納米鋁粉對RDX基炸藥爆速的影響

曹少庭，牛 磊，封雪松，牛國濤，金大勇，李文紅

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納米鋁粉對RDX基炸藥爆速的影響

曹少庭，牛 磊，封雪松，牛國濤，金大勇，李文紅

（西安近代化學(xué)研究所，陜西 西安，710065）

為了探索納米鋁粉對RDX基炸藥爆速的影響，設(shè)計了含納米鋁粉、微米鋁粉和復(fù)合鋁粉的RDX基炸藥配方，并進(jìn)行爆速測試。爆速測試分析結(jié)果表明：當(dāng)Al＜15%時，含復(fù)合鋁粉炸藥的爆速明顯高于含微米鋁粉炸藥的爆速，納米鋁粉對爆速影響顯著；Al＞20%時，含復(fù)合鋁粉與含微米鋁粉炸藥的爆速基本保持一致。

炸藥；納米鋁粉；爆速；熱反應(yīng)特性

納米鋁粉具有較大的比表面積，其反應(yīng)活性較高，在炸藥爆轟時表現(xiàn)出與微米鋁粉不同的反應(yīng)特性。相關(guān)試驗表明通過合理的納米鋁粉和微米鋁粉級配，可提高鋁粉在RDX基炸藥中反應(yīng)完全率，從而可以提高炸藥體系的爆轟能量[1-3]。

本文以5%納米鋁粉級配一定比例的微米鋁粉，形成總鋁粉含量為10%～40%的RDX基復(fù)合鋁粉炸藥配方。通過對比相同鋁粉含量的含微米鋁粉RDX基炸藥的爆速，分析了納米鋁粉對RDX基炸藥爆速的影響規(guī)律，為納米鋁粉在炸藥中的應(yīng)用研究提供借鑒。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

微米鋁粉，平均粒徑5μm，鞍鋼實業(yè)微細(xì)鋁粉有限公司；納米鋁粉，平均粒徑150nm，西安近代化學(xué)研究所；RDX，甘肅銀光化學(xué)工業(yè)集團(tuán)有限公司；粘結(jié)劑，自制。按照GJB772-97方法702.1電測法進(jìn)行爆速測試，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中的傳播時間，通過計算求出試樣的爆速。

1.2 實驗過程

準(zhǔn)確稱量RDX炸藥，加入一定比例的微米鋁粉或納米鋁粉，加入含5%粘結(jié)劑的溶液，攪拌均勻，造粒烘干后，壓制成φ30mm×30mm的藥柱。設(shè)計了鋁粉含量為10%～40%的RDX基含鋁粉炸藥配方，鋁粉含量與相應(yīng)的藥柱密度見表1。

表1 含微米鋁粉和復(fù)合鋁粉RDX基炸藥的密度和爆速

Tab.1 The density and detonation velocity of micrco-aluminum and composite content RDX-based aluminized explosive

