“外嵌內(nèi)包”微結(jié)構(gòu)的奧克托今/鋁復(fù)合粒子制備及其應(yīng)用性能

馮曉軍， 薛樂(lè)星， 馮博， 潘文

(西安近代化學(xué)研究所， 陜西 西安 710065)

0 引言

鋁粉是混合炸藥中普遍應(yīng)用的一種高熱值添加劑，可以顯著提升炸藥的能量水平，但是由于鋁粉表面有一層致密氧化鋁(Al2O3)鈍化膜，提高了鋁粉的點(diǎn)火閾值[1]，使得進(jìn)一步提升含鋁炸藥的綜合性能變得異常困難。鋁粉納米化、制備鋁基復(fù)合材料是改善鋁粉爆炸反應(yīng)動(dòng)力學(xué)性能，提高鋁粉反應(yīng)速率和反應(yīng)完全性的主要研究方向。雖然鋁粉納米化可以大幅增大含鋁炸藥的金屬加速能力[2]、提升推進(jìn)劑燃速[3]，但是納米鋁粉也存在活性鋁含量低、安定性不佳、易團(tuán)聚等問(wèn)題。鋁與其他材料復(fù)合化是解決鋁粉納米化衍生問(wèn)題的一種技術(shù)方法。與鋁粉形成復(fù)合材料的組分主要包括酚醛樹(shù)脂[4]、氟橡膠[5-6]、聚乙烯[7]、金屬[8]、含能粘結(jié)劑[9]、鋁熱劑、炸藥晶體等。復(fù)合鋁熱劑由于放熱量大、反應(yīng)活性高一直是燃燒領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，已形成了系列化的鋁- 氧化物復(fù)合物[10-11]，并且開(kāi)展了鋁熱劑在梯恩梯(TNT)炸藥[12]中的應(yīng)用性能研究。鋁熱劑利用鋁- 金屬氧化物反應(yīng)釋能，而將炸藥晶體與鋁顆粒直接制備成復(fù)合材料可以實(shí)現(xiàn)鋁- 炸藥爆轟產(chǎn)物的直接反應(yīng)釋能，有望大幅提升含鋁炸藥的性能。但是鋁與炸藥分子表面性質(zhì)迥異，鋁- 炸藥的復(fù)合難度較大，目前研究相對(duì)較少。Yang等[13]采用電噴霧法在納米鋁熱劑中添加黑索今制備了鋁/氧化鐵/黑索今/硝化棉(Al/Fe2O3/RDX/NC)復(fù)合材料，點(diǎn)火溫度降低了20 ℃，提高了燃燒的峰值壓力。Zhigach等[14]通過(guò)熔融法將鋁粉表面的Al2O3鈍化層置換為有機(jī)材料，再通過(guò)噴霧包覆法制備了表面改性后鋁粉與奧克托今(HMX)的復(fù)合材料，實(shí)現(xiàn)了對(duì)燃燒性能的提升。上述研究為調(diào)控鋁粉在炸藥爆炸過(guò)程中的有效反應(yīng)和能量釋放提供了技術(shù)途徑。

為了進(jìn)一步改善鋁粉的動(dòng)力學(xué)反應(yīng)條件，調(diào)節(jié)鋁粉與炸藥爆轟反應(yīng)的協(xié)同性，本文采用噴霧包覆法制備了HMX/Al復(fù)合粒子，進(jìn)一步制備含該粒子的含鋁炸藥，進(jìn)行了微觀形貌、化學(xué)結(jié)構(gòu)、感度及爆炸性能試驗(yàn)，結(jié)果表明該復(fù)合粒子可以使鋁粉提前參與爆轟反應(yīng)，提高了鋁粉反應(yīng)完全性。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)試劑與儀器

1.1.1 試驗(yàn)試劑

球形鋁粉，平均粒徑為5 μm和13 μm，活性鋁含量>99.97%，鞍鋼實(shí)業(yè)微細(xì)鋁粉有限公司生產(chǎn)；HMX，平均粒徑為125 μm，甘肅銀光化學(xué)工業(yè)集團(tuán)有限公司生產(chǎn)；乙酸乙酯、丙酮，市售分析純；氟橡膠F2603，中昊晨光化工研究院生產(chǎn)。

