郭 偉，曹 威，譚凱元，段英良，宋清官，韓 勇

（中國(guó)工程物理研究院化工材料研究所，四川 綿陽(yáng) 621999）

1 引言

高熱值的鋁（Al）金屬添加劑被用來(lái)提高炸藥的做功能力已經(jīng)有一百多年的歷史［1］。Al 在氧化過程中生成氧化鋁（Al2O3）釋放很高的熱量（85 GJ·m-3），而硼（B）氧化時(shí)具有更高的體積熱（140 GJ·m-3）；但B 的點(diǎn)火和燃燒比較困難，因此限制了其在炸藥中的應(yīng)用［2］。與Al 一樣，B 表面形成的氧化層會(huì)阻止反應(yīng)的持續(xù)進(jìn)行。與Al2O3的熔點(diǎn)2327 K（沸點(diǎn)3250 K）相比，B2O3的熔點(diǎn)僅為723 K（沸點(diǎn)2338 K）。根據(jù)Glassman 準(zhǔn)則［3］，與Al 的氣相燃燒不同的是，B 的燃燒是多相燃燒，而且B 的熔點(diǎn)很高，接近2450 K（沸點(diǎn)3931 K），固態(tài)或液態(tài)B 燃燒時(shí)表面會(huì)形成液態(tài)的B2O3膜。有研究表明B 與MgH2加入到含鋁炸藥中能夠提高炸藥的輸出能力，此外MgH2的反應(yīng)產(chǎn)物H2O 能夠提高B 和Al 的點(diǎn)火和燃燒性能［4-6］。已有研究表明，添加了Al/B 混合粉的炸藥爆炸能量輸出高于只含有鋁粉的炸藥［7-8］，添加了Al/B/MgH2合金粉的炸藥的爆炸能量輸出和激光點(diǎn)火性能也優(yōu)于只含有鋁粉的炸藥［9?11］。但是相關(guān)研究并沒有對(duì)這些新型金屬化炸藥的爆轟反應(yīng)區(qū)結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。

ZND（Zel′dovich?Neumann?D?ring）爆轟模型假設(shè)了爆轟波中兩種重要的狀態(tài)，分別為表示初始化學(xué)反應(yīng)開始的VN（von Neumann）峰和表示爆轟反應(yīng)結(jié)束 的CJ（Chapman?Jouguet）點(diǎn)［12］。 VN 峰 的 壓 力（pVN）、CJ 點(diǎn)的爆轟壓力（pCJ）、爆轟反應(yīng)區(qū)時(shí)間（tCJ）和寬度（XCJ）是描述爆轟過程的重要參數(shù)，對(duì)研究炸藥的沖擊起爆過程，確定化學(xué)反應(yīng)速率函數(shù)具有重要意義。很多新炸藥的爆轟反應(yīng)區(qū)參數(shù)主要通過計(jì)算和模擬獲得，并未進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量，因此迫切需要開展新型炸藥的爆轟反應(yīng)區(qū)參數(shù)測(cè)試。凝聚態(tài)炸藥的爆轟壓力一般在10～40 GPa 范圍內(nèi)，對(duì)其爆轟壓力的直接測(cè)量十分困難。鮮有材料能夠不受爆轟的高溫高壓環(huán)境影響而直接測(cè)出爆轟壓力，因此爆轟壓力需要通過其他實(shí)驗(yàn)手段獲得，而且測(cè)量的同時(shí)盡量不對(duì)爆轟波產(chǎn)生影響。近年來(lái)，利用惰性材料接觸炸藥測(cè)試爆轟波的特性參數(shù)得到廣泛的應(yīng)用［12］。

