微/納米粒度級配對炸藥爆轟波陣面Dn(κ)關系的影響

沈　飛，王　輝，徐司雨,2

(1. 西安近代化學研究所，陜西 西安 710065；2. 西安近代化學研究所燃燒與爆炸技術重點實驗室，陜西 西安 710065)

引　言

含鋁炸藥作為一類高密度、高爆熱和高威力的混合炸藥，廣泛應用于各類常規武器裝藥。為了改善或提升其性能，國內外進行了大量的研究和嘗試，微/納米粒度級配作為其中一個研究熱點，受到廣泛關注[1-3]。Patrick 等[3]采用微/納米鋁粉粒度級配技術提升炸藥的反應速率及作功能力；肖磊等[4]采用微/納米RDX或HMX粒度級配技術改善炸藥的感度性能等。

爆轟波非理想傳播特性關系到裝藥尺寸對爆轟性能的影響程度、爆轟驅動能量優化控制等方面[5]。由于微/納米粒度級配一定程度上改變了炸藥的微觀結構，如增大了顆粒的比表面積、減小了顆粒間隙等，也使得顆粒的活性發生了明顯變化，如降低了鋁粉的點火溫度，進而可能影響炸藥的反應區結構及爆轟波傳播特性。目前，對于微/納米粒度級配炸藥的爆轟性能研究主要是基于爆速、爆熱、作功能力等宏觀方面[1,4,6]，而對爆轟波非理想傳播行為的研究較少。曲率效應試驗是爆轟波非理想傳播行為研究的必需試驗，因此，本研究主要采用光學波形掃描法及電探針測速法分別測量不同微/納米粒度級配的RDX基含鋁炸藥擬定態條件下的爆轟波形及爆速，并根據實驗結果分析爆轟波陣面法向速度Dn與當地曲率k之間的函數關系，進而分析微/納米鋁粉/RDX粒度級配對炸藥爆轟波陣面曲率特征、能量側向損耗等方面的影響規律，為相關炸藥的配方優化設計及工程應用提供依據。

1　實　驗

1.1　材料及儀器

納米鋁粉，粒徑170～200nm，球狀顆粒，西安近代化學研究所；微米鋁粉，粒徑5μm，球狀顆粒，鞍鋼實業微細鋁粉有限公司；微米RDX，平均粒徑約100μm，甘肅銀光化學工業集團有限公司；納米RDX，平均粒徑約100nm，西安近代化學研究所。

SJZ-15型轉鏡式高速掃描相機，蘇州第一光學儀器廠，狹縫寬度為0.02mm。

1.2　RDX基含鋁炸藥藥柱的制備

RDX基含鋁炸藥配方組成如表1所示，所有藥柱均采用壓裝成型工藝制作，且壓制過程中的最大壓強一致，藥柱直徑均為40mm，長徑比約為1。

表1　RDX基含鋁炸藥的配方及密度

RL-1作為基準樣品；RL-2、RL-3和RL-4采用微/納米鋁粉粒度級配，且隨著納米鋁粉含量的增加，其裝藥密度逐步減小，即納米鋁粉質量分數為5%時，壓裝成型時納米鋁粉顆粒易于填充微米鋁粉間的孔隙，保證了樣品的密實性，而進一步提升納米鋁粉含量時，可能由于發生部分團聚而使裝藥密度略有降低；RL-5采用微/納米RDX粒度級配，其裝藥密度明顯提升。

1.3　實驗裝置

實驗前將6節藥柱同軸粘接，采用密度為1.67g/cm3的Φ25mm×25mm JH-14壓裝藥柱作為傳爆藥柱，并粘接在主裝藥一端的中心位置處。

采用電探針測量藥柱中心的爆速，同時通過高速掃描相機獲得藥柱尾部端面的擬定態爆轟波形，實驗裝置如圖1所示，其中，主裝藥柱固定于木制支架的“V”形槽內，以減小邊界約束條件對爆轟波形的影響。測量爆速時，為了盡可能準確地獲得擬定態爆轟波的傳播速度，同時不干擾藥柱尾端的光學測量，將兩個探針分別置于第三節藥柱的前端和第五節藥柱的尾端中心位置。掃描爆轟波形時，相機的光學狹縫通過高清晰反射鏡對準主裝藥柱端面的直徑，相機轉速設定為1.2×105r/min，其對應的掃描速度為6mm/μs；同時，為了能夠提高相機底片的空間分辨率，獲得清晰的爆轟波形，可將有機玻璃光探板與主裝藥的測量端面粘貼，并預留0.1mm左右的間隙，當沖擊波進入空氣隙時，隙中空氣電離而發出強光，且沖擊波離開光探板后，又能夠阻止后續爆轟產物的光線進入鏡頭，起到爆炸快門的作用。

2 　結果與討論

2.1　擬定態爆轟波形

高速相機記錄的爆轟波形如圖2所示，圖中的縱向表示裝藥直徑，橫向表示掃描時間。

從圖2可以清晰地看出波形的前沿。由于主裝藥柱的長徑比較大，可以使爆轟波演化為擬定態波形。此外，第一根電探針距離起爆端較遠，此時炸藥的爆速已基本穩定，則探針所測得的爆速可認為是擬定態爆速 ，具體數值見表2。