1.1.2 試驗(yàn)儀器

Quanta 600FEG型掃描電鏡(SEM)，荷蘭FEI公司生產(chǎn)；NEXUS870型傅里葉變換紅外光譜儀，美國(guó)熱電尼高力公司生產(chǎn)；WL-1型落錘儀和WM-1型摩擦感度儀和爆熱量熱儀，西安近代化學(xué)研究所生產(chǎn)。

1.2 樣品制備方法

1.2.1 原料預(yù)處理

HMX/Al復(fù)合粒子編號(hào)及組成如表1所示。

表1 復(fù)合粒子組成Tab.1 Composition of HMX/Al composites

復(fù)合粒子2號(hào)所用鋁粉經(jīng)過(guò)乙酸乙酯清洗、干燥后備用。復(fù)合粒子1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)采用氟橡膠F2603對(duì)鋁粉預(yù)包覆，包覆方法是：稱(chēng)取2 g F2603溶解在乙酸乙酯中形成溶液，加入78 g鋁粉，攪拌均勻后在70 ℃水浴中揮發(fā)溶劑至半干狀態(tài)，過(guò)10目篩后晾干備用。

1.2.2 噴霧包覆法制備HMX/Al復(fù)合粒子

HMX溶于丙酮后裝入霧化器中待用，將鋁粉均勻平鋪在玻璃板上，通過(guò)霧化器將HMX溶液逐層噴涂在鋁粉上，噴完一次待丙酮完全揮發(fā)后混勻鋁粉再進(jìn)行下一次噴涂，HMX溶液噴涂完后自然干燥得到HMX/Al復(fù)合粒子。

1.2.3 含鋁炸藥試樣制備

含鋁炸藥試樣有兩種：一種是以HMX/Al復(fù)合粒子為基制備；另一種是傳統(tǒng)含鋁炸藥。兩種含鋁炸藥的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)相同，為HMX∶Al∶F2603為80∶15∶5，鋁粉粒度為13 μm.

HMX/Al復(fù)合粒子基炸藥的制備方法是：在復(fù)合粒子4號(hào)的基礎(chǔ)上混合HMX和F2603，三者質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為HMX∶復(fù)合粒子4號(hào)∶F2603為76.25∶18.75∶5. 采用直接法制備，在F2603溶液中加入復(fù)合粒子4號(hào)和HMX，攪拌均勻，揮發(fā)至半干狀態(tài)，過(guò)10目篩造粒。

傳統(tǒng)含鋁炸藥采用直接法制備：在F2603溶液中加入HMX和鋁粉，攪拌均勻，揮發(fā)至半干狀態(tài)，過(guò)10目篩造粒。

1.3 性能測(cè)試方法

1.3.1 機(jī)械感度測(cè)試

撞擊感度按照國(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn)GJB 772A—97方法601.1《撞擊感度爆炸概率法》進(jìn)行。落錘質(zhì)量10 kg，落高250 mm，每發(fā)試驗(yàn)藥量50 mg，共進(jìn)行25發(fā)試驗(yàn)，以發(fā)生爆炸響應(yīng)的發(fā)數(shù)占試驗(yàn)總發(fā)數(shù)的比值作為撞擊感度的爆炸概率。

摩擦感度按照GJB 772A—97方法602.1《摩擦感度爆炸概率法》進(jìn)行，擺錘質(zhì)量1.5 kg，擺臂長(zhǎng)760 mm，擺錘從90°角以擺臂長(zhǎng)為半徑作圓周運(yùn)動(dòng)，自由下落撞擊金屬滑柱，使金屬滑柱與試樣發(fā)生摩擦。每發(fā)試驗(yàn)藥量25 mg，共進(jìn)行25發(fā)試驗(yàn)，以發(fā)生爆炸響應(yīng)的發(fā)數(shù)占試驗(yàn)總發(fā)數(shù)的比值作為摩擦感度的爆炸概率。

