提高硼粉的爆炸反應(yīng)性研究

封雪松，田 軒，徐洪濤，趙 娟

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提高硼粉的爆炸反應(yīng)性研究

封雪松，田 軒，徐洪濤，趙 娟

（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，基于影響硼粉反應(yīng)性的因素，通過選擇粒度及純度、添加活潑金屬、制備含硼儲氫合金、使用含氟粘結(jié)劑等技術(shù)手段，改善了爆炸過程中硼粉的氧化，提高了硼粉的爆炸反應(yīng)性。水下爆炸試驗結(jié)果表明，上述技術(shù)途徑均能有效提高含硼炸藥的爆轟能量釋放。

炸藥；硼；活潑金屬；金屬氫化物；含氟粘結(jié)劑；水下爆炸

硼粉具有約2倍于鋁粉的體積熱值和質(zhì)量熱值，是具有良好應(yīng)用前景的高能材料，應(yīng)開展其在高能炸藥領(lǐng)域的應(yīng)用研究。目前硼在炸藥中的應(yīng)用問題包括以下幾方面：（1）單質(zhì)硼的熔沸點較高，難以熔化和氣化；（2）氧化生成的B2O3沸點較高，呈粘性氧化層在顆粒表面堆積，阻礙了硼的進(jìn)一步氧化；（3）硼顆粒氧化反應(yīng)速率低，生成中間產(chǎn)物多，且耗氧量大。在炸藥爆轟的短暫時標(biāo)范圍內(nèi)，提高硼的氧化速率和氧化率即提高硼的反應(yīng)性，才能實現(xiàn)炸藥能量性能的提高。目前含硼炸藥與含鋁炸藥相比，能量上并未產(chǎn)生明顯優(yōu)勢[1-2]，應(yīng)開展爆炸過程中硼粉反應(yīng)性的影響因素研究，推進(jìn)高能量材料硼在炸藥中的應(yīng)用進(jìn)程。

在含硼炸藥的能量研究中，筆者通過改變硼粉粒度及純度、與易燃金屬混合、與金屬氫化物混合、與含氟粘結(jié)劑混合等方法，通過目前較為精確的水下爆炸測試手段，對含硼炸藥的能量輸出進(jìn)行了表征分析，研究了提高硼粉爆炸反應(yīng)性的有效途徑。

1 試驗

1.1 樣品制備

以黑索今RDX或奧克托今HMX為主體炸藥，分別加入一定含量硼粉、易燃金屬或金屬化合物、粘結(jié)劑，采用直接混合工藝制備一系列不同的含硼炸藥樣品，壓制一定尺寸藥柱備用。本試驗所用硼粉共分3類：B1為營口硼粉，(0.5):3.682μm，純度92.5%；B2為保定硼粉，(0.5)：11.635μm，純度93.7%；B3為丹東硼粉，(0.5)：0.120μm，純度97%。B3硼粉的粒度最低、純度最高，B2與B1硼粉純度相近，但粒度較高。

1.2 試驗方法

水中爆炸參數(shù)的測量：將長徑比為1~1.2的圓柱形炸藥試樣，放置到水下一定深度，裝藥軸線為垂直布置；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。通過測試得到?jīng)_擊波壓力——時間曲線、爆轟開始到氣泡第1次收縮的振蕩周期等，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理得到?jīng)_擊波能量和氣泡能[3-5]。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，結(jié)果較為精確。試驗布局如圖1所示。

圖1 大水池水下試驗布局

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 粒度和純度硼粉對含硼炸藥能量的影響

在配方主炸藥RDX含量為63.5％、粘結(jié)劑含量為1.5％、鋁硼混合金屬粉含量為（17.5%/17.5%）、大水池試驗條件下，通過水下爆炸試驗進(jìn)行3種硼粉對炸藥能量的影響測試，結(jié)果見表1。

表1 RDX基35% Al-B混合金屬粉炸藥大水池水下爆炸能量

Tab.1 Under-water performance of 35% Al-B compound- metal containing explosive based RDX

