納米鋁在炸藥中的分散性和成型性

牛國濤，曹少庭，牛 磊，金大勇，姚李娜

(西安近代化學研究所，西安 710065)

鋁粉應用于炸藥要追溯到1899年德國人將鋁粉加入炸藥中提高炸藥的做功能力，使得含鋁炸藥廣泛應用于武器型號，大大提高了炸藥的威力和應用范圍。隨著現代科學技術水平的不斷提高，20世紀80年代，出現了研究原子大小或分子大小級別物質的納米技術。納米鋁粉是現階段在含能材料應用研究中報道最多的一種含能材料，其最著名的產品就是國外已經用于商用的Alex納米鋁粉。中外對納米鋁粉的研究集中在納米鋁粉的制造、表面改性、活性、燃燒等方面[1-3]，但對納米鋁在炸藥中的應用研究不多。例如，Fu等[4]研究了納米鋁和微米鋁在20 L容器中的分散特性，為納米鋁在FAE中的應用提供了參考；Zheng等[5]、Wang等[6]進行了含納米鋁炸藥的熱分解的反應分子動力學模擬；封雪松等[7]研究了納米鋁和微米鋁含量對炸藥空爆性能的影響規律；桑圣君等[8]研究了爆速對納米鋁粉爆炸燒結性能的影響；曹少庭等[9]對比了納米鋁粉和微米鋁粉不同含量對黑索金(RDX)基炸藥爆速的影響；沈飛等[10]研究了微納米粒度級配對炸藥爆轟波陣面關系的影響等。由上述文獻可知，納米鋁在炸藥中應用改善了一些性能，甚至劣化了一些爆轟性能，但同時也增加工藝難度，經常采用納米鋁粉和微米鋁粉級配的方式可以獲得綜合性能的提升，然而納米鋁在溶劑和炸藥中的分散性和成型性很少見報道，分散性和成型性是納米鋁粉在炸藥中應用的前提條件，為此以西安近代化學研究所自制納米鋁為研究對象，分別研究納米鋁粉在不同體系和不同工藝下的分散性，在此基礎上對含納米鋁的炸藥成型性進行研究，為納米鋁在炸藥的應用提供參考。

1 試驗

1.1 材料

納米鋁是西安近代化學研究所通過爆炸法自制，如圖1所示，鋁粉活性為85%以上，平均粒徑150 nm，電鏡掃描(scanning electron microscope，SEM)圖片如圖2所示，納米鋁粉成團簇狀態；實驗所用微米鋁粉平均粒徑5 μm，源于鞍鋼實業微細鋁粉有限公司；環己烷、正己烷、石油醚、乙酸乙酯(分析純，天津市津東天正精細化學試劑廠)；RDX，甘肅銀光化學工業公司；三硝基甲苯(TNT)，湖北東方化工有限公司；石蠟，中國石化集團撫順石油化工研究院；石墨，上海惠港石墨有限公司；氟橡膠F2603，成都晨光化工研究院。

圖1 50 g納米鋁粉

圖2 納米鋁粉的電鏡掃描圖片

1.2 試驗設備

Quanta600FEG型場發射掃描電鏡，美國FEI公司；超聲波儀器，型號為KQ-100DB，昆山市超聲儀器有限公司；SDF高速分散機，天津市精科聯材料試驗機廠；葉片式恒速攪拌器，S312-250H，上海申生科技有限公司。

1.3 測試方法

爆熱試驗：按GJB 772A—1997 方法701.1 進行測試。

稱量藥柱的質量，游標卡尺量取藥柱的直徑和高度，計算其藥柱密度。

2 納米鋁在炸藥中的分散性研究

2.1 納米鋁在溶劑中的分散性

由于含納米鋁炸藥的制備過程需要使用溶劑，而納米鋁在不同溶劑中的分散均勻性對炸藥樣品的質量、性能等均會產生影響，因此研究納米鋁在不同溶劑中的分散性十分必要，從而為含納米鋁炸藥的制備工藝和性能研究提供基礎。

