不同氣氛對TATB基含鋁炸藥爆熱的影響?

曹 威 郭向利 段英良 昝繼超 韓 勇 劉世俊中國工程物理研究院化工材料研究所(四川綿陽，621900)

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不同氣氛對TATB基含鋁炸藥爆熱的影響
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曹 威 郭向利 段英良 昝繼超 韓 勇 劉世俊
中國工程物理研究院化工材料研究所(四川綿陽，621900)

[摘 要]為了測定三氨基三硝基苯(TATB)基含鋁炸藥在不同氣氛中的爆熱，使用絕熱式量熱彈對其壓裝藥在真空、0.1 MPa氮氣、0.1 MPa空氣、0.1 MPa氧氣和1.5 MPa氧氣條件下的爆熱進行了測量，研究了其能量釋放規(guī)律，并使用X射線衍射(XRD)對固相產(chǎn)物成分進行了分析。結(jié)果表明:TATB基含鋁炸藥在真空、0.1 MPa氮氣、0.1 MPa空氣、0.1 MPa氧氣和1.5 MPa氧氣條件下的爆熱依次增加；環(huán)境中壓力的增加會導(dǎo)致爆熱值增大，在0.1 MPa氮氣中，TATB基含鋁炸藥的爆熱值比真空中增加了15.7%。環(huán)境中氧氣量的增加也使爆熱值增大:0.1 MPa空氣中的爆熱值比0.1 MPa氮氣中增加了7.8%，0.1 MPa氧氣中的爆熱值比0.1 MPa氮氣中高出49.7%，1.5 MPa氧氣中的爆熱值比0.1 MPa氮氣中高出146.1%。在富氧氣氛下測試TATB基含鋁炸藥的爆熱時，所測爆熱接近于炸藥的燃燒熱，且爆炸產(chǎn)物的XRD結(jié)果也表明Al粉已基本氧化完全。同時，在0.1 MPa氮氣氣氛下沒有檢測到氮化物AlN的存在。該方法可對不同氣氛下含鋁炸藥的爆熱進行測量，并對爆炸產(chǎn)物中Al的存在形式進行分析。

[關(guān)鍵詞]爆炸力學；TATB基含鋁炸藥；爆熱；爆炸產(chǎn)物；后燃反應(yīng)

[分類號] O389

引言

高活性金屬具有高燃燒熱值，將其引入高能炸藥配方設(shè)計，可以明顯提高炸藥的能量密度、降低武器的裝藥感度、提高武器的抗高過載能力及低易損性。Al粉作為高活性金屬，因其高熱值和相對較低的成本被廣泛應(yīng)用于先進常規(guī)兵器的裝藥中，如空中和水中兵器裝藥用含鋁炸藥等。

含鋁炸藥作為一種典型的非理想炸藥，具有高爆熱、高爆溫、臨界直徑大、起爆傳爆能力較弱、化學反應(yīng)區(qū)較寬、反應(yīng)時間長、反應(yīng)產(chǎn)物組成復(fù)雜及存在后續(xù)二次反應(yīng)甚至多次反應(yīng)(即后燃反應(yīng))的特點。與理想炸藥相比，含鋁炸藥的這些特點導(dǎo)致其爆轟性能的明顯差異，更導(dǎo)致其能量釋放的特殊性。研究人員在對含鋁炸藥爆轟反應(yīng)機理的認識上，主要形成了3種理論——二次反應(yīng)理論、惰性熱稀釋理論和化學熱稀釋理論，這些理論雖然在很大程度上解釋了含鋁炸藥爆轟的反應(yīng)過程，但又都不能全面地揭示含鋁炸藥爆轟的整個過程[1-2]。