由表1可見，含B2硼粉配方的水下比沖擊波能、比氣泡能和總能量低于含B1配方，說明硼粉純度相近的情況下，含低粒度B1硼粉的炸藥爆炸能量較高。

在主炸藥RDX含量為63.5％、粘結(jié)劑含量為1.5％、小水池試驗條件下，改變硼粉種類，測試了含Al-B/（20%/15%）配方的水下能量，結(jié)果如表2所示。

表2 含不同硼粉RDX基35%Al-B混合金屬粉炸藥小水池水下爆炸能量

Tab.2 Under-water performance of 35% Al-B compound- metal containing explosive based RDX

由表2可以看出，含B1硼粉的炸藥水下比沖擊波能、比氣泡能和總能量低于含B3硼粉的炸藥，B3硼粉的粒度較低、純度較高，在炸藥的爆轟反應(yīng)中的氧化速率和氧化效率較高，因此釋放出較高的能量。

2.2 活潑金屬對含硼炸藥的能量影響

以奧克托今為主炸藥，加入一定量的硼粉和易燃金屬粉（鋁粉、鎂粉、鎂鋁合金），與少量EVA粘結(jié)劑（碳?xì)漕悾┗旌?，制樣成型備用。硼粉為B1硼粉；鋁粉為球形鋁粉，50為4.5~5.5μm；鎂粉和鎂鋁合金粉為磨削粉。

設(shè)計了HMX基含硼炸藥配方HMX75.5/ B20/ EVA4.5，以易燃金屬粉替代其中的部分硼粉，通過水下試驗進(jìn)行了幾種配方的能量比較，結(jié)果見表3。

表3 HMX基含20%混合金屬粉炸藥小水池水下爆炸能量

Tab.3 Under-water performance of 20% compound- metal containing explosive based HMX

在爆轟過程中易燃金屬先行氧化，釋放出的熱量為硼粉的氧化提供了高溫的環(huán)境；同時由于鎂粉、鎂鋁合金粉、鋁粉氧化的耗氧量較低，為硼粉的氧化提供了較多的剩余氧，故提高了爆轟過程中硼粉的氧化速度和氧化效率，進(jìn)而提高了爆轟的能量釋放；但由于鎂和鎂鋁合金本身氧化熱值較低，加入鋁粉對能量的提高最大。

2.3 粘結(jié)劑對含硼炸藥的能量影響

依據(jù)全氧氧化法設(shè)計了RDX基含硼炸藥配方RDX75/B20/粘結(jié)劑5，分別采用EVA(碳?xì)漕?、BAMO-AMMO（疊氮類）、F2603（含氟類）3種不同粘結(jié)劑制樣，通過水下爆炸試驗，進(jìn)行了配方的能量比較，結(jié)果見表4。

表4 RDX基3種粘結(jié)劑含硼炸藥的小水池水下爆炸能量

Tab.4 Under-water performance of boron containing explosive based RDX with three binders

從表4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。F2603提高含硼炸藥能量是由于含氟粘結(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)[6-8]，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，高于疊氮類含能粘結(jié)劑的作用，碳?xì)湔辰Y(jié)劑因無法促進(jìn)和改善硼粉的氧化，能量釋放少。

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， F246G最高(67.8%)，F(xiàn)2603次之(65.5%)，F(xiàn)2311最低(52.6%)。RDX基不同含氟粘結(jié)劑含硼混合炸藥水下爆炸能量的測試結(jié)果如表5所示。

表5 RDX基含氟粘結(jié)劑含硼混合炸藥水下爆炸能量

Tab.5 Under-water performance of boron-containing explosive based RDX with three fluorine-binders

從表5可以看出，含F(xiàn)246G炸藥能量最高，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)劑含量相同時，氟含量越高，含硼炸藥的能量越高。

2.4 金屬氫化物對含硼炸藥的能量影響

將金屬氫化物與硼粉復(fù)合制備儲氫合金，選擇的儲氫合金為鋁鎂硼體系，其中氫元素以氫化鎂的形式儲存于合金體系中，與高含能金屬硼、鋁等通過球磨混合制備合金，其化學(xué)組成如表6所示。

