HMX 基含硼鋁炸藥的釋能特性和作功能力

李興隆，王德海，劉清杰，花 成，曹 威，宋清官，王 翔，高大元

（1. 中國工程物理研究院化工材料研究所，四川 綿陽 621999；2. 中國工程物理研究院安全彈藥研發(fā)中心，四川 綿陽 621999）

1 引言

活性金屬粉在燃燒過程中會釋放大量熱，在高能炸藥中加入氧化劑、金屬粉和黏結劑制成增爆炸藥（Enhanced Blast Explosive，EBX）和溫壓炸藥（Thermobaric explosive，TBX）后能顯著提升其爆熱和爆炸威力［1-3］。從理論上分析，硼（B）的質量和體積燃燒熱（58.9 kJ·g-1和137.8 kJ·cm-3）分別是鋁（Al）質量和體積燃燒熱（31.3 kJ·g-1和84.5 kJ·cm-3）的1.9 和1.6倍，屬于人們非常關注的高燃燒熱金屬燃料［4-6］。一百多年的研究表明，含鋁炸藥中Al 粉燃燒釋放的能量非常有限，若要進一步提高含鋁炸藥的能量，則需要添加燃燒熱更高的金屬粉。硼的熔點和沸點較高，且燃燒初期形成的液態(tài)B2O3包住硼粒子，致使B 粉的點火和燃燒特性較差，含硼炸藥中B 難于完全燃燒釋放其高燃燒熱［7-8］。單一組分金屬中雖然可以使用不同尺度級配，如納米和微米級配來降低粘度、便于澆注成型和增加樣品密度。但是，僅添加單一組分金屬粉的混合炸藥其能量釋放效應變化不大。目前，國內外正在研究新型金屬化炸藥，即在炸藥中加入兩種或兩種以上的金屬粉，炸藥爆炸時金屬粉之間發(fā)生協(xié)同或合金化反應，釋放出大量熱量，從而大幅度提高毀傷效應。

復合金屬粉的制備以及在含能材料中的應用，國內外已有文獻報道。P.Q. Flower［9］開展了改善金屬化炸藥功效的相關研究，探索了兩種方法制備硼鋁機械合金（Mechanical Alloys）。方法一是制備微米尺度的納米相機械合金，即納米尺度硼均勻分散在微米鋁金屬中。這種合金的金屬鍵斷裂和破損等有助于提高體系的能量；方法二是以松散混合的微米鋁和微米硼為原料，使用等離子體蒸發(fā)濃縮工藝（Plasma Evaporation-Condensation Process）制備納米合金。美國曾報道在高威力炸藥中加入質量比Al/Mg=1∶1 混合金屬粉，可以提高炸藥的作功能力［10］。國外專利［11］曾報道在RDX 中加入兩種以上的金屬粉制成金屬化炸藥，其爆炸威力比RDX 明顯提高。如果用于水下炸藥裝藥，則能夠大幅度提高氣泡能。徐森［12］開展了Al/B 粉的燃燒熱以及金屬化炸藥在水下爆炸中的應用研究，表明隨著硼粉含量增加，混合金屬粉的燃燒熱增加，而硼的燃燒效應降低。RDX 基含硼鋁炸藥（（RDX/Al/B/AP）比含鋁炸藥（（RDX/Al/AP）具有更大的爆轟能量。曹威［13］開展了添加B 和MgH2含鋁炸藥的爆轟特性研究，表明添加B 和MgH2后，含鋁炸藥的爆熱稍微增加，爆壓沒有明顯變化，早期加速能力（壁速和格尼能）稍微減弱，卻表現(xiàn)出強勁的后效燃燒潛能。

