薛 冰, 馬宏昊, 陳 偉, 沈兆武

(中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)近代力學(xué)系, 安徽 合肥 230027)

1 引 言

氫化鈦是一種高效儲氫材料,儲氫率高達(dá)4%,其應(yīng)用前景十分廣闊,可在電真空工藝中作吸氣劑,可作為高純氫的載體,可用于金屬-陶瓷封接和粉末冶金中向合金粉末供給鈦,還可在泡沫金屬制備時用作發(fā)泡劑[1]。氫化鈦燃燒熱值高,李辰芳[2]測得含氫量為3.9%的氫化鈦燃燒熱高達(dá)21.5 MJ·kg-1。同時氫化鈦化學(xué)性質(zhì)較穩(wěn)定,一般不受空氣和水分的影響,與部分單質(zhì)炸藥相容性好,是種很有潛力的復(fù)合炸藥添加劑。黑索今(RDX)是性能優(yōu)異的單質(zhì)炸藥,經(jīng)常用于制作復(fù)合炸藥[3-5]。將氫化鈦、RDX和粘結(jié)劑通過一定工藝復(fù)合,可以制成RDX基鈦氫復(fù)合炸藥。

復(fù)合炸藥中含能添加劑的粒度和含量對復(fù)合炸藥的爆炸性能影響很大[6-8]。前人已針對此做過諸多研究,如陳潛[9]等研究了不同粒度氧化鐵對TNT爆熱的影響,發(fā)現(xiàn)氧化鐵粒度越小,復(fù)合炸藥爆熱的改善越明顯。苗勤書[10]等發(fā)現(xiàn)隨鋁粉粒度減小,復(fù)合炸藥爆熱增加。王瑋[11]等研究了鋁含量對含鋁炸藥爆壓和爆速的影響,結(jié)果表明隨著鋁含量的增加,RDX基含鋁炸藥的爆壓和爆速呈線性減小。但是,關(guān)于氫化鈦作為炸藥添加劑的研究目前尚少。

基于此,本研究通過空中爆炸實驗,測量RDX基鈦氫復(fù)合炸藥的沖擊波超壓,正相時間和正相沖量等參數(shù),研究氫化鈦的含量和粒徑對RDX基鈦氫復(fù)合炸藥爆炸性能的影響,探尋在高能復(fù)合炸藥設(shè)計中引入氫化鈦的可行性,以期為金屬儲氫材料在高能復(fù)合炸藥中的應(yīng)用提供參考。

2 空中爆炸實驗

2.1 實驗裝置

空中爆炸實驗在直徑為2.5 m,長為5 m的圓柱形空中爆炸容器中進(jìn)行。沖擊波超壓測量采用PCB-W137A21自由場型壓力傳感器,由Tektronix 7401型數(shù)字示波器采集實驗數(shù)據(jù)。實驗中傳感器中心至藥包中心的距離為R1=70 cm,實驗裝置示意如圖1。

圖1 空中爆炸實驗裝置示意圖

Fig.1 Schematic diagram of experimental system for air explosion

2.2 實驗藥柱

為了研究氫化鈦粒度和含量對RDX基鈦氫復(fù)合炸藥空中爆炸性能的影響,進(jìn)行雙因素交叉分組實驗。實驗選取球磨后平均粒徑(D50)分別為136.74,20.78 μm和0.96 μm的氫化鈦粉末,由此制作氫化鈦含量為10%和20%的RDX基鈦氫復(fù)合炸藥壓裝藥柱(質(zhì)量m=20 g,長徑比約為1),并制備了相同質(zhì)量和長徑比的標(biāo)準(zhǔn)RDX藥柱。為進(jìn)一步研究氫化鈦含量對復(fù)合炸藥爆炸性能的影響,制作了40 g藥柱(藥量較小可影響起爆階段對炸藥爆炸性能的評估),其中氫化鈦的含量分別為10%、20%,粒度D50=0.96 μm。所有藥柱壓藥壓力均為4 MPa。

3 結(jié)果與討論

a.D50=136.74 μm,m=20 g b.D50=20.78 μm,m=20 g c.D50=0.96 μm,m=20 g

圖2 不同氫化鈦粒徑和含量時,RDX基鈦氫復(fù)合炸藥p-t曲線

Fig.2p-tcurves of RDX-based TiH2composite explosive with different TiH2sizes and contents

表1 RDX基鈦氫復(fù)合炸藥空中爆炸沖擊波參數(shù)(m=20 g)

Table 1 Air explosion shock wave parameters of RDX-based TiH2composite explosive(m=20 g)

Note:Vis incremental factor.

