納米Al對RDX 基炸藥機械感度和火焰感度的影響

姚李娜，封雪松，趙省向，王彩玲，王淑萍

（西安近代化學研究所，陜西 西安710065）

引 言

含鋁炸藥作為一類高密度、高爆熱的高威力炸藥，已被廣泛應用于水中兵器和對空武器彈藥［1］。納米鋁粉作為一種新型材料，具有燃燒快、放熱量大、活性高等特點，廣泛應用于火箭推進劑、火炸藥、太陽能電池鋁背場等領域［2］。在炸藥中加入高活性納米鋁粉可明顯提高炸藥的爆速，改善爆轟性能，提高作功能力等［3］。近年來，納米鋁粉在火炸藥中的應用研究得到國內外學者的廣泛關注［4-6］。Brousseaud等［7］研究了平均粒徑為12μm 的微米鋁粉（H-15）和納米鋁粉（Alex）對TNT／Al混合炸藥性能的影響，結果表明，納米鋁粉的加入可顯著提高炸藥的爆速。黃輝等［1］在以RDX 為主體的黏結炸藥中加入質量分數20%、粒徑為50nm 的超細鋁粉，得到的新型復合炸藥爆轟性能及作功能力明顯高于含20% 粒徑為5μm 和50μm 鋁粉的復合炸藥。

本研究采用機械混合法制備了含納米鋁的RDX 基含鋁炸藥系列，分析了炸藥的機械感度和火焰感度，并與含微米鋁炸藥的性能進行了比較。

1 實 驗

1.1 材料與儀器

納米Al，活性85.12%，西安近代化學研究所；4.5～5.5μm 鋁粉，活性98.9%，蓋州市金屬粉末廠；123.6μm RDX，甘肅銀光化學工業公司；68＃石蠟，中國石化集團撫順石油化工研究院；高分子聚合物黏結劑，中昊集團晨光化工研究院；石墨，上海惠港石墨有限公司。

HGY-l型火焰感度儀；H3.5-10W 落錘式撞擊感度儀；QUAINTA600掃描電子顯微鏡，美國FEI公司。

1.2 樣品制備

含Al粉RDX基炸藥配方見表1，采用直接法工藝制備100g樣品，干燥后，加入質量分數1%的石墨。

表1 含鋁RDX 基炸藥配方Table 1 Formulation of RDX-based explosive containing Al powders

為了比較納米Al的高活性，用相同方法制備了相同配方含微米Al粉RDX 基炸藥。

1.3 感度試驗

采用經過標定的H3.5-10W 落錘式撞擊感度儀測定炸藥樣品的撞擊感度，根據GJB772A-97標準中601.2 試驗方法測定加入不同粒徑鋁粉的RDX 基炸藥的爆炸特性落高。落錘質量10kg；藥量（50±1）mg。試驗分2組，每組25發，共50發。

按照GJB772A.97標準中602.1試驗方法測定炸藥試樣的爆炸百分數。表壓3.92MPa；擺角（90±1）°；藥量（20±1）mg。每組25發，共50發。

按照GJB 770B.2005火藥試驗方法中“導火索法”在自制的火焰感度儀上用升降法測定試樣50%發火時的火焰噴射高度值。藥量0.0200g，每組30發，測2組。結果用50%發火高度表示，其值越大，表示炸藥的火焰感度越高。

2 結果與討論

2.1 鋁粉對RDX 基炸藥機械感度的影響

2.1.1 對撞擊感度的影響

納米Al對RDX 基炸藥機械感度的影響見表2。由表2可看出，加入納米Al后，RDX 基炸藥的撞擊感度增大，且隨著納米Al含量的增加，撞擊感度增加幅度增大。

表2 含鋁粉RDX 基炸藥機械感度和火焰感度的測試結果Table 2 The mechanical sensitivity and flame sensitivity test results of RDX-based explosive with Al powders

從表2還可以看出，當加入質量分數為25%納米Al時，RDX 基炸藥的撞擊感度增加22.4%，加入質量分數為25%微米Al時，RDX 基炸藥的撞擊感度增加4.47%；當鋁粉含量繼續增加時，含納米Al炸藥的撞擊感度繼續增加，而含微米Al炸藥感度增加幅度降低；當鋁粉質量分數增加到40%，含納米Al炸藥的撞擊感度增加66.8%，而含微米Al炸藥的撞擊感度增加1.21%。說明隨著鋁粉含量的增加，RDX 基炸藥的撞擊感度變化幅度不同，即含納米Al炸藥的撞擊感度增加幅度隨納米Al含量的增加而增加，而含微米Al炸藥撞擊感度的增加幅度不大。

