鋁粉含量對(duì)RDX基含鋁炸藥爆熱性能的影響?

李世偉 王正宏 吳成成 李勝偉 張桂芬 王清波

①遼寧慶陽(yáng)特種化工有限公司(遼寧遼陽(yáng)，111002)

②北京理工大學(xué)爆炸科學(xué)與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(北京，100081)

引言

含鋁炸藥是混合炸藥，通過(guò)在單質(zhì)炸藥中加入不同比例的鋁粉以改善體系的釋能效率，在防空武器彈藥、艦載武器彈藥以及空地武器彈藥中應(yīng)用廣泛[1-2]。將鋁粉加入炸藥中以提高做功能力的研究最早開(kāi)始于1900年，Roth[3]申請(qǐng)了炸藥中添加鋁粉以提高爆炸威力的專利。由于鋁粉優(yōu)良的高熱值性能，含鋁炸藥在爆熱、爆溫等能量釋放特性上都會(huì)有很大提高。含鋁炸藥在爆轟反應(yīng)區(qū)的反應(yīng)機(jī)理被國(guó)內(nèi)外學(xué)者廣泛研究[4-9]，但對(duì)其爆轟反應(yīng)區(qū)的反應(yīng)歷程仍沒(méi)有一套比較系統(tǒng)完整的理論。目前，國(guó)內(nèi)外比較公認(rèn)的含鋁炸藥的爆轟反應(yīng)機(jī)理可整理為:惰性稀釋理論、化學(xué)熱稀釋理論及二次反應(yīng)理論等[10]。

鋁粉在炸藥爆轟環(huán)境中發(fā)生燃燒反應(yīng)可釋放大量熱能，但表達(dá)鋁粉在主體炸藥爆轟這樣一個(gè)高溫、高壓、高速運(yùn)動(dòng)環(huán)境中的燃燒行為仍然是一個(gè)懸而未決的問(wèn)題。為了解決這一難題，需要研究人員判定鋁粉的反應(yīng)時(shí)間和反應(yīng)程度，考慮含鋁炸藥在爆炸反應(yīng)過(guò)后鋁粉在有氧和無(wú)氧條件下發(fā)生燃燒反應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)機(jī)制[11]。爆熱是表征含鋁炸藥的爆轟性能的重要參數(shù)之一，最大爆熱是含鋁炸藥配方設(shè)計(jì)的重要參考指標(biāo)，現(xiàn)今主要通過(guò)計(jì)算配方的最大爆熱來(lái)進(jìn)行含鋁炸藥的配方設(shè)計(jì)。同時(shí)，混合體系的鋁氧比、鋁粉自身特性(粒徑、活性等)在一定程度上影響著含鋁炸藥的能量輸出特性。例如，Duan等[12]為了考察鋁氧摩爾比對(duì)密閉空間沖擊波的影響，測(cè)量了鋁氧摩爾比范圍在0.25～1.23之間的含鋁炸藥在500 L密閉空間爆炸中的壓力變化，發(fā)現(xiàn)隨著鋁氧摩爾比的增加，準(zhǔn)靜態(tài)壓力先升高、后降低，在鋁氧摩爾比為0.99時(shí)達(dá)到最大。Zygmunt等[13]研究了二元高能炸藥與鋁體系中的鋁氧比和鋁粉粒徑對(duì)爆速和爆熱的影響，發(fā)現(xiàn)添加適量的鋁能顯著增加體系的爆速和爆熱，且納米鋁粉的效果要強(qiáng)于微米鋁粉。