針對如何提高炸藥爆轟產物溫度和改善硼的燃燒環(huán)境，使液態(tài)B2O3的蒸發(fā)速度接近生成速度，促進硼的二次反應釋放高燃燒熱的問題［14-16］，本研究以HMX為基，加入B/Al 復合粉和黏結劑制備含硼鋁炸藥。用Φ100 mm×105 mm 樣品的空中爆炸和水下爆炸試驗研究其能量釋放特性，用Φ50 mm 圓筒試驗評價其作功能力，探討了不同微米金屬粉含量對含硼鋁炸藥的釋能過程和作功能力的影響，為鈍感高能含硼鋁炸藥在武器和彈藥中的應用提供指導。

2 實驗部分

2.1 材料與樣品制備

HMX：甘肅白銀銀光化學材料有限公司，純度99.9%，D50=6.7 μm；鈍化HMX：中物院化材所，顆粒尺寸20～30 μm；Al 粉：遼寧鞍鋼實業(yè)微細鋁粉有限公司，純度99%，顆粒尺寸1～5 μm；B 粉：河北保定硼達新材料科技有限公司，純度99.9%，顆粒尺寸1～5 μm；B/Al 復合粉：河北保定硼達新材料科技有限公司，質量比1∶1，顆粒尺寸范圍5～20 μm；端羥基聚異丁烯（HTPB）：洛陽黎明化工研究院，平均分子量2000，羥值0.76 mmoL·g-1。

通過大量試驗篩選出三種機械感度滿足加工要求的含硼鋁炸藥，見表1。經過配料、升溫熔化、捏合和攪拌均勻后制成藥漿，在真空振動澆注機上依次裝入一批Φ100 mm×105 mm、Φ50 mm×110 mm 的金屬模具中。然后，在50 ℃固化120 h，冷卻至室溫開模，對澆注藥柱進行加工得到試驗樣品，編號分別為ME-1～ME-3，其裝藥密度由排水法測量。

表1 含硼鋁炸藥配方及性能參數(shù)Table 1 Formulations and performance parameters of explosives containing B/Al

2.2 實驗方法

2.2.1 空爆試驗

將Ф100 mm×105 mm 的樣品置于距離地面1.5 m高的支架上，用上端面中心點起爆。空爆試驗中，ME-1、ME-2和ME-3樣品的藥量分別為1.356，1.354 kg和1.339 kg。超壓傳感器為PCB 137B23B，試驗前，通過兩次Φ50 mm×50 mm TNT 藥柱的空爆試驗進行標定。超壓傳感器布置在距離起爆點3，4，5 m 和6 m的直線位置處，高度1.3 m，兩列超壓傳感器成45°角。用PCB 沖擊波超壓傳感器和數(shù)據(jù)采集儀測試沖擊波超壓［17-18］，用Fastcam SA-X2 高速攝影機拍攝樣品爆炸過程中火球形貌及演變歷程，640×488 像素下拍攝速度10000 幀/s。試驗樣品、超壓測試和高速攝影布置現(xiàn)場見圖1。

圖1 空爆試驗布置圖Fig.1 Sketch of air blast test

2.2.2 水下爆炸試驗

水下爆炸試驗中，樣品尺寸Ф100 mm×105 mm，ME-1、ME-2和ME-3樣品的藥量分別為1.368，1.344 kg和1.339 kg。用網袋和繩索將樣品放入水下10 m，兩側布置壓力傳感器。水池上端面直徑48 m，底部直徑32 m，水深23 m，水下爆炸試驗布置情況見圖2。其中，右側6 個傳感器距爆心距離分別為2，3，4，5，6 m和7 m，用于測量沖擊波壓力時程；左側2 個傳感器距爆心距離分別為3 m 和4 m，用于測量第一次氣泡脈動周期。炸藥爆炸釋放的能量在水中表現(xiàn)為氣泡能、沖擊波能和熱損耗能三部分。測定遠場沖擊波壓力時程曲線，計算出遠場沖擊波能，再經過修正計算出初始沖擊波能（包含熱損耗能及遠場沖擊波能）；測定氣泡脈動周期計算出氣泡能。氣泡能與初始沖擊波能之和為炸藥水中爆炸的總能量［19-20］。

