硼含量對燃料空氣炸藥爆炸性能影響的試驗研究

徐敏瀟， 劉大斌， 徐森

(南京理工大學 化工學院， 江蘇 南京 210094)

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硼含量對燃料空氣炸藥爆炸性能影響的試驗研究

徐敏瀟， 劉大斌， 徐森

(南京理工大學 化工學院， 江蘇 南京 210094)

為了解硼含量對燃料空氣炸藥爆炸性能的影響規律，將硼粉和鋁粉作為高能金屬燃料混合添加到燃料空氣炸藥(配方體系為鋁/硼/環氧丙烷/石油醚/硝酸異丙酯)中，采用靜爆試驗法，對含硼量不同的燃料空氣炸藥爆炸超壓、沖量及熱效應進行研究。研究結果表明：隨著燃料空氣炸藥中硼含量的增加，炸藥的沖擊波超壓、超壓沖量和熱效應均先增大、后減小；當硼含量為12.5%時，炸藥的地面沖擊波超壓沖量為112.51 KPa·s，比含鋁樣品高6.16%,空中沖擊波超壓沖量為63.42 KPa·s，比含鋁樣品高5.16%；當硼含量為12.5%時，最高爆炸溫度是1 650 ℃，比含鋁樣品提高20 ℃，最大熱輻射量為68.266 kJ/m2,比含鋁樣品的最大熱輻射量提高約7.14%. 在含鋁燃料空氣炸藥中添加少量硼粉，可以提高炸藥的整體能量水平。

兵器科學與技術； 硼； 沖擊波超壓； 超壓沖量； 最大熱輻射量

0 引言

追求炸藥的高能量一直是各國在研制炸藥過程中考慮的一個重要因素，炸藥能量水平的高低與其采用的高能成分的能量水平密切相關。除了高能單質炸藥之外，在炸藥中加入適量的金屬粉(從而構成“金屬化炸藥”)能夠顯著提高炸藥的能量[1]。目前已經有多種含金屬粉炸藥在各國的武器彈藥中得到了應用。

燃料空氣炸藥作為一種非凝聚相炸藥，其殺傷破壞作用主要依靠爆轟作用，空氣沖擊波、熱毀傷及窒息作用。向燃料空氣炸藥中添加金屬粉末是提高其能量最常用的方法，金屬粉末在加熱狀態下點燃并釋放大量的能量，不僅能提供爆炸初始階段的沖擊波能量，還能大大提高爆炸后的熱效應[2-3]。目前，在炸藥中應用的金屬粉當中，研究和應用最多的是鋁粉，鋁粉的添加能夠有效地提高炸藥的能量[4]。鋁粉是目前在炸藥中應用較為廣泛的金屬粉，除了鋁粉以外還有很多具有高能量密度的金屬粉，例如硼等[5]。但關于硼粉等其他金屬粉在炸藥中使用的研究報道相對較少。從熱力學角度看，硼的理論燃燒熱要比鋁的理論燃燒熱高很多，硼的質量熱值為鎂的2.3倍、鋁的1.9倍，體積熱值為鎂的3.09倍、鋁的1.66倍，理論上硼粉相對于目前廣泛使用的鋁粉能夠進一步提高炸藥的能量水平[6-7]。Makhov等[8]研究指出在炸藥中加入硼粉可以顯著提高炸藥的爆熱；黃亞峰等[9]研究指出，硼粉含量(質量分數)為8%～20%時，混合炸藥的爆熱與硼粉含量之間存在線性關系，硼粉能夠提高混合炸藥的爆熱；封雪松等[10]研究了含硼炸藥的水下能量，當硼粉和鋁粉混合使用時，可提高硼粉氧化效率和炸藥總能量。但以上文獻中，均沒有考慮在燃料空氣炸藥這種云爆劑中添加硼粉作為金屬燃燒劑的情況。燃料空氣炸藥的威力評價一般采用爆炸場效應法，該方法主要利用沖擊波峰值超壓Δp、正壓持續時間t+和比沖量I3個參數表征沖擊波的毀傷作用[11]。結合硼的熱值高，但存在熔點高、點火困難及燃燒效率低的問題[12]，本文以硼粉和鋁粉混合作為金屬燃燒劑，石油醚為燃料油，硝酸異丙酯為敏化劑，通過二次起爆型燃料空氣炸藥靜爆場試驗方法研究硼含量對含金屬粉燃料空氣炸藥能量的影響，確定燃料空氣炸藥綜合爆炸威力最大時候硼的添加量。

