含氟粘結(jié)劑對含硼炸藥水下爆炸能量的影響

徐洪濤，封雪松，田軒，馮博

（西安近代化學(xué)研究所，陜西西安，710065）

含氟粘結(jié)劑對含硼炸藥水下爆炸能量的影響

徐洪濤，封雪松，田軒，馮博

（西安近代化學(xué)研究所，陜西西安，710065）

為了有效提高含硼炸藥的爆轟能量，通過測試含不同粘結(jié)劑的含硼炸藥的爆熱和水下爆炸能量，分析了含氟粘結(jié)劑對含硼炸藥能量的作用機(jī)理。試驗結(jié)果表明：含氟粘結(jié)劑能夠顯著提高含硼炸藥的水下爆炸總能量和爆熱，水下爆炸能量隨粘結(jié)劑中氟含量的提高而提高，但隨粘結(jié)劑含量的提高而降低。

炸藥；硼；含氟粘結(jié)劑；水下爆炸；爆熱

當(dāng)前高威力含鋁炸藥的研究已日漸成熟，而硼粉較鋁粉具有更高的質(zhì)量熱值和體積熱值，是潛在的可以應(yīng)用的金屬可燃劑[1]。但由于硼顆粒的表面多相燃燒，且粘性氧化層在表面堆積，阻礙了硼粉與氧化劑的混合，使其燃燒效率低下，與含鋁炸藥相比，能量上并未產(chǎn)生明顯優(yōu)勢[2]，因此如何提高硼粉的氧化和燃燒效率成為亟待解決的問題[3]。

目前炸藥中普遍使用的粘結(jié)劑主要為碳?xì)漕惥酆衔?，包括乙烯醋酸乙烯共聚物（EVA）、聚異丁烯（PIB）等；為了提高炸藥的能量，出現(xiàn)了含能粘結(jié)劑，如含氟聚合物和疊氮聚合物。由于粘結(jié)劑在壓裝炸藥配方中的含量較少（不超過5%），它對炸藥能量的影響未得到深入研究。在含硼炸藥的能量研究中，筆者對含3種不同粘結(jié)劑（EVA、F2603、BAMOAMMO）含硼炸藥的爆熱和水下能量進(jìn)行了測試，其中F2603為偏氟乙烯和六氟丙烯的共聚物，BAMOAMMO為含疊氮基團(tuán)的含能熱塑性彈性體，乙烯醋酸乙烯共聚物EVA。

1 實驗

1.1 樣品制備

以RDX為主體炸藥，分別加入鋁粉、硼粉和粘結(jié)劑，改變硼粉含量、改變粘結(jié)劑種類和含量，采用直接混合法制備一系列不同的含硼炸藥；壓制成藥柱備用。其中硼粉為營口產(chǎn)普通硼粉、粒度3.78μm，鋁粉為球形鋁粉、粒度4.5μm；將試驗樣品壓制成水下爆炸試驗和爆熱所需規(guī)格的藥柱。設(shè)定黑索今、硼粉、粘結(jié)劑及鈍感劑含量，改變粘結(jié)劑種類，分別以等量EVA、F2603、BAMO-AMMO作粘結(jié)劑，設(shè)計配方。

1.2 實驗方法

水中爆炸參數(shù)的測量是將長徑比為1～1.2的圓柱形炸藥試樣，放到水下一定深度，裝藥軸線為垂直布置；當(dāng)裝藥深度為水池總深度的2/3時，來自水面和池底的邊界效應(yīng)互相抵消。采用端部垂直引爆，在距裝藥一定距離處，安裝測壓傳感器，測定沖擊波壓力隨時間的變化及從爆轟到氣泡第1次收縮的振蕩周期。經(jīng)過數(shù)據(jù)處理得到?jīng)_擊波能量和氣泡能[4]。

采用GJB772A-97《炸藥試驗方法》方法701.1爆熱恒溫法和絕熱法，在真空條件下起爆炸藥試樣，試樣重量為25～30g，以蒸餾水為測溫介質(zhì)，測定水溫升高，根據(jù)熱容量和溫升計算單位質(zhì)量試樣在測試條件下的爆熱。

2 結(jié)果與討論

2.1 粘結(jié)劑對含硼炸藥水下能量的影響

2.1.1 不同粘結(jié)劑的影響

依據(jù)全氧氧化法設(shè)計了RDX基含硼炸藥配方wRDX/wB/w粘結(jié)劑=75∶20∶5，分別采用3種不同粘結(jié)劑制樣，水下爆炸試驗結(jié)果見表1。

