鋁粉在不同爆炸環(huán)境中的反應(yīng)率

李媛媛, 王曉峰, 牛余雷, 肖 奇, 李 欣

(西安近代化學(xué)研究所，西安 710065)

含鋁炸藥具有爆熱高、爆溫高、能量釋放持續(xù)時間長、后燃效應(yīng)顯著等特點。目前，含鋁炸藥的爆轟機理有二次反應(yīng)論、惰性熱稀釋理論和化學(xué)熱稀釋理論，但上述三種理論未能全面系統(tǒng)地揭示爆轟反應(yīng)的整個過程[1-2]。

爆熱測量作為衡量含鋁炸藥能量釋放特性和鋁粉反應(yīng)效率的一種試驗方法，一直備受關(guān)注[3]。Ornellas等[4]測量了幾十個配方的炸藥在量熱彈中爆炸后放出的熱，并對產(chǎn)物組分進行了分析，研究了真空、二氧化碳和氧氣三種環(huán)境下炸藥爆炸后的爆熱和爆轟產(chǎn)物的差別，表明在氧氣環(huán)境中，爆轟產(chǎn)物中可燃組分能夠更好地和鋁粉結(jié)合，放出更多的熱量。Kiciński等[5]對RDX基含鋁炸藥在充氬氣、氮氣和氬氣/氧氣的量熱彈中爆炸后的爆熱分別進行了測量，證明了在惰性氣體中爆熱的測試結(jié)果基本一致，而氧氣增加可以使含鋁炸藥能量釋放量增加。裴明敬等[6]研究了含鋁溫壓炸藥在氬氣、空氣和氧氣環(huán)境中的燃燒熱，表明該類炸藥隨環(huán)境中氧氣的增加而增大。韓勇等[7]測量了含鋁炸藥在真空、空氣和水中的爆熱值，認為在空氣條件下，鋁粉發(fā)生了二次反應(yīng)。曹威等[8]研究了不同氣氛對三氨基三硝基苯(TATB)基含鋁炸藥爆熱的影響，并用XRD射線對產(chǎn)物進行了分析，表明環(huán)境中氧氣含量和壓力的增加均可導(dǎo)致爆熱的增加。上述研究表明，爆炸環(huán)境中氧的含量影響含鋁炸藥的爆轟能量釋放，而炸藥中鋁粉的反應(yīng)率則直接決定了能量輸出，因此研究含鋁炸藥中鋁粉在不同氧環(huán)境中的爆炸反應(yīng)程度具有很重要意義。

現(xiàn)利用自行設(shè)計的恒溫式爆熱量熱彈[9]測定不同鋁含量炸藥在真空和空氣中的爆熱，分析含鋁炸藥在不同氧氣環(huán)境中的能量釋放特點，并根據(jù)能量理論計算含鋁炸藥爆炸后鋁粉的反應(yīng)率，為含鋁炸藥爆炸能量理論計算和配方設(shè)計提供參考。

圖1 恒溫式量熱彈裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of isothermal calorimeter equipment

1 實驗

1.1 實驗樣品

實驗樣品如表1所示。鋁粉中位徑D0.5分別為12、125 μm。兩種粒度鋁粉樣品制備按照配方比例稱量，將各組分均勻混合成藥漿，采用真空澆注制得直徑為Φ40 mm的圓柱形藥柱，質(zhì)量為(100±1) g。

表1 測試樣品配比Table 1 Formulation of test samples

1.2 實驗儀器及實驗條件

試驗用爆熱量熱彈裝置如圖1所示[10]?？販貎x：HW-1型恒溫控制儀，控溫精度±0.01 ℃。溫度計：美國FLUKE5642型電阻溫度計，測溫精度±0.001 ℃。溫度記錄儀：美國FLUKE1529型溫度記錄儀，精度±0.001 ℃。采用壓裝JH-14傳爆藥作為起爆藥柱，規(guī)格為Φ15 mm×15 mm，端面起爆。真空中的爆熱按照恒溫量熱法進行測量[11]，量熱彈中的氣體壓力不大于3 kPa。

2 結(jié)果與討論

2.1 實驗結(jié)果

對表1所列樣品的爆熱進行了測定，實驗結(jié)果如表2所示。

表2 爆熱測試結(jié)果Table 2 Test results of detonation heat

2.2 鋁粉反應(yīng)率計算

2.2.1 真空中鋁粉反應(yīng)率計算

混合炸藥的爆熱，可按加和方法計算[2]，即:

Qv=∑miQvi

(1)