1.3.2 爆熱測(cè)試

爆熱試驗(yàn)按照GJB 772A—97方法701.1《爆熱恒溫法和絕熱法》進(jìn)行。試樣直徑25 mm，藥量25 g，帶8號(hào)雷管孔。復(fù)合粒子基含鋁炸藥的密度為1.90 g/cm3，傳統(tǒng)含鋁炸藥的密度為1.88 g/cm3. 試驗(yàn)前先用已知熱值的苯甲酸標(biāo)定爆熱量熱儀的熱容值，然后將炸藥試樣在爆熱彈內(nèi)抽真空環(huán)境(壓力不大于-0.095 MPa)下引爆。測(cè)量炸藥爆炸后爆熱量熱儀內(nèi)桶的溫度變化，按照(1)式計(jì)算出爆熱值。

(1)

式中：Q為試樣爆熱；C為爆熱量熱儀的熱容值；ΔTe為溫度變化值；qd為雷管的爆熱值；m為試樣質(zhì)量。

1.3.3 金屬驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)

金屬驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)示意圖如圖1所示。金屬驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)布局如圖1(a)所示，將炸藥試樣壓制成直徑25 mm、長(zhǎng)30 mm(φ25 mm×30 mm)帶8號(hào)雷管孔的藥柱，復(fù)合粒子基含鋁炸藥的密度為1.91 g/cm3，傳統(tǒng)含鋁炸藥的密度為1.89 g/cm3. 在炸藥試樣未帶雷管孔的端面粘貼φ25 mm×4 mm的金屬飛片，然后放入壁厚8 mm的鋼殼中。炸藥爆炸后驅(qū)動(dòng)金屬飛片穿過(guò)測(cè)速靶板，記錄金屬飛片擊穿測(cè)速靶板的時(shí)間。通過(guò)金屬飛片與測(cè)速靶的距離和時(shí)間，計(jì)算獲得金屬飛片在不同距離處的速度。共布放11個(gè)測(cè)速靶板，距金屬飛片端面的距離分別為0.25 m，0.30 m，0.35 m，0.40 m，0.45 m，0.50 m，0.55 m，0.60 m，0.65 m，0.70 m，0.75 m.

圖1 金屬驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)示意圖Fig.1 Schematic diagram of metal driving test

測(cè)速靶板為布設(shè)有銅箔導(dǎo)線的梳狀斷通測(cè)速靶，外形尺寸為400 mm×400 mm×2 mm，銅箔導(dǎo)線的線寬1 mm，線間距3 mm，如圖1(b)所示。金屬飛片撞擊到測(cè)速靶后原本斷路的銅箔導(dǎo)線導(dǎo)通，產(chǎn)生電信號(hào)，記錄飛片到達(dá)靶板的時(shí)刻。

1.3.4 爆炸罐試驗(yàn)

爆炸罐試驗(yàn)的布局如圖2所示。爆炸罐體外徑270 mm，內(nèi)徑188 mm，容積5.8 L. 在爆炸罐的上蓋安裝有K型熱電偶，熱電偶下端向罐體內(nèi)伸出180 mm，K型熱電偶測(cè)溫范圍為0～1 200 ℃，響應(yīng)時(shí)間為10-2s. 試驗(yàn)時(shí)將炸藥壓制成直徑25 mm、藥量25 g、帶8號(hào)雷管孔的藥柱，并懸掛在爆炸罐內(nèi)中心位置。爆炸罐抽真空至壓力不大于-0.095 MPa，采用雷管起爆，通過(guò)K型熱電偶記錄爆炸罐內(nèi)溫度隨時(shí)間變化的曲線。試驗(yàn)用復(fù)合粒子基含鋁炸藥和傳統(tǒng)含鋁炸藥的密度均為1.90 g/cm3.

