納米鋁對(duì)RDX基炸藥水下爆炸能量的影響

牛國(guó)濤，王淑萍，金大勇，?！±?，曹少庭

(西安近代化學(xué)研究所，陜西西安710065)

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納米鋁對(duì)RDX基炸藥水下爆炸能量的影響

牛國(guó)濤，王淑萍，金大勇，牛磊，曹少庭

(西安近代化學(xué)研究所，陜西西安710065)

摘要：為了探索納米鋁對(duì)RDX基壓裝炸藥的水下爆炸能量的影響，測(cè)試了含納米鋁、微米鋁、以及納米鋁和微米鋁級(jí)配的RDX基炸藥水下爆炸能量，分析了其水下爆炸能量的變化規(guī)律。結(jié)果表明， RDX基壓裝炸藥中，當(dāng)單獨(dú)使用納米鋁或微米鋁時(shí)，納米鋁對(duì)炸藥水下爆炸總能量的提高不如微米鋁；當(dāng)鋁粉總質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%，且納米鋁和微米鋁的質(zhì)量比為1∶2時(shí)，水下爆炸總能量比單獨(dú)使用微米鋁時(shí)提高7%，說(shuō)明納米鋁和微米鋁合理級(jí)配能夠提高鋁粉的能量釋放效率。當(dāng)鋁粉總質(zhì)量分?jǐn)?shù)為35%時(shí)，即使采用級(jí)配也無(wú)法提高含鋁炸藥的水下爆炸能量。

關(guān)鍵詞：爆炸力學(xué)；納米鋁；微米鋁；水下爆炸；總能量；RDX

引言

含鋁炸藥已廣泛應(yīng)用于水中兵器，可以顯著提高炸藥在水中爆炸的總能量，其在水中爆炸所形成的沖擊波能和氣泡能受鋁粉含量的影響[1]，如在RDX/Al炸藥中，沖擊波能隨鋁粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而增加，達(dá)到20%～23%時(shí)，水中沖擊波能達(dá)到最大值，之后隨鋁粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，沖擊波能量反而下降。但氣泡能在鋁粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0升至42%的范圍內(nèi)始終增加[2]。炸藥對(duì)水中目標(biāo)的毀傷是通過(guò)沖擊波能和氣泡能的綜合效果，為了兼顧氣泡能和沖擊波能，水中兵器使用的含鋁炸藥鋁粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般在20%～30%。當(dāng)鋁粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)一定時(shí)，提高水下炸藥的能量只能通過(guò)添加更高能量水平的單質(zhì)炸藥或提高金屬粉的反應(yīng)效率。隨著納米技術(shù)的發(fā)展，納米鋁在炸藥中得到初步應(yīng)用，使炸藥的性能產(chǎn)生了新變化，如：Lefrancois A等[3]的研究表明，含納米鋁炸藥在水中爆炸后脈沖次數(shù)增加，氣泡持續(xù)時(shí)間也增加；Brousseau等[4]研究表明，含納米鋁的炸藥在水中爆炸10μs后，沖擊波半徑等于或低于H-15炸藥，而氣泡膨脹較快；黃輝等[5]研究了鋁粉粒度對(duì)含鋁炸藥爆轟性能的影響，得出隨著鋁粉顆粒的減小，鋁粉參與反應(yīng)的時(shí)間縮短，作功能力提高，王淑萍等[6]設(shè)計(jì)了RDX基含納米鋁混合炸藥配方，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，用納米鋁完全替代微米鋁，不能提高炸藥的爆熱，而采用微米鋁和納米鋁適當(dāng)級(jí)配，可提高炸藥爆熱；牛國(guó)濤等[7]的研究表明，與含微米鋁粉相比，含納米鋁炸藥在水中爆炸試驗(yàn)中并沒有顯示出其優(yōu)勢(shì)，并且工藝性和爆轟性能差。

本研究設(shè)計(jì)了含納米鋁的RDX基炸藥配方，研究了納米鋁對(duì)炸藥水下爆炸能量的影響，并與含微米鋁RDX基配方進(jìn)行了對(duì)比，為納米鋁在炸藥中的應(yīng)用提供借鑒。

1實(shí)驗(yàn)

1.1材料和儀器

RDX，Ⅱ類，甘肅銀光化學(xué)工業(yè)集團(tuán)有限公司；微米鋁粉，平均粒徑5μm，鞍鋼實(shí)業(yè)微細(xì)鋁粉有限公司；納米鋁粉平均粒徑150nm，活性為86.3%，西安近代化學(xué)研究所。F2603，成都晨光化工研究院。

