方　偉，封雪松，趙省向

（西安近代化學(xué)研究所，陜西 西安，710065）

含硼儲(chǔ)氫合金炸藥能量研究

方偉，封雪松，趙省向

（西安近代化學(xué)研究所，陜西 西安，710065）

設(shè)計(jì)了3種含硼儲(chǔ)氫合金炸藥的配方，通過(guò)進(jìn)行水下爆炸實(shí)驗(yàn)，對(duì)水下爆炸能量輸出進(jìn)行了研究，并對(duì)含硼儲(chǔ)氫合金炸藥的能量進(jìn)行理論分析。結(jié)果表明，氫氧化產(chǎn)生的高溫環(huán)境和水蒸氣能夠促進(jìn)硼粉表面氧化層的蒸發(fā)和分解，從而提高硼粉的氧化速率和氧化率；含硼儲(chǔ)氫合金炸藥之所以產(chǎn)生高能量，是含硼合金與氫氣共同作用的結(jié)果。

炸藥；含硼儲(chǔ)氫合金；硼；水下爆炸；能量

含硼儲(chǔ)氫合金燃燒劑是一類由硼和金屬氫化物以及高含能金屬（鋁、鎂等）通過(guò)特定方法復(fù)合而成的具有特定空間相結(jié)構(gòu)的新型可燃劑，其中氫元素以氫化鎂的形式儲(chǔ)存于合金體系中[1]。含硼儲(chǔ)氫合金具有較高的穩(wěn)定性，能夠解決金屬氫化物雖然能量較高，但化學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定、與炸藥相容性差等問(wèn)題。硼與鋁相比具有更高的質(zhì)量熱值和體積熱值[2]，但硼氧化時(shí)表面形成沸點(diǎn)較高的液態(tài)氧化層，阻礙了硼與氧化劑的繼續(xù)反應(yīng)，使其燃燒效率低下[3]，國(guó)外研究者探討了氫的燃燒產(chǎn)物與硼表面氧化層之間的反應(yīng)機(jī)理[4-5]。

本文設(shè)計(jì)了幾種含儲(chǔ)氫合金炸藥的配方，與含鋁炸藥及含硼鋁混合金屬粉炸藥一起進(jìn)行了水下爆炸實(shí)驗(yàn)，并對(duì)含硼儲(chǔ)氫合金炸藥的能量進(jìn)行了理論分析，研究了含硼儲(chǔ)氫合金炸藥的能量輸出，探討了含硼儲(chǔ)氫合金在炸藥爆炸過(guò)程中的反應(yīng)機(jī)理。

1　實(shí)驗(yàn)部分

1.1材料及實(shí)驗(yàn)樣品制備

材料：RDX，八類；含硼儲(chǔ)氫合金，見(jiàn)表1；鋁粉， 4～5μ m；硼粉，粒度0.12μ m，純度93.9%；石蠟；EVA(乙烯醋酸乙烯共聚物)；硬脂酸；石油醚。實(shí)驗(yàn)樣品采用直接法制備，以石油醚為溶劑，RDX為主體炸藥，用石蠟對(duì)其進(jìn)行包覆，加入一定量的可燃劑（含硼儲(chǔ)氫合金、Al粉或Al粉與B粉的混合物），以一定比例的EVA與硬脂酸的混合物作粘結(jié)劑；將石蠟包覆的RDX、可燃劑和粘結(jié)劑溶液在26℃下混合，攪拌均勻，待溶劑揮發(fā)后，強(qiáng)制過(guò)篩造粒，烘干后壓制成Ф50mm、180～200 g/發(fā)的藥柱備用。所有樣品中石蠟的質(zhì)量百分含量為2%，EVA和硬脂酸的質(zhì)量百分含量分別為2%和1%。含硼儲(chǔ)氫合金水下爆炸實(shí)驗(yàn)炸藥樣品配方見(jiàn)表2。

表1　幾種含硼儲(chǔ)氫合金燃燒劑的化學(xué)組成?。?）Tab.1　Composition of boron-containing hydrogen-storage-alloy

表2　炸藥樣品配方Tab.2　Formula of explosive

1.2水下爆炸實(shí)驗(yàn)

