鋁粉含量對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遼寧慶陽特種化工有限公司(遼寧遼陽，111002)

②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

含鋁炸藥是混合炸藥，通過在單質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始于1900年，Roth[3]申請了炸藥中添加鋁粉以提高爆炸威力的專利。由于鋁粉優良的高熱值性能，含鋁炸藥在爆熱、爆溫等能量釋放特性上都會有很大提高。含鋁炸藥在爆轟反應區的反應機理被國內外學者廣泛研究[4-9]，但對其爆轟反應區的反應歷程仍沒有一套比較系統完整的理論。目前，國內外比較公認的含鋁炸藥的爆轟反應機理可整理為:惰性稀釋理論、化學熱稀釋理論及二次反應理論等[10]。

鋁粉在炸藥爆轟環境中發生燃燒反應可釋放大量熱能，但表達鋁粉在主體炸藥爆轟這樣一個高溫、高壓、高速運動環境中的燃燒行為仍然是一個懸而未決的問題。為了解決這一難題，需要研究人員判定鋁粉的反應時間和反應程度，考慮含鋁炸藥在爆炸反應過后鋁粉在有氧和無氧條件下發生燃燒反應的化學反應機制[11]。爆熱是表征含鋁炸藥的爆轟性能的重要參數之一，最大爆熱是含鋁炸藥配方設計的重要參考指標，現今主要通過計算配方的最大爆熱來進行含鋁炸藥的配方設計。同時，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密閉空間沖擊波的影響，測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，發現隨著鋁氧摩爾比的增加，準靜態壓力先升高、后降低，在鋁氧摩爾比為0.99時達到最大。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爆速和爆熱的影響，發現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于微米鋁粉。

含鋁炸藥是一種典型的非理想炸藥。為了系統地分析鋁粉含量對含鋁炸藥爆熱的影響規律，以指導含鋁炸藥配方設計，選擇黑索今(RDX)作為主體炸藥，設計了不同鋁氧摩爾比的RDX基含鋁炸藥配方。通過試驗對不同炸藥配方進行了爆熱測量，根據測量結果擬合得到RDX基含鋁炸藥的爆熱經驗計算公式。同時，分析了鋁氧摩爾比對RDX基含鋁炸藥爆熱的影響規律，旨在找到科學與實用的方法來評價或預估含鋁炸藥的能量輸出規律。

1 試驗部分

1.1 試驗樣品及制備

以RDX為主體炸藥，設計了一系列不同鋁粉含量的抗過載炸藥配方，具體配方組成見表1。試驗樣品均采用壓裝工藝制備，壓力為150 MPa。根據GJB 772A—1997方法701.1炸藥爆熱測試項目的要求，壓制成相應規格(?25 mm、25 g、帶8＃雷管孔)的試驗樣品。

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

1.2 試驗方法

爆熱測定方法參照GJB 772A—1997方法701.1絕熱法。原理為利用已知熱值的量熱標準物質(苯甲酸)測出爆熱熱量計的熱容量，在同一爆熱熱量計中進行試樣的爆熱測定。在爆熱彈內無氧環境中引爆樣品，以蒸餾水為測溫介質。當水溫升高之后，根據熱量計的熱容量和升溫值，即可求出單位質量試樣在給定條件下的爆熱。

2 結果與討論

2.1 爆熱計算

依據蓋斯定律計算爆熱的理論值。含鋁炸藥的放熱只與起始和終末狀態有關，與變化途徑無關。即只要確定炸藥爆轟過后的產物成分和原成分的生成焓，就可根據蓋斯定律精確得出炸藥的爆熱。計算方法如下:

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

此外，CaHbNcOdAleClf類型含鋁炸藥爆炸反應方程式:

根據蓋斯定律和爆炸反應方程式，計算CaHbNcOdAle類型含鋁炸藥爆熱的經驗公式為:

2.2 爆熱測試及計算結果

不同配方含鋁炸藥爆熱的實測值與計算值對比以及和其他爆炸參數計算值見表2。

由表2可以看出:蓋斯定律計算結果與經驗法計算結果基本一致；它們與爆熱實測值的測試偏差隨鋁氧摩爾比的增加呈先減小、后遞增的規律。

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

2.3 Al粉含量對炸藥爆熱的影響

含鋁炸藥的爆熱隨鋁氧摩爾比變化的規律與其爆轟反應機理有關。目前，含鋁炸藥爆轟理論認為，當含鋁炸藥發生爆轟時，組分中的鋁粉在C-J面上未發生反應或在C-J面上遠未反應完全，鋁粉與炸藥的爆轟產物進行二次反應，放出熱量。其主要的反應有:

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

通過擬合可以得到RDX基含鋁炸藥的爆熱與鋁氧摩爾比關系式。

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為擬合計算結果與實測值對比。圖1為擬合方程、蓋斯定律計算結果與實測值的對比；圖2為擬合方程計算偏差與蓋斯定律計算偏差的對比。

圖1 計算結果與實測值的對比Fig.1 Comparison between calculated results andmeasured values

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

表3 爆熱的擬合方程計算值與實測值對比Tab.3 Comparison of detonation heat between calculated results of fitting equation and measured results

由擬合方程計算值、蓋斯定律計算值與實測值對比，以及擬合方程計算偏差與蓋斯定律計算偏差對比可以看出，使用擬合后的方程來計算RDX基含鋁炸藥的爆熱效果更好。

由圖1和圖2可以看出:當鋁氧摩爾比在0.63～0.67之間時，蓋斯定律計算值與實測值相近；當炸藥配方中使用鋁粉的質量分數小于35%(鋁氧摩爾比0.8)時，隨著鋁粉質量分數的增大，反應體系的爆熱會逐漸增加；達到最大爆熱時，鋁粉的質量分數為35%。最大爆熱的計算值遠高于爆熱測量值。這是因為多出的鋁粉作為惰性吸熱物質出現在爆炸產物中，消耗大量的熱從而使含鋁炸藥的爆熱降低。當鋁氧摩爾比達到0.7～0.8(鋁粉質量分數為32%～35%)左右時，炸藥爆熱達到最大值，鋁氧摩爾比繼續增加，炸藥爆熱呈現出降低趨勢。

3 結論

選擇RDX作為主體炸藥，設計了不同鋁粉含量的RDX基含鋁炸藥配方，并通過試驗以及理論計算得到了不同炸藥配方的爆熱，主要研究結論如下:

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式規律變化；當鋁氧摩爾比在0.8(質量分數35%)附近時，爆熱達到最大。

2)對于RDX基含鋁炸藥，隨著鋁粉含量不同，蓋斯定律與經驗法計算值與實測值比較，計算值與實測值相比呈現先低后高的現象。

3)對于RDX基含鋁炸藥，當鋁氧摩爾比在0.63～0.67之間時，蓋斯定律計算值與實測值相近。