高氯酸銨包覆層對硼粉燃燒性能的影響

謝中元，周霖，王浩，趙凱，羅一鳴，張宏亮

(1.西安近代化學研究所，陜西西安710065;2. 北京理工大學 爆炸科學與技術國家重點實驗室，北京100081;3.中國兵器科學研究院，北京100089)

0 引言

高能炸藥一直是炸藥技術領域研究的永恒主題。作為高能炸藥的重要成員，含鋁炸藥自從德國首次提出以來，便在水下武器以及對空武器中得到了廣泛應用［1］。然而，隨著材料技術的發展，研究者發現鋁粉相對于硼、鈹等不占優勢，其中硼粉的體積熱為鋁粉的1.66 倍，具有明顯的優勢［2］。基于此，國內外逐漸開展了含硼炸藥的基礎應用研究［3-7］，研究結果表明，由于B2O3熔點較高，使得硼粉燃燒產生的B2O3容易覆蓋未反應硼粉的表面上，阻礙了硼粉的進一步燃燒，從而導致含硼炸藥性能較含鋁炸藥不占優勢。

采用高氯酸銨(AP)對硼粉進行包覆是提高硼粉反應完全性的一種有益探索，Liu 等［8］、王英紅等［9］、張教強等［10］、高東磊等［11］開展了AP 包覆硼(AP/B)復合粒子在推進劑中的應用技術研究，取得了良好效果，這為AP/B 復合粒子在炸藥中的應用提供了良好的借鑒。目前，國內對含硼炸藥的研究相對較少，基礎比較薄弱，為此，開展AP/B 復合粒子在炸藥中的應用基礎研究具有重要的實用價值。

本文通過AP/B 復合粒子制備、AP/B 復合粒子點火特性分析以及DNTF 基含AP/B 復合粒子炸藥爆轟參數測試，研究AP 包覆層對硼的燃燒性能的影響規律，為AP/B 復合粒子在炸藥中應用提供參考。

1 實驗

1.1 AP/B 復合粒子制備

文獻［12］采用溶劑蒸發法對硼粉進行包覆，具體操作過程為:

1)將2 g AP 加入到溶劑中，攪拌至AP 完全溶解;

2)加入4 g 硼粉，超聲分散20 min 左右，使硼顆粒均勻分散;

3)升高溫度、以10 g/min 的蒸發速率蒸發溶劑，獲得AP/B 比為1∶2的復合粒子;

4)真空干燥。

1.2 AP/B 復合粒子點火實驗

點火性能是反應材料燃燒性能的重要指標。本文利用CO2激光點火裝置(參見文獻［13］)采用對比實驗方法研究AP/B 復合粒子的點火延遲時間及燃燒特性。實驗共分3 組進行，第1 組為純硼粉點火實驗，共6 發，點火功率分別為10 W、16 W、23 W、33 W、45 W、60 W;第2 組為AP/B 復合粒子點火實驗，共6 發，點火功率分別為10 W、16 W、23 W、33 W、45 W、60 W;第3 組為AP 點火實驗，共2 發，點火功率分別為45 W、60 W. 其中，第1 組、第2 組硼粉粒徑相同，均為微米級，第3 組AP 為亞微米級。實驗測試時，點火裝置內部壓力設置為常壓，實驗樣品置于坩堝內部并放置于實驗裝置內部平臺中央，由CO2激光點火器按照不同的功率點火，同時實驗裝置記錄不同時刻光照強度值。

1.3 含AP/B 復合粒子炸藥制備與性能測試

為研究炸藥中AP 包覆層對硼粉反應完全性的影響，采用傳統熔鑄炸藥工藝，制備了2 種炸藥配方(見表1)。其中，配方1 與配方2 中AP 含量均為6.67%，硼含量均為13.33%，DNTF 炸藥均為80%;但是配方2 采用比例為1∶2的AP/B 復合粒子，而配方1 中AP 與B 分別加入。針對上述2 種炸藥配方按GJB772A—1997 中701.1 方法測定其爆熱值。

表1 炸藥配方Tab.1 Explosive formulation

2 實驗結果與分析

2.1 AP/B 復合粒子形貌分析

制備的AP/B 復合粒子樣品如圖1 所示，掃描結果如圖2 所示。為便于對比亦給出硼粉的掃描結果，如圖3 所示。

圖1 中可以看出，AP/B 復合粒子粒徑均勻，未出現結塊以及板結現象，宏觀上表明AP 實現了對硼顆粒的良好包覆。進一步對比圖2 與圖3 中的微觀實驗結果可以看出，AP 顆粒均勻析出于硼粉的表面上，且AP/B 顆粒直徑較純硼粉有一定增大現象，顯然，在采用溶劑蒸發法以及相應的溫度、攪拌時間等工藝參數控制措施后，AP 實現了對硼粉的較好包覆。