從表1可以看出，無論是比沖擊波能還是比氣泡能，以F2603、BAMO-AMMO為粘結(jié)劑的配方能量均高于以EVA為粘結(jié)劑的配方，其中F2603對含硼炸藥的能量提高最大。

表1 RDX基3種粘結(jié)劑含硼炸藥的小水池水下爆炸能量Tab.1 Under-water explosion energy of RDX-based explosive containing boron and three differentbinders in small poll

F2603提高含硼炸藥能量的原因可能有兩個：首先，硼氟化的質(zhì)量熱值和容積熱值分別為105.01kJ/g和245.72 kJ/cm3，幾乎是硼氧化質(zhì)量熱值和容積熱值的兩倍（58.74kJ/g和137.45 kJ/cm3）；其次，含氟粘結(jié)劑分解產(chǎn)生的含氟物質(zhì)可能與硼顆粒表面的氧化層反應(yīng)，通過去除硼粉表面的氧化層而加速硼的氧化，從而產(chǎn)生較高能量。

2.1.2 不同含氟粘結(jié)劑的影響

為了深入研究含氟粘結(jié)劑對含硼炸藥能量的影響，通過改變含氟粘結(jié)劑的種類和含量等手段，測試了含硼炸藥的水下能量變化。目前常用的含氟粘結(jié)劑包括F2311(偏氟乙烯與三氟氯乙烯共聚物)、F2603(偏氟乙烯和六氟丙烯的共聚物)、F246G(偏氟乙烯、四氟乙烯與六氟丙烯共聚物)，3種粘結(jié)劑的氟含量各不相同，如表2所示，F(xiàn)246G最高，F(xiàn)2603次之，F(xiàn)2311最低。通過改變含硼炸藥中含氟粘結(jié)劑的種類，對不同含硼炸藥配方的水下能量進(jìn)行了測試，結(jié)果列于表3。

表2 含氟粘結(jié)劑種類與氟含量Tab.2 Binder containing fluoride w ith different percentage

表3 RDX基含氟粘結(jié)劑含硼混合炸藥水下爆炸能量Tab.3 Under-water explosion energy ofRDX-based explsive w ith boron and different fluoride binder

從表3可以看出，使用不同的含氟粘結(jié)劑，含硼炸藥的能量不同；含F(xiàn)246G炸藥的能量最高，F(xiàn)2603次之，F(xiàn)2311能量最低，這與粘結(jié)劑氟含量的高低順序一致。說明粘結(jié)劑含量為2%時，其氟含量越高、含硼炸藥的能量越高。

2.1.3 不同含量的含氟粘結(jié)劑的影響

為了確定含氟粘結(jié)劑對含硼炸藥爆轟能量的作用，研究了粘結(jié)劑含量對含硼炸藥水下能量的影響，即RDX為主炸藥，硼含量為25%，逐步提高粘結(jié)劑F2603含量，降低RDX含量，通過水下爆炸試驗，研究在硼粉過量的情況下，減少氧含量、增加氟含量對含硼炸藥能量的影響，試驗結(jié)果列于表4。從表4可以看出，隨著F2603含量的提高、RDX含量的降低，含硼炸藥配方的比沖擊波能和比氣泡能均逐漸下降，水下總能量逐漸降低；配方能量并未隨氟含量的增加而上升，而是隨炸藥含量的降低而減小。

表4 不同粘結(jié)劑含量下RDX基含硼25%混合炸藥小水池水下爆炸能量Tab.4 Under-waterexplosion energy ofRDX-based explosives containing 25%boron and differentcontentbinder

2.1.4 金屬粉含量30%時不同粘結(jié)劑的影響

當(dāng)金屬粉含量為30%時，主炸藥的氧含量已無法滿足所含鋁硼金屬粉的完全氧化，研究氧平衡降低條件下，不同粘結(jié)劑對混合炸藥能量的影響，結(jié)果見表5。

表5 RDX基不同粘結(jié)劑含30%Al-B混合金屬粉炸藥大水池水下爆炸能量Tab.5 Under-water explosion energy ofRDX-based explosive containing 30%Al-Bmetalpowderand differentbinder

從表5可見，以EVA為粘結(jié)劑的含Al-B（15%/ 15%）配方水下比氣泡能和總能量低于以F2603為粘結(jié)劑配方的比氣泡能和總能量，同時低于以F2603為粘結(jié)劑的含鋁30%配方的總能量，甚至低于以EVA為粘結(jié)劑的含30%Mg-Al合金配方的比氣泡能和總能量。