Quanta600FEG型場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡，美國(guó)FEI公司；采用美國(guó)PCB公司生產(chǎn)的138型ICP壓電式電氣石水激波傳感器，靈敏度6.937MPa/V，壓力測(cè)量范圍為0～69MPa，測(cè)量水下距離爆心一定距離的沖擊波超壓和氣泡周期；另配有482a型信號(hào)適配器；微測(cè)公司的高低頻數(shù)據(jù)記錄儀，氣泡脈動(dòng)信號(hào)的采樣頻率為1MHz。

1.2試樣制備

準(zhǔn)確稱量RDX炸藥，加入一定比例的微米鋁粉或納米鋁粉，再加入一定量黏結(jié)劑F2603溶液攪拌均勻，烘干后壓制成Φ30mm、質(zhì)量30g的藥柱，一端中心帶雷管孔。

設(shè)計(jì)了5種含鋁RDX基炸藥配方，配方及藥柱密度見表1；設(shè)計(jì)了鋁粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%和35%時(shí)微米鋁粉和納米鋁粉級(jí)配的炸藥配方，配方和藥柱密度見表2。

表1　含微米鋁和納米鋁的RDX基炸藥配方及藥柱密度

表2　含微米鋁和納米鋁的RDX基炸藥的藥柱密度

1.3試驗(yàn)裝置和布局

試驗(yàn)水池尺寸Φ3.2m×2.4m，池底和池壁均由8mm鋼板焊接而成。十字鋼架作壓力傳感器和藥柱懸掛支撐，采用重物懸掛法使兩者保持在同一水平面上，兩者相距0.9m且距離水面1.5m。為增加結(jié)果的準(zhǔn)確性，采用兩只相同的壓力傳感器，并通過(guò)樹脂隔離綁縛在一起，傳感器的斷面與被測(cè)藥柱斷面平行，直接測(cè)試爆炸沖擊波超壓和氣泡脈動(dòng)周期。每個(gè)樣品至少做兩發(fā)試驗(yàn)，每發(fā)藥柱得兩組數(shù)據(jù)。采用8號(hào)電雷管起爆，C-4炸藥作傳爆藥，試驗(yàn)結(jié)果已減去此部分能量。

2結(jié)果與分析

2.1納米鋁含量對(duì)藥柱壓制密度的影響

從表1和表2可知，在RDX基壓裝炸藥中，無(wú)論是單獨(dú)使用納米鋁粉還是納米鋁與微米鋁級(jí)配，隨著納米鋁含量的增加，工藝性能變差，裝藥密度降低。兩種鋁粉的電鏡掃描圖像如圖1所示。從圖1可以看到，納米鋁粉的堆積密度較低，部分納米鋁粉團(tuán)聚，使用后使得裝藥的孔隙率較高，密度降低。

圖1　微米鋁粉和納米鋁粉的電鏡掃描圖Fig.1　SEM images of micro and nano aluminum powder

2.2水下能量的理論計(jì)算

通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試RDX基含鋁炸藥的沖擊波能和氣泡能。

根據(jù)水中爆炸相似率，可以得到相應(yīng)的比沖擊波能，由公式(1)[7]所示：

(1)

式中：Es為比沖擊波能，J/kg；R為距爆炸中心的距離，m；W為裝藥量，kg；ρ為水的密度，kg/m3；CW為水的音速，m/s；θ為時(shí)間常數(shù)，s，即水中沖擊波壓力衰減到最大壓力1/e的時(shí)間；p(t)為距爆炸中心R處爆炸沖擊波超壓隨時(shí)間變化的函數(shù)關(guān)系。將測(cè)得的沖擊波超壓隨時(shí)間的變化關(guān)系帶入(1)式得到比沖擊波能。

氣泡能按式(2)[7]計(jì)算：

(2)

式中：Eb為比氣泡能，MJ/kg；ph為爆點(diǎn)處水的靜壓力，MPa；ρw為測(cè)試點(diǎn)水的密度，kg/m3；tb為實(shí)測(cè)氣泡脈動(dòng)周期的數(shù)值，s。

水下爆炸的總能量S，在理論上應(yīng)等于比沖擊波能和比氣泡能之和。但由于沖擊波在傳播過(guò)程中對(duì)所經(jīng)之處的水沖擊加熱，使一部分能量以熱的形式損失在水中[8]，本研究?jī)H在理想情況下研究裝藥的水下總能量。