水下爆炸實(shí)驗(yàn)布局如圖1所示。

圖1　水下爆炸實(shí)驗(yàn)布局圖Fig.1　Layout of the underwater explosion experiment

圖1中大水池深度9.5m，直徑12m，樣品和傳感器入水深度均為6.3m，4個(gè)PCB138A型電氣石水下激波傳感器安裝在距爆心的水平1.2m和1.8m處，兩側(cè)對(duì)稱放置。

2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

在水中爆炸實(shí)驗(yàn)條件下，進(jìn)行了1至5號(hào)炸藥配方的水下爆炸實(shí)驗(yàn)。其中1號(hào)含鋁炸藥配方及5號(hào)含硼鋁混合金屬粉配方用作與含硼儲(chǔ)氫合金炸藥配方對(duì)比。通過(guò)測(cè)試及數(shù)據(jù)處理得到?jīng)_擊波能量和氣泡能[6-7]，結(jié)果如表3所示。

表3　水下爆炸能量Tab.3　Energy of underwater explosion

從表3測(cè)試結(jié)果可知，含A-1、A-3配方的總能量高于1號(hào)含鋁配方；含A-2配方的比沖擊波能、比氣泡能均低于含鋁配方；其中A-1配方的比沖擊波能與含鋁配方相近，比氣泡能高于含鋁配方；含A-3配方的比沖擊波能低于含鋁配方，比氣泡能高于含鋁配方；含30%鋁硼混合金屬粉的5號(hào)配方能量最低，其原因一方面是由于硼表面液態(tài)氧化層阻礙其氧化放熱，另一方面是該配方的負(fù)氧程度很高（見(jiàn)表4），硼氧化不夠充分。

表4　炸藥配方的氧值計(jì)算Tab.4　Oxygen content of formula

圖2為硼含量與水下能量關(guān)系，可以看出，隨著配方中硼含量遞增（2號(hào)配方含硼3.72%、3號(hào)含硼6.48%、4號(hào)含硼10.08%）、鋁粉含量遞減（1號(hào)配方含鋁30%、2號(hào)含鋁21.2%、3號(hào)含鋁14.88%、4號(hào)不含鋁），比沖能先降低后升高，能量變化幅度很小；比氣泡能先升高后降低再升高，變化幅度較大；總能量具有與比氣泡能相同的變化趨勢(shì)。含A-1配方的比沖擊波能和比氣泡能最高，含A-2配方的比沖擊波能和比氣泡能最低，含A-3配方的比沖擊波能和比氣泡能均高于含A-2配方，但低于含A-1配方。

圖2　儲(chǔ)氫合金中硼含量與水下能量的關(guān)系Fig.2　Relationship between boron content of hydrogen-storage-alloy and underwater explosion energy

1至3號(hào)配方的比氣泡能先升后降再升的變化趨勢(shì)，可用配方的缺氧程度加以分析。如表4所示，2號(hào)與1號(hào)配方相比負(fù)氧程度較小，所含的硼能夠較充分地氧化，而硼比鋁具有更高的質(zhì)量熱值，所以具有較高的能量；隨著硼含量提高，3號(hào)配方負(fù)氧程度較高，造成硼粉氧化不充分，比氣泡能下降。4號(hào)配方在負(fù)氧量更大的情況下能量高于3號(hào)配方，原因是氫含量較高，氧化釋放出較高能量造成高溫環(huán)境，同時(shí)生成水蒸氣，而高溫環(huán)境有利于硼粉表面氧化層的蒸發(fā)，水蒸氣能夠與硼粉表面的氧化層發(fā)生放熱反應(yīng)（1）和（2），這兩個(gè)方面均有利于氧化層的消除和促進(jìn)硼的繼續(xù)氧化[4-5]。

0.5H2O(g)+0.5B2O (l) = HBO2(g) + 63kJ/mol（1）1.5H2O(g)+1.5B2O3(l)=H3B3O6(g)+28 kJ/mol（2）2.2含硼儲(chǔ)氫合金炸藥能量的理論分析