比較EVA為粘結(jié)劑的含Mg-Al合金配方與含Al-B配方的能量，前者的比沖擊波能和比氣泡能均高于后者，計算Mg-Al合金和Al-B的氧化熱值，含Al-B配方應(yīng)產(chǎn)生較高能量。這是由于硼粉難以被炸藥爆轟產(chǎn)物氧化，而碳?xì)湔辰Y(jié)劑無法促進(jìn)和改善硼粉的氧化，因此能量釋放少，低于同含量的含Mg-Al合金炸藥配方和含鋁炸藥配方。

2.1.5 金屬粉含量20%時不同粘結(jié)劑的影響

在金屬粉含量20%時即主炸藥供氧量充足的情況下，研究不同種類粘結(jié)劑對混合炸藥能量的影響，試驗結(jié)果見表6。從表6可見，含Al-B/（10%/10%）的炸藥配方，以EVA為粘結(jié)劑時水下比氣泡能和總能量低于以氟橡膠為粘結(jié)劑時的比氣泡能和總能量，同時低于以氟橡膠為粘結(jié)劑的含鋁20%配方的比氣泡能和總能量，但高于以EVA為粘結(jié)劑的含鋁20%配方的比氣泡能和總能量。同樣說明無論是含鋁炸藥還是含鋁硼的炸藥，采用含氟粘結(jié)劑都能顯著提高水下的比沖擊波能、比氣泡能和總能量。這是因為含氟粘結(jié)劑分解釋放的含氟化合物能夠與鋁粉和硼粉表面的氧化膜發(fā)生反應(yīng)，使氧化膜快速消失，從而加快金屬的氧化速率。

表6 RDX基不同粘結(jié)劑含20%Al-B混合金屬粉炸藥小水池水下爆炸能量Tab.6 Under-waterexplosion energy ofRDX-based explosive containing 20%Al-Bmetalpowderand differentbinder

2.1.6 含氟粘結(jié)劑對含硼炸藥能量的影響

硼氟化的質(zhì)量熱值（105.01kJ/g），幾乎是硼氧化質(zhì)量熱值（58.74kJ/g）的兩倍，在炸藥配方中提高粘結(jié)劑含量即氟含量，降低RDX含量即氧含量，通過理論計算來分析總能量的變化。假設(shè)100g含硼炸藥中，RDX的氧全部用于硼的氧化，F(xiàn)2603的氟全部用于硼的氟化，不考慮RDX自身爆轟釋放的能量，僅從硼的氧化和氟化角度進(jìn)行能量計算，結(jié)果見表7。

表7 RDX基含硼25%混合炸藥能量的理論分析Tab.7 Theory energy analysison RDX-based explosive w ith 25%boron

綜上所述，雖然硼粉氟化釋放出較高能量，但由于炸藥配方中氟含量有限，約為粘結(jié)劑含量的65%，減少主炸藥含量、增加氟橡膠含量并不能提高硼粉釋放的總能量；加之主炸藥自身分解釋放出大量能量，而氟橡膠本身分解還需吸收熱量，提高含氟粘結(jié)劑含量所增加的能量應(yīng)低于含氟粘結(jié)劑替代的炸藥釋放的能量及炸藥爆轟產(chǎn)物氧化硼粉釋放的能量之和；因此含硼炸藥的能量提高并不是由于硼粉氟化產(chǎn)生的高熱量，而是由于含氟粘結(jié)劑的加入，硼粉氧化完全性提高而產(chǎn)生能量的提高。即含硼炸藥能量的提高必須依賴改善硼粉的氧化來實現(xiàn)，使用含氟粘結(jié)劑可以作為改善硼粉氧化性的有效手段。

2.2 粘結(jié)劑對含硼炸藥爆熱的影響

為了確定含氟粘結(jié)劑對含硼炸藥能量的提高作用，將含F(xiàn)2603配方的爆熱與含EVA配方的爆熱進(jìn)行了對比研究，結(jié)果見表8。由表8可以看出，硼粉單獨使用時，與含EVA粘結(jié)劑配方的爆熱值相比，含F(xiàn)2603配方的爆熱值產(chǎn)生明顯提高，由于配方中粘結(jié)劑含量較少，推測爆熱的提高不是由于硼粉的氟化產(chǎn)生，而是硼粉的氧化完全性提高所致[5-6]。

