含金屬-氟聚物包覆層裝藥的內(nèi)爆性能試驗(yàn)研究

王 輝,沈 飛,李彪彪，王勝強(qiáng)

(西安近代化學(xué)研究所，陜西 西安 710065)

引 言

金屬-氟聚物是在一定條件下可自身發(fā)生反應(yīng)或與空氣發(fā)生劇烈燃燒而釋放能量的混合物，其作為一種高能、鈍感的含能材料被廣泛應(yīng)用于戰(zhàn)斗部及其含能破片的設(shè)計(jì)。目前，國內(nèi)外開展了諸多關(guān)于金屬-氟聚物的研究[1-7]，如Mock J W等[1]研究了金屬-氟聚物(Al/PTFE)活性破片的撞擊起爆特性；Gauthier等[2]通過小型爆炸罐實(shí)驗(yàn)得到了不同配方金屬-氟聚物包覆層在密閉條件下的能量釋放特性；王海福等[6]通過實(shí)驗(yàn)得到3種不同配方金屬-氟聚物活性破片在強(qiáng)碰撞載荷作用下的能量輸出特性；陳進(jìn)等[7]通過高速攝影觀測(cè)了金屬-氟聚物活性破片以不同的速度侵徹鋼板的過程與反應(yīng)現(xiàn)象，得到了金屬-氟聚物活性破片對(duì)鋼板的侵徹性能與毀傷效應(yīng)。但現(xiàn)有研究大多是關(guān)于機(jī)械撞擊下金屬-氟聚物活性破片的能量釋放特性與毀傷效果等，鮮有關(guān)于金屬-氟聚物包覆層對(duì)戰(zhàn)斗部裝藥毀傷能力影響的研究。

由于金屬-氟聚物包覆層具有較高的點(diǎn)火閾值，且具有較高的能量密度，若能用于侵徹、爆破類戰(zhàn)斗部中，可兼顧威力及安定性方面的要求。因此，本研究擬通過爆炸罐開展密閉條件下不同厚度金屬-氟聚物包覆下裝藥的爆炸釋能評(píng)估試驗(yàn)，獲得密閉罐體空間內(nèi)的壓力場(chǎng)、溫度場(chǎng)的時(shí)空分布，從而系統(tǒng)分析金屬-氟聚物在典型炸藥裝藥爆炸激發(fā)下的能量釋放規(guī)律，為相關(guān)戰(zhàn)斗部的設(shè)計(jì)提供參考。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 樣 品

試驗(yàn)選擇質(zhì)量為650g、尺寸為 70mm×100mm的柱形B炸藥作為主裝藥，主裝藥一端配以20g的JH-14C作為起爆藥柱，主裝藥四周包裹厚度分別為0、5、10mm的金屬-氟聚物包覆層，金屬-氟聚物包覆層與裝藥的質(zhì)量比(η)分別為0、0.30、0.63，金屬-氟聚物的配方(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為:Al,26.5%;PTFE,73.5%。采用壓裝成型工藝將金屬-氟聚物壓裝成密度為1.72～1.73g/cm3的包覆層，實(shí)驗(yàn)樣品圖如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)樣品圖Fig.1 Pictures of experimental samples

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)在圖2所示的大型爆炸罐中進(jìn)行，該爆炸罐為鋼結(jié)構(gòu)的膠囊型罐體，其直徑為2.6m，圓柱部分長度為3.2m，體積為26m3，密封性能好，罐體中心壁面均勻安裝著4個(gè)法蘭盤，用于安裝傳感器等測(cè)量裝置。

圖2 試驗(yàn)用爆炸罐Fig.2 Test explosion tank

試驗(yàn)藥柱通過罐頂固定環(huán)懸掛在罐內(nèi)的幾何中心，藥柱軸向和罐體軸向平行，起爆端正對(duì)罐門。在罐體中心壁面的4個(gè)法蘭盤上各安裝1個(gè)沖擊波壓力傳感器、1個(gè)準(zhǔn)靜態(tài)壓力傳感器和1個(gè)熱電偶傳感器，如圖3所示。為減小由于爆轟不均勻性帶來的測(cè)量誤差，4個(gè)法蘭盤上所裝傳感器參數(shù)相同，處理數(shù)據(jù)時(shí)對(duì)4個(gè)測(cè)點(diǎn)的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行平均化處理。

圖3 實(shí)驗(yàn)布局示意圖Fig.3 Schematic diagram of experimental layout

2 結(jié)果與討論

2.1 金屬-氟聚物包覆層對(duì)內(nèi)爆沖擊波超壓的影響

金屬-氟聚物包覆層與裝藥的質(zhì)量比(η)分別為0、0.30、0.63的3種試樣爆炸后沖擊波超壓隨時(shí)間的變化曲線如圖4所示，為了便于對(duì)比顯示，將每條曲線增加了不同的延遲時(shí)間，同時(shí)還列出了每條曲線所對(duì)應(yīng)的超壓峰值Δpm及比沖量值I。

