RDX 基含硼炸藥的能量特性

黃亞峰，王曉峰，趙東奎

（西安近代化學研究所，陜西西安710065）

引 言

可燃劑在發生氧化反應的過程中可以釋放出大量的熱量，因此，在炸藥中加入高熱值可燃劑能顯著提高炸藥的爆熱，其中鋁粉和硼粉是兩種高熱值可燃劑。目前，世界各國對含鋁炸藥開展了廣泛研究，取得了豐碩的成果［1－2］。由于硼的燃燒熱值比鋁約高1倍，因此近幾十年，含硼炸藥的研究成為國內外混合炸藥研究的熱點之一。Makhov［3］研究了含硼炸藥的爆熱，發現硼粉的加入可以顯著提高炸藥的爆熱；Stiel［4］研究了含硼炸藥的爆轟性能，結果表明當硼粉含量高時，硼會生成氮化硼和碳化硼等副產物；王浩［5］研究了DNTF基含硼炸藥與含鋁炸藥的水下能量，結果表明，當可燃劑質量分數低于18%，DNTF 基含硼炸藥能量高于含鋁炸藥；封雪松［6］研究了含硼鎂、硼鋁等復合金屬粉的金屬化炸藥水下爆炸能量，發現硼粉和鋁粉混合使用可以提高炸藥的水下爆炸總能量；任曉寧［7］研究了RDX基含硼炸藥的熱行為，結果表明硼粉、鋁粉和鎂粉的加入降低了RDX熱分解反應的表觀活化能和反應速率。

本實驗通過測試RDX 基含硼炸藥的爆熱、水下爆炸能量和作功能力，研究了硼粉含量對RDX基含硼炸藥能量特性的影響規律，分析了含硼炸藥幾種性能之間的內在聯系。

1 實 驗

1．1 樣品及儀器

RDX，Ⅱ類，甘肅銀光化學工業集團有限公司；硼粉，平均粒度為3．5μm，活性98．42%，遼寧營口遼濱精細化工有限公司；乙烯－醋酸乙烯共聚物（EVA），上海化工研究所。

JR－5型爆熱儀，其中測溫儀為Fluke5416 型，精度為1%；美國PCB 公司PCB138A 自由場傳感器，靈 敏 度 為6．937MPa／V，壓 力 測 量 范 圍為0～69MPa。

1．2 樣品制備

在60℃水浴環境下，將黏結劑EVA 完全溶解于一定量的石油醚中；然后依次加入RDX 和硼粉，攪拌均勻；溶劑揮發至物料呈拉絲狀時，出料、過篩造粒和烘干即得造型粉；將造型粉壓制成Ф25mm、Ф30mm 藥柱。

1．3 爆熱測試

按照GJB772A－1997方法701．1測試爆熱。精確稱量Ф25mm 的炸藥藥柱25g，然后將其在內部體積為5．8L的爆熱彈內引爆，以16．5L 的蒸餾水作為測溫介質，采用測溫儀實時跟蹤測量水溫，根據用苯甲酸標定的爆熱彈系統的熱容值及溫升值求出單位質量實驗樣品的定容爆熱值。

1．4 水下能量測試

實驗所用水池直徑為3．2m，水深為2．4m。將傳感器放置于距離Ф30mm 藥柱0．9m處。藥柱質量為（30．00±0．05）g，放置于水下1．6m處。每個樣品做兩發實驗，每發藥柱取兩組數據，計算得到炸藥的沖擊波能、氣泡能和水下爆炸總能量。

1．5 作功能力測試

按 照GJB772A－1997 方 法705．1 測 試 作 功能力。

2 結果與分析

2．1 硼粉含量對RDX 基含硼炸藥爆熱的影響

不同硼粉含量的RDX 基炸藥爆熱測試數據見表1。

由表1可以看出，含硼炸藥的爆熱隨著硼粉含量的增加而增大，當硼粉質量分數為20%時，含硼炸藥的爆熱達到最大值7 162kJ／kg，此時硼氧比為0．87。然后隨著硼粉含量的增加，爆熱呈下降趨勢。按照金屬化炸藥二次反應理論，炸藥中的氧用來氧化金屬粉。含硼炸藥中的氧用來將硼氧化生成B2O3，理論上在硼氧質量比為0．67時，爆熱應為最大值；實際上在硼氧質量比為0．87時，含硼炸藥的爆熱達到最大值。這是因為硼粉的氧化反應過程及氧化產物比較復雜，在生成B2O3的過程中還有B2O2、HBO2等產物生成，而B2O2、HBO2的標準摩爾生成焓都較B2O3低，其綜合作用使含硼炸藥的最大爆熱值不是出現在理論的硼氧比。

表1 RDX 基含硼炸藥爆熱測試結果Table 1 Test results of heat of detonation for RDX－based boron－contained explosive

2．2 RDX 基含硼炸藥的水下爆炸能量

含硼炸藥的水下爆炸能量測試結果見表2。由表2可以看出，在硼粉含量較少時（8%～12%），含硼炸藥的沖擊波能隨著硼粉含量的增加而增加，當硼粉質量分數為12%時，沖擊波能達到最大，然后隨著硼粉含量增加而緩慢降低；含硼炸藥的氣泡能隨著硼粉含量的增加而增加。

表2 含硼RDX 基炸藥的水下能量測試結果Table 2 Test results of underwater energy for RDX－based boron－contained explosive

將硼粉含量（8%～20%）與氣泡能數據進行線性擬合，結果見圖1。由圖1可以看出，在硼粉質量分數低于20%時，含硼炸藥氣泡能與硼粉含量呈線性相關，其相關度達到0．998 63。

