含鋁溫壓炸藥的爆炸能量結構研究?

楊勝暉 鄭 波

北京理工大學爆炸科學與技術國家重點實驗室(北京，100081)

引言

溫壓炸藥是在燃料空氣炸藥基礎上發展而來的新型炸藥，爆炸時利用熱效應和壓力效應能夠有效地打擊有限空間中的目標。溫壓炸藥主要包含炸藥顆粒、高熱值金屬粉及含能聚合材料等，鋁粉通常作為溫壓炸藥金屬添加劑使用，具有良好的綜合性能[1]。鋁粉的加入使得炸藥的爆轟過程為非理想爆轟，在爆轟反應區鋁粉呈現惰性作用，爆轟反應之后，鋁粉和爆轟產物拋撒在環境中，與周圍空氣中的氧反應，產生二次沖擊波和更長時間的高溫火球。與普通常規炸藥相比，溫壓炸藥的爆速、爆壓都較低，但具有較長的作用時間、較高的沖量和能量利用效率。

因其獨特的毀傷效能，對于溫壓炸藥釋能規律的研究成為焦點。項大林等[2]測定了RDX基含鋁炸藥的爆轟參數，得到RDX基含鋁炸藥的爆壓和爆速隨鋁氧質量比的增加呈現線性減小變化，爆熱在鋁氧質量比為0.997時達到最大值。曹威等[3]測定了三氨基三硝基苯(TATB)基含鋁炸藥在不同氣氛中的爆熱，結果表明環境含氧量以及環境壓力的增加都會使得實驗樣品的爆熱值增加，并且在富氧環境下所測得的爆熱值與樣品的理論燃燒熱值接近。王曉峰等[4]根據量熱法原理建立了不同氣體環境中溫壓炸藥爆炸能量的測量方法，提出溫壓炸藥爆炸時釋放的總能量包括爆轟能和燃燒能兩部分。前述研究表明，鋁粉作為含能添加劑，改善了炸藥爆炸能量的輸出結構；爆炸氣氛環境及環境中的氧含量會直接影響炸藥爆轟產物狀態及二次反應完全性，從而影響炸藥爆炸能量的輸出。僅從爆熱的角度不足以表征含鋁溫壓炸藥的能量輸出，而準確地預測此類炸藥的能量輸出參數具有重要的意義。

本文中，測定了不同鋁粉含量的RDX基含鋁溫壓炸藥的爆速及爆熱，利用絕熱式量熱彈測量含鋁炸藥在不同氣氛環境下的爆炸能量，對炸藥爆炸能量的輸出結構進行計算分析，以期為溫壓炸藥的配方設計提供參考。

1 實驗

1.1 實驗樣品的制備

制備了5種不同配比的RDX基含鋁溫壓炸藥，樣品的配方如表1所示。其中，鋁粉 FLQ355A、FLQT4 的中位徑D50分別為130 μm 和6 μm，活性均大于98%。根據爆轟參數測試要求，采用壓裝工藝制作了?25 mm和?30 mm兩種不同直徑的藥柱，分別用于爆熱、爆速測試，藥柱的密度約為理論密度的95%。 傳爆藥為10＃-159，藥量為10 g，用8＃雷管起爆。

表1 含鋁溫壓炸藥配方(質量分數)Tab.1 Formulation of aluminized thermobaric explosive(mass fraction) %

1.2 爆熱及爆速的測量

爆熱測定方法參照GJB772A—1997方法701.1絕熱法。實驗儀器采用絕熱式爆熱量熱計裝置，爆熱彈的容積為5 L，內桶裝入20 L的蒸餾水作為測溫介質。樣品1?！珮悠?＃均進行真空爆熱測試，藥柱的質量為30 g，直徑為25 mm，使用內徑為26 mm的陶瓷外殼裝藥，利用真空泵抽取爆熱彈內的空氣，使真空壓力不大于－0.095 MPa，藥柱在爆熱彈內真空環境下被起爆。試樣在爆熱彈內爆炸后，根據量熱計的熱容量及升溫值即可求出單位質量試樣的定容爆熱。