許多研究報(bào)道了理想和非理想炸藥的爆轟反應(yīng)區(qū)的測(cè)試，方法包括納秒時(shí)間分辨率的埋入式壓力測(cè)量、埋入式粒子速度測(cè)量和激光干涉法等［13］。由于激光干涉法的物理機(jī)制和數(shù)據(jù)分析方法最為明晰，其時(shí)間分辨率能夠達(dá)到ns 量級(jí)，通過記錄界面粒子速度曲線能夠有效獲取炸藥爆轟反應(yīng)CJ 點(diǎn)、反應(yīng)時(shí)間和反應(yīng)區(qū)寬度［14］。激光干涉法就是利用惰性材料接觸炸藥測(cè)試爆轟波特性參數(shù)的方法。劉丹陽(yáng)等［15］使用激光干涉法測(cè)試了CL?20 基含鋁炸藥的爆轟反應(yīng)區(qū)參數(shù)，并分析了鋁粉粒徑和含量對(duì)爆轟反應(yīng)區(qū)的影響。裴紅波和 覃 錦 程 等［14，16-17］利用 激 光 干 涉 法 測(cè)試 了TATB 基、HMX 基、RDX 基和PETN 基高聚物粘結(jié)炸藥的爆轟反應(yīng)區(qū)參數(shù)，并對(duì)激光干涉法測(cè)試技術(shù)的準(zhǔn)確性進(jìn)行了分析，得到光子多普勒測(cè)速系統(tǒng)的誤差在3%以內(nèi)。楊洋等［18-19］利用激光速度干涉技術(shù)測(cè)試了DNAN 基金屬化熔鑄炸藥的爆轟反應(yīng)區(qū)參數(shù)，并利用銅飛片速度計(jì)算了爆轟產(chǎn)物的JWL 狀態(tài)方程參數(shù)。

本研究利用光子多普勒測(cè)速（photonic Doppler velometer，PDV）技術(shù)對(duì)RDX 基金屬化炸藥（分別添加了高氯酸銨AP/Al 和AP/Al/B/MgH2）的爆轟反應(yīng)區(qū)參數(shù)進(jìn)行研究，獲得新型金屬化炸藥的爆轟反應(yīng)區(qū)參數(shù)。通過爆轟反應(yīng)區(qū)參數(shù)測(cè)量，可評(píng)估新型添加劑對(duì)金屬化炸藥爆轟性能的影響規(guī)律，理解高能金屬燃料對(duì)炸藥爆轟反應(yīng)區(qū)的影響，相關(guān)研究結(jié)果可為金屬化炸藥的配方設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 樣品制備

本研究利用造粒法制備了RDX/AP/Al/binder=36/20/35/9和RDX/AP/儲(chǔ)氫合金/binder=36/20/35/9兩種RDX 基金屬化炸藥（分別稱為AH 和BH），其中儲(chǔ)氫合金為Al/B/MgH2=70/15/15，RDX 的中粒徑D50=30 μm，AP的D50=40 μm，球形Al粉的D50=2 μm，顆粒狀儲(chǔ)氫合金粉的D50=3 μm。此外，還使用了鈍化RDX 炸藥（RDXph，RDX/binder=95/5）作 為 對(duì) 比。AH、BH 和RDXph 三種炸藥的壓制密度分別為1.85（±0.005）、1.77（±0.005）和1.66（±0.005）g·cm-3。

2.2 測(cè)試方法

利用界面粒子速度（up）研究炸藥的爆轟反應(yīng)區(qū)結(jié)構(gòu)，PDV 測(cè)速系統(tǒng)用于測(cè)試炸藥與LiF 窗口的界面粒子速度，進(jìn)而評(píng)估炸藥的爆轟反應(yīng)區(qū)參數(shù)。使用Φ50 mm×50 mm 的RDXph炸藥起爆Φ50 mm×45 mm的金屬化炸藥樣品，利用Φ20 mm×10 mm LiF（Lithi?um?Fluoride）窗口測(cè)試炸藥樣品中心輸出端面的界面粒子速度。為了給界面粒子速度測(cè)試提供一個(gè)反射面，在LiF 窗口靠近炸藥的端面鍍有0.6 μm 厚的Al膜，裝配時(shí)在炸藥窗口界面涂抹少量硅油以排除界面空氣間隙。實(shí)驗(yàn)測(cè)試示意圖如圖1 所示，測(cè)試系統(tǒng)包括起爆裝置、雷管、傳爆藥RDXph、待測(cè)裝藥樣品、PDV 系統(tǒng)、示波器等。雷管起爆鈍化RDX 產(chǎn)生爆轟波起爆待測(cè)裝藥樣品，利用PDV 系統(tǒng)測(cè)量待測(cè)裝藥樣品的爆轟反應(yīng)產(chǎn)物界面粒子速度。其中，PDV 系統(tǒng)的激光波長(zhǎng)為1550 nm，使用的光纖探頭的直徑為3.2 mm，配套示波器最高采樣率為40 GS·s-1。

