真空環境下鋁含量對HMX基炸藥爆炸場壓力和溫度的影響

楊 雄，王曉峰，黃亞峰，馮曉軍，田 軒，馮 博，趙 凱，李文祥

(西安近代化學研究所，陜西 西安 710065)

真空環境下鋁含量對HMX基炸藥爆炸場壓力和溫度的影響

楊 雄，王曉峰，黃亞峰，馮曉軍，田 軒，馮 博，趙 凱，李文祥

(西安近代化學研究所，陜西 西安 710065)

為研究真空環境下鋁粉含量對HMX基含鋁炸藥爆炸反應機制的影響，利用密閉爆炸罐測量了鋁質量分數為15%(OA1)、20%(OA2)、25%(OA3)和30%(OA4)4種含鋁炸藥的爆炸場壓力與溫度，并采集分析了炸藥爆炸氣體產物。結果表明，4種含鋁炸藥的準靜態壓力大小依次為OA2>OA1>OA3>OA4，炸藥OA2爆炸威力最大；爆炸場平衡溫度高低依次為OA4>OA3>OA2>OA1，表明平衡溫度隨炸藥中鋁粉含量的增大而升高；首次峰值溫度高低依次為OA1>OA2>OA3>OA4，炸藥OA1和OA2到達首峰溫度值的時間遠快于炸藥OA3和OA4，除炸藥OA1外其余3種炸藥均有二次峰值出現，說明含鋁質量分數15%和20%的炸藥中部分鋁粉提前反應；鋁粉反應率大小依次為OA1>OA2>OA3>OA4，表明隨鋁粉含量的增加，鋁粉反應完全性降低。

含鋁炸藥；聯合效應炸藥；爆炸場；準靜態壓力；平衡溫度；鋁粉反應率；HMX

引 言

傳統含鋁炸藥具有爆熱高和作功能力強的特點，大量應用于對空武器彈藥、水下武器彈藥及空對地武器彈藥[1]。聯合效應炸藥(Combined Effects Explosives)[2]是國外近年發展起來的一類新型含鋁炸藥，兼具優良金屬驅動性能與較強的沖擊波作用，其配方設計的依據是本征爆轟(Eigenvalue detonation)[3]理論，該理論認為聯合效應炸藥在爆轟反應初期，除炸藥爆轟反應外，金屬燃料鋁同時發生氧化還原反應。因此，鋁粉的反應機制直接影響炸藥的能量輸出結構。

國內外開展了大量關于含鋁炸藥爆炸反應機制的研究工作。Paul Anderson等[4]研究了HMX基聯合效應炸藥中鋁粉含量對能量釋放與分配的影響，發現含質量分數15%～20%細顆粒鋁粉的炸藥中鋁粉能提前在爆轟反應區參與反應；馮曉軍等[5]研究了鋁粉含量對RDX基含鋁炸藥爆炸金屬加速能力的影響，結果表明，當鋁質量分數約為15%時金屬加速能力最大，認為部分鋁粉提前在爆轟反應區參與反應；Richard G. Ames等[6]測量了封閉空間中炸藥爆轟和二次燃燒能量的累積，并得到準靜態壓力與時間的關系曲線；黃亞峰等[7]研究了真空環境下鋁粉粒度與形狀對RDX基壓裝炸藥爆炸場壓力和溫度的影響，研究認為鋁粉粒度與爆炸場壓力和溫度不具相關性。但上述研究均未從爆炸場壓力和溫度歷程角度探討鋁粉含量對含鋁炸藥爆炸反應機制的影響。

本研究利用密閉爆炸罐測量真空條件下HMX基含鋁炸藥的爆炸場壓力和溫度，分析鋁粉含量對炸藥爆炸場壓力和溫度歷程的影響規律，探討鋁粉在炸藥爆炸過程中的反應機制，為聯合效應炸藥配方設計提供參考。

1 實 驗

1.1 樣 品

HMX，粒徑125μm，甘肅銀光化學工業集團有限公司；球形鋁粉FLQT4，平均粒徑4μm，鞍山鋼鐵廠。實驗樣品配方如表1所示。

表1 含鋁炸藥配方

1.2 樣品制備

將黏結劑在乙酸乙酯中溶解，置入水浴升溫至60℃，在溶解好的黏結劑中依次加入HMX和鋁粉，攪拌均勻，待溶劑揮發至物料呈膏團拉絲狀，再過篩造粒、烘干，最后壓制成帶8號雷管孔的Ф25mm藥柱，藥柱質量(25±0.050)g。