表2　RDX基含鋁炸藥波形擬合參數

采用高精度比長儀對實驗所獲底片進行數字化判讀，并結合相機的瞬時掃描速度及底片的放大比，便可得到爆轟波到達藥柱端面不同位置處的相對時間差；再將其與D0相乘，即可獲得波陣面曲線的一系列數據點。目前，對于波陣面曲線的擬合函數一般選擇擬合精度較高的ln[cos(r)]級數，同時該函數還具有較高的數值計算效率，其具體表達式為[8]

(1)

式中：r為波陣面上截面圓的半徑，mm；R為主裝藥柱的半徑，mm；z(r)為波陣面曲線，mm；ai及b均為擬合參數。

在擬合過程中，一般n=2即具有較高的精度。對5種炸藥試樣爆轟波陣面曲線的擬合效果如圖3所示，所得擬合參數值列于表2中。

由圖3和表2可看出，對于采用微/納米鋁粉粒度級配的3種含鋁炸藥，其爆轟波形彎曲程度均小于RL-1，其中，納米鋁粉質量分數為5%時(RL-2)，含鋁炸藥的波形最為平坦，且擬定態爆速也與RL-1相當；納米鋁粉質量分數增至10%時(RL-3)，含鋁炸藥的波形雖然與RL-2差距較小，但其擬定態爆速約下降100m/s；全部采用納米鋁粉時(RL-4)，其波形的彎曲程度顯著提升，但擬定態爆速與RL-3相當。

對于采用微/納米RDX粒度級配的樣品RL-5，雖然其密度明顯高于樣品RL-1，但擬定態爆速與樣品RL-1相當；爆轟波形相對于其他樣品最為平坦，與樣品RL-2較為接近。

2.2　Dn(κ)關系分析

當爆轟波達到擬定態波形時，其爆轟波法向傳播速度Dn與擬定態爆速D0之間的關系如圖4所示，根據圖中的幾何關系，可得出[8]

(2)

式中：θ為波陣面法向與藥柱軸線方向的夾角。對于爆轟波陣面上當地平均曲率κ，可采用如下公式計算：

(3)

式中：當r=0時，公式右端的兩項相等。由公式(1)～(3)便可計算出爆轟波陣面的Dn(κ)關系曲線。

2.2.1微/納米鋁粉粒度級配對Dn(κ)關系的影響

圖5為不同微/納米鋁粉粒度級配RDX基含鋁炸藥的Dn(κ)關系曲線。通常，裝藥軸線處(r=0)的波形曲率最小，但在實際計算過程中，由于在該位置處判讀的原始數據數量有限，導致這部分區域的計算偏差稍大，因此，本研究中將該部分的數據刪除，使得圖中曲線的平均曲率κ并不是從0開始，但這并不影響對曲線整體變化規律的分析。

從圖5可以看出，曲率κ從裝藥軸線至邊界兩側逐漸增大時，爆轟波法向傳播速度Dn均隨之呈近似線性趨勢降低。在裝藥邊界處，RL-1的波陣面曲率增至0.023mm-1，對應的Dn較D0約降低了0.065mm/μs；RL-2的波陣面曲率相比RL-1大為降低，約為0.014mm-1，Dn較D0約降低了0.04mm/μs，其下降幅度僅相當于RL-1的約60%；而納米鋁粉含量進一步增加后，此時RL-3和RL-4的波陣面曲率分別約為0.015、0.017mm-1，相應的Dn較D0也分別降低了0.045、0.05mm/μs。由于爆轟波陣面的彎曲程度反映了反應區能量的損耗，Dn的下降幅度反映了邊界處側向稀疏波對炸藥內部區域的影響程度，或爆轟傳播過程中沿波陣面從軸線向兩側流動的能量大小[5]，因此，圖5結果表明，微/納米鋁粉粒度級配從整體上使得側向稀疏波對炸藥內部區域的影響程度降低，減小了波陣面能量的側向流動，但隨著納米鋁粉含量的增加，波陣面能量的側向流動程度逐漸加大。

對于一般反應速率形式下的Dn(κ)函數關系，難以通過理論分析獲得，通常采用經驗公式對實驗數據進行擬合，目前提出的函數形式包括簡單的線性函數及一些復雜的弱非線性函數，從圖5可看出，曲線整體呈線性趨勢，僅在靠近裝藥邊緣處(即曲率值上限處)，曲線逐漸呈微弱的彎曲狀態，為了便于擬合數據的對比，這里選擇如下線性函數對Dn(κ)關系進行分析[7]，所得擬合參數列于表3中。

(4)

式中：DCJ為炸藥的C-J爆速；α為曲率系數。

表3　不同微/納米鋁粉粒度級配樣品的Dn(κ)關系擬合參數

從表3可以看出，對于不同微/納米鋁粉粒度級配的樣品，其C-J爆速呈現的規律與擬定態爆速Dn類似。為了進一步對比Dn相對于DCJ的衰減狀況，可設η=(DCJ-Dn)/DCJ，結合表3所列參數，可得到η-κ關系曲線，如圖6所示。

