馮曉軍，黃亞峰，徐洪濤

（西安近代化學研究所，陜西 西安，710065）

Al粉是一種高熱值的金屬添加劑，在混合炸藥配方中已經得到了廣泛的應用[1]。目前的研究表明，由于鋁粉的加入增大了混合炸藥的非理想爆轟特性，使得含鋁炸藥的爆轟反應區(qū)增長，爆炸能量釋放速率減慢，從而延緩爆炸沖擊波在空中和水中的傳播衰減速率，增大沖擊波的沖量，同時鋁粉和爆轟產物的二次反應放熱可以增加炸藥水中爆炸的氣泡能，提高混合炸藥的做功能力[2]，因此含鋁炸藥已經成為水中武器主裝藥的首選。為了系統地分析Al粉對含鋁炸藥爆轟參數的影響規(guī)律，指導含鋁炸藥配方的設計，本文選擇TNT和RDX為主炸藥，通過添加不同含量的鋁粉組成含鋁炸藥配方，進行了爆速、爆壓和爆熱測量，根據測量結果得到了含鋁炸藥的爆轟能量轉化率，分析了Al/O摩爾比對含鋁炸藥爆轟性能參數的影響。

1 試 驗

1.1 試驗樣品及制備

分別以TNT和RDX為主炸藥，通過添加不同含量的Al粉組成一系列含鋁炸藥，配方組成見表1。所有試驗樣品均采用壓裝工藝制備，壓力為250MPa，根據炸藥爆轟參數測試項目的要求壓制成不同的尺寸，結果見表2。

表1 含鋁炸藥配方組成Tab.1 The formulation of aluminized explosive

表2 試樣制備尺寸Tab.2 The sample preparation size

1.2 試驗方法

爆熱測試: 采用GJB 772A-97 方法701.1的絕熱法進行。

爆壓測試：采用GJB 772A-97 方法704.2 錳銅壓力傳感器法進行。

爆速測試：采用GJB 772A-97 方法702.1 電測法進行。

2 結果與討論

2.1 試驗結果

試驗得到的含鋁炸藥爆轟性能參數結果見表3。

2.2 Al粉含量對炸藥爆壓和爆速的影響

炸藥的爆壓和爆速都是爆轟波陣面能量釋放強度和釋放速率的體現，對于任何體系的炸藥，兩者的變化規(guī)律完全相同，因此同時討論Al粉對含鋁炸藥爆壓和爆速的影響。通常習慣用Al/O摩爾比表征Al粉含量的變化，得到的結果如圖1～2所示。

表3 含鋁炸藥試驗結果Tab.3 The experimental results of aluminized explosive

通過曲線擬合，得到TNT基含鋁炸藥和RDX基含鋁炸藥的爆壓和爆速隨Al/O摩爾比變化的經驗方程，見方程（1）～（4）。由經驗方程可以看出，含鋁炸藥的爆壓隨Al/O摩爾比以指數規(guī)律衰減，爆速隨Al/O摩爾比（χ）以線性規(guī)律衰減。

TNT基含鋁炸藥爆壓和爆速與Al/O摩爾比關系方程：

RDX基含鋁炸藥爆壓和爆速與Al/O摩爾比關系方程：

根據目前公認的含鋁炸藥二次反應理論[3]，當含鋁炸藥爆轟時，配方中的Al粉沒有在爆轟波陣面上參加反應，對于爆轟波陣面上的釋能反應而言，Al粉是一種惰性吸熱物質，它會從爆轟波陣面上吸收主炸藥反應釋放的能量；同時由于Al粉是熱傳導性能很好的金屬質點（導熱系數為230W/（m·K-1）），會隨著爆轟產物的快速膨脹將爆轟波陣面上的一部分能量快速地傳遞到空氣中去，這兩者的共同作用使得用于支持主炸藥傳播爆轟的能量減小，從而使含鋁炸藥的爆壓和爆速隨著Al粉含量的增大而減小。

2.3 Al粉含量對炸藥爆熱的影響

TNT基含鋁炸藥和 RDX基含鋁炸藥的爆熱隨Al/O摩爾比的變化規(guī)律如圖3所示。

圖3 含鋁炸藥爆熱與Al/O摩爾比關系Fig.3 The relation between Al/O and explosion heat

由圖3可見，通過擬合可以得到含鋁炸藥的爆熱與Al/O摩爾比成三次多項式關系，當Al/O摩爾比達到1.0（Al粉含量為40%）左右時，炸藥爆熱值達到最大值，與不含鋁粉的單質炸藥相比，TNT基含鋁炸藥爆熱增加了 74.2%，RDX基含鋁炸藥爆熱增加了37.5%；再增大Al/O摩爾比，炸藥爆熱值反而降低。TNT基含鋁炸藥和RDX基含鋁炸藥的爆熱與Al/O摩爾比的經驗方程見式（5）～（6）。

