環(huán)境氧含量對含鋁炸藥爆熱的影響

李媛媛，王曉峰，牛余雷，南 海，肖 奇

（西安近代化學研究所，陜西西安710065）

引 言

在含鋁炸藥的爆轟過程中，鋁粉參加爆轟反應，其爆轟過程為非理想爆轟［1］。炸藥在空氣中爆炸時，反應在很短時間內完成，產物迅速膨脹冷卻，空氣中的氧氣來不及參加反應，僅是炸藥本身所含的氧與可燃性元素組分進行反應。由于鋁與爆轟產物不可能完全反應，因此不能完全反映炸藥的潛在能量［2］。在密閉環(huán)境中爆炸，炸藥中的氧可以較多地參與到鋁粉的二次反應中，使其潛在能量釋放更完全。爆炸環(huán)境及其中的氧含量影響了含鋁炸藥的爆轟產物狀態(tài)及鋁粉的反應完全性，從而直接影響炸藥的爆轟能量輸出［3］。因此，預測含鋁炸藥在此類環(huán)境中的爆炸參數與環(huán)境中的氧含量和自身能量的關系具有重要意義［4］。

炸藥在不同氣氛中爆轟所釋放的能量可以用量熱彈測量。美國Nammo Tally公司于2006年建立了基于量熱法原理測量炸藥爆炸能量的裝置，能夠測量小藥量的PBX炸藥爆炸能量［5］。韓勇［6］等利用恒溫式量熱計測定了含鋁炸藥在空氣、水和真空中的爆熱，分析了含鋁炸藥的反應機理，認為含鋁炸藥在空氣中爆炸時，部分鋁粉是在化學反應區(qū)后參加反應的。馮曉軍［7］等研究了鋁粉粒度和爆炸環(huán)境對含鋁炸藥能量的影響。本研究通過測量含鋁炸藥在真空、空氣和純氧中的爆熱，分析了高金屬含量炸藥在不同氧含量環(huán)境中的能量釋放規(guī)律，并測量了鋁粉級配后含鋁炸藥在不同環(huán)境中的爆熱，從反應動力學角度闡述了其能量釋放特點。

1 實 驗

1．1 樣 品

制備了3種HMX 基含鋁炸藥樣品，配方見表1。其中粗、細顆粒鋁粉的中位徑d0．5分別為74．14μm和12．43μm，活性均在98%以上。采用捏合機將各組分混合均勻，然后澆注至Φ40mm 的陶瓷殼體中，每發(fā)樣品的質量為100g。裝藥密度約為理論密度的96%，臨界起爆直徑約為30mm。采用縱向中心定位起爆方式，用JH－14做傳爆藥，8號雷管起爆。

表1 樣品配方Table 1 Formulation of samples

1．2 實驗裝置

爆熱測量用量熱計裝置結構示意圖如圖1所示。

圖1 恒溫式爆熱量熱計裝置示意圖Fig．1 Schematic diagram of isothermal calorimeter equipment

實驗溫度控制在23～26℃，溫度變化不超過1℃；通過控溫儀調節(jié)外桶溫度，使內桶的溫度達到穩(wěn)定，即內桶在15min內溫度變化不大于0．003℃；然后將外桶溫度升高一定值，待其溫度穩(wěn)定，即外桶溫度在15min內波動不大于0．02℃。

1．3 實驗條件

真空中爆熱測量是通過真空泵將爆熱彈中的空氣抽走，使彈內的剩余氣體壓力約為3kPa；空氣環(huán)境爆熱彈中的壓力為1×105Pa；純氧環(huán)境是在爆熱彈中充入純氧氣體，使爆熱彈中氧氣量比炸藥配方按化學當量計算值（即炸藥配方中將C、H 和Al完全氧化的氧量）的摩爾量多10%，采用壓力表控制充入氧氣的壓力值。