含鋁炸藥具有高爆熱性能，因此對其爆熱的研究成為人們關(guān)注的焦點。Ornellas[3]對幾十種不同的炸藥在量熱彈中起爆后放出的熱和產(chǎn)物組分進行了測量，研究了量熱彈中不同氣體環(huán)境(真空、二氧化碳和氧氣)下炸藥爆熱和爆轟產(chǎn)物的差別，結(jié)果表明:對于貧氧炸藥，在真空環(huán)境下爆轟生成的大量C、CO、H2、Al等燃料組分的含量在氧氣環(huán)境中大大減小，并釋放出了更多的熱量。Kiciński等[4]對RDX基含鋁炸藥在充有氬氣、氮氣、空氣和氬氣/氧氣的量熱彈中起爆后釋放的熱量分別進行了測量，結(jié)果表明:量熱彈中充入氮氣和氬氣的爆熱測試結(jié)果幾乎一致，證明了氮氣和氬氣都可以作為惰性氣體用在量熱彈中，而高壓氧氣則可以使含鋁炸藥釋放出更多的熱量。裴明敬等[5]利用氧彈量熱計測試了含鋁溫壓炸藥在氬氣、空氣和氧氣環(huán)境中的燃燒熱，結(jié)果表明:含鋁溫壓炸藥在有氧環(huán)境中的爆熱值較高。李媛媛等[6]利用恒溫式量熱計測定了不同鋁粉顆粒度的HMX基含鋁炸藥在不同環(huán)境(真空、空氣和氧氣)中的爆熱，并研究了其能量釋放規(guī)律。韓勇等[7]利用恒溫式量熱計測定了含鋁炸藥在真空、空氣和水中的爆熱值，爆熱值按照空氣、真空、水的順序依次減小，認為Al粉與空氣中的氧氣發(fā)生了二次反應(yīng)。前述文獻表明，爆炸周圍氣體環(huán)境及其中的氧含量影響了含鋁炸藥的爆轟產(chǎn)物狀態(tài)及Al粉的反應(yīng)程度，從而直接影響炸藥的能量輸出[8-9]。因此，對含鋁炸藥在不同氧含量的氣體氛圍中的爆炸參數(shù)進行研究具有很重要的意義和價值。

三氨基三硝基苯(TATB)基含鋁炸藥以鈍感高能炸藥TATB為基，具有良好的爆轟、安全、耐熱、力學和相容性能，其能量大于1.5倍TNT當量，在快速烤燃、慢速烤燃、子彈撞擊等熱和機械刺激條件下安全性較好。本文利用絕熱式量熱彈測定了TATB基含鋁炸藥在真空、常壓氮氣、常壓空氣、常壓氧氣和高壓氧氣中的爆熱值，從爆熱角度分析了含鋁炸藥在不同環(huán)境氣氛中的能量釋放規(guī)律，從反應(yīng)動力學角度闡述了其能量釋放特點，并對爆炸產(chǎn)物中Al的存在形式進行了定性分析。

1 試驗

試驗用絕熱式量熱彈的裝置結(jié)構(gòu)示意如圖1，爆熱彈內(nèi)容積為10.1 L。試驗溫度控制在17℃～22℃之間，每次試驗時，溫度變化應(yīng)在±1℃范圍內(nèi)。調(diào)節(jié)自動跟蹤溫度控制儀的平衡調(diào)節(jié)旋鈕，控制量熱桶內(nèi)水溫與外桶水溫之差，使量熱桶內(nèi)水溫15 min內(nèi)變化不大于0.003℃，記錄筒內(nèi)水溫T0。而后引爆炸藥，反應(yīng)放熱使水溫不斷升高，直至桶內(nèi)水溫在15 min內(nèi)變化不大于0.003℃時，記錄桶內(nèi)水溫所達到的最高值T。

圓柱形壓裝炸藥試樣組分的質(zhì)量比w(TATB)︰w(Al)︰w(黏結(jié)劑)為70︰25︰5，臨界起爆直徑約為21 mm，氧平衡為-0.641。每發(fā)樣品的質(zhì)量為30 g，直徑為25 mm，密度為2.03 g/cm3。真空中爆熱測量試驗是通過真空泵將空氣從量熱彈中抽走，使彈內(nèi)剩余壓力為0.01 MPa(絕對壓力，下同)，此時視為真空；參照GJB 772A—1997中的充氣方法，使量熱彈中分別充有0.1 MPa氮氣、0.1 MPa空氣、0.1 MPa氧氣和1.5 MPa氧氣。

此外，為了分析不同氣氛下爆炸產(chǎn)物的組成，本文采用Bruker公司的D8 Advance型粉末X射線衍射儀對量熱彈中收集的固態(tài)爆炸產(chǎn)物中Al的存在形式進行了X射線衍射(XRD)分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同氣氛對含鋁炸藥爆熱的影響