式(1)中:Qv為含鋁炸藥在真空中的爆熱，J·g-1；mi為含鋁炸藥中第i組分的質(zhì)量百分含量，%；Qvi為第i組分的特征爆熱，J·g-1。

HMX在真空中的實測爆熱為5 679 J·g-1，根據(jù)量熱彈測出的炸藥爆熱，通過式(1)計算出Al對爆熱的貢獻熱值(特征爆熱)Qv Al，J·g-1，即可通過式(2)計算鋁粉在真空的爆炸反應(yīng)率[12]。

(2)

式(2)中：ηv為Al粉在真空中的反應(yīng)率，%；HAl為Al的燃燒熱，數(shù)值為31 024 J·g-1。

按照式(3)計算Al粉在真空環(huán)境下反應(yīng)的百分含量，即Al粉與爆轟產(chǎn)物反應(yīng)的百分含量mAl/pro。mAl/pro=ωAlηv

(3)

2.2.2 空氣中鋁粉反應(yīng)率計算

在計算中進行了某些簡化處理：不同鋁粉含量的炸藥爆炸過程中，將HMX/黏結(jié)劑作為一個整體處理，?。害vHMX/黏結(jié)劑=6 082 J·g-1-5 373 J·g-1，即709 J·g-1。根據(jù)文獻[7]：

ΔQv=∑miΔQvi+mAl /airQv Al

(4)

式(4)中:ΔQv為混合炸藥在空氣中的爆熱與真空中爆熱的差值；ΔQvi為混合炸藥中第i組分在空氣中的爆熱與真空中爆熱的差值(不包括Al組分)；mAl/air為混合炸藥中Al與空氣中氧反應(yīng)的質(zhì)量分數(shù)。按照式(5)和式(6)分別計算Al粉反應(yīng)的總百分含量和Al粉在空氣中的反應(yīng)率。計算結(jié)果列于表3和表4。

mAl (RT)=mAl/pro+mAl/air

(5)

η(air)=mAl (RT)/ωAl

(6)

式中：ωAl為炸藥中Al粉的百分含量，%；mAl/pro為

Al粉與爆轟產(chǎn)物反應(yīng)的百分含量，%；mAl/air為Al粉與空氣反應(yīng)的百分含量，%；mAl (RT)為Al粉反應(yīng)的總百分含量，%；ηair為Al粉在空氣中的反應(yīng)率，%。

2.3 結(jié)果分析

表2數(shù)據(jù)表明，含鋁炸藥在空氣中的爆熱大于其在真空環(huán)境的爆熱，說明含鋁炸藥中有部分鋁粉與空氣中的氧氣發(fā)生了反應(yīng)。表3和表4數(shù)據(jù)表明，隨著鋁粉含量的增加，含鋁炸藥鋁粉在真空和空氣中反應(yīng)的百分含量呈遞增趨勢。在真空條件下，當鋁粉含量低于30%時，12 μm和125 μm鋁粉的反應(yīng)率相差不大，反應(yīng)率均在33%～38%；當鋁粉含量為35%時，兩者反應(yīng)率分別為36.4%和29.7%，12 μm鋁粉的反應(yīng)率下降較明顯。

圖2為Al粉在1 atm空氣中的爆炸反應(yīng)率。配方中鋁粉百分含量為5%時，爆炸后鋁粉反應(yīng)率最大，12 μm鋁粉和125 μm鋁粉的爆炸反應(yīng)率分別為75.0%和56.8%。當鋁粉含量為15%時，粗、細鋁粉的反應(yīng)率基本相當，均在46%左右。在其他含量時，粗鋁粉的爆炸反應(yīng)率均較細鋁粉的高。分析認為，鋁粉含量小于15%時，配方中主炸藥HMX的含量高，爆炸后產(chǎn)生的初始壓力和溫度相對較高，此時鋁粉含量較低，粗鋁粉顆粒的數(shù)量較少，吸收爆炸初始產(chǎn)生能量能夠使鋁粉充分熱透，促使其和空氣中的氧氣發(fā)生氧化還原反應(yīng)，單個粗鋁粉顆粒反應(yīng)產(chǎn)生的熱量較細鋁粉多，更有利于反應(yīng)的持續(xù)進行。當鋁粉含量較高時，高于15%時，炸藥中HMX的量相對降低，爆炸初始壓力和溫度也相對較低，此時細顆粒鋁粉粒度較小，比表面積較大，熱傳導(dǎo)性較粗鋁粉好，雖然小顆粒鋁粉較大顆粒鋁粉更容易熔化完全，但是顆粒數(shù)量較大，更容易吸收和消耗爆炸產(chǎn)生的能量，鋁粉和空氣中的氧之間的傳熱并不完全，導(dǎo)致鋁粉顆粒無法完全熱透并熔化，導(dǎo)致系統(tǒng)的整體溫度降低，最終使得鋁粉和空氣二次反應(yīng)的溫度降低，影響了鋁粉的反應(yīng)完全性，鋁粉的反應(yīng)率較粗鋁粉低?？傮w而言，在1 atm空氣環(huán)境中，含鋁炸藥爆炸后，配方中粗鋁粉的反應(yīng)率為45%～51%，細鋁粉的反應(yīng)率為40%～47%。