爆速測試采用電離導通式探針，測量方法按照GJB772A—1997方法702.1電測法。測試藥柱的質量為30 g，直徑為30 mm，每組試驗采用4個藥柱。

1.3 不同氣氛環境下溫壓炸藥爆炸能量的測量

為研究溫壓炸藥的爆炸能量輸出特性，測量鋁粉質量分數為30%的溫壓炸藥(樣品3＃)在不同氣氛環境下的爆炸能量。實驗儀器及測量原理與爆熱測定方法一致，改變爆熱彈內的氣體環境，使爆熱彈內分別充有真空0.1 MPa氮氣、0.1 MPa空氣和1.0 MPa氧氣，測量樣品3＃在不同氣氛環境下爆轟釋放的爆炸能量。氮氣和空氣環境下試樣質量為30 g，直徑為25 mm；氧氣環境下考慮到試樣的熱值較大，取藥量為15 g，直徑為25 mm，實驗均使用內徑為26 mm的陶瓷外殼裝藥。由于爆熱彈內氣氛環境會影響雷管及傳爆藥的能量釋放，因此，實驗之前先對起爆序列在不同環境下的爆炸能量做出標定。

表2 含鋁溫壓炸藥爆熱及爆速測量結果Tab.2 Test results of detonation heat and detonation velocity of aluminized thermobaric explosive

2 結果與討論

2.1 鋁粉含量對爆熱和爆速的影響

實驗測得樣品的爆熱及爆速結果見表2。從表2可知，對于RDX基含鋁溫壓炸藥，鋁粉含量的增加會導致爆速的降低，而爆熱隨鋁粉含量的增加呈現先增大后減小的趨勢。根據二次反應理論，炸藥爆轟時在爆轟反應區的鋁粉是惰性的，不參加化學反應，卻還要消耗一部分爆轟能，從而導致爆速的降低[5]；炸藥爆轟后，包含鋁粉的爆轟產物開始膨脹，鋁粉在高溫、高壓的條件下與爆轟產物進行二次燃燒反應，釋放的能量不支持爆轟波陣面的傳播，對爆速無貢獻，但能提升炸藥的爆熱和做功能力。

爆熱隨鋁粉含量的變化見圖1。當炸藥中鋁粉的質量分數小于40%時，爆熱隨鋁粉含量的增加而增大；在鋁粉質量分數為40%左右時，爆熱達到極大值；此后，爆熱隨鋁粉質量分數的增加反而減??；這與文獻[2]給出的結果一致，鋁粉對爆熱提升貢獻的飽和度在鋁粉質量分數為40%左右，此時的鋁氧質量比為0.961。

圖1 爆熱與鋁粉質量分數之間的關系Fig.1 Relationship between detonation heat and mass fraction of Al powder

圖2 爆速與鋁粉質量分數之間的關系Fig.2 Relationship between detonation velocity and mass fraction of Al powder

2.2 不同氣氛環境對含鋁溫壓炸藥爆炸能量的影響

樣品3＃在不同氣氛環境下爆炸能量的測量結果見表3。從表3可知，氣氛條件對含鋁溫壓炸藥爆炸能量的釋放有非常大的影響。真空、氮氣、空氣和氧氣環境下試樣的爆炸能量依次增加。在0.1 MPa氮氣環境下，試樣的爆炸能量相對于真空環境提升了3.3%，兩種氣氛環境下炸藥都屬于無氧爆轟，且鋁粉與氮氣反應生成的AlN含量非常低[6]，由此可見，環境壓力的提高導致了含鋁溫壓炸藥爆炸能量的提升，外部壓力的作用在一定程度上促進了炸藥的爆轟反應以及鋁粉與爆轟產物的二次反應。