炸藥的水下爆炸總能量是沖擊波能和氣泡能之和，因沖擊波從裝藥傳播到傳感器時有一部分能量損失，同時由于高溫氣體與水之間存在的溫度差也會有部分的能量損失。另外，裝藥的形狀和尺寸對水下爆炸總能量也有影響，因此炸藥的總能量需要校正，其計算式如下［8］：

式中：E0為炸藥的水下爆炸總能量，MJ／kg；kf為裝藥校正因子；μ 為沖擊波損失因子。

圖1 硼含量與氣泡能的關系曲線ig．1 Relation curves of boron content and bubble energy

對于炸藥尺寸為Φ30mm 的圓柱形藥柱，且又在同一個水域中進行水下實驗，公式中的kf、μ 為常數，所以在實際分析炸藥水下爆炸總能量時直接將炸藥的沖擊波能和氣泡能加和。含硼炸藥水下爆炸總能量結果見表2。

由表2可知，含硼炸藥水下爆炸總能量隨著硼粉含量的增加而增大，將硼粉含量與水下爆炸總能量進行線性擬合，結果見圖2。由圖2可知，在硼粉質量分數低于20%時，含硼炸藥水下爆炸總能量與硼粉含量呈線性相關，其相關度達到0．996 59。

圖2 硼含量與水下總能量關系曲線Fig．2 Relation curves of boron content and underwater total energy

炸藥水下爆炸總能量與其爆熱之間存在一定的關系：Qv＝γE0，式中：γ 為一常數，其大小與水下實驗時炸藥能量的損失多少有關。

將硼粉質量分數為20%內的含硼炸藥爆熱與水下爆炸總能量進行數據處理，結果見圖3。由圖3可知，在硼粉質量分數低于20%時，含硼炸藥的爆熱與水下爆炸總能量呈線性相關，其相關度達到0．995 47，關系式為Qv＝2 397．48＋1．02（Es＋Eb）。

2．3 RDX 基含硼炸藥的作功能力

RDX 基含硼炸藥的作功能力測試結果見表3。

圖3 爆熱與水下爆炸總能量的關系曲線Fig．3 Relation curves of heat of detonation and underwater total energy

表3 RDX 基含硼炸藥的作功能力Table 3 Work capacity for RDX－based boron－contained explosive

由表3可知，在RDX 基炸藥中加入硼粉可以提高炸藥的作功能力，當硼粉質量分數為10%時，RDX 基含硼炸藥的作功能力達到最大值，為1．649倍TNT 當量，然后隨著硼粉含量的提高，炸藥的作功能力緩慢下降。

3 結 論

（1）RDX 基炸藥中加入硼粉后，可以明顯提高炸藥的爆熱、水下爆炸能量和作功能力。

（2）硼粉質量分數為8%～25%時，RDX 基含硼炸藥爆熱先隨硼粉含量的增加而增大，硼粉質量分數為20%時，爆熱達到最大值7 162kJ／kg，然后隨硼粉含量的增加而減小。

（3）硼粉質量分數為8%～20%時，RDX 基含硼炸藥的氣泡能和水下爆炸總能量隨硼粉含量增加而增大。

（4）硼粉質量分數為8%～15%時，RDX 基含硼炸藥的作功能力先隨硼粉含量的增加而增大，當質量分數為10%時，作功能力達到最大值1．649倍TNT當量，之后作功能力隨硼粉含量的增加而緩慢降低。

［1］ 王曉峰．軍用混合炸藥的發展趨勢［J］．火炸藥學報，2011，34（4）：1－4． WANG Xiao－feng．Developmental trends in military composite explosives［J］．Chinese Journal of Explosives and Propellants，2011，34（4）：1－4．

［2］ 孫業斌，惠君明，曹欣茂．軍用混合炸藥［M］．北京：兵器工業出版社，1995．

［3］ Makhov M．Explosion heat of boron－containing explosive compositions［C］∥Proc 35th Intern Annual Confer of ICT．Karlsruhe：ICT，2004，55：1－10．

［4］ Stiel L I，Baker E L，Capellos C．Jaguar procedures for detonation behavior of explosives containing boron［J］．Shock Compression of Condensed Matter，2009：448－451．

［5］ 王浩，王親會，金大勇，等．DNTF 基含硼和含鋁炸藥的水下能量［J］．火炸藥學報，2007，30（6）：38－40．WANG Hao，WANG Qin－hui，JIN Da－yong，et al．Underwater energy of DNTF based boron－contained and Aaluminum－contained explosive ［J］． Chinese Journal of Explosives and Propellants，2007，30（6）：38－40．

［6］ 封雪松，趙省向，刁小強，等．含硼金屬炸藥水下能量的實驗研究［J］．火炸藥學報，2009，32（5）：21－24．FENG Xue－song，ZHAO Sheng－xiang，DIAO Xiaoqiang，et al．Experimental research of underwater energy of explosive containing boron／metal［J］．Chinese Journal of Explosives and Propellants，2009，32（5）：21－24．

［7］ 任曉寧，邵穎慧，劉子如，等．硼金屬化RDX 基炸藥的熱行為［J］．火炸藥學報，2012，35（3）：47－51．REN Xiao－ning，SHAO Ying－hui，LIU Zi－ru，et al．Thermal behavior of boron metalized RDX－based explosives［J］．Chinese Journal of Explosives and Propellants，2012，35（3）：47－51．

［8］ 黃亞峰．復合金屬化炸藥及其能量釋放機理研究［D］．西安：西安近代化學研究所，2004．