從圖6可以看出，當曲率κ相同時，含納米鋁粉的3種樣品，其η值均高于RL-1，尤其是波形較為平坦的RL-2，當κ值相同時，其η值反而最大，表明其Dn相對DCJ的衰減程度最大，造成這一現象的機理還需要進一步研究。

2.2.2微/納米RDX粒度級配對Dn(κ)關系的影響

圖7為不同微/納米RDX粒度級配含鋁炸藥樣品的Dn(κ)關系曲線。

從圖7可以看出，樣品RL-5的波陣面最大曲率僅為0.013mm-1，約為樣品RL-1的56%，甚至還低于微/納米鋁粉粒度級配中波形較為平坦的樣品RL-2，對應的Dn較D0約降低了0.03mm/μs，這表明采用微/納米RDX粒度級配后，側向稀疏波對炸藥內部區域的影響程度得到顯著降低，減少了波陣面能量因側向流動而發生的損耗。

采用公式(4)對RL-5的Dn(κ)函數關系進行擬合，所獲參數為DCJ=7.961mm/μs，α=1.0356mm，由此可得到η-κ關系曲線，如圖8所示。由圖8可以看出，當曲率κ相同時，采用微/納米RDX粒度級配的樣品RL-5，其η值明顯高于完全采用微米RDX顆粒的RL-1，但對比圖6可以發現，其η值略低于樣品RL-2，這一現象可能與試驗中樣品僅采用了一種直徑有關，還需要進一步深入研究。

3　結　論

(1)采用微/納米鋁粉粒度級配時，爆轟波形彎曲程度、法向爆速較擬定態爆速的衰減程度均有所下降，表明波陣面的法向爆速受曲率效應的影響減弱，中，微/納米鋁粉顆粒質量比為15∶5時波形最為平坦，其最大曲率約為0.014mm-1，法向爆速較擬定態爆速的最大降幅約為0.04mm/μs，相當于不含納米鋁粉樣品的61%；隨著納米鋁粉比例的增大，波形彎曲程度逐漸增大，且擬定態爆速也大幅降低。

(2)采用微/納米RDX粒度級配時，爆轟波形

較為平坦，波陣面最大曲率僅為0.013mm-1，約為不含納米RDX顆粒樣品的56%，法向爆速較擬定態爆速的最大降幅約為0.03mm/μs，表明波陣面能量因側向流動而發生的損耗較小，甚至優于微/納米鋁粉顆粒質量比為15∶5的試樣。

(3)當曲率κ相同時，采用微/納米粒度級配的樣品，其法向爆速相對于C-J爆速的衰減比例均有明顯提升。

參考文獻:

[1]曾貴玉, 聶福德, 楊志劍, 等. 微/納米含能材料[M]. 北京: 國防工業出版社, 2015.

[2]王昕. 納米含能材料研究進展[J]. 火炸藥學報, 2006, 29(2): 29-32.

WANG Xin. Advance in nanometric ingredients and nanocomposites of energetic materials[J]. Chinese Journal of Explosives & Propellants (Huozhayao Xuebao), 2006, 29(2): 29-32.

[3]Brousseau P, Anderson C J. Nanometric aluminum in explosives[J]. Propellants, Explosives, Pyrotechnics, 2002, 27(5): 300-306.

[4]肖磊, 劉杰, 郝嘎子, 等. 微/納米RDX粒度級配對壓裝PBX性能影響[J]. 含能材料, 2016, 24(12): 1193-1197.

XIAO Lei, LIU Jie, HAO Ga-zi, et al. Effects of nano-/micrometer RDX partical gradation on the property of PBX[J]. Chinese Journal of Energetic Materials, 2016, 24(12): 1193-1197.

[5]孫承緯, 衛玉章, 周之奎. 應用爆轟物理[M]. 北京: 國防工業出版社, 2000.

[6]王輝, 沈飛. 活性鋁粉對RDX基含鋁炸藥驅動能力的影響[J]. 科學技術與工程, 2016, 16(3): 123-126.

WANG Hui,SHEN Fei. Effect of active aluminum powder on the driving ability of RDX-based aluminized explosive[J]. Science Technology and Engineering, 2016, 16(3): 123-126.

[7]Bdzil J B. Steady-state two-dimension detonation[J]. Journal of Fluid Mechanics, 1981, 108: 195-226.

[8]沈飛, 王輝, 袁建飛, 等. CL-20基含鋁炸藥爆轟波陣面法向速度與曲率的關系[J]. 火炸藥學報, 2015, 38(1): 8-11.

SHEN Fei, WANG Hui, YUAN Jian-fei, et al. Relationship between normal velocity and curvature of detonation wave front for CL-20-based aluminized explosive[J]. Chinese Journal of Explosives & Propellants (Huozhayao Xuebao), 2015, 38(1): 8-11.