圖2 爆炸罐試驗(yàn)布局Fig.2 Explosion chamber test layout

2 結(jié)果與討論

2.1 復(fù)合粒子的表征

2.1.1 復(fù)合粒子微觀形貌分析

采用SEM對(duì)復(fù)合粒子的微觀形貌進(jìn)行表征，如圖3所示。

圖3 HMX/Al復(fù)合粒子SEM照片(放大2 000倍)Fig.3 SEM images of HMX/Al composite particles (2 000×)

圖3中球形為鋁顆粒，棱柱為HMX晶體。由圖3可以發(fā)現(xiàn)，復(fù)合粒子1號(hào)、2號(hào)和3號(hào)微觀形貌較為相似，主要為球形鋁顆粒，中間夾雜HMX晶體。對(duì)比復(fù)合粒子1號(hào)與2號(hào)，表明用乙酸乙酯清洗對(duì)結(jié)晶過(guò)程HMX與Al的結(jié)合狀態(tài)影響較?。粡?fù)合粒子3號(hào)中HMX晶體與Al顆粒比1號(hào)和2號(hào)分散更均勻，結(jié)合狀態(tài)更清晰，表明13 μm的鋁粉比5 μm的鋁粉更利于復(fù)合均勻，這主要是因?yàn)榇至６蠕X粉比表面積小，不易團(tuán)聚；復(fù)合粒子4號(hào)微觀形貌與1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)差別較大，由圖4(d)中紅色圓圈處可以發(fā)現(xiàn)，部分鋁顆?！巴馇丁钡紿MX晶體表面，鋁顆粒只有一半裸露在外，HMX與鋁顆粒結(jié)合的緊密程度比復(fù)合粒子1號(hào)、2號(hào)和3號(hào)提升較大，表明不采用F2603對(duì)鋁粉預(yù)先包覆更利于復(fù)合粒子的形成。

利用能譜儀(EDS)對(duì)HMX/Al復(fù)合粒子進(jìn)行了3個(gè)不同區(qū)域的表面鋁元素測(cè)定，如表2所示。

表2 復(fù)合粒子表面鋁含量Tab.2 Aluminum content on composite particles surface

由表2可以發(fā)現(xiàn)，復(fù)合粒子1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)的表面鋁含量明顯小于4號(hào)，表明F2603對(duì)鋁粉的預(yù)包覆較為完全，結(jié)合圖3的SEM照片，表明復(fù)合粒子1號(hào)～3號(hào)是由炸藥晶體與鋁顆粒通過(guò)粘結(jié)劑聚集形成的。復(fù)合粒子2號(hào)表面鋁含量較1號(hào)和3號(hào)偏高，表明乙酸乙酯清洗不利于F2603對(duì)鋁粉的包覆。復(fù)合粒子4號(hào)未被F2603包覆，但是鋁元素含量低于設(shè)計(jì)的80%，表明部分鋁顆粒包覆到HMX晶體內(nèi)部，即形成了“內(nèi)包”結(jié)構(gòu)。結(jié)合圖3的SEM照片，復(fù)合粒子4號(hào)形成了“外嵌內(nèi)包”的HMX/Al復(fù)合結(jié)構(gòu)。

2.1.2 復(fù)合粒子化學(xué)結(jié)構(gòu)分析

HMX/Al復(fù)合粒子紅外譜圖如圖4所示，3 030 cm-1處是HMX環(huán)上C—H反對(duì)稱(chēng)伸縮振動(dòng)峰，1 560 cm-1、1 280 cm-1兩處是N—NO2伸縮振動(dòng)峰，829 cm-1處歸屬于N—NO2變形振動(dòng)峰，1 460 cm-1是HMX環(huán)上亞甲基(—CH2—)變形振動(dòng)峰，945 cm-1和760 cm-1是HMX環(huán)振動(dòng)峰。

圖4 復(fù)合粒子的紅外光譜圖Fig.4 Infrared spectroscopy images of composite particles

由圖4可以發(fā)現(xiàn)，復(fù)合粒子1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)的紅外譜圖峰位置基本一致，在原料HMX基礎(chǔ)上未出現(xiàn)新的特征峰，表明復(fù)合粒子中Al與HMX之間未產(chǎn)生新的化學(xué)鍵，為純物理接觸復(fù)合。