1 試驗原理

燃料空氣炸藥在空中爆炸屬于分布爆炸，其反應實質是燃料蒸汽或金屬粉粒與空氣中的氧氣發生的劇烈氧化反應。由于燃料空氣炸藥拋灑云霧占有一定的體積并形成特有的云霧爆轟區，在云霧區及其邊界附近壓力比較穩定，并不因為距離的變化而衰減，這和爆炸相似律是相違背的。但是在距離云霧爆轟區較遠的中、遠場，燃料空氣炸藥爆轟產生的超壓和普通炸藥一樣，服從空中爆炸相似律[13]。

Cook等[14]認為，含鋁炸藥爆轟時在Chapmen-Jouguet面之前鋁粉并不參加化學反應，即使鋁粉參與了化學反應，但在達到Chapmen-Jouguet面時也遠遠沒有反應完全。鋁粉的反應是在Chapmen-Jouguet面之后，當爆轟產物膨脹時才逐漸完成的。由于燃料空氣炸藥中的燃料反應速度要慢于普通炸藥，且部分燃料燃燒時間較長，因而燃料空氣炸藥爆炸反應速度比高能炸藥緩慢復雜，持續時間長，燃料空氣炸藥爆炸沖擊波具有中心超壓較低、沖擊波超壓隨距離衰減緩慢且在云霧區超壓比較穩定、正壓作用時間長的特點。

燃料空氣炸藥可以通過爆炸場沖擊波超壓，沖擊波超壓沖量及熱效應來衡量其爆炸能量。

1.1 沖擊波超壓

沖擊波壓力峰值超壓Δp指的是空氣沖擊波到達時刻超過環境壓力的超壓峰值：

Δp=pmax-p0，

(1)

式中：p0為環境壓力。

1.2 超壓沖量

正壓作用時間t+是指超壓從環境壓力升高到它的正超壓峰值后再回復到環境壓力所需要的時間。

正超壓沖量I的定義為

(2)

1.3 熱輻射量

燃料空氣炸藥熱輻射破壞符合Q準則，如果將熱輻射功率對時間t進行積分，就可以得到炸藥從點火到火球熄滅(火球的可見光消失)過程中，火球表面單位面積的熱輻射量q，即

q=∫εδT4dt,

(3)

式中：δ為斯蒂芬·波爾茨曼常數，δ=5.67×10-8W/(m2·K4)；T為物體的實際溫度；ε為灰體表面比輻射率。

為了便于研究火球的熱輻射毀傷效應，本文只計算可能通過爆炸火球表面單位面積的最大熱輻射量qmax，其公式為

(4)

式中：Tmax是指某一時刻爆炸火球表面的最高溫度[15]。

2 試驗樣品及設備

2.1 試驗樣品

試驗用燃料空氣炸藥配方為Al/B/環氧丙烷(PO)/石油醚/硝酸異丙酯(IPN)(硼的比表面積為3.5～5 m2/g，D50為3 μm；鋁粉為4號片狀鋁粉)。將1 040 g燃料空氣炸藥裝配到彈體(殼體為硬聚氯乙烯(UPVC)質圓管形,高度200 mm，直徑170 mm，彈壁厚度3 mm)中，以50 g鈍化黑索今(RDX)藥柱(直徑25 mm，高度60 mm)作為傳爆藥柱，采用8號工業雷管進行起爆。固定炸藥配方中金屬粉的總質量分數不變，調整其中硼和鋁的添加量見表1.

表1 樣品組分及配比Tab.1 Composition and content of sample

2.2 測試儀器及試驗布置

超壓測試裝置采用高頻響應自動化數字測量系統，主要由瑞士Kister公司產石英壓電壓力傳感器、國產5358 型電荷放大器、JV5201型瞬態波存儲儀及控制系統組成。利用Micronscan 7200紅外熱成像系統記錄的爆炸溫度場圖像和數據[16]。

試驗場的現場布置如圖1所示。以爆心為起點的呈45°兩條力學線分別布置了測量地面超壓和空中超壓的傳感器，在距離炸點1.5 m處分別布置2次起爆藥柱，在距離炸點25 m處的防護裝置后布置了高速攝像儀和紅外熱成像儀。壓力傳感器布置見圖1.