圖2 水下爆炸試驗布置圖Fig.2 Sketch of underwater explosion test

2.2.3 圓筒試驗

Φ50 mm圓筒試驗中，ME-1、ME-2和ME-3樣品的密度分別為1.708，1.689 g·cm-3和1.673 g·cm-3。試驗系統(tǒng)由13個Φ50 mm×50 mm 藥柱、Φ60.2 mm×500 mm紫銅圓筒管（內徑50.2 mm，長度500 mm，壁5 mm）、電探針、氬氣彈、光學窗口、示波器和高速轉鏡掃描相機等組成，其試驗布置見圖3。其中，兩列電探針用于測量炸藥的爆速；相機的轉動速度為7.5×103r·min-1，用于獲得炸藥爆轟驅動銅管膨脹曲線的實驗底片，作功能力用300 mm 長度處銅管外壁徑向膨脹到12 mm和38 mm 的壁速和格尼能來表征。壁速和格尼能越大，則炸藥的作功能力越強［21-22］。

圖3 Ф50 mm 圓筒試驗裝置Fig.3 Experimental setup of Ф50 mm cylinder test

3 結果與討論

3.1 空爆沖擊波超壓

含硼鋁炸藥空爆后，爆轟產物具有極高的壓力，迅速向四周膨脹并推擠周圍的空氣，形成空氣沖擊波。B/Al 復合粉具有后燃效應，所以在爆炸后期仍具有較大的沖擊波超壓。通過超壓測試系統(tǒng)實測獲得三種樣品的沖擊波超壓衰減趨勢。同時，采用Henrych 公式［23-24］計算三種樣品空爆產生的沖擊波超壓。

對比實測超壓與Henrych 公式計算的超壓，獲得含硼鋁炸藥空爆沖擊波超壓隨距離衰減趨勢見圖4。

圖4 沖擊波超壓實測值與Henrych 經驗公式計算值的對比Fig.4 Comparison between the measured shock wave overpressures and the calculated values

從圖4 得知，三種炸藥樣品無約束空間中爆炸時，在3，4，5 m 和6 m 位置處空中超壓值從大到小排序為ME-3＞ME-2＞ME-1，含硼鋁炸藥（ME-3 和ME-2）比含鋁炸藥（ME-1）沖擊波超壓值更高，表明B/Al 復合粉燃燒反應釋放的熱量比Al 粉更大，對遠距離處超壓的增強效果更顯著。在HMX 爆轟作用下，Al 粉和B 粉并不是嚴格按照金屬活性的先后次序進行反應，而是Al 粉先進行部分燃燒反應，提供一個較高的溫度環(huán)境，隨后在高溫環(huán)境中Al 粉和B 粉同時進行燃燒反應。ME-3樣品（硼鋁質量比1∶1）參與反應的B 粉比ME-2 樣品（硼鋁質量比3∶7）反應的B 粉更多，釋放的熱量更大。因此，在各測量位置的ME-3 樣品的超壓值比ME-2 樣品更高。

上述分析表明，實測的沖擊波超壓值與Henrych經驗公式的計算值，其總體趨勢一致，表明三種炸藥樣品的空爆沖擊波超壓滿足爆炸相似率。實測的沖擊波超壓值與Henrych 經驗公式計算值有一定偏差，但最大偏差不超過3.5 kPa。經驗公式是根據(jù)等效TNT 裝藥量計算的，其近距離處計算超壓值較高。

3.2 燃燒和能量釋放

采用高速攝影拍攝三種樣品爆炸過程中火球形貌及演變歷程，對比三種含硼鋁炸藥在不同時刻的爆炸和燃燒圖像見圖5。

圖5 3 種含硼鋁炸藥空中爆炸高速照片對比Fig.5 Comparison of high speed photographs of air blast for three explosives containing B/Al

