產(chǎn)物拋撒在環(huán)境中，與周圍空氣中的氧反應(yīng)，產(chǎn)生二次沖擊波和更長時間的高溫火球。與普通常規(guī)炸藥相比，溫壓炸藥的爆速、爆壓都較低，但具有較長的作用時間、較高的沖量和能量利用效率。

因其獨特的毀傷效能，對于溫壓炸藥釋能規(guī)律的研究成為焦點。項大林等[2]測定了RDX基含鋁炸藥的爆轟參數(shù)，得到RDX基含鋁炸藥的爆壓和爆速隨鋁氧質(zhì)量比的增加呈現(xiàn)線性減小變化，爆熱在鋁氧質(zhì)量比為0.997時達到最大值。曹威等[3]測定了三氨基三硝基苯(TATB)基含鋁炸藥在不同氣氛中的爆熱，結(jié)果表明環(huán)境含氧量以及環(huán)境壓力的增加都會使得實驗樣品的爆熱值增加，并且在富氧環(huán)境下所測得的爆熱值與樣品的理論燃燒熱值接近。王曉峰等[4]根據(jù)量熱法原理建立了不同氣體環(huán)境中溫壓炸藥爆炸能量的測量方法，提出溫壓炸藥爆炸時釋放的總能量包括爆轟能和燃燒能兩部分。前述研究表明，鋁粉作為含能添加劑，改善了炸藥爆炸能量的輸出結(jié)構(gòu)；爆炸氣氛環(huán)境及環(huán)境中的氧含量會直接影響炸藥爆轟產(chǎn)物狀態(tài)及二次反應(yīng)完全性，從而影響炸藥爆炸能量的輸出。僅從爆熱的角度不足以表征含鋁溫壓炸藥的能量輸出，而準確地預(yù)測此類炸藥的能量輸出參數(shù)具有重要的意義。

本文中，測定了不同鋁粉含量的RDX基含鋁溫壓炸藥的爆速及爆熱，利用絕熱式量熱彈測量含鋁炸藥在不同氣氛環(huán)境下的爆炸能量，對炸藥爆炸能量的輸出結(jié)構(gòu)進行計算分析，以期為溫壓炸藥的配方設(shè)計提供參考。

1 實驗

1.1 實驗樣品的制備

制備了5種不同配比的RDX基含鋁溫壓炸藥，樣品的配方如表1所示。其中，鋁粉 FLQ355A、FLQT4 的中位徑D50分別為130 μm 和6 μm，活性均大于98%。根據(jù)爆轟參數(shù)測試要求，采用壓裝工藝制作了?25 mm和?30 mm兩種不同直徑的藥柱，分別用于爆熱、爆速測試，藥柱的密度約為理論密度的95%。 傳爆藥為10＃-159，藥量為10 g，用8＃雷管起爆。

表1 含鋁溫壓炸藥配方(質(zhì)量分數(shù))Tab.1 Formulation of aluminized thermobaric explosive(mass fraction) %

1.2 爆熱及爆速的測量

爆熱測定方法參照GJB772A—1997方法701.1絕熱法。實驗儀器采用絕熱式爆熱量熱計裝置，爆熱彈的容積為5 L，內(nèi)桶裝入20 L的蒸餾水作為測溫介質(zhì)。樣品1?！珮悠?＃均進行真空爆熱測試，藥柱的質(zhì)量為30 g，直徑為25 mm，使用內(nèi)徑為26 mm的陶瓷外殼裝藥，利用真空泵抽取爆熱彈內(nèi)的空氣，使真空壓力不大于－0.095 MPa，藥柱在爆熱彈內(nèi)真空環(huán)境下被起爆。試樣在爆熱彈內(nèi)爆炸后，根據(jù)量熱計的熱容量及升溫值即可求出單位質(zhì)量試樣的定容爆熱。

爆速測試采用電離導(dǎo)通式探針，測量方法按照GJB772A—1997方法702.1電測法。測試藥柱的質(zhì)量為30 g，直徑為30 mm，每組試驗采用4個藥柱。