圖1 壓力傳感器布置示意圖Fig.1 Layout diagram of pressure sensors

3 試驗結果及分析

3.1 超壓及超壓沖量試驗

在室外靜爆場，按照圖1示意圖進行場地布置，對1號～6號樣品靜爆場爆炸試驗，每種樣品平行測試3次，取平均值。各樣品沖擊波超壓測試結果分別見表2和表3，沖擊波沖量測試結果分布見表4和表5.

表2 地面反射沖擊波超壓測試結果Tab.2 Test results of ground reflected shockwave overpressure MPa

表3 自由場沖擊波超壓測試結果Tab.3 Test results of shock wave overpressurein free field MPa

表4 地面反射沖擊波沖量測試結果Tab.4 Test results of ground reflected impulse kPa·s

表5 自由場沖擊波沖量測試結果Tab.5 Test results of impulse in free field kPa·s

從表2地面反射沖擊波超壓測試結果和表3自由場沖擊波超壓測試結果可知，按照1號樣品到6號樣品的順序，樣品的靜爆場爆炸沖擊波超壓呈逐漸增大的趨勢，從表4和表5可以看出靜爆場沖擊波沖量呈先增大再減小的趨勢。也就是含純鋁粉的樣品爆炸時產生的沖擊波超壓高于含硼鋁混合物的樣品爆炸時產生的沖擊波超壓。5號樣品爆炸產生的沖擊波沖量值最大，即當硼鋁混合物中硼的質量百分含量為12.5%時(5號樣品)，樣品的地面反射沖擊波沖量最大值為112.51 KPa·s，比含純鋁樣品的地面反射沖擊波沖量提高約6.16%；樣品的自由場沖擊波沖量最大值為63.42 KPa·s，比含純鋁樣品的自由場沖擊波沖量提高約5.16%. 隨著硼粉質量分數的降低直到0，樣品的沖擊波超壓值有所降低，而沖擊波沖量值卻有所提高。這是由于硼粉的自身氧化速度和氧化效率與鋁粉相比較低，在硼粉含量較高的情況下，有大量的硼粉因為熔點高、反應速度慢及表面氧化形成的氧化物堆積，引起反應中斷不能充分參與反應，導致燃料空氣炸藥的沖擊波能量降低。在硼鋁混合物中鋁粉含量較高的情況下，鋁粉燃燒釋放大量的熱量能夠加大硼粉在爆轟過程中的氧化速率和氧化效率，但硼粉對沖擊波超壓的貢獻仍低于鋁粉，只能通過后燃反應期間產生的能量減緩空氣中沖擊波的衰減，來提高產生的沖擊波沖量。因此，金屬粉中加入硼粉并不利于燃料空氣炸藥沖擊波超壓的提高，但在合適的配比下，硼粉較長時間的后燃反應及較高的能量釋放有利于提高燃料空氣炸藥的沖擊波超壓沖量。

3.2 熱毀傷效應

通過Micronscan 7200紅外熱成像系統分別對每種樣品爆炸過程中的火球紅外輻射能量進行記錄。圖2為樣品爆炸過程中紅外熱成像系統拍到的火球紅外熱成像圖，圖中有兩條互相垂直的直線，圖3上各點分別代表不同樣品爆炸產生的火球在兩條直線上的最高爆炸溫度。

圖2 火球表面紅外成像圖Fig.2 Infrared imaging of fireball

圖3 樣品最高爆炸溫度Fig.3 Maximum blast temperature of sample

從圖3及表6的測試結果可以看出，將硼鋁混合物添加到燃料空氣炸藥中，隨著硼含量的降低，云霧爆轟過程中產生的溫度場最高爆炸溫度和最大熱輻射量呈增大趨勢。當硼的含量降到12.5%時(5號樣品)，樣品的最高爆炸溫度為1 650 ℃，最大熱輻射量為68.266 kJ/m2,比純鋁樣品的最大熱輻射量提高約7.14%.