出現以上結果可能是由于［8］：（1）鋁粉粒度不同。圖1 為鋁粉及含鋁RDX 炸藥的SEM 照片。從圖1（a）和（b）看出，納米Al為球形，平均直徑為140nm，而球形鋁粉的粒度處于4.5～5.5μm。當受到外界沖擊載荷作用時，納米Al在炸藥顆粒中的相對運動速率大于微米Al，且含納米Al的RDX基炸藥內部受力易集中到某一微小區域或某一點上，導致形成熱點，使得炸藥的撞擊感度高；（2）納米Al和微米Al的堆積密度和孔隙率不同。實驗發現，含量相同的納米Al的體積大于微米Al，說明納米Al的堆積密度小于微米Al，從而使得納米Al顆粒之間空隙率較大。（3）鋁粉在炸藥內部空穴大小的變化。從圖1（c）和（d）看出，納米Al在炸藥中存在少量的團聚，且在炸藥中的分散不好，導致含納米Al炸藥的內部空穴增大，炸藥撞擊感度增大。（4）鋁粉含量的影響。鋁粉含量增加，納米Al的團聚現象加劇（圖1（c）和（d）），分散空穴增加，當炸藥受到外界沖擊時，納米Al含量增加，在炸藥中的團聚嚴重和空穴數增加，易于形成更多熱點，炸藥撞擊感度增加，且增加幅度也增加。微米Al含量的增加對炸藥撞擊感度的影響不是很大。

圖1 鋁粉和含20%鋁粉RDX 炸藥的SEM圖片Fig.1 SEM photos of Al powder and RDX-based explosive with 20% Al powder

2.1.2 對摩擦感度的影響

圖2為含Al炸藥的摩擦感度變化趨勢。從圖2看出，含納米Al的RDX 基炸藥的摩擦感度較高，且隨納米Al含量的增加，摩擦感度增高比較明顯；含納米Al炸藥的摩擦感度大于含微米Al炸藥。

根據熱點理論，摩擦感度增加可能是由不同鋁粉在炸藥中的特性所決定。炸藥中的納米Al粒子的表面能高、表面原子活性大，從而對外界能量更敏感，導致納米Al與擊柱下表面的相互作用增強，即黏附強度增強；另外，顆粒間的摩擦生熱也是產生熱點的主要原因，而納米Al的尺寸太小會導致比表面積迅速增加，即炸藥中單位質量的納米Al粒子之間的接觸面積顯著增大，因此，在摩擦過程中會產生更多的熱量，很容易形成熱點，且隨含量的增加，形成的熱點會更多，最終導致RDX 基炸藥的摩擦感度增加。

圖2 鋁粉對RDX 基炸藥的摩擦感度影響Fig.2 Effect of Al powders on the friction sensitivity of RDX-based explosive

2.2 鋁粉對RDX 基炸藥火焰感度的影響

納米Al對石蠟包覆RDX 基炸藥火焰感度的影響測試結果如表2和圖3所示。結果表明，含納米Al炸藥火焰感度比較高，且隨納米Al含量增加而增加；加入不同鋁粉后，RDX 基炸藥的火焰感度都增加，且隨鋁粉含量的增加，炸藥的火焰感度都呈明顯的、緩慢的上升趨勢，即鋁粉的含量越高，火焰感度越高。且納米Al炸藥火焰感度的增幅隨Al含量增加的幅度大于微米Al炸藥。

圖3 鋁粉對RDX 基炸藥的火焰感度影響Fig.3 Effect of Al powders on the flame sensitivity of RDX-based explosive

根據火焰的點火理論可知，炸藥的最小點火能受氣體層的橫截面積和氣體平均熱導率的影響，鋁粉含量越大，氣體層橫截面積和氣體熱導率越大，越有利于炸藥的最初點火［9］。

上述情況，可能有以下3個原因：（1）納米Al特殊的比表面積和小尺寸效應；（2）在點火實驗中發現，納米Al的點火溫度為550℃，而微米Al的點火溫度則高于1100℃；（3）納米Al在其炸藥中的微量團聚（圖1（c））更容易使其點火。另外，隨納米Al鋁粉的增加，其在炸藥中的團聚加劇，最終導致炸藥火焰感度增大，且增加幅度大于微米Al炸藥。

3 結 論

（1）加入納米Al后RDX 基炸藥撞擊感度增加，且隨納米Al含量的增加，撞擊感度增加幅度增大；含納米Al的RDX 基炸藥摩擦感度高于含微米Al炸藥，且隨含量的增加，摩擦感度增加比較明顯。

（2）加入納米Al后，RDX 基炸藥的火焰感度增加，且隨含量的增加，火焰感度增幅較大。

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