樣品起爆后，HMX 在極短時間內發(fā)生爆轟反應，形成爆炸火球。從0.1 ms 開始，爆炸火球尺寸逐漸增大。Al 粉比B 粉更易與HMX 爆轟產物和空氣中氧氣發(fā)生燃燒反應。經過23.2 ms，含鋁炸藥ME-1 燃燒火焰為黃色；含硼鋁炸藥ME-2 和ME-3 爆炸火球中心附近顏色為黃色，而四周有微弱的藍綠色火焰，樣品中有少量B 粉開始參與反應。隨后藍綠色火焰從邊緣擴散到整個火球表面，火球四周的藍綠色火焰更加明顯，表明在Al 粉燃燒帶動下，B 粉正劇烈發(fā)生燃燒反應［25］。經過約88.4 ms，ME-1 的放熱燃燒反應趨于結束，黃色火焰即將消失，而含硼鋁炸藥還在繼續(xù)發(fā)生燃燒反應，仍有較大的藍綠色發(fā)光區(qū)域。特別是ME-3，微米B 粉燃燒產生的藍綠色火焰仍波及整個火球表面，表明在燃燒反應后期，B/Al 復合粉中Al 粉基本反應完全，而B粉仍繼續(xù)參與反應。B/Al 復合粉的后續(xù)反應時間大于Al 粉，且B/Al 復合粉含量越大，后續(xù)反應時間越長。該階段B 粉燃燒釋放出大量能量，延長了爆轟反應的高溫高壓持續(xù)時間，增強了后效作功能力［26-27］。

3.3 水下爆炸能量

3.3.1 沖擊波能

含硼鋁炸藥水下爆炸后，爆轟產物具有極高的壓力，迅速向四周膨脹，在爆轟產物和水界面處形成初始沖擊波并在水中傳播，其能量在傳播過程中部分轉化為熱耗散能［28-29］。由于B/Al 復合粉與爆轟產物和水蒸汽的二次反應，在爆炸后期仍有較大的沖擊波超壓。通過超壓測試系統(tǒng)獲得樣品在不同位置的沖擊波超壓。根據(jù)水下爆炸相似律，用公式組（2）計算不同測量位置的沖擊波能Es和初始沖擊波能Es0［30］。

式中，Es為距離裝藥中心R處的沖擊波能，MJ·kg-1；ρ0為水的密度，1.0 g·cm-3；C0為水的聲速，1460m·s-1；m為樣品質量，kg；p（t）為測點處t時刻沖擊波壓力，MPa；t為積分上限，μs；Es0為初始沖擊波能，MJ·kg-1；μ為沖擊波修正因子；pcj為裝藥爆壓，GPa。根據(jù)參考文獻［1］，ME-1、ME-2 和ME-3 的爆壓計算值分別為24.73、25.53GPa 和25.93GPa，計算獲得其沖擊波修正因子μ分別為2.178、2.211 和2.229。根據(jù)不同位置測試的沖擊波壓力時程計算的沖擊波能和初始沖擊波能見表2。

表2 三種含硼鋁炸藥的沖擊波能和初始沖擊波能Table 2 Shock wave energy and initial shock wave energy of explosives containing B/Al

從表2 可知，在6 個測量位置，ME-1、ME-2 和ME-3 沖擊波能的平均值分別為0.993、1.010 MJ·kg-1和1.048 MJ·kg-1，含硼鋁炸藥（ME-2 和ME-3）的沖擊波能均稍大于含鋁炸藥（ME-1）的沖擊波能。這表明B 粉與HMX 的爆轟產物和水蒸汽發(fā)生的二次反應比Al 粉二次反應釋放出較大的熱能，對沖擊波能有一些貢獻。經過修正因子μ計算的初始沖擊波能為理論值，設計的三種金屬化炸藥的初始沖擊波能表現(xiàn)出與沖擊波能相同的變化規(guī)律。