與含鋁炸藥相比，含儲(chǔ)氫合金炸藥的能量具有一定優(yōu)勢(shì)，是由于炸藥爆轟時(shí)，氫、鋁、鎂等易燃物質(zhì)首先發(fā)生氧化反應(yīng)，釋放能量，造成高溫環(huán)境；隨后硼在此高溫環(huán)境下，與剩余氧和氫氣氧化產(chǎn)生的水蒸氣進(jìn)行氧化反應(yīng)釋放出較高能量。依據(jù)此反應(yīng)機(jī)理，在100g試樣在理想狀況下，即炸藥中所含氧除用于氧化金屬鋁、鎂外，全部用于硼的氧化，對(duì)2、3、4號(hào)炸藥配方的能量進(jìn)行了理論計(jì)算。結(jié)果含A-1和A-2的配方隨著硼含量的升高，爆熱值由953.8kJ/100g降低至931.5kJ/100g，與水下實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果一致；含A-3配方爆熱計(jì)算值為902.2kJ/100g，A-3可燃劑不含鋁，由于A-3中鎂粉耗氧量低且放熱速度快于鋁粉，氫含量高于另外兩種可燃劑，爆炸過(guò)程中的氧化產(chǎn)物可以促進(jìn)硼粉氧化放熱，所以其實(shí)測(cè)水下能量高于含A-2的配方。

從能量計(jì)算結(jié)果可知，含硼儲(chǔ)氫合金在爆轟反應(yīng)過(guò)程中，基本遵循活潑金屬和氫氣首先氧化產(chǎn)生高溫，隨后硼開(kāi)始氧化的反應(yīng)順序。但在隨后的反應(yīng)中，并不是氫和活潑金屬反應(yīng)完全后，硼才開(kāi)始反應(yīng)，而是在高溫環(huán)境下，硼與活潑金屬相互競(jìng)爭(zhēng)，同時(shí)發(fā)生氧化反應(yīng)。根據(jù)上述分析，含硼儲(chǔ)氫合金之所以能夠產(chǎn)生高能量，是硼與活潑金屬及氫共同作用的結(jié)果。

3　結(jié)論

（1）含30%鋁硼混合金屬粉配方的水下爆炸能量最低，其原因一方面是由于硼表面液態(tài)氧化層阻礙其氧化放熱，另一方面是由于配方的負(fù)氧程度高，硼氧化不夠充分。（2）在氫含量相差不多的情況下，負(fù)氧程度是含硼儲(chǔ)氫合金炸藥水下爆炸能量的影響因素之一，負(fù)氧程度越高，其水下爆炸能量越低。（3）氫氧化產(chǎn)生的高溫環(huán)境和水蒸氣能夠促進(jìn)硼粉表面氧化層的蒸發(fā)和分解，從而提高硼粉的氧化速率和氧化率。（4）含硼儲(chǔ)氫合金爆轟過(guò)程中，基本遵循活潑金屬和氫氣首先氧化產(chǎn)生高溫，隨后硼開(kāi)始氧化的反應(yīng)順序，但并不是氫和活潑金屬反應(yīng)完全后，硼才開(kāi)始反應(yīng)，而是在高溫環(huán)境下，硼與活潑金屬相互競(jìng)爭(zhēng)，同時(shí)發(fā)生氧化反應(yīng)。含硼儲(chǔ)氫合金炸藥之所以產(chǎn)生高能量，是含硼合金與氫氣共同作用的結(jié)果。

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

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Research on the Explosion Energy of Explosive with Boron-containing Hydrogen-storage-alloy

FANG Wei, FENG Xue-song, ZHAO Sheng-xiang
(Xi’an Modern Chemistry Research Institute, Xi’an, 710065)

In this paper, three formulas of explosive with boron-containing hydrogen-storage-alloy were designed, the underwater explosion energy was tested, and the energy of explosive with boron-containing hydrogen-storage-alloy were researched theoretically. The result shows that high temperature and vapour generated by combustion of hydrogen can promote the process of evaporation and disintegration of B2O3on surface of boron particles, thereby it improves the oxidation velocity and ratio of boron particles. It’s the combined reaction of boron-containing alloy with hydrogen that explosive with boron-containing hydrogen-storage-alloy releases high energy.

Explosive；Boron-containing hydrogen-storage-alloy；Boron；Underwater explosion；Energy

TQ564

A

1003-1480（2015）02-0036-03

2014-09-10

方偉（1982-），男，工程師，從事混合炸藥配方及工藝研究。