彈道拋擲法測試高能燃燒藥劑做功能力研究

謝興華，孫 鵬，張良杰，孟祥棟，李永福，楊佳樺

(1.安徽理工大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，安徽 淮南 232000； 2.重慶建工建筑產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院有限公司設(shè)計研究部, 重慶 400080)

針對使用工業(yè)炸藥爆破產(chǎn)生的環(huán)境破壞與安全問題，國家鼎力推行綠色環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展并出臺了很多相關(guān)政策與法規(guī)，炸藥的使用受到很多的限制[1]。而非炸藥破巖技術(shù)如巖體水力劈裂技術(shù)[2]、氣缸膨脹爆破[3]、巖石劈裂機破巖法[4]、靜態(tài)膨脹劑破巖技術(shù)[5]、激光破巖技術(shù)[6]等。由于安全性較高、噪聲低、污染小，對周圍環(huán)境影響較小，但也有著一定的缺陷，如機械類破巖技術(shù)機械損耗高、成本較高；靜態(tài)膨脹劑類破巖技術(shù)破巖效率較低、破碎度較差，適用范圍較窄[7]。

對于非炸藥爆破技術(shù)中存在的破巖效率低與破巖效果較差的問題，學(xué)者們研究出了一系列高能火工藥劑。文獻[8]以鎂為可燃劑、硝酸鋇或硝酸鍶為氧化劑制成高能燃燒藥劑，并研究出可燃劑與氧化劑最優(yōu)質(zhì)量比為25∶75；文獻[9]以57%的Fe2O3為氧化劑，添加15%的金屬A與20%的金屬粉B和8%的粘結(jié)劑制成高能燃燒劑，其燃燒溫度超過2 200℃。文獻[10-11]將微米級鋁粉與高氯酸鉀混合制成高能燃燒藥劑，發(fā)現(xiàn)隨著鋁粉含量的增加，燃燒劑的著火溫度也隨之增加；文獻[12]發(fā)現(xiàn)加入適當(dāng)?shù)慕饘俜劭商岣呷紵齽┑幕鹧鏈囟?、燃燒速度與燃燒熱；文獻[13]以氧化銅與鋁粉為激發(fā)藥設(shè)計了一種高能燃燒藥劑,無雷管感度且礦山爆破試驗效果良好；文獻[14]研究發(fā)現(xiàn)隨著鋁粉含量的增加溫壓炸藥的爆熱先增加后降低；文獻[15]認為不同粒徑的鋁粉對高能燃燒藥的性能有較大影響；文獻[16]發(fā)現(xiàn)鋁粉含量為20%時高能燃燒藥劑達到最大壓力、絕熱溫度達4 500K以上。因此，高能燃燒藥劑被認為是可代替炸藥的新型爆破材料。然而，國內(nèi)外學(xué)者目前對高能燃燒藥劑的研究多聚集在熱力學(xué)理論，缺少對工程的實際應(yīng)用和做功能力的計算。

本文以KNO3與鋁粉為配方的高能燃燒藥劑，通過實驗計算測試得出做功能力最優(yōu)的配方， 同時分析鋁粉粒徑對其做功能力的影響。 通過最佳理論配比， 設(shè)計了不同配比的高能燃燒藥劑，采用彈道拋擲法測試做功能力， 探究鋁粉粒徑對高能燃燒藥劑做功能力的影響， 優(yōu)化做功能力， 以實現(xiàn)對能量的可控， 以期為工程上應(yīng)用高能燃燒藥劑提供參考。

1 不同配方的理論計算

1.1 反應(yīng)機理

在高能燃燒藥劑理想做功下

2KNO3+2Al→K2O+Al2O3+N2↑+2O2↑,ΔH=-1 048kJ/mol

通過硝酸鉀與鋁粉的反應(yīng)，產(chǎn)生大量的熱和少量氣體，將傳統(tǒng)的爆轟過程轉(zhuǎn)變?yōu)楸歼^程，熱量與氣體同時對周圍介質(zhì)做工，使周圍介質(zhì)發(fā)生斷裂、破碎。