表3 不同氣氛環境下樣品3＃的爆炸能量Tab.3 Explosion energy of Sample 3＃in different atmosphere

在0.1 MPa空氣環境下，試樣的爆炸能量相比于0.1 MPa氮氣環境提升了8.4%，可見空氣中氧氣的存在使含鋁炸藥的爆炸能量得到提升。炸藥在爆熱彈中爆轟，生成的爆轟產物被限制在彈內狹小密閉的環境，空氣中的氧加入到炸藥的二次反應以及后燃燒反應當中，從而提高了含鋁溫壓炸藥的爆炸能量。

在1.0 MPa氧氣環境下，試樣的爆炸能量達到了16 362 J/g。利用理想氣體的狀態方程pV＝nRT，近似地求得彈體內部氧氣的含量約為0.49 mol，通過對試樣的計算得知，其完全氧化所需要的氧氣為0.24 mol，試樣在彈體內處于富氧環境。利用蓋斯定律求得該試樣的燃燒熱為17 078 J/g，1.0 MPa氧氣環境下試樣的爆炸能量與理論燃燒熱十分接近，誤差約為－4%，試樣在富氧環境下氧化完全。

3 含鋁溫壓炸藥爆炸能量構成

對于溫壓炸藥，其釋能過程可分為3個階段[7]，即爆轟反應階段、二次反應階段和后燃反應階段。從溫壓炸藥的3個釋能階段來看，溫壓炸藥的爆炸能量需要從3個方面進行討論，即溫壓炸藥的爆轟熱、爆熱和燃燒熱[8]。通過對能量參數的計算可以探究溫壓炸藥爆炸能量的組成結構，分析鋁粉作為含能添加劑對炸藥爆炸能量輸出結構的影響，為溫壓炸藥的配方優化設計提供參考。

3.1 爆轟熱

爆轟熱是炸藥在爆轟反應階段釋放的能量，這部分能量主要傳遞給爆轟波并維持其穩定傳播。炸藥的爆轟熱目前還無法通過實驗準確測量，但可以通過CJ爆轟關系式對爆轟熱進行求解[9]，兩者關系如下:

式中:QD為炸藥的爆轟熱，J/g；D為炸藥爆速，m/s；γ為炸藥多方指數。

多方指數γ可通過炸藥的組分以及初始密度進行計算:

式中:k為定壓比熱容與定容比熱容比值，即cp/cv，取1.25；Γ0為總絕熱指數；ρ0為混合炸藥的裝藥密度，g/cm3；ni為混合炸藥中i組分的物質的量，mol；Γ0i為混合炸藥中i組分的絕熱指數。

使用式(1)對含鋁溫壓炸藥的爆轟熱進行計算，多方指數通過式(2)、式(3)計算，爆速采用實測值，計算結果見表4。從計算結果來看，鋁粉的加入導致炸藥的多方指數增大，含鋁炸藥的爆轟熱隨著含鋁量的增加而減小。由二次反應理論和惰性熱稀釋理論可知，鋁粉在反應區是惰性的，在爆轟反應區會吸收部分能量，因此，鋁粉的相對含量越高，爆轟熱越小。

表4 含鋁溫壓炸藥的爆轟熱計算結果Tab.4 Calculation results of CJ detonation heat of aluminized thermobaric explosive

3.2 爆熱

爆熱是炸藥爆轟反應階段和二次反應階段釋放熱量的總和，是炸藥在不借助外界氧的情況下實際能夠釋放的能量。含鋁溫壓炸藥的爆熱可通過量熱實驗測得，炸藥在爆熱彈內無氧條件下爆轟，所測得的爆炸能量即視為爆熱。爆熱的理論計算主要依據蓋斯定律，計算方式如下:

式中:QV為炸藥的定容爆熱，J/g；∑ΔHf為物質的生成焓，J/g；ng為氣體產物總物質的量，mol；R為氣體普適常數；T為氣體溫度，K。

采用經驗方法[10]建立爆炸反應方程式，樣品爆熱計算結果見表5。從計算結果與實測數據的對比發現，當鋁粉質量分數低于20%時，計算結果與實測爆熱誤差較??；但誤差隨鋁粉質量分數的增加而逐漸增大，當鋁粉質量分數為30%時，相對誤差達到了21.57%。在建立爆炸反應方程式時采用了全氧氧化法，認為基體炸藥中的全部氧均用來將鋁粉氧化成Al2O3，當鋁粉質量分數較大時，實際爆炸過程無法滿足鋁粉對氧的充分利用，且鋁粉二次反應過程十分復雜，二次反應產物無法精確確定，導致計算誤差變大。根據理論計算，鋁粉質量分數在30%左右時，爆熱達到最大值，此時的鋁粉質量分數為獲得最大燃燒熱效應的理論加入量。

表5 含鋁溫壓炸藥的爆熱計算結果Tab.5 Calculation results of detonation heat of aluminized thermobaric explosive

3.3 燃燒熱及爆炸能量構成

燃燒熱QC是炸藥中的可燃元素均完全氧化的情況下所能釋放的最大能量，是衡量溫壓炸藥爆炸潛能的重要參數。分析樣品3＃在富氧環境下爆炸能量的測量結果，利用量熱法測量得到的含鋁溫壓炸藥在富氧環境下的爆炸能量接近于炸藥的燃燒熱。燃燒熱的計算仍然建立在蓋斯定律的基礎上，溫壓炸藥屬于負氧平衡炸藥，在建立燃燒反應方程式時，外界的供氧量需保證炸藥中的可燃元素被完全氧化。

溫壓炸藥由于其獨特的能量應用形式，除了滿足常規的爆轟性能要求外，燃燒熱應具有較大值。表6為實驗樣品的能量構成，其中，燃燒熱通過蓋斯定律求得。

從計算結果可知，鋁粉含量越高，溫壓炸藥的燃燒熱越大。從實驗樣品的能量構成來看，樣品的爆轟熱占燃燒熱的9.8%～26.4%，爆熱占燃燒熱的34.5% ～50.0%，且QD/QC和QV/QC都隨鋁粉含量的升高而降低。當炸藥的鋁粉質量分數低于40%時，隨鋁粉質量分數的提升，樣品的爆轟熱減小，爆熱和燃燒熱增加；當鋁粉質量分數超過40%時，鋁粉含量過高導致炸藥的爆熱出現下降趨勢。由此可見，鋁粉作為含能添加劑，對溫壓炸藥爆炸能量的輸出結構有非常大的影響，合理地分析溫壓炸藥爆炸能量構成，是含鋁溫壓炸藥配方設計的關鍵所在。

表6 含鋁溫壓炸藥的燃燒熱及能量結構Tab.6 Combustion heat and energy structure of aluminized thermobaric explosive

4 結論

1)RDX基含鋁溫壓炸藥的爆速隨著鋁粉含量的增加而減小，爆熱隨鋁粉含量增加表現出先增后減的趨勢。根據理論計算，獲得最大燃燒熱效應的鋁粉理論加入量在鋁粉質量分數30%(鋁氧質量比為0.614)左右；實際測試中，鋁粉質量分數在40%(鋁氧質量比為0.961)時爆熱達到極大值。

2)在不同氣氛環境下，同一配方含鋁溫壓炸藥的爆炸能量是不同的。環境壓力的提高會導致炸藥爆炸能量的提升；當氣氛環境中存在氧氣時，氧氣會加入到炸藥的二次反應以及后燃燒反應當中，提高炸藥的爆炸能量。富氧環境下測得的爆炸能量接近于炸藥的燃燒熱。

3)鋁粉作為含能添加劑，改善了炸藥爆炸能量的構成。本文中，對溫壓炸藥能量參數的測試和計算，提供了分析溫壓炸藥的爆炸能量輸出結構的一種手段，對優化溫壓炸藥的配方設計具有指導意義。