CL-20基含鋁炸藥組分微結(jié)構(gòu)對其爆炸釋能特性的影響

馮曉軍, 薛樂星, 曹芳潔, 劉 謙, 李 欣

(西安近代化學(xué)研究所，陜西 西安 710065)

引 言

含鋁炸藥是目前應(yīng)用廣泛的混合炸藥，通過在配方中加入鋁粉可以顯著提升炸藥體系的能量水平[1]，優(yōu)化炸藥爆炸的能量輸出結(jié)構(gòu)，但是通常條件下鋁粉的加入會降低炸藥的爆速[2]和對金屬的加速能力[3]，這主要是因為鋁粉與爆轟產(chǎn)物間的反應(yīng)速率顯著低于炸藥自身的爆轟反應(yīng)速率，且隨著爆轟產(chǎn)物的膨脹，爆炸場溫度和壓力快速降低，難以維持鋁粉反應(yīng)的動力學(xué)條件，導(dǎo)致鋁粉反應(yīng)不完全。

為了提高鋁粉在炸藥爆轟過程中的反應(yīng)速率和反應(yīng)完全性，目前主要通過鋁粉改性、鋁粉與炸藥組分間微結(jié)構(gòu)設(shè)計等技術(shù)途徑來實現(xiàn)。對鋁粉改性最典型的是實現(xiàn)鋁粉的納米化，研究結(jié)果表明[4-5]，在固體復(fù)合推進(jìn)劑中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的納米鋁粉，比相同含量的微米鋁粉可使燃燒熱提高70%～100%，在炸藥中引入納米鋁粉能夠獲得更大的金屬加速能力，其反應(yīng)時間比微米級含鋁炸藥縮短35.1%[6]，這說明鋁粉納米化是一種提高鋁粉反應(yīng)速率的有效途徑，但是鋁粉納米化也存在活性鋁含量低、反應(yīng)閾值低導(dǎo)致安定性不佳、在混合炸藥中使用時易團(tuán)聚等問題。鋁粉與炸藥組分的微結(jié)構(gòu)設(shè)計目前主要是采用包覆工藝形成核-殼結(jié)構(gòu)的復(fù)合含能材料，以改善鋁粉的反應(yīng)性能，包括碳包覆[7]、油酸包覆、金屬包覆[8]、黏合劑包覆[9]等，使鋁粉能夠與炸藥組分中的氧化劑緊密結(jié)合，減小反應(yīng)過程中的擴(kuò)散距離，以提高鋁粉反應(yīng)速率和反應(yīng)完全性；Paul Anderson等[10]采用含能黏結(jié)劑包覆微米鋁粉，改善了鋁粉在爆轟過程的動力學(xué)反應(yīng)條件，使鋁粉的反應(yīng)時間提前至爆轟反應(yīng)區(qū)內(nèi)，與相同配方的普通含鋁炸藥相比，沖擊波沖量和金屬加速能力均有明顯增加;楊毅等[11]通過高效研磨機(jī)制備了RDX/Al超細(xì)復(fù)合粒子，通過機(jī)械作用將研磨細(xì)化的RDX粒子鑲嵌、附著于尺寸較大的Al粒子之上，可以形成單層或多層包覆的微結(jié)構(gòu)，提高了鋁在炸藥中分布的均勻性和接觸的緊密性，使得鋁粉的反應(yīng)完全性提高，爆熱明顯增加。A. N. Zhigach等[12]采用懸液霧化干燥法制備了HMX/Al的納米復(fù)合物，通過試驗發(fā)現(xiàn)該復(fù)合粒子可以明顯提高推進(jìn)劑的燃燒速率和壓力指數(shù)。

本研究通過溶劑-非溶劑法將超細(xì)鋁粉嵌入Cl-20晶體中，形成微米級的Cl-20/Al復(fù)合粒子，并將該復(fù)合粒子制備成CL-20基含鋁混合炸藥，研究了其對混合炸藥的感度、能量及金屬加速性能等的影響。