1.3 不同氣氛環(huán)境下溫壓炸藥爆炸能量的測量

為研究溫壓炸藥的爆炸能量輸出特性，測量鋁粉質(zhì)量分數(shù)為30%的溫壓炸藥(樣品3＃)在不同氣氛環(huán)境下的爆炸能量。實驗儀器及測量原理與爆熱測定方法一致，改變爆熱彈內(nèi)的氣體環(huán)境，使爆熱彈內(nèi)分別充有真空0.1 MPa氮氣、0.1 MPa空氣和1.0 MPa氧氣，測量樣品3＃在不同氣氛環(huán)境下爆轟釋放的爆炸能量。氮氣和空氣環(huán)境下試樣質(zhì)量為30 g，直徑為25 mm；氧氣環(huán)境下考慮到試樣的熱值較大，取藥量為15 g，直徑為25 mm，實驗均使用內(nèi)徑為26 mm的陶瓷外殼裝藥。由于爆熱彈內(nèi)氣氛環(huán)境會影響雷管及傳爆藥的能量釋放，因此，實驗之前先對起爆序列在不同環(huán)境下的爆炸能量做出標定。

表2 含鋁溫壓炸藥爆熱及爆速測量結(jié)果Tab.2 Test results of detonation heat and detonation velocity of aluminized thermobaric explosive

2 結(jié)果與討論

2.1 鋁粉含量對爆熱和爆速的影響

實驗測得樣品的爆熱及爆速結(jié)果見表2。從表2可知，對于RDX基含鋁溫壓炸藥，鋁粉含量的增加會導(dǎo)致爆速的降低，而爆熱隨鋁粉含量的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。根據(jù)二次反應(yīng)理論，炸藥爆轟時在爆轟反應(yīng)區(qū)的鋁粉是惰性的，不參加化學(xué)反應(yīng)，卻還要消耗一部分爆轟能，從而導(dǎo)致爆速的降低[5]；炸藥爆轟后，包含鋁粉的爆轟產(chǎn)物開始膨脹，鋁粉在高溫、高壓的條件下與爆轟產(chǎn)物進行二次燃燒反應(yīng)，釋放的能量不支持爆轟波陣面的傳播，對爆速無貢獻，但能提升炸藥的爆熱和做功能力。

爆熱隨鋁粉含量的變化見圖1。當(dāng)炸藥中鋁粉的質(zhì)量分數(shù)小于40%時，爆熱隨鋁粉含量的增加而增大；在鋁粉質(zhì)量分數(shù)為40%左右時，爆熱達到極大值；此后，爆熱隨鋁粉質(zhì)量分數(shù)的增加反而減??；這與文獻[2]給出的結(jié)果一致，鋁粉對爆熱提升貢獻的飽和度在鋁粉質(zhì)量分數(shù)為40%左右，此時的鋁氧質(zhì)量比為0.961。

圖1 爆熱與鋁粉質(zhì)量分數(shù)之間的關(guān)系Fig.1 Relationship between detonation heat and mass fraction of Al powder

圖2 爆速與鋁粉質(zhì)量分數(shù)之間的關(guān)系Fig.2 Relationship between detonation velocity and mass fraction of Al powder

2.2 不同氣氛環(huán)境對含鋁溫壓炸藥爆炸能量的影響

樣品3＃在不同氣氛環(huán)境下爆炸能量的測量結(jié)果見表3。從表3可知，氣氛條件對含鋁溫壓炸藥爆炸能量的釋放有非常大的影響。真空、氮氣、空氣和氧氣環(huán)境下試樣的爆炸能量依次增加。在0.1 MPa氮氣環(huán)境下，試樣的爆炸能量相對于真空環(huán)境提升了3.3%，兩種氣氛環(huán)境下炸藥都屬于無氧爆轟，且鋁粉與氮氣反應(yīng)生成的AlN含量非常低[6]，由此可見，環(huán)境壓力的提高導(dǎo)致了含鋁溫壓炸藥爆炸能量的提升，外部壓力的作用在一定程度上促進了炸藥的爆轟反應(yīng)以及鋁粉與爆轟產(chǎn)物的二次反應(yīng)。

表3 不同氣氛環(huán)境下樣品3＃的爆炸能量Tab.3 Explosion energy of Sample 3＃in different atmosphere

在0.1 MPa空氣環(huán)境下，試樣的爆炸能量相比于0.1 MPa氮氣環(huán)境提升了8.4%，可見空氣中氧氣的存在使含鋁炸藥的爆炸能量得到提升。炸藥在爆熱彈中爆轟，生成的爆轟產(chǎn)物被限制在彈內(nèi)狹小密閉的環(huán)境，空氣中的氧加入到炸藥的二次反應(yīng)以及后燃燒反應(yīng)當(dāng)中，從而提高了含鋁溫壓炸藥的爆炸能量。