從圖4可以看出，圖中曲線的超壓峰值遠(yuǎn)高于薩道夫經(jīng)驗(yàn)公式的估算值(小于1MPa)，這主要是由于薩道夫經(jīng)驗(yàn)公式的估算值是獲得入射壓，而此處超壓值為傳感器感應(yīng)面的反射壓，同時(shí)，罐體的弧形面對(duì)沖擊波也有一定的增強(qiáng)作用，但仍可依據(jù)該超壓曲線進(jìn)行量化對(duì)比分析。對(duì)比這3條超壓曲線可以發(fā)現(xiàn)，隨著金屬-氟聚物包覆層質(zhì)量的增加，超壓峰值Δpm及比沖量I均明顯降低，其中，Δpm隨η值近似呈線性下降趨勢(shì)；而比沖量I的下降趨勢(shì)則不同，η值由0增至0.30時(shí)，I的下降幅度較大，約為122Pa·s，η值由0.30進(jìn)一步增至0.63時(shí)，I的下降幅度明顯減小，僅為67Pa·s。這種差異可能與包覆層厚度增大時(shí)，拋灑耗能及包覆層的二次反應(yīng)程度有關(guān)，下面將從包覆層拋灑的能量損耗及沖擊波沖量變化的角度進(jìn)行分析。

圖4 沖擊波超壓隨時(shí)間變化的曲線Fig.4 Changing curves of overpressure of shock wave with time

從金屬-氟聚物包覆層拋灑過程中的能量損耗角度分析，主裝藥爆炸后，一部分能量用于包覆層的變形、破碎及飛散，另一部分能量用于爆炸產(chǎn)物的膨脹與空氣沖擊波的形成。對(duì)于圓環(huán)形金屬-氟聚物包覆層的拋灑速度vf可通過公式(1)進(jìn)行估算[8-9]：

(1)

(2)

雖然μ的具體數(shù)值難以獲得，但考慮到本研究中的金屬-氟聚物包覆層為壓制而成，其延展性偏低，在爆轟高壓作用過程中，將會(huì)呈現(xiàn)粉末性拋灑的特點(diǎn)，因此，這里可近似取μ=0.8。將該數(shù)值代入公式(1)和(2)后，可計(jì)算出，η=0.30時(shí)，vf≈2.4mm/μs，Ep/ωE0≈18%；η=0.63時(shí)，vf≈2.0mm/μs，Ep/ωE0≈27%。這說明，η從0.30增至0.63時(shí)，包覆層質(zhì)量增大了約一倍，其拋灑耗散的動(dòng)能約提升了50%；此外，這兩種工況中，初始拋灑速度雖然有一定差異，但由于后期呈粉末狀拋灑，其速度衰減可能較快，其差異可能會(huì)迅速減小。然而對(duì)于沖擊波而言，雖然包覆層質(zhì)量增加會(huì)明顯降低初始沖擊波的強(qiáng)度，但若活性包覆層發(fā)生反應(yīng)，則會(huì)一定程度上延緩沖擊波的衰減速度，從而有效提升沖量。

對(duì)于外部金屬-氟聚物包覆層對(duì)裝藥中爆炸后比沖量的影響，可先將其作為惰性物質(zhì)進(jìn)行分析，可由公式(3)計(jì)算[10]：

(3)

式中：I*和I0分別為含惰性包覆層的裝藥及裸裝藥在空氣介質(zhì)中爆炸后的比沖量；a=ω/(ω+m)=1/(1+η)。當(dāng)η=0.30和0.63時(shí)，由公式(3)可估算出， 分別約為79%和66%；而由圖4中所示的3種工況所測(cè)量的沖量值可以計(jì)算出，I*/I0分別約為83%和73%。從而可以看出，η=0.30時(shí)，計(jì)算值和測(cè)量值的差異約為4%，而η=0.63時(shí)，該差異約為7%，這兩個(gè)數(shù)值均較小，同時(shí)，考慮到實(shí)驗(yàn)測(cè)量中可能存在一定的偏差，因此難以判定金屬-氟聚物包覆層在二次反應(yīng)過程中對(duì)沖擊波有明顯的貢獻(xiàn)。

2.2 金屬-氟聚物包覆層對(duì)內(nèi)爆溫度的影響

3種裝藥在密閉空間內(nèi)發(fā)生爆炸后，其溫度上升幅度隨時(shí)間的變化曲線如圖5所示。

圖5 溫升幅度隨時(shí)間的變化曲線Fig.5 Changing curves of temperature with time

由圖5可以看出，裸裝藥爆炸后，罐體內(nèi)的氣體溫度快速上升了254K，然后逐步下降；而當(dāng)η=0.30和η=0.63時(shí)，其最高溫升幅度分別為291K和422K，相比裸裝藥分別提升了約14%和66%，兩種工況的差異較為顯著。