表8 不同粘結(jié)劑含鋁硼、鎂硼炸藥的爆熱Tab.8 Explsion heatofAl-Band Mg-Bexplosive containing differentbinders

由表8的試驗結(jié)果同樣看出，鋁硼、鎂硼在炸藥中混合使用時，含F(xiàn)2603配方的爆熱值明顯提高，可能由于含氟粘結(jié)劑分解產(chǎn)生了氟化氫或氟原子[7-8]，它們能夠與硼粉表面生成的液態(tài)氧化硼反應(yīng)，因而加速了硼粉的氧化，提高了硼的氧化率。

2.3 分析與討論

由于硼的熔點（2 300℃）和沸點（2 550℃）都比較高，難以熔化和汽化，且氧化時粒子表面形成熔點較低、沸點較高的粘態(tài)氧化層（B2O3），阻礙了硼粉的快速和持續(xù)氧化；含氟粘結(jié)劑分解產(chǎn)生了氟化氫或氟原子，它們能夠與硼粉表面生成的液態(tài)氧化硼反應(yīng)，消除氧化層的阻礙作用，因而加速了硼粉的氧化，提高了硼的氧化率，從而獲得較高能量。

在含硼炸藥配方中，增加含氟粘結(jié)劑含量、減少主炸藥含量，不能提高炸藥能量，只能使比沖擊波能和比氣泡能降低。這是因為主炸藥RDX能夠在爆轟過程中實現(xiàn)自分解，釋放高能量和氣體產(chǎn)物，氧化硼粉釋放能量；與RDX相比，F(xiàn)2603為惰性物質(zhì)，硼粉氟化的能量雖然高出硼粉氧化能量的1倍左右，但含氟粘結(jié)劑的熔化需要吸收部分熱量，而分解釋放能量較低，最終仍導(dǎo)致總能量降低。

綜上所述，加入含氟粘結(jié)劑提高含硼炸藥能量的原因，并不是由于硼粉氟化釋放出高能量；而是由于粘結(jié)劑熱分解所產(chǎn)生的含氟成分，可能與硼粉表面低熔點、高沸點的氧化層發(fā)生作用，消除氧化層的阻礙，使硼的氧化加速，釋放出較高能量。

3 結(jié)論

（1）在3種不同粘結(jié)劑（EVA、F2603、BAMOAMMO）中，使用含氟粘結(jié)劑的含硼炸藥的水下爆炸能量和爆熱最高；水下爆炸能量隨粘結(jié)劑中氟含量的提高而提高，但隨粘結(jié)劑含量的提高而降低；

（2）硼粉能量的釋放主要依靠與主炸藥之間的氧化作用，含氟粘結(jié)劑的活化作用能夠有效改善硼粉的氧化，但不能決定含硼炸藥釋放能量的高低，在含硼炸藥的配方設(shè)計中，不宜過多提高含氟粘結(jié)劑含量而降低主體炸藥含量；

（3）無論是含鋁炸藥還是含鋁硼的炸藥，采用含氟粘結(jié)劑都能顯著提高水下的比沖擊波能、比氣泡能和總能量；含氟粘結(jié)劑分解釋放的含氟化合物能夠有效改善鋁粉和硼粉的氧化，推測是與鋁粉和硼粉表面的氧化膜發(fā)生反應(yīng)，使氧化膜快速消失，而加快金屬的氧化速率。

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Effectof Fluorine-binder on the Under-water Exp losion Energy of Boron-containing Explosive

XU Hong-tao，F(xiàn)ENG Xue-song，TIAN Xuan，F(xiàn)ENG Bo
(Xi’an Modern Chemistry Research Institute,Xi’an,710065)

In order to effectively improve the detonation energy of explosive,through measuring the explosion heat and under-water energy output characteristics of boron-containing explosive w ith different binders,including EVA,fluorine binder and BAMO-AMMO,the mechanism of fluorine-binder affecting the outputenergy of boron-containing explosive was analyzed.The results show that fluorine-binder can increase both under-water explosion energy and explosion heat,the under-water explosion energy is increased w ith the increase of fluorine contentofbinder,while is decreased w ith the increase ofbindercontent.

Explosive；Boron；Fluorine-binder；Under-waterexplosion；Explosion heat

TQ564

A

1003-1480（2015）04-0038-04

2015-03-06

徐洪濤（1982-），男，工程師，主要從事炸藥爆轟釋能規(guī)律及測試技術(shù)工作。