2.1.3 復(fù)合粒子的機(jī)械感度

噴霧包覆法制備的4種HMX/Al復(fù)合粒子的機(jī)械感度結(jié)果如表3所示。

表3 復(fù)合粒子機(jī)械感度

由表3可以發(fā)現(xiàn)，不同復(fù)合粒子的撞擊感度在4%～12%之間，表明鋁粉粒度、乙酸乙酯清洗、F2603預(yù)包覆對(duì)復(fù)合粒子的撞擊感度影響較小。這主要是因?yàn)閺?fù)合粒子中HMX含量較低導(dǎo)致。同時(shí)制備過(guò)程中HMX重結(jié)晶后的顆粒變小，也是導(dǎo)致復(fù)合粒子撞擊感度較小的原因。

不同復(fù)合粒子的摩擦感度差別較大，復(fù)合粒子1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)的摩擦感度明顯大于4號(hào)。分析認(rèn)為微結(jié)構(gòu)是造成復(fù)合粒子4號(hào)摩擦感度顯著減小的主要原因。復(fù)合粒子4號(hào)形成的“外嵌內(nèi)包”微結(jié)構(gòu)，可以在3個(gè)方面降低摩擦感度：1)“外嵌”的鋁顆粒對(duì)HMX晶體起到隔離的作用，減弱了摩擦過(guò)程中HMX晶體棱角之間的應(yīng)力集中產(chǎn)生熱點(diǎn)；2)鋁粉有較好的延展性，在摩擦力作用下可以通過(guò)變形吸熱來(lái)減少熱點(diǎn)處的熱量聚集；3)該微結(jié)構(gòu)提高了微尺度上HMX晶體和Al顆粒分散的均勻性，小熱點(diǎn)不易聚集，可以減弱熱點(diǎn)的擴(kuò)散與成長(zhǎng)。

復(fù)合粒子4號(hào)形成了“外嵌內(nèi)包”的微結(jié)構(gòu)，機(jī)械感度較低。為了進(jìn)一步研究這一特殊的復(fù)合結(jié)構(gòu)對(duì)含鋁炸藥中鋁粉反應(yīng)性的影響，基于復(fù)合粒子4號(hào)制備了含鋁炸藥配方，開(kāi)展了爆炸性能試驗(yàn)，并與傳統(tǒng)含鋁炸藥進(jìn)行對(duì)比。

2.2 復(fù)合粒子基炸藥的應(yīng)用性能

2.2.1 爆熱

測(cè)試得到復(fù)合粒子基含鋁炸藥爆熱為6 879 J/g(密度為1.90 g/cm3)。傳統(tǒng)含鋁炸藥的爆熱為6 521 J/g(密度為1.88 g/cm3)。添加復(fù)合粒子后含鋁炸藥的爆熱值提高了5.5%，爆熱是表征炸藥爆炸熱力學(xué)特性的關(guān)鍵參數(shù)，爆熱的提高表明這種具有“外嵌內(nèi)包”微結(jié)構(gòu)的HMX/Al復(fù)合粒子可以提高鋁粉在炸藥爆炸過(guò)程中的反應(yīng)完全性。

2.2.2 金屬驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)

復(fù)合粒子基含鋁炸藥與傳統(tǒng)含鋁炸藥在金屬驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)中飛片速度隨距離變化曲線如圖5所示。

圖5 金屬驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果Fig.5 Results of metal driving test

由圖5可以發(fā)現(xiàn)，復(fù)合粒子基含鋁炸藥爆炸后金屬飛片在加速距離0.40～0.45 m時(shí)速度達(dá)到最大值2 561 m/s(密度為1.91 g/cm3)，傳統(tǒng)含鋁炸藥爆炸后的金屬飛片在加速距離0.50～0.55 m時(shí)速度達(dá)到最大值2 386 m/s(密度為1.89 g/cm3)。采用復(fù)合粒子后含鋁炸藥的金屬驅(qū)動(dòng)能力提高了7.3%。

金屬驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)表征的是炸藥爆轟前期對(duì)外做功的性能。由于鋁粉反應(yīng)速率小于炸藥爆轟反應(yīng)速率，通常只有少部分鋁粉可以在爆轟前期參與反應(yīng)，并將釋放的能量用于加速金屬飛片。復(fù)合粒子基含鋁炸藥加速金屬飛片的距離更短、峰值速度更高，表明復(fù)合粒子的“外嵌內(nèi)包”微結(jié)構(gòu)使得鋁粉參與爆轟前期反應(yīng)的時(shí)間更早，在爆轟反應(yīng)前期具有更高的反應(yīng)完全性。