將KNO3與44μm鋁粉按6∶4、6.5∶3.5、7∶3、7.5∶2.5、8∶2不同配比標(biāo)記為S-1、S-2、S-3、S-4、S-5。將實際做功能力最強的配方鋁粉粒徑替換為30μm與10μm的鋁粉，分別記為S-6、S-7。

1.2 氧平衡計算

氧平衡(OB)是指每克藥劑在發(fā)生爆炸或燃燒時，其自身所含的氧與可燃性元素完全氧化所需的氧量之差[17]。當(dāng)藥劑中的氧正好完全用來反應(yīng)時，此時理論上釋放能量最大，通常將藥劑等效成CaHbOcNdXe,X表示其他可燃性元素。

對S-1、S-2、S-3、S-4、S-5試樣分別進行氧平衡計算，得出數(shù)據(jù)如表1所示。通過反應(yīng)式與氧平衡的計算，最接近零氧平衡的為S-3試樣，實驗室制備5種配比的高能燃燒藥劑進行彈道拋擲實驗。

表1 不同配方的氧平衡計算

2 實驗部分

2.1 試劑和儀器

硝酸鉀，上海明會吉化學(xué)制劑有限公司生產(chǎn)；44μm、30μm、10μm鋁粉，天津市百花化工有限公司生產(chǎn)；氧化銅，天津市申泰化學(xué)試劑有限公司生產(chǎn)，皆為分析純。精確度為0.1g的電子天平(YH-A6002型，瑞安市英衡電器有限公司)；溫度范圍為50～300℃的電熱鼓風(fēng)干燥箱(PG881-0型，吳江品格烘箱電爐制造有限公司)；發(fā)爆器(MFB-100型，樂清市大石橋防爆電器廠)；彈道拋擲設(shè)備。

2.2 試樣的制備

高能燃燒藥劑主要成分為KNO3與鋁粉，直接采用試劑直接混合制備樣品。用電子天平稱取50g KNO3放入研缽中研磨成粉狀顆粒再平鋪在陶瓷托盤，分別稱取44μm、30μm、10μm鋁粉平鋪在陶瓷托盤上，厚度不超過10mm，放入電熱鼓風(fēng)干燥箱干燥，100℃干燥4h，干燥后冷卻1h備用。將干燥后的鋁粉與KNO3混合攪拌5min，直至無明顯組分色差，按S-1、S-2、S-3、S-4、S-5配比分別制備20g試樣。

圖1 藥品干燥

圖2 制得藥劑樣品

2.3 彈道拋擲機理

彈道拋擲法是利用藥品在強約束密閉空間里發(fā)生爆炸反應(yīng)，發(fā)射帽在爆炸氣體的沖擊下按彈道軌跡拋出，測量發(fā)射帽被拋出的水平距離，據(jù)此距離、發(fā)射角度和發(fā)射帽質(zhì)量，即可衡量一定質(zhì)量高能燃燒藥劑的做功能力[18]。

圖3 彈道拋擲設(shè)備

圖4 彈道拋擲設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖

將待測藥劑放在發(fā)射管內(nèi)，發(fā)射管固定在45°的固定裝置上，發(fā)射管上套上一定質(zhì)量的發(fā)射帽。藥劑被引爆后，爆炸做功將發(fā)射帽沖擊拋擲出，由于發(fā)射帽速度較低，空氣阻力可以忽略不計，發(fā)射帽的運動軌跡可近似看成斜拋物體的運動軌跡。在發(fā)射角度與發(fā)射帽質(zhì)量已知的情況下，根據(jù)發(fā)射帽拋擲的距離和斜拋運動可求得做功能力，也可以用初始動能E定量評價藥品的做功能力。

2.4 實驗過程

由于此高能燃燒藥劑無雷管感度、 無撞擊與摩擦感度， 需特制點火藥； 火藥成分為氧化銅與鋁粉(質(zhì)量比3∶2)， 氧化銅粒徑為45μm， 鋁粉粒徑為10μm， 攪拌混合至無明顯成分色差。 實驗步驟如下：