表1給出了不同氣體環(huán)境下的爆熱試驗值，本試驗對每種環(huán)境氣氛下的樣品爆熱進行2發(fā)平行試驗測定，誤差不超過3%，求得平均值作為當前氣氛下的爆熱值。在常壓氮氣中爆熱值比真空中爆熱值增加了15.7%。在常壓空氣中爆熱值比常壓氮氣中增加了7.8%，常壓氧氣中的爆熱值比常壓氮氣中增加了49.7%；高壓氧氣中的爆熱值比常壓氮氣中增加了146.1%。這說明量熱彈作為密閉空間，阻止了爆轟產(chǎn)物的大范圍擴散[6，10]，高溫高壓持續(xù)時間更長，根據(jù)含鋁炸藥的二次反應(yīng)理論，這為含鋁炸藥二次反應(yīng)(亦稱為后燃反應(yīng))的發(fā)生提供了有利條件，且由爆熱的大小變化可以推測二次反應(yīng)發(fā)生的程度與環(huán)境壓力和氧含量均有密切的關(guān)系。

表1 不同氣氛下TATB基含鋁炸藥的爆熱測試結(jié)果Tab.1 Test results of detonation heat of TATB-based aluminized explosive in different atmospheres

TATB基含鋁炸藥是貧氧炸藥( O.B.= -1.01)，在真空條件下爆炸時，雖然爆轟產(chǎn)物CO、CO2和H2O等與Al粉可發(fā)生二次反應(yīng)(可稱為無氧后燃反應(yīng)，即沒有外界氧氣的參與)，但其配方中的氧含量有限，含鋁炸藥配方中的Al粉不可能完全發(fā)生氧化反應(yīng)，生成Al2O3，有一部分Al粉只是參加吸熱反應(yīng)。充入0.1 MPa的氮氣于量熱彈時，爆熱值比真空條件下的爆熱增加了15.7%:根據(jù)Kiciński等[4]的試驗結(jié)果，含鋁炸藥在量熱彈中起爆后Al粉與氮氣發(fā)生反應(yīng)的可能性很小，由此推斷這主要是由于在外界壓力的作用下炸藥反應(yīng)加快，使得Al與爆轟產(chǎn)物反應(yīng)更充分，促進了無氧后燃反應(yīng)的發(fā)生。

當環(huán)境氣氛中有氧氣出現(xiàn)時，含鋁炸藥的爆熱進一步增大。充入0.1 MPa的空氣于量熱彈時，TATB基含鋁炸藥在空氣中的爆炸能量值比氮氣中的爆熱值高7.8%，由此可以推論，空氣中的氧氣使TATB基含鋁炸藥中有Al粉和其他還原性爆轟產(chǎn)物的二次反應(yīng)更完全，并且在無氧后燃反應(yīng)的基礎(chǔ)上出現(xiàn)了有氧后燃反應(yīng)(需要外界氧氣的參與)。充入0.1 MPa的氧氣于量熱彈時，TATB基含鋁炸藥的爆熱值比空氣中的爆熱值高38.9%，這說明氧質(zhì)量濃度的增加，使Al粉等還原性爆轟產(chǎn)物與氧氣接觸的概率增大，有效地促進了炸藥有氧后燃反應(yīng)的進行[11-12]。充入1.5 MPa的氧氣于量熱彈時，TATB基含鋁炸藥的爆熱值比0.1 MPa氧氣中的爆熱值高64.4%，達到了13 832 J/g。

通過對TATB基含鋁炸藥進行計算，按化學計量比將其完全氧化需氧量為19.24 g，與表1中各氣體氛圍下的含氧量比較可知，1.5 MPa氧氣氛圍下的氧含量大于含鋁炸藥完全氧化的需氧量，此時含鋁炸藥爆炸后形成的爆炸混合物為正氧平衡，此氣氛稱為富氧氣氛。根據(jù)含鋁炸藥配方組成，計算該炸藥的燃燒熱為14.26 kJ/g，由表1中數(shù)據(jù)可知1.5 MPa氧氣氛圍下的爆熱已接近于炸藥的燃燒熱(誤差約為3%)，由此可知量熱彈的爆轟產(chǎn)物發(fā)生了完全氧化反應(yīng)，并釋放出最大的熱量(即炸藥的燃燒熱)，這表明爆轟產(chǎn)物(包括Al)與氧氣的反應(yīng)已進行完全。