1 實 驗

1.1 材料及儀器

Al粉，型號FLQT4，純度大于99.97%，鞍鋼實業(yè)微細(xì)鋁粉有限公司；CL-20，工業(yè)級，遼寧慶陽化學(xué)工業(yè)公司；乙酸乙酯、正己烷，均為分析純，天津市恒興化學(xué)試劑制造有限公司。

Quanta 600FEG型掃描電鏡，荷蘭FEI公司；INCA Energy 350型能譜儀，英國牛津儀器公司。

1.2 樣品制備

1.2.1 CL-20/Al復(fù)合粒子的制備

利用溶劑-非溶劑法制備CL-20/Al復(fù)合粒子，以實現(xiàn)Al顆粒與CL-20晶體緊密接觸的微結(jié)構(gòu)。復(fù)合粒子制備裝置如圖1所示。

圖1 樣品制備裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of sample preparation

按質(zhì)量比為85∶10稱取CL-20和Al粉，將85g CL-20溶解在250mL乙酸乙酯中，形成澄清溶液；將10g鋁粉分散在600mL正己烷中，通過機(jī)械攪拌維持懸濁液狀態(tài)，攪拌速率為200r/min。將溶解了CL-20的乙酸乙酯溶液滴加到正己烷懸濁液中，滴加過程持續(xù)攪拌，滴加結(jié)束后，以30～50r/min的速率低速攪拌1.5～2h，經(jīng)過抽濾、洗滌、干燥，得到CL-20/Al復(fù)合粒子。

1.2.2 炸藥樣品制備

通過兩種方式制備組成為(質(zhì)量分?jǐn)?shù))85%CL-20/10%Al/5%黏結(jié)劑的含鋁炸藥樣品。第一種是按照質(zhì)量比95∶5稱取CL-20/Al復(fù)合粒子和黏結(jié)劑，先將黏結(jié)劑在石油醚中溶解，然后將CL-20/Al復(fù)合粒子加入到石油醚溶液中攪拌混合至半干狀態(tài)后過孔徑為850μm的篩得到(標(biāo)記為樣品1)；另一種是將質(zhì)量比為85∶10∶5的CL-20、Al和黏結(jié)劑直接在石油醚中攪拌混合至半干狀態(tài)后過孔徑為850μm的目篩得到(標(biāo)記為樣品2)。這兩種含鋁炸藥配方的組成比例完全相同，但微結(jié)構(gòu)不同:第一種樣品中Al粉和CL-20直接接觸，通過黏結(jié)劑對該復(fù)合粒子進(jìn)行包覆和造粒;第二種樣品中Al和CL-20之間有惰性黏結(jié)劑隔層。進(jìn)行爆熱、爆炸罐試驗和圓筒試驗時，這兩種含鋁炸藥試樣的成型密度均控制在1.84～1.86g/cm3范圍內(nèi)。

1.3 感度和爆熱測試

采用國軍標(biāo)GJB772A-97方法601.1“撞擊感度爆炸概率法”和方法602.1“摩擦感度爆炸概率法”對兩種炸藥試樣進(jìn)行感度測試。

采用國軍標(biāo)GJB772A-97方法701.1“爆熱恒溫法和絕熱法”對上述兩種CL-20基含鋁炸藥試樣進(jìn)行爆熱測試。將這兩種含鋁炸藥壓制成直徑為25mm、藥量為25g的圓柱形藥柱，利用絕熱法原理進(jìn)行爆熱測量。

1.4 爆炸罐試驗和圓筒試驗

試驗裝置及方法同文獻(xiàn)[13]。將上述兩種CL-20基含鋁炸藥壓制成直徑為25mm、藥量為25g的圓柱形藥柱，在爆炸罐內(nèi)抽真空條件下引爆試樣，利用溫度傳感器測量試樣引爆后爆炸罐內(nèi)溫度隨時間的變化曲線。溫度傳感器測溫范圍為-240～1200℃，響應(yīng)時間為10-5s，精度小于1%，傳感器布置在距爆炸罐上端蓋中心40mm 處。