含鋁炸藥是一種典型的非理想炸藥。為了系統(tǒng)地分析鋁粉含量對(duì)含鋁炸藥爆熱的影響規(guī)律，以指導(dǎo)含鋁炸藥配方設(shè)計(jì)，選擇黑索今(RDX)作為主體炸藥，設(shè)計(jì)了不同鋁氧摩爾比的RDX基含鋁炸藥配方。通過(guò)試驗(yàn)對(duì)不同炸藥配方進(jìn)行了爆熱測(cè)量，根據(jù)測(cè)量結(jié)果擬合得到RDX基含鋁炸藥的爆熱經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式。同時(shí)，分析了鋁氧摩爾比對(duì)RDX基含鋁炸藥爆熱的影響規(guī)律，旨在找到科學(xué)與實(shí)用的方法來(lái)評(píng)價(jià)或預(yù)估含鋁炸藥的能量輸出規(guī)律。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)樣品及制備

以RDX為主體炸藥，設(shè)計(jì)了一系列不同鋁粉含量的抗過(guò)載炸藥配方，具體配方組成見(jiàn)表1。試驗(yàn)樣品均采用壓裝工藝制備，壓力為150 MPa。根據(jù)GJB 772A—1997方法701.1炸藥爆熱測(cè)試項(xiàng)目的要求，壓制成相應(yīng)規(guī)格(?25 mm、25 g、帶8＃雷管孔)的試驗(yàn)樣品。

表1 含鋁炸藥配方組成Tab.1 Formula of aluminized explosives

1.2 試驗(yàn)方法

爆熱測(cè)定方法參照GJB 772A—1997方法701.1絕熱法。原理為利用已知熱值的量熱標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(苯甲酸)測(cè)出爆熱熱量計(jì)的熱容量，在同一爆熱熱量計(jì)中進(jìn)行試樣的爆熱測(cè)定。在爆熱彈內(nèi)無(wú)氧環(huán)境中引爆樣品，以蒸餾水為測(cè)溫介質(zhì)。當(dāng)水溫升高之后，根據(jù)熱量計(jì)的熱容量和升溫值，即可求出單位質(zhì)量試樣在給定條件下的爆熱。

2 結(jié)果與討論

2.1 爆熱計(jì)算

依據(jù)蓋斯定律計(jì)算爆熱的理論值。含鋁炸藥的放熱只與起始和終末狀態(tài)有關(guān)，與變化途徑無(wú)關(guān)。即只要確定炸藥爆轟過(guò)后的產(chǎn)物成分和原成分的生成焓，就可根據(jù)蓋斯定律精確得出炸藥的爆熱。計(jì)算方法如下:

式中:Qp為定壓爆熱，kJ/kg；QV為定容爆熱，kJ/kg；npi為爆炸i產(chǎn)物的物質(zhì)的量，mol/kg；△fH?pi為爆炸i產(chǎn)物的生成焓，kJ/kg；nmi為混合炸藥的組分i的物質(zhì)的量，mol/kg；△fH?mi為混合炸藥中組分i的生成焓，kJ/kg；n為物質(zhì)的量，mol。

此外，CaHbNcOdAleClf類型含鋁炸藥爆炸反應(yīng)方程式:

根據(jù)蓋斯定律和爆炸反應(yīng)方程式，計(jì)算CaHbNcOdAle類型含鋁炸藥爆熱的經(jīng)驗(yàn)公式為:

2.2 爆熱測(cè)試及計(jì)算結(jié)果

不同配方含鋁炸藥爆熱的實(shí)測(cè)值與計(jì)算值對(duì)比以及和其他爆炸參數(shù)計(jì)算值見(jiàn)表2。

由表2可以看出:蓋斯定律計(jì)算結(jié)果與經(jīng)驗(yàn)法計(jì)算結(jié)果基本一致；它們與爆熱實(shí)測(cè)值的測(cè)試偏差隨鋁氧摩爾比的增加呈先減小、后遞增的規(guī)律。

表2 不同方法獲得的RDX基含鋁炸藥爆熱對(duì)比Tab.2 Comparison of detonation heat of RDX-based aluminized explosives obtained by different methods