3.3.2 氣泡能

氣泡脈動周期Tb是第一次氣泡脈動壓力峰值對應時間與沖擊波到達時間的差值，由氣泡脈動壓力周期曲線得到。氣泡能Eb用公式組（3）計算［30］。

式中，Tb為氣泡脈動周期，ms；Tf為第一次氣泡脈動壓力峰值對應時間，ms；Ts為沖擊波到達時間，ms；Eb為每公斤樣品的氣泡能，MJ·kg-1；Em為炸藥樣品氣泡能，MJ；Ph為炸藥中心處靜水壓和試驗時當?shù)卮髿鈮褐停琍a；h為炸藥中心入水深度，10 m。根據(jù)3 m 和4 m 處傳感器測試的第一次氣泡脈動周期計算的氣泡能見表3。

從表3可知，在測量位置3 m 和4 m 處，ME-1、ME-2和ME-3氣泡能的平均值分別為1.807，1.946 MJ·kg-1和1.968 MJ·kg-1，含硼鋁炸藥（ME-2 和ME-3）的氣泡能均大于含鋁炸藥（ME-1）的氣泡能。其中，含20% B/Al復合粉的ME-3 氣泡能最大，比含鋁炸藥（ME-1）大0.161 MJ·kg-1，這進一步表明B 粉與HMX 的爆轟產物和水蒸汽發(fā)生的二次反應比Al 粉二次反應釋放出更大的熱量，對氣泡能有較大貢獻。含硼鋁炸藥水下爆炸能量E等于初始沖擊波能ES0和氣泡能Eb之和，計算結果見表4。

表3 三種含硼鋁炸藥的氣泡能Table 3 Bubble energy of explosives containing B/Al

表4 3 種含硼鋁炸藥的水下爆炸總能量Table 4 Total energy in underwater explosion of explosives containing B/Al

從表4 可知，3 種炸藥樣品中，水下爆炸總能量從大到小的次序依次為ME-3、ME-2 和ME-1，含硼鋁炸藥（ME-2 和ME-3）的水下爆炸總能量比含鋁炸藥（ME-1）大。結果表明，HMX 基含硼鋁炸藥中，使用B/Al 復合粉時，HMX 的爆熱提高爆轟產物的溫度和改善金屬粉的燃燒環(huán)境，Al 粉與爆轟產物和水蒸汽的二次反應能夠進一步促進B 粉的二次反應，釋放出大量的反應熱，分別通過沖擊波和氣泡脈動提高沖擊波能和氣泡能，從而提高水下爆炸的總能量。

3.4 作功能力評價

Ф50 mm 圓筒試驗是測量金屬化炸藥爆速和評價作功能力的有效方法之一［31-32］。試驗時，通過在外露銅管上下藥柱安裝電探針測量爆速。爆轟產物對銅管的加速過程采用高速相機進行拍攝和記錄，獲得圓筒300 mm 處銅管膨脹曲線實驗底片，根據(jù)公式組（4）先擬合膨脹距離與膨脹時間數(shù)據(jù)獲得系數(shù)a1、a2、a3和a4，然后分別計算不同膨脹距離的壁速和格尼能隨爆轟產物相對體積的變化［33-34］，計算結果見圖6 和圖7；3 種含硼鋁炸藥作功能力的比較結果見表5。

表5 在不同膨脹距離三種含硼鋁炸藥的壁速和格尼能Table 5 Copper wall velocity and Gurney energy of explosives containing B/Al at different expansion distances

圖6 銅管壁速隨爆轟產物相對體積的變化Fig.6 Variation of the copper wall velocity with the relative volume of detonation products

圖7 格尼能隨爆轟產物相對體積的變化Fig.7 Variation of Gurney energy with the relative volume of detonation products

式中，t為圓筒壁膨脹的時間，μs；a1、a2、a3、a4為待定系數(shù)；R為圓筒外壁距圓筒中心軸線的距離，mm；R0為圓筒外壁距圓筒中心軸線的初始距離，mm；U為圓筒壁的速度，mm·μs-1；V/V0為爆轟產物的相對體積；d為圓筒壁厚度，mm；EG為格尼能，kJ·g-1；m和c分別為銅管和炸藥單位長度的質量，kg·mm-1。