以RDX為主體炸藥，加入一定量含硼儲氫合金，以碳?xì)漕怑VA為粘結(jié)劑，混合制樣。在大水池進(jìn)行含硼儲氫合金炸藥的水下能量測試，并與含鋁硼混合金屬粉的配方進(jìn)行能量比較，試驗結(jié)果見表7。表7結(jié)果表明，在不使用含氟粘結(jié)劑時，氫化鎂與硼粉、鋁粉復(fù)合制備的儲氫合金水下總能量高于不含氫的含鋁炸藥配方。利用氫化鎂氧化釋放出高熱量和水蒸氣，前者提供高溫環(huán)境，有利于硼粉表面氧化層的蒸發(fā)；后者能夠與硼粉表面的氧化層反應(yīng)[9-10]，有利于氧化層的移除和硼粉的繼續(xù)氧化；兩方面共同作用，硼粉得以快速氧化釋放能量。

表6 幾種含硼儲氫合金燃燒劑的化學(xué)組成

Tab.6 Formation of hydrogen storage alloy

表7 RDX基儲氫合金炸藥的大水池水下能量

Tab.7 Under-water performance of hydrogen storage alloy-containing explosive based RDX

A1、A2、A4合金中硼含量基本不變，隨著MgH2含量降低和Al含量升高，含A1、A2、A4合金的炸藥的水下比沖擊波能、比氣泡能和總能量變化趨勢表現(xiàn)為先降低后升高。說明在一定的負(fù)氧范圍內(nèi)，氧化熱值較高的鋁和易燃但氧化熱值較低的鎂配比合適，才能有利于能量的提高；在A4合金的基礎(chǔ)上，減少鋁粉含量、少量增加硼粉和鎂粉含量制成的A3合金，負(fù)氧程度加劇，含A3合金炸藥的各項能量均出現(xiàn)下降，說明提高硼粉含量加劇負(fù)氧程度可能降低配方能量；氫化鎂的加入能夠改善和加速硼粉的氧化，同時改善炸藥的爆容，但配方的總能量最終仍由氧含量和鋁硼鎂金屬的含量配比決定。

3 結(jié)論

（1）在炸藥爆轟過程中，硼粉的粒度越低、純度越高，在爆轟反應(yīng)中反應(yīng)性即氧化速率越高，因此釋放出較高的能量。

（2）硼粉與易燃活潑金屬粉包括鋁粉、鎂粉在炸藥中混合使用，易燃金屬粉的放熱反應(yīng)能夠促進(jìn)硼粉的氧化，提高能量輸出。

（3）在3種不同粘結(jié)劑（EVA、F2603、BAMO- AMMO）中，使用含氟粘結(jié)劑的含硼炸藥的能量最高；這是由于含氟粘結(jié)劑的分解產(chǎn)物能夠作用于硼粉表面的氧化膜，有效提高硼粉的氧化效率。

（4）在不含氟的條件下，金屬氫化物在爆轟過程中氧化放熱產(chǎn)生的高溫環(huán)境和水蒸氣，能夠改善硼的反應(yīng)性。

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Research on Improvement in Boron Reactivity by Explosion

FENG Xue-song, TIAN Xuan, XU Hong-tao, ZHAO Juan

(Xi’an Modern Chemistry Research Institute, Xi’an, 710065)

In order to improve the detonation energy of explosive, based on the factors affecting boron-reactivity in explosion, through selecting particle size and purity, adding reactive metal, preparing hydrogen-alloy containing boron, using fluorine-binder, the boron-oxidation and reactivity during explosion was improved. The under-water explosion results show that, detonation energy output of boron-explosive can be effectively increased by above ways.

Explosives；Boron；Reactive metal；Metal hydride；Fluorine-binder；Underwater explosion

1003-1480（2018）02-0044-04

TQ564

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2018.02.012

2017-08-23

封雪松（1973 -），女，副研究員，主要從事爆轟化學(xué)研究。