TNT基含鋁炸藥爆熱與Al/O摩爾比關系方程：

RDX基含鋁炸藥爆熱與Al/O摩爾比關系方程：

含鋁炸藥的爆熱隨Al/O摩爾比變化的規(guī)律與其爆轟反應機理有關，根據含鋁炸藥爆轟理論，當炸藥發(fā)生爆轟時，其組分中的Al粉沒有參加C-J面上的反應或者在C-J面上遠未反應完全，大部分是與炸藥的爆轟產物進行二次反應放出熱量[4]，其主要的反應有：

也有人認為Al粉在高溫高壓下還能與爆炸產物中的氮氣發(fā)生反應，生成氮化鋁而放出熱量，即：

Al+0.5N2→AlN+241.0kJ

以上這些反應都是放熱反應，因此可以大幅度提高炸藥的爆熱值，但是當Al/O摩爾比大于1.0后，由于Al粉含量已經超過爆轟產物中可能與Al粉發(fā)生放熱化學反應的物質的量，此后，Al粉就會完全作為一種惰性吸熱物質而存在，消耗大量熱量而使爆熱值降低。

2.4 Al粉含量對含鋁炸藥爆轟能量轉化率的影響

含鋁炸藥爆炸釋放的能量可以分為兩部分：一部分為爆轟反應釋放的能量（Qd），該能量在10-4ms前釋放出來，主要貢獻給爆速或爆壓，用于維持爆轟波的傳播；另一部分能量為Al粉的二次反應所釋放的能量（Qp），該能量釋放時間大約在0.1～100ms，對爆轟波沒有貢獻。通常利用爆熱量熱計測得的炸藥爆熱QV是這兩部分能量之和，通常用Qd/QV表示含鋁炸藥爆轟能量的轉化率[5]。Qd可以用式（7）和式（8）聯合求得：

通過計算可以得到以TNT為基和以RDX為基的含鋁炸藥的爆轟能量和爆轟能量轉化率，結果見表4。

利用Al/O摩爾比分析鋁粉含量對含鋁炸藥爆轟能量轉化率的影響，結果如圖4所示，通過擬合得到的經驗方程見式（9）～（10）。

表4 含鋁炸藥爆轟能量及轉化率Tab.4 The detonation energy and its transform scale of aluminized explosive

圖4 含鋁炸藥爆轟能量轉化率與Al/O摩爾比關系Fig.4 The relation between detonation energy transform scale and Al/O

TNT基含鋁炸藥爆轟能量轉化率與Al/O摩爾比關系方程：

RDX基含鋁炸藥爆轟能量轉化率與Al/O摩爾比關系方程：

可以看出，隨著Al粉含量的增大，爆轟能量轉化率以指數規(guī)律降低。這是因為Al粉含量增大，含鋁炸藥爆轟的非理想性增強，爆轟反應區(qū)增長，在爆轟波陣面上釋放的用于支持爆轟波傳播的能量減小，大部分能量在爆轟波陣面之后釋放出來，對爆轟波的傳播不再有貢獻；而且隨著鋁粉含量的增大，在爆轟波陣面后由于鋁粉與爆轟產物的二次反應釋放的能量增大，使得含鋁炸藥的爆熱增大，因而使得爆轟能量轉化率降低。

3 結論

（1）含鋁炸藥的爆壓隨著Al/O摩爾比的增大以指數規(guī)律降低，爆速以線性規(guī)律降低。

（2）含鋁炸藥的爆熱隨著Al/O摩爾比的增大以三次多項式規(guī)律變化，當Al/O摩爾比接近1.0時，爆熱值達到最大，而爆轟能量轉化率隨Al/O摩爾比增大以指數規(guī)律降低。

[1]殷海權,潘清,張建亮.鋁粉對炸藥性能的影響[J].含能材料,2004,12(5):318-320.

[2]周俊祥,徐更光,王廷增.鋁化炸藥水下爆炸沖擊波特性分析[J].爆破,2005,22(1):41-51.

[3]陳朗,龍新平,馮長根,蔣小華.含鋁炸藥爆轟[M].北京:國防工業(yè)出版社,2004.

[4]孫業(yè)斌,惠君明.軍用混合炸藥[M].北京:兵器工業(yè)出版社,1995.

[5]馮曉軍.炸藥爆轟參數對水中爆炸能量輸出結構的影響[D].西安:西安近代化學研究所,2011.