2 結(jié)果與討論

2.1 鋁粉含量對RDX基炸藥爆速的影響

含微米鋁粉和復(fù)合鋁粉炸藥的爆速測試結(jié)果見表1。鋁粉含量與RDX基炸藥爆速關(guān)系見圖1。

圖1 鋁粉含量與RDX基炸藥爆速的關(guān)系

由圖1可知，無論是含微米鋁粉還是復(fù)合鋁粉的炸藥配方，爆速隨著鋁粉含量的增加逐步降低的趨勢是一致的。在Al＜15%時，含復(fù)合鋁粉RDX基炸藥的爆速明顯高于含微米鋁粉炸藥的爆速，且隨著鋁粉含量的減少，爆速差逐步增大。說明在鋁粉總含量較低的情況下，納米鋁粉對RDX基炸藥的爆速影響較為明顯，少量納米鋁粉的高反應(yīng)速率對微米鋁粉的反應(yīng)起到“催化”作用，加速了鋁粉反應(yīng)速率，提高了鋁粉反應(yīng)完成率，從而提高了炸藥的爆速。在Al＞20%時，含復(fù)合鋁粉RDX基炸藥的爆速與含微米鋁粉炸藥的爆速基本一致，說明隨著復(fù)合鋁粉中微米鋁粉含量的增加，納米鋁粉對炸藥爆速的影響越來越小。分析原因可能是：（1）鋁粉在炸藥爆轟時在C-J面附近未反應(yīng)完全，它在反應(yīng)動力學(xué)上對反應(yīng)物的濃度起稀釋作用，而且還要吸熱和消耗一部分能量，從而降低爆轟反應(yīng)區(qū)的能量[4]，因此，隨著鋁粉含量的增加，RDX基含鋁炸藥的爆速逐步下降。（2）納米鋁粉的反應(yīng)活性大于微米鋁粉，在爆轟反應(yīng)發(fā)生時，納米鋁粉優(yōu)于微米鋁粉先參加反應(yīng)，納米鋁粉氧化放熱，提供微米鋁粉氧化所需的能量，可以在一定程度上減少RDX爆轟時C-J面上的能量損耗；（3）隨著鋁粉含量的繼續(xù)增加，納米鋁粉氧化放熱不足以提供微米鋁粉的氧化，最終含納米鋁粉炸藥的爆速與含微米鋁粉炸藥的爆速趨于一致。

2.2 納米鋁粉對RDX基炸藥爆速的影響

由于納米鋁粉在鋁粉含量較低時對炸藥爆速的影響較為明顯，設(shè)計了5%～15%納米鋁粉含量的RDX基炸藥配方，測試了納米鋁粉單獨作用時炸藥的爆速與微米鋁粉、復(fù)合鋁粉炸藥的爆速，結(jié)果見表2，與微米鋁粉、復(fù)合鋁粉炸藥的爆速對比見圖2。

表2 含微米鋁粉、納米鋁粉和復(fù)合鋁粉RDX基炸藥的密度和爆速

Tab.2 The density and detonation velocity of RDX-based aluminized explosives

圖2 3種鋁粉對炸藥爆速的影響對比

由圖2可知，無論是納米鋁粉、微米鋁粉還是復(fù)合鋁粉，含鋁RDX基炸藥的爆速隨鋁粉含量增加而降低的趨勢是一致的，但由于納米鋁粉的特殊反應(yīng)性質(zhì)，由其參與的炸藥爆速變化趨勢不盡相同。在Al＜10%時，含納米鋁粉RDX基炸藥的爆速要高于含微米鋁粉炸藥，在鋁粉含量10%～15%時，含納米鋁粉RDX基炸藥的爆速急劇下降，低于同比例含微米鋁粉炸藥的爆速。在Al＜15%時，含復(fù)合鋁粉RDX基炸藥的爆速要高于含納米鋁粉和微米鋁粉炸藥，隨著鋁粉含量的增加，其爆速降低速率介于兩者之間。原因可能是：納米鋁粉的比表面積大，在鋁粉含量較低時，納米鋁粉在RDX的爆轟作用下，幾乎全部參加反應(yīng)，隨著鋁粉含量的增加，納米鋁粉在C-J面附近未反應(yīng)完全，在鋁粉的二次反應(yīng)時，其高比表面積對RDX爆轟能量起到較強(qiáng)的稀釋作用，反而降低了炸藥的爆速。對于復(fù)合鋁粉，在Al＜15%時，在爆轟波的作用下起到一定的耦合作用，爆速較同比例下的納米鋁粉和微米鋁粉高，但隨著鋁粉含量的增加，耦合作用消失，爆速則迅速降低。

3 納米鋁粉的熱氧化特性

由于納米粒子具有較小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)等特點，較常規(guī)粒度的粒子，展現(xiàn)出更多特有的性質(zhì)[5]。實驗采用DSC/TG聯(lián)用方法，在自然流動的空氣氣氛中，分別測試了納米鋁粉和微米鋁粉的熱氧化過程，如圖3~4所示。