2.2 不同氣氛下爆炸產(chǎn)物的定性分析

圖2給出了3種試驗情況下固相爆炸產(chǎn)物的XRD分析結(jié)果。從爆炸產(chǎn)物的XRD圖譜可以看出，貧氧環(huán)境下爆炸后的產(chǎn)物中同時含有Al2O3和Al，但是Al的特征峰(對應(yīng)的2θ分別為38.5°和44.9°)較弱，分析原因可能是由于生成的Al2O3包覆在Al顆粒表面所致，且在0.1 MPa氮氣氛圍下并沒有檢測到Al的氮化物AlN的產(chǎn)生，驗證了Kiciński等[4]的試驗結(jié)果；而富氧環(huán)境下爆炸后的產(chǎn)物中則只有Al2O3的特征峰，說明在此情況下Al粉基本燃燒完全，這也印證了前述的爆熱測量結(jié)果。

3 結(jié)論

1)TATB基含鋁炸藥在真空、氮氣、空氣和氧氣環(huán)境中的爆熱值不同，爆熱值高低順序為1.5 MPa氧氣、0.1 MPa氧氣、0.1 MPa空氣、0.1 MPa氮氣、真空。當環(huán)境中壓力增加時，其爆熱值增大，在0.1 MPa氮氣中TATB基含鋁炸藥的爆熱值比真空中增加了15.7%；隨著環(huán)境中氧氣量的增加，其爆熱值逐漸增大，0.1MPa空氣中的爆熱值比0.1 MPa氮氣中增加了7.8%，0.1 MPa氧氣中的爆熱值比0.1 MPa氮氣中高出49.7%，1.5 MPa氧氣中的爆熱值比0.1 MPa氮氣中高出146.1%。

2)在貧氧環(huán)境的量熱彈中測量TATB基含鋁炸藥的爆熱時，炸藥中的Al粉發(fā)生了后燃反應(yīng)，生成了Al2O3，同時由于氧氣量不足，Al粉沒有燃燒完全，還有剩余Al存在。而在富氧氣氛的量熱彈中測量含鋁炸藥的爆熱時，Al粉可以基本燃燒完全，所測爆熱接近于炸藥的燃燒熱。同時，在0.1 MPa氮氣氣氛下，爆炸產(chǎn)物中沒有檢測到AlN的存在。

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Detonation Heat of TATB-based Aluminized Explosive in Different Atmospheres

CAO Wei，GUO Xiangli，DUAN Yingliang，ZAN Jichao，HAN Yong，LIU Shijun
Institute of Chemical Materials，China Academy of Engineering Physics (Sichuan Mianyang，621900)

[ABSTRACT]To measure the heat generation of triaminotrinitrobenzene(TATB)-based aluminized explosive in different atmospheres，the exotherm of pressed charge in vacuum，0.1 MPa nitrogen，0.1 MPa air，0.1 MPa oxygen and 1.5 MPa oxygen were measured by adiabatic calorimetric bomb and the energy release rule was studied.Then the solid explosion products were detected by X-ray diffraction (XRD).Results show that the heat output of TATB-based aluminized explosive increased gradually in the sequence of vacuum，0.1 MPa nitrogen，0.1 MPa air，0.1 MPa oxygen and 1.5 MPa oxygen；the increase of atmospheric pressure results in the increase of heat output，which is shown that the heat output in 0.1 MPa nitrogen increased by 15.7%than that in vacuum；and the heat output increases with the increase of oxygen amount in atmosphere，which is verified by the conclusion that the heat output in 0.1 MPa air was 7.8%larger than that in 0.1 MPa nitrogen，the heat output in 0.1 MPa oxygen was 49.7%higher than that in 0.1 MPa nitrogen，and the heat output in 1.5 MPa oxygen was 146.1%higher than that in 0.1 MPa nitrogen.In the case that the heat output of TATB-based aluminized explosive was measured in oxygen-rich atmosphere，the measured heat output was close to the combustion heat，and the XRD of the explosion products verified that the aluminum powders were almost completely oxidized.Meanwhile，AlN was not detected in 0.1MPa nitrogen.It provides a method to measure the heat output of aluminized explosives and analyze the existing form of aluminum element in explosion products.

[KEY WORDS]explosion mechanics；TATB-based aluminized explosive；detonation heat；explosion products；afterburning reaction

通信作者:郭向利(1987～)，女，碩士，助理研究員，主要從事炸藥爆轟安全性能研究。E-mail: g-x_l@163.com

作者簡介:曹威(1988～)，男，博士，助理研究員，主要從事炸藥爆轟安全性能研究。E-mail: weicao668@163.com

基金項目:國家自然科學基金(11372291)，中國工程物理研究院化工材料研究所創(chuàng)新基金(KJCX-201202)

收稿日期:?2010-01-28

doi:10.3969/j.issn.1001-8352.2016.02.008