從圖6、圖7 和表5 可知，在早期階段（爆轟產物的相對體積小于2）所有炸藥的壁速和比動能曲線是相似的，這是由炸藥中Al 粉的反應引起的。膨脹距離R-R0=12 mm 時，爆轟產物的相對體積為2.190。在大約爆轟產物的2 倍比體積之后，ME-2 和ME-3 的壁速比ME-1 低，表明未消耗足夠的Al 粉并帶動B 粉反應驅動銅管壁膨脹，這是因為炸藥中B 的反應速率比Al低。膨脹距離R-R0=38 mm 時，爆轟產物的相對體積為6.350。在大約爆轟產物的6 倍比體積之后，ME-2的比動能大于ME-3，表明ME-2 中B 粉消耗的數(shù)量逐漸增加。膨脹距離R-R0=70 mm 時，爆轟產物的相對體積為14.44，ME-2 的比動能2.780 kJ·g-1稍高于ME-1 的比動能2.713 kJ·g-1，表明B 的燃燒熱比Al 高，金屬粉含量20%（B 6%+Al 14%）的ME-2 比含鋁炸藥ME-1（Al 20%）具有更強的后燃效應?？墒牵饘俜酆?0%（B 10%+Al 10%）的ME-3 比動能2.550 kJ·g-1最低，這是因為在ME-3 的銅管破裂之前，爆轟產物中沒有足夠的氧和B 粉反應，在密閉環(huán)境中未能體現(xiàn)含硼鋁炸藥中B 粉的燃燒能量優(yōu)勢。然而，當銅管壁膨脹破裂后，空氣中的氧可以與B/Al 復合粉反應釋放燃燒熱，增強后效作功能力，這使得含硼鋁炸藥在高效毀傷彈藥中具有廣闊的應用前景［35-36］。

4 結論

（1）空爆試驗中，在HMX 的爆轟作用下由Al 粉燃燒帶動B 粉燃燒，釋放出大量的燃燒熱。在相同測量位置，含硼鋁炸藥（ME-2 和ME-3）空中爆炸的沖擊波超壓大于含鋁炸藥（ME-1），且爆炸火球的持續(xù)時間更長。特別是，含20%硼鋁復合粉的ME-3 爆炸火球持續(xù)時間最長。這表明B 粉比Al 粉具有更強的燃燒強度和更大的能量釋放。B/Al 復合粉的燃燒延長了含硼鋁炸藥二次反應的高溫高壓持續(xù)時間，增強了后效作功能力。

（2）水下爆炸中，炸藥爆轟的能量表現(xiàn)為沖擊波能和氣泡能。3 種炸藥樣品中，水下爆炸總能量從大到小的次序依次為ME-3、ME-2 和ME-1，含硼鋁炸藥（ME-2 和ME-3）的水下爆炸總能量比含鋁炸藥（ME-1）大。這表明HMX 基含硼鋁炸藥中，使用B/A復合粉時，HMX 的爆熱能提高爆轟產物的溫度和改善金屬粉的燃燒環(huán)境，B/A 復合粉的二次反應釋放出大量的反應熱，通過氣泡脈動提高氣泡能，從而提高水下爆炸的總能量。

（3）Φ50 mm 圓筒試驗用壁速和格尼能評價含硼鋁炸藥的作功能力，只能表征銅管壁未破裂前狀態(tài)，初始爆轟產物與空氣互相隔離，時間尺度僅幾十微秒。膨脹距離R-R0=70 mm（相對體積14.44）時，ME-2 的比動能2.780 kJ·g-1稍高于ME-1的比動能2.713 kJ·g-1，而ME-3 的比動能2.550 kJ·g-1最低。因為在銅管破裂之前，ME-3 的爆轟產物中沒有足夠的氧和B 粉反應，在密閉環(huán)境中未能體現(xiàn)含硼鋁炸藥中B 粉的燃燒能量優(yōu)勢。