含鋁纖維復合炸藥的能量輸出和力學強度*

廖學燕,沈兆武,姚保學,董樹男,馬宏昊,蔣耀港

(1.中國科學技術大學近代力學系,安徽 合肥230026;2.西安近代化學研究所,陜西 西安710065)

鋁作為高熱值和低成本的金屬,通常以粉末的形式被加入到炸藥中,以提高炸藥的爆熱、沖擊波效應和水中氣泡能等效果。但是鋁粉在炸藥中是潛在的熱點,當炸藥受到沖擊的時候,鋁粉就成為熱點[1],導致炸藥的感度提高。近年來,隨著納米技術的發展,納米鋁粉對炸藥的能量影響成為關注的熱點[2-3]。鋁粉顆粒越細,燃燒反應越快,而爆轟前鋁表面氧化層所占的比例越大,導致活性鋁的含量越低,鋁的有效利用率也就越低。Alex 鋁(100 ～200 nm)活性鋁含量只有85%～88%[4],普通鋁粉活性鋁含量大于99%;納米鋁粒徑從50 nm 減小到20 nm,納米鋁粉反應放熱從3.721 kJ/g 減少到0.928 kJ/g[5]。如何提高鋁比表面積,同時保證鋁的活性度,就成為重要的問題。碳纖維對無殼藥柱力學性有一定的增強作用,加入碳纖維的藥柱壓縮強度由原來的1.244 5 kg/mm2提高到1.966 7 kg/mm2[6]。但是碳纖維對彈藥能量貢獻不大。

本文中,將鋁纖維加入炸藥,制備含鋁纖維復合炸藥,同時探討炸藥能量輸出問題和力學強度問題。一方面,在炸藥爆炸前,鋁纖維作為纖維增強材料,能對炸藥基體起到增強作用,實現力學強度增強;另一方面,在炸藥爆轟時,爆轟產物高溫、高壓作用下,鋁纖維被撕裂成小單元顆粒,裸露出大量的沒氧化層的“新鮮”表面。這些“新鮮”表面在爆轟產物中快速燃燒釋放出大量的熱量,從而實現對炸藥能量輸出的提高。通過空中爆炸沖擊波超壓實驗,研究鋁纖維對炸藥能量輸出的影響;通過抗壓實驗,研究鋁纖維對炸藥抗壓強度的影響。

1 理論分析

含鋁炸藥因為有鋁粉參加反應:一方面,含鋁爆炸反應非常復雜,理想爆轟模型已經不適用;另一方面,復合炸藥對炸藥組分、鋁粉形狀和尺寸、約束條件、炸藥尺寸等影響因素很敏感。加上炸藥爆轟本身高溫、高壓、高速等特點,含鋁炸藥爆轟的研究很困難,至今未能得出統一的結論。J.M.Philip[7]將含鋁炸藥的爆轟反應分成2 個階段:第1 個階段(CJ 反應區內),含鋁炸藥的炸藥組分爆轟分解,生產爆轟產物,并釋放大量熱量,有少部分鋁參與第1 階段的反應;第2 階段(CJ 面后),Al 在高溫高壓的條件下與和等爆轟產物快速燃燒,形成最終產物并釋放大量的熱量。含鋁炸藥輸出總能量為

式中:Ee為復合炸藥爆炸所釋放的質量總能量;ECH 為炸藥組分釋放的質量能量;w CH 為炸藥組分質量分數為復合炸藥中鋁的初始質量分數;λA l為鋁的反應度;QAl為鋁反應生產的質量熱量。對于相同組分的含鋁炸藥,QAl和ECH相等,因此改變鋁的質量分數wAl和反應度λAl,就可以改變含鋁炸藥的能量輸出[8-9]。鋁對爆炸作用的影響不但和鋁釋放的總能量有關,而且還與鋁能量釋放的速度有關,單位時間內鋁反應的質量為[10]