2.2.3 爆炸罐試驗(yàn)

復(fù)合粒子基含鋁炸藥與傳統(tǒng)含鋁炸藥在爆炸罐內(nèi)的溫度時(shí)程曲線如圖6所示。

圖6 爆炸罐內(nèi)溫度- 時(shí)間曲線Fig.6 Curves of temperature vs. time in explosion chamber

由圖6可以發(fā)現(xiàn)，復(fù)合粒子基含鋁炸藥的最高溫度為518.1 ℃(密度為1.90 g/cm3)，傳統(tǒng)含鋁炸藥的最高溫度為487.1 ℃(密度為1.90 g/cm3)。采用復(fù)合粒子后含鋁炸藥的峰值溫度提高了6.4%。爆炸罐內(nèi)的溫度可以表征含鋁炸藥后燃階段鋁粉的反應(yīng)完全性。復(fù)合粒子基含鋁炸藥的峰值溫度和穩(wěn)定衰減階段的溫度更高，表明復(fù)合粒子的“外嵌內(nèi)包”微結(jié)構(gòu)提高了后燃階段的鋁粉反應(yīng)完全性。

2.3 復(fù)合粒子基炸藥反應(yīng)機(jī)制分析

爆熱、金屬驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)和爆炸罐試驗(yàn)結(jié)果表明，復(fù)合粒子形成的“外嵌內(nèi)包”微結(jié)構(gòu)可以提升含鋁炸藥中鋁粉在爆轟前期、后燃以及整個(gè)爆炸過(guò)程的反應(yīng)完全性。這一結(jié)果可以通過(guò)圖7所示含鋁炸藥爆轟過(guò)程的示意圖來(lái)解釋。

圖7 不同微結(jié)構(gòu)的含鋁炸藥爆轟過(guò)程示意圖Fig.7 Schematic diagram of detonation process of aluminized explosive with different microstructures

圖7中：微結(jié)構(gòu)的黃色大球?yàn)檎ㄋ幘w，藍(lán)色小球?yàn)殇X顆粒；爆轟前期、爆轟產(chǎn)物膨脹階段的灰色小球?yàn)槲捶磻?yīng)鋁顆粒，銀色小球?yàn)橐呀?jīng)發(fā)生反應(yīng)的鋁顆粒。HMX/Al復(fù)合粒子中的鋁顆粒一部分“內(nèi)包”到HMX晶體內(nèi)部，一部分嵌入到HMX晶體外表面，而傳統(tǒng)含鋁炸藥中的鋁顆粒只能粘接在HMX晶體的外表面。當(dāng)HMX炸藥首先爆轟后，會(huì)在原位處瞬間產(chǎn)生大量高溫、高壓和高濃度的碳氧化合物、水等氧化性爆轟氣體產(chǎn)物。在高壓作用下，這些氣態(tài)爆轟產(chǎn)物會(huì)快速膨脹，導(dǎo)致爆轟產(chǎn)物的溫度和濃度急劇降低[15]。對(duì)于形成“外嵌內(nèi)包”微結(jié)構(gòu)的HMX/Al復(fù)合粒子基含鋁炸藥而言，由于有部分鋁粉包含在HMX晶體內(nèi)部，因此，在HMX炸藥爆轟時(shí)，這些“內(nèi)包”的鋁顆粒會(huì)與高溫、高濃度的HMX爆轟產(chǎn)物混合在一起，使得氧化性產(chǎn)物與鋁顆粒之間的擴(kuò)散距離很小，從而能夠使鋁粉快速達(dá)到其反應(yīng)閾值，促使這部分鋁粉在含鋁炸藥的爆轟反應(yīng)前期便能發(fā)生氧化還原放熱反應(yīng)，釋放大量的能量(圖7中灰色顆粒為發(fā)生反應(yīng)的鋁顆粒，銀色為未發(fā)生反應(yīng)的鋁顆粒)，而這些能量會(huì)對(duì)金屬驅(qū)動(dòng)有貢獻(xiàn)，故可使金屬驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)中金屬飛片在更短距離內(nèi)達(dá)到更高的速度值。由于鋁粉的放熱值比C、H、O等元素之間的氧化還原反應(yīng)放熱值更高，因此，前期參與反應(yīng)的鋁粉會(huì)使含鋁炸藥在爆轟產(chǎn)物膨脹過(guò)程中的溫度更高一些，從而為“外嵌”鋁粉的進(jìn)一步反應(yīng)創(chuàng)造了更加有利的化學(xué)反應(yīng)熱力學(xué)條件，提高了含鋁炸藥整個(gè)爆炸過(guò)程中鋁粉的反應(yīng)完全性，使爆熱和爆炸罐內(nèi)的溫度提高。