2.3微米鋁或納米鋁單獨(dú)使用時(shí)對(duì)RDX基炸藥水下能量的影響

對(duì)設(shè)計(jì)的5種藥柱(表1)進(jìn)行水下爆炸試驗(yàn)，得到?jīng)_擊波超壓和氣泡周期，利用公式(1)和(2)計(jì)算得到比沖擊波能和比氣泡能，兩者相加得到水下爆炸總能量。不同鋁粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)時(shí)，水中爆炸能量如表3所示，每個(gè)數(shù)據(jù)為4個(gè)試驗(yàn)的平均值，含納米鋁和微米鋁炸藥水下爆炸總能量隨Al粉含量的變化如圖2所示。

表3　含納米或微米鋁的RDX基炸藥水下性能對(duì)比

圖2　鋁粉含量與裝藥水下爆炸總能量之間的關(guān)系Fig.2　Relationship between the content of aluminumpowder and total energy of underwater explosion

由圖2可見，鋁粉含量相同時(shí)，含微米鋁炸藥的水下總能量高于含納米鋁炸藥的水下爆炸總能量。分析原因認(rèn)為：(1)在一定測(cè)試條件下，納米鋁反應(yīng)速率快，對(duì)能量輸出結(jié)構(gòu)有影響，如果含納米鋁和微米鋁的炸藥水下爆炸總能量一致，則在比沖擊波能和比氣泡能的分配上，納米鋁會(huì)提高初始比沖擊波能的比例，減少比氣泡能(見鋁粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%時(shí)兩者對(duì)比)；在到達(dá)測(cè)點(diǎn)時(shí)，初始比沖擊波能中的一部分因?yàn)榧訜崴鴵p耗，納米鋁因?yàn)榉磻?yīng)速率快，有可能增加了初始比沖擊波的強(qiáng)度而使熱損失能增大，從而使測(cè)點(diǎn)處的總能量減??；(2)在相同試驗(yàn)條件下，比氣泡能只與氣泡脈動(dòng)周期有關(guān)，納米鋁比微米鋁反應(yīng)快，氣泡周期短，導(dǎo)致氣泡能偏低；(3)納米鋁的活性較微米鋁約小10%。綜上3方面可知，納米鋁不如微米鋁在水下RDX基炸藥中的應(yīng)用效果好。

2.4微米鋁和納米鋁級(jí)配對(duì)RDX基炸藥水下爆炸能量的影響

對(duì)于含微米鋁炸藥，在測(cè)試的鋁粉含量范圍內(nèi)，水下爆炸總能量一直升高，這與王浩等[9]研究得到的規(guī)律一致；對(duì)于含納米鋁炸藥，水下爆炸總能量在鋁粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為35%時(shí)達(dá)到最高值。兩者相似之處是鋁粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于30%時(shí)，水下爆炸總能量呈線性增加；大于30%時(shí)，增加速率減緩或下降。因?yàn)樵赗DX/Al炸藥中，通過(guò)全氧氧化法求得鋁粉的理論最大質(zhì)量分?jǐn)?shù)為32.7%[1]，鋁粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于此值不但工藝性差，且炸藥負(fù)氧太多影響爆轟能量輸出。

2.4.1鋁粉總質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%

按照表2進(jìn)行鋁粉級(jí)配，通過(guò)水下爆炸試驗(yàn)測(cè)得水下爆炸性能參數(shù)，并根據(jù)公式(1)和(2)計(jì)算得出比沖擊波能和氣泡能，結(jié)果如表4所示，試驗(yàn)數(shù)據(jù)為4個(gè)測(cè)試值的平均值，不同鋁粉級(jí)配下得到的水下爆炸總能量變化趨勢(shì)如圖3所示。圖中紅線為含質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%純微米鋁炸藥水下爆炸總能量值，藍(lán)線為含質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%純納米鋁炸藥水下爆炸總能量值。

表4　鋁粉總質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%時(shí)微米鋁與納米鋁級(jí)配后

圖3　鋁粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%時(shí)微米鋁與納米鋁不同級(jí)配時(shí)況的水下爆炸能量對(duì)比Fig.3　Comparison of the underwater energy of explosiveswith three kinds of 30% aluminum powder in mass fraction

由表4和圖3可見，使用兩種鋁粉級(jí)配后炸藥的水下爆炸總能量提高，說(shuō)明單純用納米鋁不能使該RDX基炸藥的總能量得到提高。含純微米鋁RDX基炸藥的水下爆炸總能量比含純納米R(shí)DX基炸藥的高，當(dāng)微米鋁和納米鋁質(zhì)量比為20∶10時(shí)，水下爆炸總能量最高，比含純微米鋁的高出7%，說(shuō)明兩者合理級(jí)配可以提高水下爆炸總能量，這是因?yàn)榧?jí)配后炸藥爆炸反應(yīng)時(shí)，納米鋁首先反應(yīng)進(jìn)而促使更多的微米鋁參與反應(yīng)，納米鋁起到敏化作用。