由表1可知,當(dāng)氫化鈦D50=136.74 μm時,RDX基鈦氫復(fù)合炸藥的沖擊波參數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)RDX藥柱相差較小,沖擊波參數(shù)水平隨著氫化鈦含量的增加而降低,且正相沖量均低于RDX藥柱。這是因為氫化鈦和RDX組成的復(fù)合炸藥物理性質(zhì)不均勻,其爆轟服從混合反應(yīng)機(jī)理[12],這種反應(yīng)不是在化學(xué)反應(yīng)區(qū)整個體積內(nèi)進(jìn)行,而是在一些分界面上進(jìn)行的[12]。氫化鈦的粒徑影響界面的面積,進(jìn)而影響其反應(yīng)進(jìn)程。并且由于RDX爆轟化學(xué)反應(yīng)區(qū)寬度(<0.7 mm)和時間(<0.1 μs)都非常小[13],使得氫化鈦在爆轟反應(yīng)區(qū)參與反應(yīng)的窗口很小。當(dāng)氫化鈦粒徑較大時,幾乎不參與到爆炸反應(yīng)中,此時氫化鈦相當(dāng)于惰性稀釋劑,氫化鈦含量越大則復(fù)合炸藥總能量越低。當(dāng)氫化鈦粒徑減小為D50=20.78 μm時,RDX基鈦氫復(fù)合炸藥的沖擊波參數(shù)均高于標(biāo)準(zhǔn)RDX藥柱,并且隨著氫化鈦含量的增加正相沖量增加明顯,說明此時氫化鈦參與到爆炸反應(yīng)中并提供能量。當(dāng)氫化鈦粒徑進(jìn)入亞微米尺度時(D50=0.96 μm),RDX基鈦氫復(fù)合炸藥的沖擊波參數(shù)較標(biāo)準(zhǔn)RDX藥柱明顯提升,當(dāng)氫化鈦含量為20%時,正相時間和正相沖量均達(dá)到最大(541 μs,20.484 Pa·s)。從圖2可以看出,氫化鈦粒徑為D50=0.96 μm的復(fù)合炸藥的沖擊波壓力衰減要明顯慢于RDX。這可能是因為D50=20.78 μm和D50=0.96 μm的氫化鈦粉末均由球磨得到,此時氫化鈦粉末是一種微/納米粒子復(fù)合體系[14],在微米母粒子的承載下納米粒子能夠發(fā)揮大比表面,高表面能及高表面活性等優(yōu)點,從而提高爆轟反應(yīng)的能量釋放速率和氫化鈦的反應(yīng)程度。上述規(guī)律可以從氫化鈦粒徑對RDX基鈦氫復(fù)合炸藥爆速的影響得到佐證[15]: 氫化鈦含量為10%的復(fù)合炸藥,當(dāng)氫化鈦粒徑由約40 μm下降到約1 μm時,爆速由7500 m·s-1提升到8000 m·s-1,這與空中爆炸實驗結(jié)果是一致的。

對實驗結(jié)果進(jìn)行方差分析可有效判斷實驗因素對實驗結(jié)果影響的大小和規(guī)律。為方便計算,設(shè)定增量因子V(表1)表征復(fù)合炸藥爆炸沖擊波參數(shù)的變化,其式為V=(F/F0-1)×100,其中為F為實驗測得的復(fù)合炸藥沖擊波參數(shù),F0為RDX對應(yīng)沖擊波參數(shù)。不同實驗條件對應(yīng)V的變化趨勢見圖3。

圖3 增量因子與實驗條件關(guān)系

Fig.3 Relationship between incremental factor and experiment conditions

圖4 不同配比RDX基鈦氫復(fù)合炸藥p-t曲線(m=40 g)

Fig.4p-tcurves of RDX-based TiH2composite explosive with different TiH2contents(m=40 g)

圖3顯示,不同氫化鈦含量的沖擊波參數(shù)隨粒度變化時發(fā)生了交叉,說明含量和粒度間有交互作用,即氫化鈦含量對復(fù)合炸藥爆炸性能的影響隨著氫化鈦粒度的不同而改變,這種交互作用對復(fù)合炸藥性能的影響不可忽視。增量因子方差分析結(jié)果(表2)表明,氫化鈦粒度的方差水平最高,對復(fù)合炸藥的爆炸性能影響較大; 氫化鈦含量對RDX基鈦氫復(fù)合炸藥的正相沖量影響明顯,但對超壓峰值影響較小。這可能是由于實驗藥量較小,同時空中爆炸沖擊波的傳播對實驗環(huán)境和條件極為敏感,沖擊波激發(fā)測試系統(tǒng)固有頻率的震蕩,以及爆炸破片對傳感器和流場可能的干擾,都會給峰值壓力的測量帶來較大影響[16]。而沖擊波正相沖量是對p-t曲線積分的結(jié)果,能更好地反映整個曲線的衰減特征和炸藥的做功能力。圖4為質(zhì)量為40 g的藥柱實驗壓力時程曲線,表3為40 g 藥柱的沖擊波參數(shù),由表3和圖4可知,隨著氫化鈦含量的增加,復(fù)合炸藥的正相沖量增加7.0%,而超壓峰值降低5.1%。這說明氫化鈦含量增加會影響復(fù)合炸藥正相沖量和超壓峰值。氫化鈦含量對RDX基鈦氫復(fù)合炸藥性能的影響取決于氫化鈦參與反應(yīng)的程度。當(dāng)氫化鈦能夠參與到爆炸反應(yīng)中時,其氧化反應(yīng)能放出大量熱,氫化鈦含量增加從而可以提高沖擊波沖量; 反之,則降低其爆炸性能。

表2 增量因子方差分析

Table 2 Variance analysis of incremental factor

explosionparametersvarianceofparticlesizevarianceofcontentvarianceofinteractionpm17．0310．0011．325t+69．5700．0294．647I103．00211．2345．195

Note:pmis peak overpressure,t+is positive duration,Iis positive impulse.