采用國軍標(biāo)GJB772A-97方法705.2“作功能力標(biāo)準(zhǔn)圓筒試驗法”對上述兩種CL-20基含鋁炸藥金屬加速性能進(jìn)行測試，高速相機(jī)的掃描速度為1.5mm/μs。然后利用公式(1)計算炸藥的格尼系數(shù)：

(1)

2 結(jié)果與討論

2.1 炸藥樣品微結(jié)構(gòu)形貌分析

兩種方式制備的CL-20基含鋁炸藥的SEM結(jié)果如圖2所示。由圖2(a)可見，基于CL-20/Al復(fù)合粒子制備的炸藥樣品的微結(jié)構(gòu)中，Al粉顆粒比較均勻地嵌入到CL-20晶體內(nèi)或表面，形成了CL-20與鋁充分緊密接觸的微結(jié)構(gòu)形貌。由圖2(b)可見，采用常規(guī)含鋁炸藥制備方法得到的炸藥樣品不具有圖2(a)所述的微結(jié)構(gòu)，鋁粉顆粒之間發(fā)生了團(tuán)聚，鋁粉團(tuán)聚體主要分布在CL-20晶體之間的縫隙及晶體表面。

圖2 兩種CL-20基含鋁炸藥試樣微結(jié)構(gòu)的SEM照片F(xiàn)ig.2 SEM images of microstructure for two kinds of CL-20-based explosives

通過能譜儀(EDS)對這兩種含鋁炸藥樣品進(jìn)行表面元素分析，每種含鋁炸藥做3發(fā)能譜分析，典型能譜如圖3所示，元素分析結(jié)果列于表1。

圖3 兩種CL-20基含鋁炸藥的EDS譜圖Fig.3 EDS spectrum of the two kinds of CL-20-based aluminized explosives

由圖3和表1可以看出,CL-20/Al復(fù)合粒子制備的炸藥中鋁粉含量與配方設(shè)計的鋁含量基本一致，表明在微結(jié)構(gòu)尺度內(nèi)，鋁粉在表面和內(nèi)部分布均勻，而采用常規(guī)方法制備的炸藥樣品表面鋁粉含量較高，表明鋁粉顆粒分布不均。

表1 兩種CL-20基含鋁炸藥元素分析EDS結(jié)果Table 1 EDS results of elements analysis for two kinds of CL-20 based aluminized explosives

2.2 感度及爆熱分析

上述兩種CL-20基含鋁炸藥的撞擊感度、摩擦感度和爆熱測量結(jié)果如表2所示。

表2 兩種CL-20基含鋁炸藥樣品的感度及爆熱測量結(jié)果Table 2 Mechanical sensitivity and explosion heat of the two kinds of explosives

注：PI為撞擊感度；PF為摩擦感度；Q為爆熱。

由表2可知，利用CL-20/Al復(fù)合粒子制備的含鋁炸藥(樣品1)與常規(guī)方法制備的含鋁炸藥(樣品2)相比，其摩擦感度相同，而撞擊感度略有升高，這可能是由于在落錘撞擊作用下，部分CL-20/Al復(fù)合粒子會發(fā)生碎裂，使CL-20炸藥和Al粒子之間發(fā)生剪切或摩擦作用，從而產(chǎn)生局部熱點，發(fā)生撞擊點火，而采用常規(guī)法制備的含鋁炸藥，在落錘撞擊作用下，一般不會發(fā)生炸藥顆?；駻l粒子的碎裂，而且每個炸藥或鋁顆粒周圍都有黏結(jié)劑的潤滑作用，不易形成局部熱點，因此撞擊感度會較低。對摩擦感度來說，無論是CL-20/Al復(fù)合粒子制備的炸藥還是常規(guī)方法制備的炸藥，在摩擦加載過程中，只是發(fā)生了顆粒之間的相對滑動并產(chǎn)生一定的熱量，但是由于顆粒之間有惰性黏結(jié)劑，會減緩顆粒之間的滑動摩擦力作用，而且也會吸收顆粒間的滑動摩擦產(chǎn)生的熱量，因此，這兩種方式下制備的含鋁炸藥對摩擦感度不會有顯著性影響。