2.4.2鋁粉總質(zhì)量分?jǐn)?shù)35%

按照表2進(jìn)行鋁粉級(jí)配，通過(guò)水下爆炸試驗(yàn)測(cè)得水下爆炸性能參數(shù)，并根據(jù)公式(1)和(2)計(jì)算出比沖擊波能和比氣泡能，如表5所示，不同鋁粉級(jí)配下得到的水下爆炸總能量變化趨勢(shì)如圖4所示。圖中紅線為含質(zhì)量分?jǐn)?shù)35%純微米鋁RDX基炸藥水下爆炸總能量值，藍(lán)線為含質(zhì)量分?jǐn)?shù)35%純納米鋁RDX基炸藥水下爆炸總能量值。

表5　鋁粉總質(zhì)量分?jǐn)?shù)為35%時(shí)微米鋁與納米鋁

圖4　鋁粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)35%微米鋁與納米鋁不同級(jí)配時(shí)的水下爆炸能量對(duì)比Fig.4　Comparison of the underwater energy of explosiveswith three kinds of 35% aluminum powder in mass fraction

當(dāng)鋁粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為35%時(shí)，已經(jīng)超過(guò)根據(jù)全氧氧化法求得鋁粉理論最大值32.7%[1]。由表5和圖4可見，炸藥中鋁粉總質(zhì)量分?jǐn)?shù)為35%、納米鋁和微米鋁質(zhì)量比為17.5∶17.5時(shí)，裝藥的水下爆炸總能量達(dá)到最大值。表明使用兩種鋁粉級(jí)配后RDX基炸藥裝藥的水下爆炸總能量介于含純微米鋁RDX基炸藥和含純納米鋁RDX基炸藥裝藥水下爆炸總能量之間，說(shuō)明單純使用納米鋁不利于RDX基炸藥總能量的提高，且鋁粉總質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)全氧氧化法得到鋁粉理論含量最大值32.7%時(shí)，微米鋁和納米鋁級(jí)配后無(wú)法提高其水下能量。

3結(jié)論

(1)含納米鋁粉RDX基炸藥裝藥的壓藥密度比相同含量的微米鋁炸藥裝藥的低。

(2)在試驗(yàn)設(shè)計(jì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)范圍內(nèi)，含微米鋁RDX基炸藥裝藥的水下爆炸總能量高于含納米鋁RDX基炸藥裝藥。

(3)當(dāng)鋁粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%時(shí)，通過(guò)合理的納米鋁和微米鋁級(jí)配可以提高RDX基壓裝炸藥的水下爆炸總能量。當(dāng)鋁粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為35%時(shí)，采用納米鋁和微米鋁級(jí)配無(wú)法提高其水下爆炸總能量。

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Influence of the Nano-aluminium on Underwater Energy of RDX-based Pressed Explosive

NIU Guo-tao, WANG Shu-ping，JIN Da-yong, NIU Lei，CAO Shao-ting

(Xi′an Modern Chemical Research Institute, Xi′an 710065，China)

Abstract:In order to explore the influence of nano-aluminum on the underwater explosion energy of RDX-based explosives, the underwater explosion energies of RDX-based explosives with nano-aluminum, micro-aluminum and particle grading between them were tested.The change laws of underwater explosion energy were analyzed. Results showed that the increase of explosion energy with nano-aluminum explosive was less obvious than that of explosion energy with micro-aluminum explosive when they were used alone. When the mass fraction of aluminum powder was 30% and the mass ratio of nano-aluminum and micro-aluminum is 1∶2 in the RDX-based pressed explosive, the underwater total energy can increase by 7% than the use of micro-aluminum alone, revealing that gradation of nano-aluminum and micro-aluminum can improve the efficiency of aluminum powder release energy. When the mass fraction of aluminum powder is 35%, the underwater explosion energy of aluminized explosive with gradation of nano-aluminum and micro-aluminum can not be improved.

Keywords:explosion mechanics;nano-aluminum; micro-aluminum; underwater explosion; total energy; RDX

作者簡(jiǎn)介:牛國(guó)濤(1983-)，男，助理研究員，從事混合炸藥配方及工藝研究。

基金項(xiàng)目:總裝備部重大專項(xiàng)

收稿日期:2014-06-21；修回日期:2014-11-12

中圖分類號(hào)：TJ55; O381

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1007-7812(2015)01-0064-05

DOI：10.14077/j.issn.1007-7812.2015.01.015