1.3 實驗裝置

本實驗采用自主研制的密閉爆炸裝置，如圖1所示。裝置為圓柱形彈體，高400mm，內徑188mm，體積5.8L。本實驗裝置中壓力傳感器為美國Kulite公司超高溫硅壓阻傳感器；溫度傳感器為美國NANMAC公司研制的具有自恢復能力的快速反應鎢錸熱電偶，響應時間可達10-5s，最大耐壓135MPa。傳感器布置在距端蓋中心40mm處，其下端距離端蓋底部120mm。測溫范圍-240～1200℃，精度小于1%。

德圖testo350氣體分析儀可定量分析O2、NO、NO2、CO和CO25種氣體產物的體積分數。其中O2、NO、NO2和CO測量采用電化學傳感器，精度為±1%測量值，分辨率為0.01%；CO2測量采用紅外傳感器，精度為±0.3%，分辨率為0.01%。

圖1 實驗裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of the experimental device

1.4 實驗方法

將炸藥藥柱懸掛于距端蓋底面150mm處，接入雷管，密封彈體與端蓋，用真空泵抽空彈體內空氣，抽至氣壓為-0.096MPa。起爆實驗樣品，傳感器記錄52s內的電信號數據，并利用德圖testo350氣體分析儀采集并定量分析爆炸氣體產物。

2 結果與討論

2.1 爆炸場壓力分析

爆轟氣體準靜態壓指的是炸藥在有限體積的密閉結構內爆炸，爆轟氣體受約束不能無限膨脹，氣體趨于穩定時的壓力,通常把爆轟后幾十毫秒的壓力均值作為準靜態壓力值[8]。4種炸藥OA1、OA2、OA3和OA4在真空環境中起爆后，測得0.1s內的爆炸場壓力對應電壓與時間關系曲線如圖2所示。

圖2 不同鋁含量炸藥0.1s內爆炸場壓力對應電壓與時間關系曲線Fig.2 The voltage corresponding explosion field pressure of explosive with different Al content in 0.1s as a function of time

由圖2可以看出，4種炸藥的準靜態壓力OA2>OA1>OA3>OA4。準靜態壓力是炸藥總能量的一部分，美國海軍水面武器中心在比較密閉空間中炸藥威力時僅采用準靜態壓力作為威力判斷參數，認為準靜態壓力可用來表征炸藥威力[9]。因此，本實驗4個炸藥樣品爆炸威力大小順序為OA2>OA1>OA3>OA4，即含鋁質量分數20%的炸藥爆炸威力最大，其鋁粉含量接近HMX基含鋁炸藥理論計算最大威力值所需的鋁粉質量分數為19.6%[1]。

2.2 爆炸場溫度分析

試驗測得爆炸場溫度對應電壓與時間關系曲線，如圖3所示。取第52s內10000個點的溫度平均值作為爆炸場平衡溫度，平衡溫度和首次達到的峰值溫度值如表2所示。由表2可知，隨著炸藥中鋁粉含量的增加，爆炸場平衡溫度呈遞增趨勢，首峰溫度呈遞減趨勢。

表2 炸藥爆炸場溫度測量值

注：T1為平衡溫度；T2為首峰溫度。

圖3 不同鋁含量炸藥的爆炸場溫度對應電壓與時間關系曲線Fig.3 The voltage corresponding to explosion field temperature of explosive with different Al content as a function of time

將圖3時間尺度分別縮小至3s和0.2s，可得圖4和圖5。圖4表明，炸藥OA2、OA3和OA4的溫度均有明顯的二次升高現象，3種配方爆炸場溫度達到二次峰值的時間分別為：t22=0.0521s、t32=1.9536s、t42=0.2205s。而炸藥OA1爆炸場溫度達到首次峰值后快速下降，無二次峰出現，在0.2s左右溫度下降相對變緩，之后又快速下降。圖5中4種炸藥達到首峰溫度的時間分別為：t11=0.0038s、t21=0.0027s、t31=0.0221s和t41=0.0834s。結果表明，炸藥OA1和OA2起爆后，溫度很快達到首次峰值，二者時間相當，快于炸藥OA3和OA4。

圖4 不同鋁含量炸藥3s內爆炸場溫度對應電壓與時間關系曲線Fig.4 The voltage corresponding to explosion field temperature of explosive with different Al content in 3s as a function of time

根據二次反應理論[10]將含鋁炸藥的反應分為3個階段：(1)無氧爆轟階段，主炸藥發生爆轟分解，鋁粉不參與反應；(2)無氧燃燒階段，鋁粉與單質炸藥分解的產物進行氧化還原反應；(3)有氧燃燒階段，主要為第二階段剩余鋁粉等可燃組分與空氣中氧氣反應。本實驗在真空環境下進行，因此炸藥的反應只有前兩個階段。