從表2的爆熱結(jié)果可以看出，CL-20/Al復(fù)合粒子制備的含鋁炸藥比常規(guī)方法制備的含鋁炸藥爆熱值提高了2.1%，這說明采用復(fù)合粒子后可以使炸藥爆炸過程中Al粉的反應(yīng)完全性提高，由CL-20/Al復(fù)合粒子制備的含鋁炸藥的微結(jié)構(gòu)形貌可以看出(圖2(a))，鋁粉顆粒嵌入到CL-20晶體內(nèi)部及表面，二者之間沒有黏結(jié)劑隔離，縮短了鋁粉參與CL-20炸藥爆轟反應(yīng)的擴(kuò)散距離，有可能將鋁粉反應(yīng)提前到爆轟反應(yīng)區(qū)內(nèi)，從而釋放出更多的爆轟熱，為Al粉的持續(xù)反應(yīng)創(chuàng)造了更加良好的動力學(xué)條件，因此使得Al粉在炸藥爆轟及產(chǎn)物膨脹過程中的反應(yīng)完全性增加。而采用常規(guī)法制備的含鋁炸藥，由于在CL-20炸藥和Al顆粒之間有黏結(jié)劑的阻隔，會增加Al粉顆粒與爆轟產(chǎn)物發(fā)生氧化還原反應(yīng)的擴(kuò)散距離，從而減弱了Al粉持續(xù)反應(yīng)的動力學(xué)條件，因此限制了爆轟能量的釋放。

2.3 爆炸場溫度分析

CL-20/Al復(fù)合粒子制備的含鋁炸藥(樣品1)與常規(guī)方法制備的含鋁炸藥(樣品2)在爆炸罐內(nèi)爆炸后的溫度—時間曲線如圖4所示。

圖4 爆炸罐內(nèi)溫度—時間曲線Fig.4 Curves of temperature—time in explosion chamber

由圖4可以看出，炸藥組分的微結(jié)構(gòu)對爆炸溫度場具有顯著影響。CL-20/Al復(fù)合粒子制備的含鋁炸藥爆炸后爆炸罐內(nèi)溫度場最高溫度可達(dá)661.2℃(2.7498V)，而常規(guī)方法制備的含鋁炸藥爆炸后爆炸罐內(nèi)溫度場最高溫度為544.3℃(2.2527V)，在常規(guī)法制備的炸藥開始降溫時，復(fù)合粒子制備的炸藥仍處于升溫階段，且在整個測試周期內(nèi)爆炸場溫度及溫度衰減速率始終優(yōu)于常規(guī)法制備的含鋁炸藥。

爆炸罐內(nèi)的溫度主要由炸藥爆轟及爆轟產(chǎn)物與鋁粉的反應(yīng)放熱導(dǎo)致，升溫速率大則表明炸藥的爆轟反應(yīng)速率大，峰值溫度高表明炸藥在爆轟反應(yīng)階段釋放的熱量多，溫度場溫度衰減緩慢說明鋁粉在炸藥爆炸過程的反應(yīng)完全性高、反應(yīng)持續(xù)時間長。因此可知，采用CL-20/Al復(fù)合粒子制備的含鋁炸藥由于在配方組分微結(jié)構(gòu)上的設(shè)計，為維持Al粉參與炸藥爆炸全過程的氧化還原反應(yīng)所需要的溫度、壓力及反應(yīng)物濃度等動力學(xué)條件提供了優(yōu)勢，使得Al粉不僅在爆轟反應(yīng)區(qū)內(nèi)參與了部分反應(yīng)，而且在爆轟產(chǎn)物膨脹過程中有更多的鋁粉發(fā)生了放熱反應(yīng)，提高了Al粉的反應(yīng)完全性，這與爆熱測試結(jié)果完全相符。

