含铝炸药是在炸药中加入一定比例具有高燃烧热值金属铝粉的一类炸药, 其具有高爆热、高比容的特点, 广泛应用于对空武器弹药、水下武器弹药的装药中^[1]。因此, 含铝炸药成为混合炸药研究中的热点方向之一。

含铝炸药提高炸药的能量是通过铝粉与炸药爆轰后的气态产物发生二次反应释放大量热量, 含铝炸药的惰性热稀释理论认为铝粉在炸药的C-J反应区内是惰性物质, 不参与反应, 因此, 含铝炸药中铝粉的含量对其爆热、爆速、爆压、金属加速能力以及冲击波超压具有显著影响, 含铝炸药的研究多集中在铝粉含量对炸药性能的影响方面。Gogulya^[2]等研究了奥克托今(HMX)基纳米含铝炸药的爆速、爆热、金属片加速能力等性能; Makhov^[3]通过理论计算和实验测量研究了六硝基六氮杂异伍兹烷(CL-20)基含铝炸药的爆热和加速能力; 沈飞^[4]通过数值模拟和试验验证研究了两种不同尺寸的黑索今(RDX)基含铝炸药的作功能力; 王庭辉^[5]通过理论计算研究了不同铝粉含量的TNT基和HMX基含铝炸药的爆压和波头处的放热; 冯晓军^[6]等研究了铝粉含量对梯铝炸药爆压和冲击波参数的影响, 发现含铝炸药的爆压随铝粉含量的增加呈指数衰减, 近场冲击波超压亦随铝粉含量快速减小; 李媛媛^[7]研究了密闭条件下铝粉含量对炸药爆炸场温度的影响。

含铝炸药的爆轰过程包含化学反应热力学和动力学, 这两种反应过程与铝粉颗粒度大小都具有密切关系。Cook^[8]研究了铝粉颗粒大小对硝酸铵基炸药爆速的影响; Keicher T^[9]研究了不同粒度铝粉对气泡能和冲击波峰压的影响; Peuker^[10]研究了粒度和空气环境对RDX基含铝炸药的冲击波超压增强能力的影响; 冯晓军^[11]研究了铝粉粒度对炸药爆炸能量的影响; 黄辉^[12]研究了铝粉粒度对金属加速能力的影响, 发现纳米铝粉在爆轰波前沿参加反应促进金属加速能力的增强。

国内外对含铝炸药的研究多集中在铝粉对炸药性能的影响, 而本研究则利用爆炸罐在真空环境测量含铝炸药的爆炸场压力和爆炸场温度, 分析铝粉粒度对炸药爆炸场压力和爆炸场温度的影响规律, 研究铝粉粒度对含铝炸药爆轰性能的影响, 揭示铝粉粒度与铝粉反应性能之间的关系, 以为含铝炸药铝粉的选择、配方设计提供技术支持。

实验原材料: RDX, Ⅱ类, 国营805厂生产; 球型铝粉FLQT2, 平均粒径为28 μm, 鞍钢实业微细铝粉有限公司生产; 球型铝粉FLQT3, 平均粒径为13 μm, 鞍钢实业微细铝粉有限公司生产; 球型铝粉FLQT4, 平均粒径为4 μm, 鞍钢实业微细铝粉有限公司生产; 片状铝粉FLQ355A, 平均粒径为130 μm, 哈尔滨东轻金属粉业有限责任公司生产。实验样品配方为60RDX/35Al/5粘结剂, 配方中铝粉为以上四种不同型号。

样品制备:首先将水浴温度升至为60 ℃, 然后将粘结剂用一定量乙酸乙酯完全溶解, 依次加入黑索今和铝粉, 搅拌均匀, 乙酸乙酯挥发至物料呈拉丝状时, 将混合炸药倒出过筛、烘干, 最后将造型粉压制成带8^#雷管孔的Ф25 mm的药柱, 高度28 mm, 药柱质量为(25.000±0.050) g。

自研的实验装置如图 1所示。密闭爆炸装置是一高为400 mm内径188 mm内容积为5.8 L的圆柱形弹体。本实验装置的温度传感器采用美国NANMAC公司研制的具有自恢复能力的快速反应钨铼热电偶, 布置在距离端盖中心40 mm处, 下端距离上端盖底部180 mm, 传感器响应时间达10^-5 s, 最大可耐压力达135 MPa; 测温系统频带宽度为200 kHz; 放大倍数为100倍, 温度范围为-240~1200 ℃, 精度小于1%。本实验装置的压力传感器采用美国Kulite公司超高温硅压阻传感器, 布置在距离端盖中心40 mm处, 传感器压力范围为0~14 MPa, 精度小于1%。

图 1(Fig. 1)