金屬-氟聚物對(duì)溫度效應(yīng)的提升通常在爆炸的中后期，即主裝藥爆炸后，罐體內(nèi)主要發(fā)生金屬-氟聚物的拋灑及與壁面碰撞后的碎化，且在該階段中由于主裝藥爆炸后產(chǎn)生的沖擊波在罐體內(nèi)的不斷反射，將使碎化后的金屬-氟聚物粉末較為均勻地分布在罐體內(nèi)部，此時(shí)罐內(nèi)處于一種高溫高壓狀態(tài)，聚四氟乙烯在高溫高壓下體現(xiàn)出較強(qiáng)的氧化性，而金屬粉末作為還原劑，二者之間將發(fā)生一定程度的氧化還原反應(yīng)，并釋放出大量熱量。然而這種氣-固混合物的反應(yīng)程度、反應(yīng)速率均與粉末的濃度密切相關(guān)。通過分析圖5所示的溫升幅度變化曲線可以發(fā)現(xiàn)，η=0和η=0.30的實(shí)驗(yàn)樣品爆炸后，其溫度的上升速率近乎一致，當(dāng)接近峰值時(shí)，兩條曲線才分離，其兩者差異也僅為37K，這說明η=0.30時(shí)，其包覆層拋灑后形成的濃度低于快速反應(yīng)的濃度閾值，使得其反應(yīng)程度和速率均較低；而η=0.63時(shí)，其爆炸后罐體內(nèi)金屬-氟聚物的濃度較大，使其反應(yīng)程度及反應(yīng)速率均明顯高于η=0.3的工況，且溫升幅度也更為明顯。

2.3 金屬-氟聚物包覆層對(duì)內(nèi)爆準(zhǔn)靜態(tài)超壓的影響

3種裝藥工況下罐體內(nèi)的準(zhǔn)靜態(tài)壓力隨時(shí)間的變化曲線如圖6所示。

圖6 準(zhǔn)靜態(tài)壓力隨時(shí)間的變化曲線Fig.6 Changing curves of quasi-static pressure with time

由圖6可以看出，裸裝藥爆炸后，罐體內(nèi)的氣體準(zhǔn)靜態(tài)壓力峰值為0.095MPa，而η=0.30和η=0.63時(shí)，該壓力峰值分別為0.105MPa和0.131MPa，相比裸裝藥工況分別提升了10%和38%，兩者工況的差異較為顯著，與溫度上升幅度的差異類似?？紤]到爆炸后，罐體內(nèi)的氣體準(zhǔn)靜態(tài)壓力一方面源于炸藥氣體產(chǎn)物的增加，另一方面源于溫度的上升，因此，可對(duì)兩者的關(guān)系進(jìn)行分析。

準(zhǔn)靜態(tài)壓力與溫度均為表征罐內(nèi)氣體能量的參量，根據(jù)理想氣體的克拉珀龍方程可得到準(zhǔn)靜態(tài)壓力與溫度之間的關(guān)系如公式(4)所示：

(4)

對(duì)公式(4)等號(hào)左右進(jìn)行微分，有:

(5)

由于罐體的體積不變，即:ΔV=0，則

(6)

由公式(6)可看出，罐體內(nèi)氣體的準(zhǔn)靜態(tài)壓力的增量正比于溫升幅度，然而η=0.30和η=0.63的兩種工況中，其相比于裸裝藥的溫升幅度明顯高于準(zhǔn)靜態(tài)壓力的增幅，這說明隨著包覆層質(zhì)量的增加，罐體內(nèi)氣體的摩爾數(shù)M降低，其主要原因是包覆層中的鋁粉與炸藥爆轟產(chǎn)物發(fā)生了反應(yīng)，其主要反應(yīng)方程式如下[11]：

2Al+3CO2→Al2O3+3CO+0.794MJ

2Al+3CO→Al2O3+3C+1.314MJ

2Al+3H2O→Al2O3+3H2+0.784MJ

其中最為明顯的是，大量CO產(chǎn)物與鋁粉反應(yīng)后生成了游離碳，該過程中產(chǎn)生的熱量也較多，同時(shí)這也解釋了η=0.63工況的裝藥爆炸后，罐體排煙時(shí)，其黑色濃煙明顯增加的原因。

3 結(jié) 論

(1)含金屬-氟聚物包覆層的裝藥爆炸后，其沖擊波超壓峰值及比沖量均會(huì)隨著包覆層質(zhì)量的增加而下降，但其下降規(guī)律與含惰性包覆層的裝藥類似，難以判定金屬-氟聚物包覆層在二次反應(yīng)過程中對(duì)沖擊波有明顯的貢獻(xiàn)。

(2)包覆層與炸藥的質(zhì)量比η為0.30和0.63時(shí)，罐體內(nèi)氣體的溫升幅度相比裸裝藥分別提升了14%和66%，而罐體內(nèi)氣體的準(zhǔn)靜態(tài)壓力相比裸裝藥分別提升了10%和38%，這兩種物理量的增幅差異主要是由于包覆層在二次反應(yīng)中，鋁粉與CO產(chǎn)物反應(yīng)生成了游離碳，降低了罐體內(nèi)的氣體量，同時(shí)生產(chǎn)了大量熱量所致。

(3)兩種裝藥的準(zhǔn)靜態(tài)壓力和溫升幅度所出現(xiàn)的顯著差異表明，η=0.63時(shí)，爆炸拋灑后的金屬-氟聚物濃度相比η=0.30的工況，更適宜促進(jìn)其反應(yīng)程度的增加。