2.4 金屬加速性能分析

CL-20/Al復(fù)合粒子制備的含鋁炸藥(樣品1)與常規(guī)方法制備的含鋁炸藥(樣品2)進(jìn)行圓筒試驗得到的圓筒壁徑向膨脹速度曲線如圖5所示。利用公式(1)計算得出這兩種含鋁炸藥的格尼能系數(shù)，如表3所示。

圖5 兩種炸藥圓筒膨脹速度曲線Fig.5 Expansion velocity curves in cylinder test of two kinds of explosives

表3 兩種炸藥圓筒試驗結(jié)果

從圖5可以看出，在圓筒壁膨脹到7倍的裝藥直徑范圍內(nèi)，由復(fù)合粒子制備的含鋁炸藥的圓筒壁膨脹速度明顯大于常規(guī)法制備的相同配方組成的含鋁炸藥，而且從這兩條速度曲線的變化趨勢上可以發(fā)現(xiàn)，常規(guī)法制備的含鋁炸藥在R-R0>24mm后，圓筒壁的膨脹速度已開始減小，而由CL-20/Al復(fù)合粒子制備的含鋁炸藥，其圓筒壁膨脹速度仍處于增加的態(tài)勢，這也說明在對金屬驅(qū)動作用有貢獻(xiàn)的炸藥爆轟區(qū)反應(yīng)階段，復(fù)合粒子中的Al粉參與了釋能反應(yīng)，為金屬驅(qū)動提供了持續(xù)的能量支持，而常規(guī)法制備的含鋁炸藥中，Al粉可能在爆轟反應(yīng)區(qū)內(nèi)無反應(yīng)，甚至是作為惰性物質(zhì)消耗了爆轟區(qū)的部分能量，使得貢獻(xiàn)給驅(qū)動金屬的能量減小。

從表3的計算結(jié)果可以看出，采用常規(guī)法制備的含鋁炸藥格尼系數(shù)為2.88mm/μs，采用復(fù)合粒子制備的含鋁炸藥格尼系數(shù)為3.10mm/μs，這表明采用CL-20/Al復(fù)合粒子對配方的微結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，可以減小炸藥爆轟過程中Al粉和氧化物之間的擴(kuò)散距離，促使Al粉在炸藥爆轟反應(yīng)區(qū)內(nèi)發(fā)生部分的釋能反應(yīng)，對爆轟區(qū)能量的提高和金屬驅(qū)動作用有貢獻(xiàn)。

3 結(jié) 論

(1)采用溶劑-非溶劑法制備CL-20/Al粉復(fù)合粒子，可以形成Al粉在CL-20晶體內(nèi)部及表面均勻嵌入的微結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)Al粉與CL-20炸藥的緊密結(jié)合。

(2)CL-20/Al復(fù)合粒子對含鋁炸藥配方的感度影響較小，但可以提高鋁粉在炸藥爆轟過程中的反應(yīng)完全性和炸藥的爆熱。

(3)采用CL-20/Al復(fù)合粒子的微結(jié)構(gòu)配方，縮短了Al粉與爆轟產(chǎn)物間的擴(kuò)散距離，改善了Al粉反應(yīng)的動力學(xué)條件，提前了Al粉參與爆炸過程反應(yīng)的時間，使Al粉能在爆轟區(qū)內(nèi)發(fā)生釋能反應(yīng)，相比于常規(guī)法制備的相同組成比例的含鋁炸藥，可以使爆炸場溫度從544.3℃提高至661.2℃，格尼系數(shù)由2.88mm/μs提高至3.10mm/μs。