表3 RDX基鈦氫復(fù)合炸藥空中爆炸沖擊波參數(shù)(m=40 g)

Table 3 Air explosion shock wave parameters of RDX-based TiH2composite explosive(m= 40 g)

averageparticlesizeofTiH2/μmTiH2content/%peakover?pressure/MPapositivetime/μspositiveimpulse/Pa·s0．96100．244241829．560200．231843331．623

4 固相爆炸產(chǎn)物分析

空中爆炸實驗表明小粒徑氫化鈦能有效改善RDX基鈦氫復(fù)合炸藥爆炸性能。為了探究氫化鈦反應(yīng)過程,制備了氫化鈦(D50=0.96 μm)含量為50%的RDX基鈦氫復(fù)合炸藥,藥柱質(zhì)量為2 g,長徑比為1.4。在直徑16 cm,長52 cm的小型不銹鋼密閉容器內(nèi)引爆后,回收固相產(chǎn)物。對回收后的超細(xì)粉末(<2 μm)進(jìn)行X-射線能譜(EDX)分析,結(jié)果如圖5所示,固相產(chǎn)物中主要元素為C,O,Ti,Fe,Al。其中Al主要來自純鋁質(zhì)雷管殼,Fe主要來自爆炸容器,而C,O,Ti則主要為復(fù)合炸藥的爆炸產(chǎn)物。由于回收的粉末量較少且組成復(fù)雜,采用X-射線光電子能譜(XPS)對其進(jìn)行分析。結(jié)果顯示在Ti結(jié)合能區(qū)(453～463 eV)有明顯的尖峰,對該區(qū)域進(jìn)行細(xì)節(jié)掃描,結(jié)果如圖 6所示,右峰對應(yīng)結(jié)合能為458.4 eV,兩峰間隔為5.8 eV,結(jié)合EDX分析結(jié)果和標(biāo)準(zhǔn)手冊[17]可知其對應(yīng)為TiO2,據(jù)此可知道在復(fù)合炸藥爆炸過程中氫化鈦發(fā)生了氧化反應(yīng)。

圖5 固相產(chǎn)物元素分析(EDX)

Fig.5 Element analysis of solid explosion product by EDX

圖6 固相產(chǎn)物XPS細(xì)節(jié)掃描

Fig.6 Detail scan of the explosion product by XPS

根據(jù)Stepura和Gabis等人的研究,氫化鈦的熱分解遵循球體縮陷模型[18-19]。初始狀態(tài)時氫化鈦中氫以固溶體的形式存在,當(dāng)溫度上升時固溶體內(nèi)核迅速收縮形成單質(zhì)鈦,而氫則以熱擴(kuò)散的形式穿過混合物質(zhì)形成游離氫,其分解過程為: TiH2→TiHX→Ti+H。結(jié)合氫化鈦的熱分解特性和爆炸產(chǎn)物實驗結(jié)果,可以推測氫化鈦反應(yīng)路徑如下: 氫化鈦作為一種高熱值的含能添加劑與RDX組成復(fù)合炸藥爆轟時,首先是各組分自身反應(yīng),RDX爆轟產(chǎn)生巨大的熱量,氫化鈦在RDX爆轟提供的高溫下迅速發(fā)生熱分解[20-21],隨后分解形成的Ti,H元素與RDX爆轟形成的O發(fā)生氧化反應(yīng)放出大量熱: Ti+2O→TiO2,H2+O→H2O。由于凝聚炸藥爆炸反應(yīng)的復(fù)雜性,同時缺少有效的在線診斷方法,很難確定爆炸反應(yīng)的全部過程及基元反應(yīng),因此氫化鈦在爆炸過程中的熱分解及反應(yīng)路徑需要進(jìn)一步研究。

5 結(jié) 論

(1) 氫化鈦粒徑和含量對RDX基鈦氫復(fù)合炸藥的空中爆炸性能影響顯著,且兩因素之間存在交互作用。氫化鈦粒度較大時(D50=136.74 μm),復(fù)合炸藥爆炸性能降低,粒度較小時(D50=20.78 μm,D50=0.96 μm),其性能提高。氫化鈦粒徑為0.96 μm的復(fù)合炸藥(氫化鈦含量20%)的超壓峰值、正相時間和正相沖量較標(biāo)準(zhǔn)RDX分別增加了3.79%,12.71%和13.99%。小粒徑時(D50=0.96 μm)氫化鈦含量增加,復(fù)合炸藥的正相沖量提高7.0%,而超壓峰值則降低5.1%。

(2) 通過固相爆炸產(chǎn)物分析可知,復(fù)合炸藥爆炸過程中氫化鈦發(fā)生了氧化反應(yīng),生成TiO2,這是影響復(fù)合炸藥爆炸性能的重要原因。

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