1)將制備好的S-1、S-2、S-3、S-4、S-5試樣密封備用，在爆破試驗場選取場地，放置好彈道拋擲裝置；

2)用電子天平稱取3g點火藥裝入發(fā)射管中，作空白對照，用砂紙摩擦漆包線，露出銅絲一頭與發(fā)爆器連接，另一端絞起插入發(fā)射管導(dǎo)線孔內(nèi)，用膠帶封住，蓋好發(fā)射帽，清散人員，發(fā)爆器充電，起爆，用卷尺測量拋擲距離；

3)裝入3g點火藥， 分別稱取4g的S-1、 S-2、 S-3、S-4、S-5藥劑試樣，起爆，分別測量發(fā)射帽拋擲的水平距離，每一組重復(fù)3次，取平均值；

4)選取平均彈道拋擲距離最遠的一組試樣，配比及其他條件不變，更換鋁粉粒徑，將44μm鋁粉分別更換為30μm、10μm，分別記為S-6、S-7，裝入3g點火藥，分別加入4g的S-6、S-7試樣，每組3次，取平均值。

如圖5所示，引爆瞬間，高能燃燒藥劑產(chǎn)生的高溫高壓爆炸產(chǎn)物將發(fā)射帽從發(fā)射管沖出，推動發(fā)射帽做功。

圖5 點火瞬間

3 實驗結(jié)果與分析

(1)

(2)

如表2所示，根據(jù)各組水平拋擲距離，計算出拋擲動能，S-3配方的藥劑拋擲距離最遠平均為17.5m，拋擲動能最強為42.4J,做功能力最強為10.6J.g-1，此時KNO3與鋁粉的比例為7∶3，與理論分析一致。而根據(jù)理想狀態(tài)下反應(yīng)式得出的質(zhì)量百分比為8∶2，造成這種現(xiàn)象的主要原因可能是由于鋁粉粒徑較細，且易于被氧化，一般工業(yè)炸藥追求零氧平衡或者輕微負氧平衡，在能保證做功能力的條件下，減少對環(huán)境的危害[19]。當(dāng)比例為7∶3時最接近零氧平衡，做功能力最佳。將S-3分別與鋁粉粒徑為30μm、10μm的S-6、S-7進行對比實驗，得出結(jié)果如表3所示。

表2 不同配方藥劑的做功能力計算

表3 不同粒徑鋁粉配方做功能力計算

通過對比，當(dāng)比例為7∶3時，隨著鋁粉粒徑的減小，高能燃燒藥劑的做功能力逐漸增大。鋁粉隨著粒徑的減小，比表面積增大，在引爆的一瞬間，反應(yīng)更為充分，釋放能量更大，但從30μm到10μm的做功能力增幅明顯低于44μm到30μm，這是因為鋁粉粒徑降低的同時，鋁粉表面覆蓋的氧化鋁也逐漸增加，降低了鋁粉的活性，使得實際反應(yīng)的鋁粉含量減少。

4 結(jié)論與展望

通過反應(yīng)式與不同配方的氧平衡計算得出理論最優(yōu)配比，再設(shè)計5種配方根據(jù)彈道拋擲實驗測試，得出當(dāng)KNO3與鋁粉比為7∶3時的配方更優(yōu)，做功能力最強。對還原劑鋁粉的粒徑進行更改，采用最優(yōu)配比7∶3，進行彈道拋擲實驗，得出鋁粉粒徑越小，做功能力越強，但隨著鋁粉粒徑的減小，這種做功能力的增幅逐漸降低。

本文僅對高能燃燒藥劑的做工能力進行了初步探究，其他反應(yīng)參數(shù)并未測得，與傳統(tǒng)炸藥的做工能力和經(jīng)濟效益的的對比也未能體現(xiàn)，后續(xù)工作中，可設(shè)計實驗對燃速、爆壓等參數(shù)進行測量，完善高能燃燒藥劑的的理論研究。