表6 樣品最大熱輻射量Tab.6 Maximum thermal radiation of sample

結合Cook等的對含鋁炸藥爆轟的看法以及燃料空氣炸藥的爆炸特性分析可知，樣品爆炸反應過程的第1步是中心藥柱爆炸將燃料顆粒拋灑到空中形成云霧，第2步是液體燃料被2次起爆藥引燃，第3步是硼粉和鋁粉參與反應。硼粉比鋁粉具有更高的熱力學潛能，其理論燃燒熱值約為鋁粉的2倍，理論上將其用于燃料空氣炸藥有利于提高炸藥的能量。但是在燃料空氣炸藥爆炸過程中，由于硼粉的熔點較高，且其顆粒表面本來就有一層氧化膜，同時在燃燒過程中硼粉顆粒的表面會進一步氧化形成B2O3的富集，從而阻礙硼粉的充分反應。如果在燃料空氣炸藥中添加較多比例的硼，其能量較難快速充分的釋放出來，反而會降低燃料空氣炸藥的整體輸出能量。而將適當比例硼粉和鋁粉的混合物應用到燃料空氣炸藥中時，由于鋁粉的熔點較低，為660 ℃，較易在爆轟過程中氣化和氧化，氧化時釋放出大量的能量,產生的高溫環境不僅有利于硼粉表面氧化膜的破裂及硼的氣化，同時鋁還有助于去除硼的氧化物B2O3，有利于提高硼粉的氧化效率[17-19]。因此將適當配比的硼粉和鋁粉的混合物添加到燃料空氣炸藥中有利于爆炸總能量的提高，但由于硼粉的能量釋放速率較低，產生的后燃效果持續時間更長，放出的大量能量主要體現在爆轟后的火球熱效應上。

從表4、表5和表6的數據可以看出，當硼鋁混合物中硼的質量分數為12.5%時(5號樣品)，樣品的沖擊波沖量值最大，最大熱輻射量值最高。這是由于硼的高熱值和后燃特性，對燃料空氣炸藥的爆炸場產生了影響。

4 結論

研究硼含量對配方體系為B/Al/PO/石油醚/IPN的燃料空氣炸藥爆炸能量的影響，采用測量沖擊波超壓、超壓沖量、爆炸場溫度、熱輻射量的方法對樣品爆炸能量進行評估，可以得到以下結論：

1)在含鋁粉燃料空氣炸藥中添加高熱值的硼粉，對總能量的貢獻體現在沖擊波沖量及熱輻射量上。與鋁粉相比，硼粉對爆炸場沖擊波超壓的貢獻相對較小。

2)在1 kg級燃料空氣炸藥中，金屬燃料硼鋁混合物中硼的質量分數為12.5%是最佳配比值。含該配比金屬粉的燃料空氣炸藥與含純鋁燃料空氣炸藥相比，地面沖擊波沖量提高約6.16%，空中沖擊波沖量提高約5.16%，最大熱輻射量提高約7.14%.

3)在燃料空氣炸藥中，將鋁粉和少量的硼粉配合使用，鋁粉燃燒所釋放的能量可以促使硼粉能量更加快速充分的釋放，有利于提高燃料空氣炸藥爆炸總能量。

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Experimental Study of Influence of Boron Content on ExplosionPerformance of Fuel-air Explosive

XU Min-xiao, LIU Da-bin, XU Sen

(School of Chemical Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, Jiangsu, China)

In order to know the influence of boron content on explosion performance of fuel-air explosive, the mixture of boron and aluminum is added to fuel-air explosive with formulation of B/Al/PO/petroleum ether/IPN, and a static explosion is performed to study the influence of boron content in the mixture on the explosion overpressure, impulse and heating effect. The test results indicate that the explosion overpressure, impulse and heating effect increase firstly and then decrease with the increase in boron content in fuel air explosive (FAE). When the mass fraction of boron is 12.5%, the ground impulse of the explosive reaches to 112.51 KPa·s, which is 6.16% higher than that of the aluminized FAE. When the mass fraction of boron is 12.5%, the explosion temperature reaches to 1 250 ℃, which is 20 ℃ higher than that of the aluminized FAE. When the mass fraction of boron is 12.5%, the biggest thermal radiation reaches to 68.266 kJ/m2, which is 7.14% higher than that of the aluminized FAE. Adding some boron powders to Al-B mixture can improve the underwater detonation energy of the aluminized FAE.

ordnance science and technology; boron; overpressure; impulse; maximum thermal fraction

2016-07-28

徐敏瀟(1982—)， 男， 博士研究生。 E-mail: xuminxiao@163.com

劉大斌(1963—)， 男， 教授， 博士生導師。 E-mail: dabin63@vip.sina.com

TQ564.4+3

A

1000-1093(2017)05-0886-06

10.3969/j.issn.1000-1093.2017.05.007