分析認為，鋁粉具有良好的熱傳導性，能從灼熱的主炸藥爆轟產物中吸收熱量，隨著由外到內的熱透，鋁粉內部純鋁熔為液態，體積逐漸增大，導致表面Al2O3外殼脹破，熔融的鋁與具有氧化性的爆轟產物相遇從而發生反應。單質炸藥爆轟反應時間為10-6～10-8s，金屬在此時間段可熱透半徑為10μm以內[1]。本實驗采用粒徑為4μm的球形鋁粉，粒度小，比表面積大，導熱速率快。當鋁粉含量較低時，主炸藥爆轟瞬間釋放的能量使鋁粉整體快速熱透并脹破氧化鋁外殼，在極短的時間內發生氧化還原反應釋放能量。因此，炸藥OA1和OA2爆炸場溫度很快達到首次峰值，是由于鋁粉氧化還原反應時間提前，甚至有可能提前到了第一階段爆轟反應區。炸藥OA1的爆炸場溫度無二次峰值且在0.2s左右下降趨勢減緩，是因為提前參與反應的鋁粉量較大，少量剩余鋁粉在后期反應釋放的熱量不足以產生二次峰。炸藥OA3和OA4溫度值達到首峰和二次峰相對較慢，峰值較低。原因是隨著炸藥中鋁粉含量的增加，主炸藥含量減少，無氧爆轟階段主炸藥爆轟反應釋放的能量降低，后期無氧燃燒階段大量鋁粉吸熱，使得單個鋁粉顆粒能得到的熱量減少，因此鋁粉雖然被加熱，但是卻不易達到破殼及反應的閾值溫度，只有極少量鋁粉在無氧燃燒階段的初期熱透，發生氧化還原反應放熱，之后將熱量傳遞給鄰近的鋁粉繼續維持后續反應，鋁粉在整個無氧燃燒階段燃燒反應較慢，持續時間較長。

文獻[4]中，含質量分數15%～20%細顆粒鋁粉的聯合效應炸藥鋁粉能提前在爆轟反應區反應，釋放大量能量，增強格尼能，解決了傳統爆破毀傷含鋁炸藥鋁粉反應相對滯后導致金屬加速能力低的問題。本試驗從爆炸場溫度歷程的角度證實了含鋁粉(粒徑為4μm)質量分數為15%和20%的炸藥中，鋁粉能提前發生氧化還原反應并釋放熱量。

2.3 氣體產物分析

測得O2、NO、NO2、CO和CO25種氣體產物的體積分數，結果見表3。根據所測結果與質量守恒及元素守恒定律結合，計算爆炸產物組成與其含量，寫出4種炸藥爆炸反應方程式，進而得出4種炸藥的鋁粉反應完全性。

表3 不同鋁含量炸藥爆轟后的氣體產物體積分數

氣態產物中O2、NO和NO2的體積分數均為0，認為氣態產物中氧元素僅存在于CO和CO2中。在真空環境下，對含鋁炸藥爆炸產物中各元素存在形式作以下近似處理：(1)實測NO2與NO體積分數均為0，因此認為N元素完全以N2形式存在；(2)H元素以H2和液態H2O兩種形式存在；(3)C元素以CO、CO2和C 3種形式存在；(4)O元素以CO、CO2、H2O以及Al2O34種形式存在；(5)Al元素以Al和Al2O3兩種形式存在。

在上述近似處理的基礎上，炸藥爆炸產物有N2、H2、H2O、CO、CO2、C、Al和Al2O38種物質。設炸藥分子式為CaHbNcOdAle，8種產物摩爾數為nN2、nH2、nH2O、nCO、nCO2、nC、nAl和nAl2O3，氣體總摩爾數由理想氣體狀態方程n總=pV/RT得到， CO和CO2的體積分數分別為φCO和φCO2，依據質量守恒和元素守恒，由下列公式計算8種爆炸產物的摩爾數：

nN2=c/2

(1)

nCO=n總·φCO

(2)

nCO2=n總·φCO2

(3)

nC=a-nCO-nCO2

(4)

nH2=n總-nN2-nCO-nCO2

(5)

nH2O=(b-2nH2)/2

(6)

(7)

nAl=e-2nAl2O3

(8)

根據表3中5種氣體產物檢測結果，通過上述8個公式計算得出4種含鋁炸藥爆炸產物各組分含量，其爆炸反應方程式分別如下：

炸藥OA1:

C0.273H0.546N0.546O0.546Al0.139→0.273N2+0.017CO2+0.194CO+0.131H2+0.142H2O+0.062C+0.059Al2O3+0.021Al

炸藥OA2:

C0.256H0.512N0.512O0.512Al0.185→0.256N2+0.016CO2+0.208CO+0.185H2+0.074H2O+0.032C+0.067Al2O3+0.052Al

炸藥OA3:

C0.239H0.478N0.478O0.478Al0.231→0.239N2+0.005CO2+0.162CO+0.127H2+0.112H2O+0.072C+0.071Al2O3+0.089Al

炸藥OA4:

C0.222H0.445N0.445O0.445Al0.277→0.222N2+0.0005CO2+0.153CO+0.169H2+0.054H2O+0.069C+0.085Al2O3+0.107Al

由反應方程式計算得出4種炸藥OA1、OA2、OA3和OA4的鋁粉反應率分別為84.9%、72.4%、61.7%、61.3%，大小順序為OA1>OA2>OA3>OA4，即鋁含量越少，鋁粉反應越完全。但4種炸藥爆炸產物中氧化鋁生成量隨鋁含量的增加而升高，這與爆炸場平衡溫度趨勢一致，說明鋁粉反應量越多，燃燒釋放的熱量越多，導致體系溫度升高。

含鋁炸藥中全部鋁粉恰好與爆轟產物中的CO2和H2O反應完全生成CO和H2時，威力最大[11]。上述4個反應方程式爆炸產物中炸藥OA2的CO和H2生成量最大，且鋁粉反應也較完全，達到質量分數72.4%，炸藥OA2含鋁質量分數20%，接近HMX基含鋁炸藥理論計算威力最大值的炸藥含鋁質量分數19.6%，此結果與3.1節中炸藥OA2準靜態壓力最高、威力最大的結論相符。

3 結 論

(1) 4種含鋁炸藥爆炸后準靜態壓力大小順序為：OA2>OA1>OA3>OA4，即含鋁質量分數20%的炸藥OA2爆炸威力最大。

(2) 4種炸藥爆炸場溫度的首次峰值溫度大小順序為：OA1>OA2>OA3>OA4，并且炸藥OA1和OA2到達首峰溫度值的時間遠快于炸藥OA3和OA4；炸藥OA2、OA3和OA4的爆炸場溫度均有二次峰值出現，而炸藥OA1無二次峰值。說明炸藥OA1和OA2的大量鋁粉提前參與反應，且鋁粉反應量前者大于后者。

(3) 4種含鋁炸藥爆炸鋁粉反應完全性的大小順序為：OA1>OA2>OA3>OA4，表明隨鋁粉的含量增加，鋁粉反應完全性降低。

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Effect of Al Content on the Explosion Fild Pressure and Temperature of HMX-based Explosive in Vacuum Environment

YANG Xiong，WANG Xiao-feng，HUANG Ya-feng，FENG Xiao-jun，TIAN Xuan，FENG Bo，ZHAO Kai，LI Wen-xiang

(Xi′an Modern Chemistry Research Institute，Xi′an 710065，China)

To investigate the effect of Al powder content on the explosion reaction mechanism of HMX based aluminized explosive in vacuum environment, the explosion field pressure and temperature of four kinds of aluminized explosives of aluminum mass fraction as 15%(OA1), 20%(OA2), 25%(OA3) and 30%(OA4) were measured in a sealed explosion chamber, and explosion gas products of explosive were collected and analyzed. The results show that the quasi-static pressure value decreases in the order of OA2>OA1>OA3>OA4, meaning that explosive OA2 has the greatest explosion power. The equilibrium temperature of explosion field decreases in the order of OA4 > OA3 >OA2 > OA1, indicating that the equilibrium temperature increases with the increase of aluminum content in the explosive. The first peak temperature of the four explosivesase decreases in the order of OA1>OA2>OA3>OA4. For the time required to the first peak temperature, explosive OA1 and OA2 are far faster than explosive OA3 and OA4. Except explosive OA1, other three explosives appear the secondary peak. The part of aluminum in the explosive of aluminum mass fraction as 15% and 20% are reacted in advance. The reaction ratio of Al powder decreases in the orde of OA1>OA2>OA3>OA4, indicating that with the increase of aluminum powder content, the completeness of Al powder reaction decreases.

aluminized explosives; combined effects explosives; explosion fild; quasi-static pressure; equilibrium temperature; Al powder reaction ratio;HMX

2017-08-13；

2017-09-15

國家重大預研專項

楊雄(1992-)，男，碩士研究生，從事混合炸藥技術研究。E-mail：yangxiong0135@163.com

王曉峰(1967-)，男，博士，研究員，從事混合炸藥技術研究。E-mail：wangxf_204@163.com

10.14077/j.issn.1007-7812.2017.06.012

TJ55;TQ56

A

1007-7812(2017)06-0073-05