图 1 实验装置示意图 1—温度传感器, 2—点火装置, 3—通气装置, 4—压力传感器 Fig.1 Schematic diagrams of experiment device 1—temperature sensor, 2—ignition device, 3—vent device, 4—pressure sensor

首先将点火装置短路, 实验用含铝炸药样品悬挂于距离上端盖20 cm处后将起爆雷管接到点火装置上, 然后将实验装置上端盖密封, 用真空泵抽空爆炸罐内的空气, 然后向爆炸罐内缓慢充入氮气, 如此循环三次, 将爆炸罐内的氧气完全抽走, 使爆炸罐内剩余气体的压力约为3 kPa, 起爆实验样品, 压力传感器和温度传感器记录50 s内的电信号数据, 最后通过通气装置用气体采样袋采集反应后的气体样品, 利用Perkin Elmer公司的Clarus500气相色谱仪对爆轰后的N₂、CO₂、CO、CH₄等主要气体产物进行定量分析。

通过真空爆炸罐密闭实验得含不同粒度铝粉的含铝炸药爆炸场压力随时间变化曲线，如图 2所示, 将图 2的时间尺度缩小到1 s, 得图 3。由图 2可知, FLQ355A和FLQT2两种铝粉对爆炸场压力的降低效果基本相当, FLQT4和FLQT2两种铝粉对爆炸场压力的降低效果基本相当, FLQ355A和FLQT2两种铝粉对爆炸场压力的降低效果比FLQT4和FLQT2两种铝粉小。由图 3可知, 四种粒度的铝粉对爆炸场压力的降低显著性的顺序是FLQT3>FLQT4>FLQT2>FLQ355A, 上述结论可以用含铝炸药惰性热稀释理论解释, 含铝炸药惰性热稀释理论认为作为惰性物质的铝粉在单质炸药爆炸瞬间不参与反应, 由于铝是热的良导体, 可以从爆轰产物中吸收热量, 因此便降低了爆轰波阵面的能量, 使爆速、爆压明显下降, 粒度越小, 比表面积越大的稀释剂, 降低效果越明显。因此, 惰性热稀释理论推测的四种粒度的铝粉对爆炸场压力的降低显著能力的顺序应是FLQT4>FLQT3>FLQT2>FLQ355A, 而依据实验结果, 平均粒度为4 μm的FLQT4的铝粉应该比平均粒度为13 μm的FLQT3铝粉对爆炸场压力的降低效果更明显。这种现象解释是, 单质炸药爆轰反应时间在10^-6~10^-8 s, 这个时间内纯铝可热透的半径约在10 μm以内, 非金属颗粒约在1 μm以内^[1]。由于铝颗粒外表面有一层Al₂O₃的非金属薄膜, 实际能够热透的半径远小于10 μm。因此平均粒度为4 μm的铝粉在单质炸药的爆轰反应时可以完全热透变成液体导致体积变大, 存在少量铝粉冲破Al₂O₃薄膜暴露后在爆轰波阵面前沿参与反应放出大量热量, 从而弥补了爆轰波阵面降低的能量。

图 2(Fig. 2)

图 2 含不同铝粉炸药的爆炸场压力与时间曲线 Fig.2 Curves of explosion field pressure vs. time for explosives containing different aluminum powder

图 3(Fig. 3)

图 3 含不同铝粉炸药1 s内爆炸场压力与时间曲线 Fig.3 Curves of explosion field pressure vs time within one second for explosives containing different aluminum powder

通过密闭真空爆炸罐测得含不同粒度铝粉的含铝炸药爆炸场温度与时间变化曲线如图 4, 将图 4的时间尺度缩小到1 s, 得图 5。由图 4、图 5可知, 铝粉粒度对含铝炸药爆炸场温度的提升作用大小顺序是FLQT2>FLQ355A>FLQT4>FLQT3。图 5显示, FLQ355A、FLQT2、FLQT3等三种铝粉的爆炸温度有明显的先下降然后再升高的现象, 而FLQT4铝粉不存在下降趋势, 而是呈现出逐渐升高随后形成一个温度平台。爆炸场温度实验结果可以用含铝炸药惰性热稀释理论解释, 含铝炸药中的单质炸药首先发生瞬间爆炸并释放出大量热量, 铝粉吸收爆轰波阵面的热量使波阵面的能量减小以及气体向外膨胀做功致使爆轰产物温度下降, 当铝粉完全热透变成液体, 体积逐渐增大, 致使铝粉表面的三氧化二薄膜破裂而与爆轰产物发生二次反应释放大量的热量, 温度上升, 反应完成后, 系统温度呈缓慢下降趋于平衡, 因此爆炸场温度呈现先下降后上升最后缓慢下降趋于平衡。对于粒度较小的FLQT4铝粉, 其在单质炸药爆炸瞬间, 铝粉颗粒已全部热透变成液体, 体积逐渐增大, 涨破表面的三氧化二铝薄膜发生二次反应释放热量, 其释放的热量抵消了其吸收的热量, 所以爆炸场温度没有出现先降低后升高的趋势, 而是形成一个温度平台, 在铝粉二次反应后, 系统温度呈缓慢下降趋于平衡。