分散試驗的設計方法如下：稱取相同質量(10 g)的納米鋁4份，放置在大小相同的表面皿內(容積500 mL，外徑88 mm，高度121 mm)，用量筒量取相同體積(250 mL)的溶劑4份，倒入表面皿內，機械震蕩30 s使其分散，靜置30 min，觀察表面皿內納米鋁粉的分散狀態，并進行比較。使用溶劑為：環己烷、正己烷、石油醚和乙酸乙酯溶液，納米鋁在不同溶劑中的分散性如圖3所示。

圖3 納米鋁在四種不同溶劑中的分散

試驗發現納米鋁在正己烷、環己烷、石油醚中均出現了較明顯的結團或成球現象，而在乙酸乙酯溶劑中結團現象較少，分散較好，所以選擇乙酸乙酯作為炸藥制備工藝中的分散溶劑。由于納米鋁粉具有粒徑小、比表面積大、表面原子配位不全等特點，納米鋁粉在實際使用過程中易發生團聚、氧化等現象，也可以通過微米鋁與納米鋁級配、超聲分散、高速剪切等技術解決納米鋁粉在炸藥中的分散問題。

2.2 超聲分散法

選擇RDX+石蠟(W)/micro-Al/nano-Al/F2603(質量比為65/25/5/5)為基礎配方，采用超聲分散技術，將納米鋁粉和微米鋁粉在乙酸乙酯中充分分散，然后加入主炸藥和黏結劑溶液，機械攪拌混合制作造型分。另一組作為對比，采用機械攪拌方式將納米鋁粉和微米鋁粉在乙酸乙酯中充分分散，然后加入主炸藥和黏結劑溶液，機械攪拌混合制作造型粉。采用250 MPa壓力壓制藥柱，密度測試見表1，爆熱測試結果見表2。

表1 不同工藝藥柱的密度

表2 不同工藝炸藥的爆熱

從表1可以看出，采用超聲分散工藝相對于普通的機械攪拌，壓藥密度明顯提高，從表2可以看出超聲分散工藝所得到的炸藥爆熱值也有所提高，所以超聲分散可以提高納米鋁粉的分散均勻性，從而提高裝藥密度，提高炸藥的爆熱。

2.3 高速剪切混合工藝(1 kg樣品)

選擇RDX+石蠟(W)/micro-Al/nano-Al/F2603(60/30/5/5)為基礎配方進行組分稱量。

首先按比例配制RDX的氟橡膠溶液加入不銹鋼容器中，然后固定攪速為500 r/min，加入微米鋁粉，高速分散機(剪切頭見圖4，剪切軸直徑25 mm)攪拌溶液15 min后，將稱好的納米Al加入不銹鋼容器中，繼續攪拌30 min，停止攪拌，出料，制作炸藥造型粉備用。工藝流程如圖5所示。

圖4 高速分散機的剪切頭

圖5 高速分散機混合工藝流程圖

2.4 葉片式攪拌混合工藝(1 kg樣品)

稱取300 g微米鋁粉加入RDX的氟橡膠溶液中，利用葉片式攪拌裝置對溶液進行攪拌，攪拌速度為500 r/min，攪拌15 min后，停止攪拌，分批次共加入50 g納米鋁粉，同樣的攪拌速度攪拌30 min，停止攪拌出料，制作炸藥造型粉備用。工藝流程與高速分散機混合工藝流程相同。

2.5 分散+高速分散機混合工藝(1 kg樣品)

所用分散機的剪切頭與圖4相同，固定攪速為500 r/min，高速分散機攪拌，首先將50 g納米鋁粉加入RDX的氟橡膠溶液中，使納米鋁粉在RDX的氟橡膠溶液中得到充分的分散。攪拌中發現溶液中出現大量的氣泡，攪拌混合液15 min后，將稱好的微米鋁300 g分批加入不銹鋼容器中，繼續攪拌30 min，停止攪拌，出料，制作炸藥造型粉備用，流程圖如6所示。

從表3可知，采用不同混合工藝對、不同的鋁粉加入順序，藥柱密度基本一致，基本上可以達到相同的分散效果。

圖6 高速分散機分散納米鋁混合工藝流程圖

表3 不同工藝炸藥藥柱的密度

3 納米鋁粉在炸藥中成型性研究

3.1 TNT基混合炸藥的成型性

以TNT/Al體系為基礎，首先利用蒸汽將TNT熔化，將不同比例的鋁粉加入熔融TNT中，攪拌均勻，出料制成造型粉備用。分別制備微米鋁和納米鋁質量分數分別為10%、20%、30%的TNT基炸藥樣品，在相同比壓下壓制成Φ25 mm藥柱，分別測試藥柱密度，結果如表4所示。