2 結果與討論

2．1 環(huán)境氧含量對含鋁炸藥爆熱的影響

采用恒溫式量熱計測量了3種含鋁炸藥配方在不同環(huán)境中的爆熱，結果見表2。相同實驗條件下，每個配方至少重復測量2次，誤差不大于3%。

表2 爆熱測量結果Table 2 Test results of heat of detonation

由表2可見，在真空、空氣和純氧中含鋁炸藥的爆熱依次遞增，說明在密閉環(huán)境下，爆轟產物膨脹受到約束，反應在較長時間內完成，有足夠時間和周圍的氧反應發(fā)生燃燒，環(huán)境中所存在的氧元素參與了化學反應，使爆炸生成完全氧化產物的量增加［8］。

對于含鋁炸藥，空氣和純氧環(huán)境中的氧氣參與炸藥后燃燒反應，可視為炸藥與空氣共同組成了一種爆炸混合物，空氣改變了原炸藥的氧平衡，爆炸后整個體系的含氧量增多，鋁粉與其接觸的幾率增大，鋁粉的反應完全性提高，有效促進了炸藥的能量釋放，從而提高了炸藥的爆熱，使得爆熱較真空中的大。

由表2可知，含細鋁粉的樣品1在真空中和空氣中的爆熱均低于含粗鋁粉的樣品2。根據吸熱理論［9］，在炸藥爆炸過程中，鋁在爆轟區(qū)不參加反應而且還要吸熱。當鋁粉含量較高時，炸藥基體的連續(xù)相被破壞，爆轟反應區(qū)變窄，爆炸初始能量和壓力降低。加之細顆粒鋁粉的熱傳導性較粗鋁粉好，粒度較小，比表面積較大，吸收和消耗的能量較多，從而降低了爆轟的總能量，導致系統(tǒng)整體溫度降低，甚至低于鋁粉的點火溫度。因此，爆熱較含粗鋁粉炸藥的低。

與真空環(huán)境相比，在體系中充入空氣后，樣品1和樣品2爆熱的增幅分別為23．1%和14．7%，含細鋁粉炸藥爆熱的增幅比含粗鋁粉的高。這是由于配方中的鋁含量較高，在真空環(huán)境中，炸藥爆轟時細鋁粉參與反應的量相對較少，未反應鋁的比例較高。而在空氣環(huán)境中，氧含量增加，在一定程度上支持了鋁粉的后續(xù)氧化反應，相對于真空環(huán)境，此時爆轟反應區(qū)內未反應部分的細鋁粉參與了二次反應和后燃燒反應，因此，樣品1的爆熱增加量比樣品2大。

在純氧環(huán)境中，3 種配方的爆熱相當。說明氧氣充足時，鋁粉粒度對含鋁炸藥爆炸能量輸出幾乎沒有影響，其爆熱值與理論計算的化學燃燒熱值相當，完全燃燒。理論上，增加含鋁炸藥的金屬含量可以得到更高的輸出能量。然而，在實際應用中由于爆轟產物膨脹引起氧的傳遞效率不高和環(huán)境冷卻使金屬燃料不完全反應，導致含鋁炸藥爆轟性能顯著低于其燃燒熱值［10］。

按照二次反應理論和惰性熱稀釋理論，比表面積大的細鋁粉導熱性較好，可較快地達到活化溫度，鋁參與反應的時間提前；而比表面積小的粗鋁粉參與反應的時間滯后［10］。鋁粉級配后含鋁炸藥的能量輸出結構是細鋁粉反應在前，提供了支持后續(xù)反應的溫度和壓力，使得反應滯后的粗鋁粉能夠充分加入到反應中，二者形成階梯漸進式能量輸出特點，反應總時間延長，理論上使得爆炸反應的總能量增多［11］。

但由表2可知，鋁粉顆粒級配后，炸藥在真空和空氣中的爆熱均介于級配前兩種粒度鋁粉的炸藥爆熱之間，并沒有顯著提高。這是因為炸藥爆炸在瞬間完成，炸藥中的鋁粉與氧的接觸和反應存在隨機性和無序性，也可能有的鋁粒子來不及參與反應而成為“無效鋁”［12］。因此，含鋁炸藥爆炸時無法按理想狀態(tài)完成細鋁粉先氧化，使體系熱量增加，維持后續(xù)粗鋁粉的反應，從而提高整個體系的能量輸出的序列反應。即爆炸反應動力學上不可能實現(xiàn)鋁粉反應按理論的先后順序進行，所以鋁粉級配后炸藥的爆熱也就無法達到一個更高值。而在某些炸藥配方中采用顆粒級配，主要是考慮炸藥制備和裝藥工藝為前提［9］。要想獲得綜合性能較好的炸藥配方，還需要通過對粗細鋁粉進行表面處理以及添加合適的助燃劑予以解決。