图 4(Fig. 4)

图 4 含不同铝粉炸药的爆炸场温度与时间曲线 Fig.4 Curves of explosion field temperature vs time for explosives containing different aluminum powder

图 5(Fig. 5)

图 5 含不同铝粉炸药的1 s内爆炸场温度与时间曲线 Fig.5 Curves of explosion field temperature vs time within 1 s for explosives containing different aluminum powder

反应后各气态产物分析结果见表 1, 含铝炸药气态产物的定量分析是采用外标法, 首先测量标准样的气象色谱, 将各组分含量与色谱峰的面积相对应, 然后测定本实验的气态产物的气象色谱进行定量分析。现有标准样为CH₄、CO₂、N₂和CO的混合气体, 因此实验所得数据为CH₄、CO₂、N₂和CO的定量分析数据, 其余气体没有定量分析。由表 1数据可知, 含不同粒度铝粉的炸药爆轰后气态产物含量不同, 其中含FLQT3铝粉含铝炸药反应后的CO气体最大, 剩余氧含量最多。含不同铝粉炸药爆轰后气态产物中氧含量的多少顺序为FLQT3>FLQT4>FLQ355A>FLQT2。

表 1(Tab. 1)

表 1 含不同铝粉炸药爆轰后的气态产物 Tab. 1 Gas products after detonation for explosives containing different aluminum powder % sample CH4 CO2 N2 CO content of remainder oxygen element FLQT4 1.78 0.09 25.84 26.45 26.63 FLQT3 1.69 0.09 23.05 37.69 37.87 FLQT2 1.45 0.04 35.60 24.92 25.00 FLQ355A 1.54 0.05 35.35 26.40 26.51

表 1 含不同铝粉炸药爆轰后的气态产物 Tab.1 Gas products after detonation for explosives containing different aluminum powder

由含铝炸药的二次反应理论^[8]可知, 含铝炸药的反应可分成三个阶段:一是无氧爆轰阶段, 主要是炸药中的单质炸药发生分解反应。二是无氧燃烧阶段, 主要是炸药中的铝粉等可燃组分与单质炸药的分解产物发生氧化还原反应, 此反应不需要外界的氧气。三是有氧燃烧阶段, 主要是无氧燃烧阶段剩余的铝粉等可燃组分与周围空气中的氧气发生反应。前两个阶段是含铝炸药爆轰反应阶段, 是炸药自身爆轰能释放阶段, 第三个阶段是后燃烧阶段, 因本实验是在真空环境下进行, 不存在第三阶段反应。铝粉发生氧化反应必须有两个前提:一是与氧化剂充分接触, 二是必须提供足够高的反应温度使铝粉与氧化剂发生反应。含铝炸药爆轰产物向外膨胀时可以使铝粉与氧化性气态产物发生湍流作用而密切接触, 因此条件一不是问题, 所以含铝炸药中铝粉的反应效果取决于含铝炸药爆轰能量释放提供的环境温度。含不同铝粉炸药的爆炸场温度分析已知, 爆炸场温度大小顺序为FLQT2>FLQ355A>FLQT4>FLQT3, 与炸药最终气态产物中氧含量的大小顺序正好相反, 说明温度越高越有利于铝粉与氧化剂反应消耗掉氧元素, 反应放出的热量继续维持高温环境, 促进铝粉与氧化剂的充分反应。

利用密闭爆炸罐实验, 研究了真空环境下四种不同铝粉对含铝炸药的爆炸场压力和爆炸场温度的影响规律, 分析了铝粉的反应性能, 得到以下结论:

(1) 四种铝粉对含铝炸药爆炸场压力的降低显著性的顺序是13 μm球状铝粉>4 μm球状铝粉>28 μm球状铝粉>130 μm片状铝粉, 因此铝粉对含铝炸药爆炸场压力的降低能力与铝粉的粒度大小不具有相关性。

(2) 四种铝粉对含铝炸药爆炸场温度的提升作用大小顺序是28 μm球状铝粉>130 μm片状铝粉>4 μm球状铝粉>13 μm球状铝粉, 因此铝粉对含铝炸药爆炸场温度的提升作用与铝粉的粒度大小不具有相关性。

(3) 铝粉发生氧化反应的条件一是需与氧化剂充分接触, 二是必须有较高的温度, 因此含铝炸药爆轰后的环境温度越高越有利于铝粉的氧化反应。