2.3 Al粉含量對(duì)炸藥爆熱的影響

含鋁炸藥的爆熱隨鋁氧摩爾比變化的規(guī)律與其爆轟反應(yīng)機(jī)理有關(guān)。目前，含鋁炸藥爆轟理論認(rèn)為，當(dāng)含鋁炸藥發(fā)生爆轟時(shí)，組分中的鋁粉在C-J面上未發(fā)生反應(yīng)或在C-J面上遠(yuǎn)未反應(yīng)完全，鋁粉與炸藥的爆轟產(chǎn)物進(jìn)行二次反應(yīng)，放出熱量。其主要的反應(yīng)有:

可以看出，反應(yīng)(5)～反應(yīng)(8)均為放熱反應(yīng)。因此，炸藥中加入鋁粉后，爆熱會(huì)大幅度提高。

通過(guò)擬合可以得到RDX基含鋁炸藥的爆熱與鋁氧摩爾比關(guān)系式。

RDX基含鋁炸藥爆熱Q與鋁氧摩爾比χ的蓋斯定律擬合方程:

表3為擬合計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值對(duì)比。圖1為擬合方程、蓋斯定律計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值的對(duì)比；圖2為擬合方程計(jì)算偏差與蓋斯定律計(jì)算偏差的對(duì)比。

圖1 計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值的對(duì)比Fig.1 Comparison between calculated results andmeasured values

圖2 擬合方程計(jì)算偏差與蓋斯定律計(jì)算偏差對(duì)比Fig.2 Comparison between calculation deviation of fitting equation and calculation deviation of Hess's law

表3 爆熱的擬合方程計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比Tab.3 Comparison of detonation heat between calculated results of fitting equation and measured results

由擬合方程計(jì)算值、蓋斯定律計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比，以及擬合方程計(jì)算偏差與蓋斯定律計(jì)算偏差對(duì)比可以看出，使用擬合后的方程來(lái)計(jì)算RDX基含鋁炸藥的爆熱效果更好。

由圖1和圖2可以看出:當(dāng)鋁氧摩爾比在0.63～0.67之間時(shí)，蓋斯定律計(jì)算值與實(shí)測(cè)值相近；當(dāng)炸藥配方中使用鋁粉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于35%(鋁氧摩爾比0.8)時(shí)，隨著鋁粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，反應(yīng)體系的爆熱會(huì)逐漸增加；達(dá)到最大爆熱時(shí)，鋁粉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為35%。最大爆熱的計(jì)算值遠(yuǎn)高于爆熱測(cè)量值。這是因?yàn)槎喑龅匿X粉作為惰性吸熱物質(zhì)出現(xiàn)在爆炸產(chǎn)物中，消耗大量的熱從而使含鋁炸藥的爆熱降低。當(dāng)鋁氧摩爾比達(dá)到0.7～0.8(鋁粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為32%～35%)左右時(shí)，炸藥爆熱達(dá)到最大值，鋁氧摩爾比繼續(xù)增加，炸藥爆熱呈現(xiàn)出降低趨勢(shì)。

3 結(jié)論

選擇RDX作為主體炸藥，設(shè)計(jì)了不同鋁粉含量的RDX基含鋁炸藥配方，并通過(guò)試驗(yàn)以及理論計(jì)算得到了不同炸藥配方的爆熱，主要研究結(jié)論如下:

1)隨著鋁氧摩爾比的增大，RDX基含鋁炸藥的爆熱以三次多項(xiàng)式規(guī)律變化；當(dāng)鋁氧摩爾比在0.8(質(zhì)量分?jǐn)?shù)35%)附近時(shí)，爆熱達(dá)到最大。

2)對(duì)于RDX基含鋁炸藥，隨著鋁粉含量不同，蓋斯定律與經(jīng)驗(yàn)法計(jì)算值與實(shí)測(cè)值比較，計(jì)算值與實(shí)測(cè)值相比呈現(xiàn)先低后高的現(xiàn)象。

3)對(duì)于RDX基含鋁炸藥，當(dāng)鋁氧摩爾比在0.63～0.67之間時(shí)，蓋斯定律計(jì)算值與實(shí)測(cè)值相近。