表4 含不同鋁粉的TNT藥柱的密度

采用熔融混合造粒工藝制備樣品，由于液相TNT含量相對較多，能夠對鋁粉進行充分包覆，在鋁粉混合均勻的條件下，使得含納米鋁炸藥的壓制成型密度與含微米鋁炸藥的成型密度相當，所以在進行炸藥爆轟性能測試時，能夠在同一密度水平上進行相互比較。

3.2 RDX基混合炸藥

以RDX/Al/黏結劑體系為基礎，采用直接混合造粒工藝，即先用乙酸乙酯溶解黏結劑，再分別加RDX和鋁粉混合均勻出料制作造型粉。利用直接混合造粒法制備微米鋁和納米鋁含量分別為20%、25%、30%、35%、40%的RDX基炸藥造型粉，在相同比壓下壓制成Φ30 mm藥柱，分別測試藥柱密度，結果如表5所示。

表5 含微米鋁炸藥和含納米鋁炸藥的成型密度

從表5可以看出，由于該配方體系中黏結劑含量相對較低，納米鋁較大的比表面積、較小的堆積密度和難于分散的特性，使得納米鋁吸附更多的黏結劑，包覆較差，最終含納米鋁炸藥的壓制成型密度低于含微米鋁炸藥的成型密度，所以在該炸藥體系內，含納米鋁炸藥成型性較差。在進行炸藥爆轟能量測試和做功能力測試時，含納米鋁炸藥的低成型密度會降低炸藥爆轟性能。

同樣的工藝采用兩種鋁粉按質量比1∶1級配的方式制備RDX基炸藥造型粉，壓制成質量為25 g、直徑為25 mm的藥柱，其密度變化趨勢對比如圖7所示。

圖7 含不同鋁粉的RDX基炸藥的密度變化曲線

從圖7可以看出，隨著納米鋁含量的增加，藥柱密度變化呈非線性的變化；而對于兩種鋁粉級配炸藥的密度隨鋁粉含量的增加線性增加。其原因是隨著納米鋁含量的增加，黏結劑對炸藥和納米鋁的包覆效果越來越差，成型性也越來越差，導致壓制藥柱密度不規律。對于兩種鋁粉級配的炸藥藥柱密度，微米鋁的加入減少納米鋁、炸藥分子間的作用力，在壓力作用下，炸藥顆粒容易變形，炸藥分子之間易于相對運動，使得炸藥顆粒間的空隙率減小，使所壓制的藥柱密實度增加，從而提高了炸藥藥柱的成型密度，因此通過兩種鋁粉的級配可以提高炸藥的成型性。

4 結論

(1)利用環己烷、正己烷、石油醚和乙酸乙酯四種溶劑對納米鋁粉進行了分散，結果乙酸乙酯的分散效果最好。

(2)選擇RDX+石蠟(W)/micro-Al/nano-Al/F2603(65/25/5/5)為基礎配方，采用超聲分散工藝相對于普通的機械攪拌，壓藥密度顯著提高，爆熱也有所提高，超聲分散可以提高納米鋁粉的分散均勻性。

(3)選擇RDX+石蠟(W)/微米Al/納米Al/F2603(60/30/5/5)為基礎配方，采用高速剪切混合工藝、葉片式攪拌混合工藝、分散+高速分散機混合工藝三種工藝并且改變納米鋁和微米鋁粉加入的次序藥柱密度基本一致，三種工藝分散納米鋁粉效果。

(4)在TNT/Al體系的壓裝炸藥中，微米鋁和納米鋁在TNT中的成型性基本相同。

(5)在RDX/Al壓裝炸藥體系中，含納米鋁的炸藥成型性低于含微米鋁的炸藥；含納米鋁炸藥的密度隨鋁粉含量增加呈現非線性變化，而納米鋁和微米鋁級配可以提高炸藥的成型性。