圖3 納米鋁粉DSC-TG曲線

圖4 微米鋁粉DSC-TG曲線

對比圖3~4可以得出：（1）納米鋁粉對熱刺激的反應(yīng)活性高，從DSC曲線上可以看出，納米鋁粉在600℃左右有強(qiáng)放熱峰，說明納米鋁粉600℃左右發(fā)生強(qiáng)氧化反應(yīng)，而微米鋁粉在1 000℃左右才發(fā)生強(qiáng)氧化反應(yīng)；（2）納米鋁粉氧化速率高，從TG曲線上可以看出，納米鋁粉“一次”氧化反應(yīng)在600℃左右完成，“二次”氧化反應(yīng)在600～1 100℃左右完成，而微米鋁粉的氧化反應(yīng)是隨著溫度的升高逐漸完成，“一次”氧化在600～1 100℃左右完成，“二次”氧化反應(yīng)在1 100～1 400℃左右完成；（3）納米鋁粉的氧化效率高，納米鋁粉的“一次”氧化增重量為52.76%，“二次”氧化增重量為26.53%，而微米鋁粉的“一次”氧化增重量為29.70%，“二次”氧化增重量為12.66%，納米鋁粉的氧化效率是微米鋁粉1.5～2倍。

納米鋁粉的高反應(yīng)活性和高氧化速率表明，在爆轟反應(yīng)發(fā)生時，納米鋁粉將率先參加反應(yīng)，在一定程度上對爆速起到積極的作用，但納米鋁粉在C-J面附近并未完全參與反應(yīng)，未參與反應(yīng)的納米鋁粉會對爆轟波的傳播起到稀釋的作用，對爆速起消極作用。由于納米鋁粉的高反應(yīng)活性和高氧化效率，未參加反應(yīng)的納米鋁粉在“二次反應(yīng)[6]”過程中，迅速地、大量地吸收爆轟波能量，對爆轟波的傳播起到強(qiáng)稀釋作用，反而降低了炸藥的爆速。

4 結(jié)論

（1）納米鋁粉在鋁粉總含量較低的情況下對RDX基炸藥的爆速影響較為明顯，在Al＜15%時，含復(fù)合鋁粉炸藥的爆速要高于含微米鋁粉炸藥的爆速，增加約0.9%～1.3%；在Al＞20%時，含微米鋁粉炸藥與復(fù)合鋁粉炸藥的爆速基本一致。

（2）納米鋁粉較微米鋁粉具有對熱刺激的反應(yīng)活性高、氧化速率高和氧化效率高等特性，這些特性的相互作用對炸藥的爆速產(chǎn)生一定的影響。

[1] 黃輝,黃勇,李尚斌.含納米級鋁粉的復(fù)合炸藥研究[J].火炸藥學(xué)報, 2002,25 (2):1-3.

[2] 牛國濤,王淑萍,金大勇,等.納米鋁對RDX基炸藥水下爆炸能量的影響[J].火炸藥學(xué)報,2015,38(1):64-68．

[3] 王淑萍,封雪松,姚李娜,等.納米鋁粉對黑索金基炸藥爆熱的影響[J].火工品,2014 (1):21-24.

[4] 王瑋,王建靈,郭煒,等.鋁含量對RDX基含鋁炸藥爆壓和爆速的影響[J].火炸藥學(xué)報,2010,33(1):15-18．

[5] 江治,李疏芬.納米鋁粉在含能材料中的應(yīng)用之初探[J].飛航導(dǎo)彈, 2001 (9):38-41.

[6] 孫業(yè)斌,惠君明,曹欣茂.軍用混合炸藥[M].北京:兵器工業(yè)出版社,1995.

The Influence of Nano-aluminum on the Detonation Velocity of RDX-based Explosive

CAO Shao-ting, NIU Lei, FENG Xue-song, NIU Guo-tao, JIN Da-yong, LI Wen-hong

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

In order to explore the influence of nano-aluminum on the detonation velocity of RDX-based explosives, the formula of RDX-based explosives with nano-aluminum，micrco-aluminum and composite aluminum were designed, as well as the detonation velocity of the explosives was tested. Results show that, as the content of aluminum lower than 15%, the detonation velocity of explosives with composite aluminum is higher than that of explosives with micrco-aluminum, nano-aluminum has obvious effect on the detonation velocity. When the content of aluminum is more than 20%, the detonation velocity of explosives with composite aluminum and micrco-aluminum is basically the same.

Explosive；Nano-aluminum；Detonation velocity；Thermal reactivity

1003-1480（2019）01-0050-03

TQ564

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2019.01.013

2018-11-20

曹少庭（1985 -），男，工程師，主要從事混合炸藥應(yīng)用研究。