2．2 環(huán)境氧含量對含鋁炸藥爆炸產物形貌的影響

采用數碼相機對含鋁炸藥在空氣和真空環(huán)境中爆炸產物的外觀狀態(tài)進行拍照，結果見圖2。3個配方實驗樣品在相同實驗條件下的外觀狀態(tài)基本相同，在此只討論典型樣品1。

圖2 樣品1在空氣和真空環(huán)境中的爆炸產物照片F(xiàn)ig．2 Photos of the detonation products of sample 1in air and vacuum environment

由圖2可見，真空環(huán)境中的爆炸產物為粉體狀，空氣環(huán)境中爆炸后，產物呈塊狀，鋁粉顆粒熔聯(lián)、凝聚，出現(xiàn)燒結現(xiàn)象，在此過程中突破氧化層的熔融活性鋁對鋁的點火燃燒非常有利［13］。

為了進一步考察含鋁炸藥在空氣和真空環(huán)境中爆炸產物的形貌，用掃描電鏡（SEM）對樣品1爆炸后的固體產物進行2 000 倍放大觀察，結果見圖3。

由圖2和圖3可見，在空氣氣氛中，含鋁炸藥爆炸產物中球形氧化鋁的生成量較高，而且固體中有后燃燒結產生的空隙，這就容易使鋁團中熔融的活性鋁不斷突破表面氧化層，進入鋁的氧化反應。由于有利于與氧氣的接觸，鋁粉的反應較完全和充分，使得鋁粉的反應量增加，其本身的氧化反應也使鋁團不斷升溫［14］。當溫度上升到氧化鋁的熔點（2 318℃）時，鋁粉表面氧化層對鋁氧化反應的阻礙作用完全消失。而真空環(huán)境下，爆炸體系中氧含量不足，存在較多未反應的鋁粉，使得爆炸產物呈密實狀態(tài)。在真空密閉環(huán)境下，鋁含量過高，超過其理論計算的最大加入量時，炸藥的量相對減少，爆炸產生的二氧化碳、水和一氧化碳的量減少，與鋁粉反應的氣體減少，加之外界無法補充氧，與鋁粉結合的氧原子的量減少，而且過量的鋁粉充當了惰性介質，降低了爆炸的能量。

圖3 樣品1在空氣和真空環(huán)境中爆炸產物的掃描電鏡照片F(xiàn)ig．3 SEM images of the detonation products of sample 1in air and vacuum environment

3 結 論

（1）在真空、空氣和純氧環(huán)境中相同配方含鋁炸藥的爆熱值不同，真空環(huán)境的爆熱值較低，純氧環(huán)境中的最高。3種配方在純氧中的爆熱基本相當，說明在富氧密閉環(huán)境中發(fā)生了完全燃燒反應。

（2）在真空和空氣環(huán)境中，含細鋁粉的炸藥的爆熱均低于含粗鋁粉的炸藥，鋁粉的粒度影響含鋁炸藥的能量輸出。兩種粒度的鋁粉級配后，含鋁炸藥在真空和空氣環(huán)境中的爆熱處于鋁粉未級配的炸藥爆熱之間，從爆炸反應動力學上分析，是因為沒有實現(xiàn)炸藥的能量釋放按照細鋁粉先反應、粗鋁粉后續(xù)反應的理想狀態(tài)。

（3）在空氣和真空環(huán)境中含鋁炸藥的爆轟產物形貌存在一定差異。與真空環(huán)境相比，空氣環(huán)境中含鋁炸藥爆炸后球形氧化鋁的生成量較多，鋁粉反應較完全。

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