式中:ρA l為鋁的密度,SP 為鋁的表面積,N P 為鋁的體積顆粒數,﹒a 為鋁燃燒面速度,T G 為爆轟產物的溫度,T*為的熔化溫度。為海氏函數,當時,,否則,H(TGT*)=0。假定在相同條件下,)為常數,若要提高﹒mAl,可以改變SP、N P,即改變鋁表面積。直接的方式是減小鋁顆粒的粒徑,如超細鋁粉、納米鋁粉,但研究結果卻有較大差異[2-3]。其中的一個重要原因是,鋁顆粒越細,表面被氧化的鋁含量就越大,活性鋁的含量就越低。A lex 鋁含活性鋁只有85%～88%[5],納米鋁粒徑從50 nm 減小到20 nm,納米鋁粉反應放熱從3.721 kJ/g 減少到0.928 kJ/g[6]。因此為了有效提高鋁的質量反應速度,不僅要求鋁的比表面積大,而且要求鋁活性度高。

為了解決上述矛盾,本文中用鋁纖維取代傳統的鋁顆粒,制得含鋁纖維炸藥。一方面,在爆轟前,鋁纖維避免了表面積過大,導致的活性鋁含量過低的問題。因為相同質量的纖維狀鋁的表面積小于顆粒狀鋁,鋁纖維氧化層的面積小于鋁顆粒。另一方面,爆轟反應時,鋁纖維迅速斷裂成小尺寸鋁顆粒,增加了大量的燃燒表面,因此鋁能快速燃燒釋放熱量,以提高復合炸藥總能量。因為炸藥爆轟時,炸藥組分先反應,生成高溫、高壓和高速湍流的中間產物,把鋁纖維迅速粉碎成小尺寸的鋁顆粒,提高了鋁纖維的比表面積,鋁的質量反應速度也提高;同時鋁纖維斷裂處會裸露出沒有氧化層的“新鮮”表面,這些“新鮮”表面燃燒速度高于有表面氧化層包裹的鋁。

根據纖維增強機理,合理地加入纖維能增強基礎材料的力學性能。在炸藥中加入鋁纖維,可提高炸藥的強度。在炸藥爆轟前,鋁纖維作為增強纖維材料,可以在炸藥內部起到橋連作用,使鋁纖維和炸藥形成一個復合整體,改善復合炸藥的成型效果;當含鋁纖維炸藥受到外界應力時,鋁纖維和炸藥形成一個復合整體產生協同作用,提高炸藥的力學強度。

2 炸藥制備

原料有 TNT、RDX、添加劑和鋁纖維,將原料按一定配比加工成藥柱。鋁纖維的等效直徑80 μs、長度2 mm。炸藥配方和藥柱參數見表1。

表1 炸藥配方和藥柱參數Table 1 Formulations of explosives

3 空中爆炸沖擊波超壓實驗

3.1 空中爆炸實驗設備

實驗裝置如圖1 所示,主要設備有爆炸容器、壓電式壓力傳感器、電荷放大器、示波器和起爆器。爆炸容器尺寸為?2.4 m×5 m,鋼板壁厚7 cm。傳感器與藥包固定在爆炸容器中軸線上,水平距離為94 cm。雷管為無起爆藥導爆管雷管,RDX 藥量1 g。實驗設定信號采樣頻率為5 M Hz,采樣時間為50 ms。

圖1 實驗裝置Fig.1 Experimental system

3.2 實驗結果

實驗測得的壓力時程曲線如圖2 所示。炸藥的沖擊波壓力峰值見表2。

圖2 壓力時程曲線Fig.2 Curves of pressure

表2 空中爆炸實驗結果Table 2 Experimental results of air blast

根據爆炸相似理論[11]

式中:pm 為空中沖擊波超壓峰值,MPa;R 為考慮點到爆心的距離,m;W 為炸藥質量,為炸藥A 爆熱與TN T 爆熱的比值;令,根據實驗可以擬合得到球形藥包在空中點爆炸的沖擊波超壓峰值經驗公式[11]