在1.0 MPa氧氣環(huán)境下，試樣的爆炸能量達到了16 362 J/g。利用理想氣體的狀態(tài)方程pV＝nRT，近似地求得彈體內(nèi)部氧氣的含量約為0.49 mol，通過對試樣的計算得知，其完全氧化所需要的氧氣為0.24 mol，試樣在彈體內(nèi)處于富氧環(huán)境。利用蓋斯定律求得該試樣的燃燒熱為17 078 J/g，1.0 MPa氧氣環(huán)境下試樣的爆炸能量與理論燃燒熱十分接近，誤差約為－4%，試樣在富氧環(huán)境下氧化完全。

3 含鋁溫壓炸藥爆炸能量構(gòu)成

對于溫壓炸藥，其釋能過程可分為3個階段[7]，即爆轟反應(yīng)階段、二次反應(yīng)階段和后燃反應(yīng)階段。從溫壓炸藥的3個釋能階段來看，溫壓炸藥的爆炸能量需要從3個方面進行討論，即溫壓炸藥的爆轟熱、爆熱和燃燒熱[8]。通過對能量參數(shù)的計算可以探究溫壓炸藥爆炸能量的組成結(jié)構(gòu)，分析鋁粉作為含能添加劑對炸藥爆炸能量輸出結(jié)構(gòu)的影響，為溫壓炸藥的配方優(yōu)化設(shè)計提供參考。

3.1 爆轟熱

爆轟熱是炸藥在爆轟反應(yīng)階段釋放的能量，這部分能量主要傳遞給爆轟波并維持其穩(wěn)定傳播。炸藥的爆轟熱目前還無法通過實驗準確測量，但可以通過CJ爆轟關(guān)系式對爆轟熱進行求解[9]，兩者關(guān)系如下:

式中:QD為炸藥的爆轟熱，J/g；D為炸藥爆速，m/s；γ為炸藥多方指數(shù)。

多方指數(shù)γ可通過炸藥的組分以及初始密度進行計算:

式中:k為定壓比熱容與定容比熱容比值，即cp/cv，取1.25；Γ0為總絕熱指數(shù)；ρ0為混合炸藥的裝藥密度，g/cm3；ni為混合炸藥中i組分的物質(zhì)的量，mol；Γ0i為混合炸藥中i組分的絕熱指數(shù)。

使用式(1)對含鋁溫壓炸藥的爆轟熱進行計算，多方指數(shù)通過式(2)、式(3)計算，爆速采用實測值，計算結(jié)果見表4。從計算結(jié)果來看，鋁粉的加入導(dǎo)致炸藥的多方指數(shù)增大，含鋁炸藥的爆轟熱隨著含鋁量的增加而減小。由二次反應(yīng)理論和惰性熱稀釋理論可知，鋁粉在反應(yīng)區(qū)是惰性的，在爆轟反應(yīng)區(qū)會吸收部分能量，因此，鋁粉的相對含量越高，爆轟熱越小。

表4 含鋁溫壓炸藥的爆轟熱計算結(jié)果Tab.4 Calculation results of CJ detonation heat of aluminized thermobaric explosive

3.2 爆熱

爆熱是炸藥爆轟反應(yīng)階段和二次反應(yīng)階段釋放熱量的總和，是炸藥在不借助外界氧的情況下實際能夠釋放的能量。含鋁溫壓炸藥的爆熱可通過量熱實驗測得，炸藥在爆熱彈內(nèi)無氧條件下爆轟，所測得的爆炸能量即視為爆熱。爆熱的理論計算主要依據(jù)蓋斯定律，計算方式如下:

式中:QV為炸藥的定容爆熱，J/g；∑ΔHf為物質(zhì)的生成焓，J/g；ng為氣體產(chǎn)物總物質(zhì)的量，mol；R為氣體普適常數(shù)；T為氣體溫度，K。