而對(duì)于傳統(tǒng)含鋁炸藥，由于鋁顆粒只能粘結(jié)在HMX炸藥顆粒的外表面，當(dāng)HMX炸藥爆轟后，這些鋁顆粒會(huì)在爆轟波和高溫、高壓的爆轟產(chǎn)物快速膨脹作用下向外飛散，增大了鋁顆粒與氧化性產(chǎn)物之間的擴(kuò)散距離，導(dǎo)致在爆轟前期能夠達(dá)到鋁粉反應(yīng)閾值的鋁顆粒數(shù)量非常少，因此對(duì)金屬驅(qū)動(dòng)性能的貢獻(xiàn)會(huì)降低。而且由于爆轟產(chǎn)物快速膨脹，使得爆轟產(chǎn)物的溫度和濃度降低，會(huì)使鋁顆粒在含鋁炸藥整個(gè)爆炸過(guò)程中的反應(yīng)完全性降低，放熱值減小，表現(xiàn)為爆熱和爆炸罐內(nèi)溫度降低。

因此，HMX/Al復(fù)合粒子形成的這種“外嵌內(nèi)包”微結(jié)構(gòu)可以為鋁粉在炸藥爆炸過(guò)程中創(chuàng)造更優(yōu)的溫度和濃度條件，不僅可以促使部分鋁粉參與前期的爆轟反應(yīng)，而且可以提高鋁粉在炸藥整個(gè)爆炸過(guò)程中的反應(yīng)完全性。

3 結(jié)論

本文基于噴霧包覆法制備了HMX/Al復(fù)合粒子及基于該粒子的含鋁炸藥，表征了HMX/Al復(fù)合粒子的形貌、表面元素組成以及化學(xué)結(jié)構(gòu)，開(kāi)展了HMX/Al復(fù)合粒子對(duì)含鋁炸藥中鋁粉反應(yīng)性的影響研究。通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析得到以下主要結(jié)論：

1) 噴霧包覆法制備的HMX/Al復(fù)合粒子具有“外嵌內(nèi)包”的微結(jié)構(gòu)，優(yōu)選的HMX/Al復(fù)合粒子制備條件是采用粒徑為13 μm、未經(jīng)乙酸乙酯清洗、未用氟橡膠F2603預(yù)包覆的鋁粉。

2) 噴霧包覆法制備的HMX/Al復(fù)合粒子化學(xué)結(jié)構(gòu)未發(fā)生變化，HMX晶體與鋁顆粒通過(guò)物理作用結(jié)合；復(fù)合粒子的配方組成對(duì)撞擊感度無(wú)顯著影響，“外嵌內(nèi)包”微結(jié)構(gòu)使得復(fù)合粒子的摩擦感度由88%降低至12%。

3) 在混合炸藥中添加HMX/Al復(fù)合粒子可以使含鋁炸藥的爆熱提升5.5%，金屬驅(qū)動(dòng)飛片的峰值速度提高7.3%，爆炸罐峰值溫度提高6.4%。

4) 噴霧包覆法制備的HMX/Al復(fù)合粒子通過(guò)“外嵌內(nèi)包”微結(jié)構(gòu)，增加了HMX晶體與Al的結(jié)合緊密程度，可使鋁粉提前參與爆轟反應(yīng)，提升了鋁粉在炸藥爆轟前期、后燃及整個(gè)爆炸過(guò)程的反應(yīng)完全性。