實驗中,測點到爆心的距離與炸藥半徑比為38,可以將炸藥近似為球形。20、50 g 的TNT 在94 cm 處時,1/φ分別為3.46、4.2,滿足式(4)適用范圍,計算結果見表2。

從圖2 和表2 可以看出,加入鋁纖維后,能提高TN T 和RDX 炸藥空中爆炸的沖擊波超壓:TN T的超壓峰值增加至純TN T 的1.19 倍,爆熱提高至原來的1.29 倍;RDX 的超壓峰值提高至純RDX 的1.20 倍,爆熱提高至TN T 的1.64 倍,RDX 的1.31 倍。鋁纖維能有效提高炸藥的能量輸出,可以認為:在爆轟時,炸藥組分先反應,產生的高溫、高壓和不穩定流場將鋁纖維粉碎成小尺寸鋁顆粒,鋁纖維斷裂處裸露出沒有氧化層包裹的“新鮮”表面,這些“新鮮”表面與爆轟產物一接觸即發生快速燃燒,釋放大量的熱量,提高了炸藥的總能量。

4 力學強度實驗

TN T 和TN T/Al 纖維試件尺寸為?42.5 mm×38.5 mm,采用WDW4100 型萬能試驗機,加載速度為0.8 mm/min。TN T/Al 纖維的應力應變曲線如圖3,未測得TN T 應力應變數據。試件破壞效果如圖4。

TN T 澆鑄成型冷卻后,出現明顯的不規則孔隙,當試件被加載時,裂紋擴展,直到試件被破壞,破壞應變一般為0.007[12],破壞的TNT 試件分裂出許多大塊TNT 碎片,表現出明顯的脆性。TN T 中加入鋁纖維后,鋁纖維在TNT 內起到連接作用,炸藥形成一個復合整體,澆鑄藥柱沒有發現孔隙。鋁纖維改善了TN T 的成型效果。從圖4 可以看出,初始階段試件被壓實,被壓實以后,承載能力提高,接著塑性加載到最大抗壓6.87 MPa,應變為0.043,然后試件沒有立即碎裂卸載,而是出現平緩卸載階段。應變到0.06 時試件仍沒出現純TNT 似的破碎解體,呈現出較好的韌性。實驗結束時,試件中出現一條明顯的裂縫,裂縫與中軸線成約45°。可見,鋁纖維提高了TN T 炸藥的成型效果和整體力學強度。

圖3 TNT/Al 纖維試件應力應變曲線Fig.3 Stress-strain curve of TNT/Al fibre

圖4 破壞效果圖Fig.4 Failure patterns

5 結 論

(1)用鋁纖維代替鋁顆粒制備復合炸藥,可以解決鋁比表面積和活性度的矛盾。對相同直徑的鋁纖維和鋁顆粒,爆轟前,鋁纖維比表面積較小,解決了鋁活性度的問題。爆轟反應時,鋁纖維迅速斷裂成小尺寸鋁顆粒,比表面積得到迅速提高,確保了鋁的反應速率。

(2)鋁纖維能有效提高炸藥的能量輸出。加入Al 纖維(w A l=0.20)后,TN T 超壓峰值增加為純TN T 的1.19 倍,爆熱提高為純TN T 的1.29 倍;RDX 超壓峰值提高為純RDX 的1.20 倍,爆熱為TN T 的1.64 倍,是RDX 的1.31 倍。

(3)鋁纖維加入炸藥,可以對炸藥起到纖維增強的作用,使炸藥形成一個復合整體,能改善炸藥整體成型效果。

(4)鋁纖維在炸藥內起到有效的連接作用,與外界應力產生協同作用,得到纖維增強復合炸藥,提高炸藥的力學強度。

簡單加入鋁纖維,同時提高了炸藥的能量輸出和力學強度,可以為設計現代高性能炸藥提供一個新的方向。下一步可以通過改變鋁纖維的直徑、長徑比和含量,尋找合適的含鋁纖維炸藥配方。

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