采用經(jīng)驗方法[10]建立爆炸反應(yīng)方程式，樣品爆熱計算結(jié)果見表5。從計算結(jié)果與實測數(shù)據(jù)的對比發(fā)現(xiàn)，當(dāng)鋁粉質(zhì)量分數(shù)低于20%時，計算結(jié)果與實測爆熱誤差較??；但誤差隨鋁粉質(zhì)量分數(shù)的增加而逐漸增大，當(dāng)鋁粉質(zhì)量分數(shù)為30%時，相對誤差達到了21.57%。在建立爆炸反應(yīng)方程式時采用了全氧氧化法，認為基體炸藥中的全部氧均用來將鋁粉氧化成Al2O3，當(dāng)鋁粉質(zhì)量分數(shù)較大時，實際爆炸過程無法滿足鋁粉對氧的充分利用，且鋁粉二次反應(yīng)過程十分復(fù)雜，二次反應(yīng)產(chǎn)物無法精確確定，導(dǎo)致計算誤差變大。根據(jù)理論計算，鋁粉質(zhì)量分數(shù)在30%左右時，爆熱達到最大值，此時的鋁粉質(zhì)量分數(shù)為獲得最大燃燒熱效應(yīng)的理論加入量。

表5 含鋁溫壓炸藥的爆熱計算結(jié)果Tab.5 Calculation results of detonation heat of aluminized thermobaric explosive

3.3 燃燒熱及爆炸能量構(gòu)成

燃燒熱QC是炸藥中的可燃元素均完全氧化的情況下所能釋放的最大能量，是衡量溫壓炸藥爆炸潛能的重要參數(shù)。分析樣品3＃在富氧環(huán)境下爆炸能量的測量結(jié)果，利用量熱法測量得到的含鋁溫壓炸藥在富氧環(huán)境下的爆炸能量接近于炸藥的燃燒熱。燃燒熱的計算仍然建立在蓋斯定律的基礎(chǔ)上，溫壓炸藥屬于負氧平衡炸藥，在建立燃燒反應(yīng)方程式時，外界的供氧量需保證炸藥中的可燃元素被完全氧化。

溫壓炸藥由于其獨特的能量應(yīng)用形式，除了滿足常規(guī)的爆轟性能要求外，燃燒熱應(yīng)具有較大值。表6為實驗樣品的能量構(gòu)成，其中，燃燒熱通過蓋斯定律求得。

從計算結(jié)果可知，鋁粉含量越高，溫壓炸藥的燃燒熱越大。從實驗樣品的能量構(gòu)成來看，樣品的爆轟熱占燃燒熱的9.8%～26.4%，爆熱占燃燒熱的34.5% ～50.0%，且QD/QC和QV/QC都隨鋁粉含量的升高而降低。當(dāng)炸藥的鋁粉質(zhì)量分數(shù)低于40%時，隨鋁粉質(zhì)量分數(shù)的提升，樣品的爆轟熱減小，爆熱和燃燒熱增加；當(dāng)鋁粉質(zhì)量分數(shù)超過40%時，鋁粉含量過高導(dǎo)致炸藥的爆熱出現(xiàn)下降趨勢。由此可見，鋁粉作為含能添加劑，對溫壓炸藥爆炸能量的輸出結(jié)構(gòu)有非常大的影響，合理地分析溫壓炸藥爆炸能量構(gòu)成，是含鋁溫壓炸藥配方設(shè)計的關(guān)鍵所在。

表6 含鋁溫壓炸藥的燃燒熱及能量結(jié)構(gòu)Tab.6 Combustion heat and energy structure of aluminized thermobaric explosive

4 結(jié)論

1)RDX基含鋁溫壓炸藥的爆速隨著鋁粉含量的增加而減小，爆熱隨鋁粉含量增加表現(xiàn)出先增后減的趨勢。根據(jù)理論計算，獲得最大燃燒熱效應(yīng)的鋁粉理論加入量在鋁粉質(zhì)量分數(shù)30%(鋁氧質(zhì)量比為0.614)左右；實際測試中，鋁粉質(zhì)量分數(shù)在40%(鋁氧質(zhì)量比為0.961)時爆熱達到極大值。

2)在不同氣氛環(huán)境下，同一配方含鋁溫壓炸藥的爆炸能量是不同的。環(huán)境壓力的提高會導(dǎo)致炸藥爆炸能量的提升；當(dāng)氣氛環(huán)境中存在氧氣時，氧氣會加入到炸藥的二次反應(yīng)以及后燃燒反應(yīng)當(dāng)中，提高炸藥的爆炸能量。富氧環(huán)境下測得的爆炸能量接近于炸藥的燃燒熱。

3)鋁粉作為含能添加劑，改善了炸藥爆炸能量的構(gòu)成。本文中，對溫壓炸藥能量參數(shù)的測試和計算，提供了分析溫壓炸藥的爆炸能量輸出結(jié)構(gòu)的一種手段，對優(yōu)化溫壓炸藥的配方設(shè)計具有指導(dǎo)意義。