表3 12 μm鋁粉反應(yīng)率計算結(jié)果Table 3 The calculation result of reaction rate of 12 μm Al powder

表4 125 μm鋁粉反應(yīng)率計算結(jié)果Table 4 The calculation result of reaction rate of 125 μm Al powder

圖2 Al粉在空氣中的反應(yīng)率Fig.2 Reaction rate of Al powder in 1 atm atmosphere

圖3為Al粉與爆轟產(chǎn)物反應(yīng)的百分含量，即Al粉在真空環(huán)境下參加反應(yīng)的百分含量。由圖3可以看出，隨著炸藥中鋁粉含量的增加，Al粉與爆轟產(chǎn)物反應(yīng)的百分含量呈遞增趨勢。當炸藥中鋁粉含量小于25%時，粗、細鋁粉與爆轟產(chǎn)物反應(yīng)的百分含量數(shù)值接近。粉含量大于25%時，粗鋁粉與爆轟產(chǎn)物反應(yīng)的量較細粉高。分析認為，在鋁粉含量較低時，炸藥爆轟產(chǎn)生的熱量可使粗、細鋁粉點火并維持反應(yīng)，此時鋁粉的粒度對能量的釋放影響不大。當鋁粉含量高于25%時，炸藥中HMX含量少，爆炸產(chǎn)生的初始能量較低，炸藥配方中小顆粒鋁粉的數(shù)量較多，單個鋁粉獲得的能量少，導(dǎo)致整個爆炸場溫度降低，鋁粉反應(yīng)的持續(xù)性降低。而大顆粒鋁粉數(shù)量少，炸藥初始能量分配給單個大顆粒鋁粉，使大顆粒鋁粉反應(yīng)能夠產(chǎn)生較小顆粒鋁粉反應(yīng)更高的溫度，該溫度在一定程度上可以維持整個爆炸場的溫度，使粗鋁粉與爆轟產(chǎn)物反應(yīng)的百分含量較細鋁粉的高。

圖3 Al粉與爆轟產(chǎn)物反應(yīng)的百分含量Fig.3 Percent of Al power with detonation produce react

圖4 Al粉反應(yīng)的總百分含量Fig.4 Total percent of Al power react

圖4為鋁粉反應(yīng)的總百分含量，即鋁粉在空氣環(huán)境中反應(yīng)的百分含量。從圖4中可以看出，隨著炸藥中鋁粉含量的增加，鋁粉反應(yīng)的總百分含量遞增，這與爆熱測試實驗的分析結(jié)果趨勢一致。當鋁粉百分含量為15%時，兩種粒度鋁粉反應(yīng)的總百分含量基本相當；當鋁粉含量為其他含量時，粗鋁粉反應(yīng)的總百分含量較細鋁粉的高，此規(guī)律和Al粉在空氣中反應(yīng)率的結(jié)果相同。分析認為，鋁粉含量在15%左右時，炸藥爆炸產(chǎn)生的能量使兩種粒度鋁粉與爆轟產(chǎn)物發(fā)生產(chǎn)生熱量，并維持二次反應(yīng)的程度相當。

3 結(jié)論

(1)隨著鋁粉含量的增加，含鋁炸藥中鋁粉在真空和空氣中反應(yīng)的百分含量隨著炸藥中鋁粉含量的增加而呈遞增趨勢。

(2)在真空條件下，當鋁粉含量為5%～30%時，12 μm和125 μm鋁粉的反應(yīng)率相差不大，反應(yīng)率均為33%～38%；當鋁粉含量為35%時，兩者反應(yīng)率分別36.4%和29.7%，12 μm鋁粉的反應(yīng)率下降趨勢較明顯；在1 atm空氣中，當鋁粉含量為5%時，鋁粉反應(yīng)率最高，12 μm和125 μm鋁粉的反應(yīng)率分別為56.8%和75.0%；Al粉含量為10%～35%時，兩者反應(yīng)率分別為40%～47%和45%～51%。