圖1 AP/B 復合粒子樣品Fig.1 Composite particle sample of AP/B

圖2 AP/B 復合粒子SEM 圖(×1 000)Fig.2 SEM picture of AP/B(×1 000)

圖3 硼粉SEM 圖(×5 000)Fig.3 SEM picture of B(×5 000)

2.2 AP 包覆層對硼點火性能的影響

AP/B 復合粒子在不同的點火功率下的點火特性曲線如圖4 所示，點火燃燒情況如圖5 所示。硼粉在不同的點火功率下的點火特性曲線如圖6 所示。AP 在不同的點火功率下的點火特性曲線如圖7所示，點火燃燒情況如圖8 所示。三者點火延遲時間(由點火強度上升段與水平段的交點而確定)對比如表2 所示。

圖4 中可以看出，對于不同的點火功率，AP/B復合粒子經一定的延滯期后，均產生了劇烈的燃燒反應，其燃燒產生的光照強度迅速躥升至最大值，這與圖5 中的劇烈燃燒情況相吻合。圖6 中可以看出，在不同的點火功率條件下，硼粉經過一定的延滯期后，燃燒產生的光照強度呈現緩慢增加的趨勢，但光照強度最大值明顯低于AP/B 復合粒子，表明硼燃燒過程緩慢。圖7 中可以看出，AP 點火后，光照強度有所增加，但仍不及AP/B 復合粒子反應劇烈，這可以從圖8 中的點火情況明顯看出。

圖4 AP/B 復合粒子點火特性曲線Fig.4 Ignition characteristic curves of AP/B composite particles at different ignition powers

圖5 AP/B 復合粒子點火燃燒情況Fig.5 Combustion characteristics of AP/B composite particles at different ignition powers

綜合圖4、圖6、圖7 的點火特性曲線可以看出，AP 包覆硼粒子技術可以改善了硼的燃燒性能，其燃燒反應較硼粉以及AP 更為劇烈。具體分析原因可知:AP 作為富氧含能材料，當其燃燒時易產生氧原子，從而使得硼粒子直接與氧元素接觸，提高了其反應完全性，另一方面，在AP/B 復合粒子的制備過程中，由于嚴格控制了溶劑的蒸發速率，使得AP 以小于1 μm 的粒徑均勻地包覆在硼粒子的表面上，致使AP 燃燒更為劇烈，提高了硼的反應溫度。

對比表2 中3 種粒子的點火延遲時間可以看出，AP/B 復合粒子與單質硼的點火延遲時間相差不大，只是在點火功率為10 W 時出現較大的差別，這主要是由AP 與硼的綜合作用而引起的。因此，采用AP 對硼顆粒進行包覆對硼的點火延遲作用不明顯，不影響AP/B 復合粒子在炸藥中的應用。

2.3 AP 包覆層對含硼炸藥爆轟參數的影響

圖6 硼粉點火特性曲線Fig.6 Ignition characteristic curves of pure boron at different ignition powers

表2 點火延遲時間Tab.2 Ignition delay time

圖7 AP 點火特性曲線Fig.7 Ignition characteristic curves of AP at different ignition powers

圖8 60 W 時AP 點火燃燒情況Fig.8 Combustion characteristic of AP at 60 W

DNTF 基炸藥爆熱測試結果如表3 所示。表3中可以看出，AP/B 復合粒子可明顯提高DNTF 基熔鑄炸藥體系的爆熱值，在相同配方條件下(見表1)，配方2 的爆熱較配方1 提高6.5% 以上，達到7 696 kJ/kg，顯然，采用AP 對硼粉進行包覆提高了硼粉在炸藥中的反應完全性。具體分析原因在于:

1)DNTF 炸藥不含氫［14］，且爆熱、爆溫高，有利于硼粒子反應完全;

2)AP 均勻的包覆在硼粒子周圍，當AP 反應時產生的氧原子直接與硼粒子接觸，提高了硼粒子反應完全性;

表3 DNTF 基含硼炸藥爆熱測試結果Tab.3 Test results of explosion heat of DNTF-based boron-containing explosives

3)包覆在硼粒子表面的AP 為亞微米級顆粒，有助于增加AP 的反應程度，從而進一步提高了硼粒子的反應溫度，使得硼粉反應更加完全。

3 結論

1)采用10 g/min 的溶劑蒸發速率控制技術，可制備包覆效果好的AP/B 復合粒子。

2)采用AP 對硼粉進行包覆可顯著提高硼的反應完全性，相比于AP 以及單質硼粉，AP/B 復合粒子燃燒反應更為劇烈。

3)DNTF 基含AP/B 復合粒子炸藥爆熱值相比于未經包覆處理的相同炸藥配方提高6.5%以上，表明采用AP 對硼粉進行包覆是提高含硼炸藥性能的可行技術途徑。

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