圖1 界面粒子速度測(cè)試示意圖Fig.1 Schematic of the interface particle velocity measurement

3 結(jié)果與討論

3.1 界面粒子速度測(cè)試

按文獻(xiàn)［20］給出的LiF 折射率修正指數(shù)獲得三種炸藥的界面粒子真實(shí)速度曲線如圖2 所示。由于受到炸藥中初始沖擊波的影響，VN 峰后炸藥的粒子速度曲線的第一部分出現(xiàn)一個(gè)下降較快的陡坡，然后界面粒子速度第二部分出現(xiàn)一個(gè)下降變緩的自相似非定態(tài)Taylor 波，此時(shí)炸藥爆轟產(chǎn)物開始膨脹。

圖2 炸藥與LiF 窗口的界面粒子速度曲線Fig.2 Interface particle velocity histories between explosives and LiF windows

3.2 數(shù)據(jù)處理和爆轟反應(yīng)區(qū)參數(shù)計(jì)算

通常有兩 種 方 法 進(jìn)行CJ 點(diǎn) 的 判讀［12，21］。第一種方法是線性回歸線擬合，CJ 點(diǎn)由界面粒子速度曲線的兩個(gè)部分的線性回歸線的交叉點(diǎn)決定；使用這種方法的前提是能夠較為清晰的識(shí)別出界面粒子曲線的拐點(diǎn)位置，一般適用于理想炸藥，因此RDXph 炸藥的CJ 點(diǎn)由此方法判讀。第二種方法是對(duì)界面粒子速度?時(shí)間曲線進(jìn)行時(shí)間的微分化處理，然后利用dup/dt 與t 的關(guān)系在線性坐標(biāo)系下可以表示為兩條直線；其中第二條直線的斜率接近于零，通過讀取兩條直線的交叉點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)間即為CJ 點(diǎn)，此方法適用于爆轟化學(xué)反應(yīng)區(qū)與Taylor 波稀疏區(qū)的區(qū)分較為困難的時(shí)候，一般適用于非理想炸藥，因此AH 和BH 的CJ 點(diǎn)由此方法判讀。

本研究利用方法一確定了RDXph 的CJ 點(diǎn)，如圖3所示。利用方法二確定了AH 和BH 兩種炸藥的CJ點(diǎn)，如圖4 所示。LiF 是一種較主裝藥具有更高沖擊阻抗的惰性材料，因此會(huì)有一個(gè)強(qiáng)的沖擊波反射回反應(yīng)炸藥中。通過阻抗分析炸藥?LiF 窗口測(cè)試區(qū)的界面粒子速度，利用LiF 窗口沖擊絕熱線建立沖擊波速度Us與粒子速度up之間的關(guān)系［22］:

利用阻抗匹配［23］公式計(jì)算爆轟波的壓力:

式 中，pi是 爆 轟 壓 力，GPa；ρLiF為L(zhǎng)iF 的 初 始 密 度，為2.64 g·cm-3；D 為炸藥的爆速［10］，km·s-1；ρ0是炸藥的初始密度，g·cm-3。聯(lián)立公式（1）和公式（2），其中up取uCJ，爆轟壓力pi即為pCJ，計(jì)算得到AH 和BH 的CJ 壓力為20.1 GPa 和18.8 GPa。測(cè)量的不確定度約為3%，這與CJ 點(diǎn)的精確定位、界面粒子速度的修正以及LiF 的沖擊絕熱線關(guān)系有關(guān)。

為了獲得爆轟反應(yīng)區(qū)寬度（XCJ），利用如下公式計(jì)算獲得炸藥的XCJ:

圖3 RDXph 炸藥的界面粒子速度曲線Fig.3 Interface particle velocity histories of RDXph

圖4 AH 和BH 炸藥的界面粒子速度微分曲線Fig.4 Derivative of the interface particle velocity histories of AH and BH

因此，利用壓力?粒子速度阻抗匹配關(guān)系獲得炸藥的爆轟反應(yīng)區(qū)VN 峰壓力pVN、CJ 壓力pCJ、化學(xué)反應(yīng)區(qū)時(shí)間tCJ和寬度XCJ。

表1給出了通過界面粒子速度測(cè)試獲得的三種炸藥的爆轟反應(yīng)區(qū)參數(shù)。從測(cè)試結(jié)果中可以看出，RDXph具有最高的PVN和PCJ，其參數(shù)分別為39.5 GPa 和25.8 GPa，AH的PVN和PCJ分別為32.5 GPa和20.1 GPa，BH 的PVN和PCJ分 別 為29.9 GPa 和18.8 GPa。相反，RDXph 的爆轟化學(xué)反應(yīng)區(qū)時(shí)間和寬度均小于AH 和BH 炸藥，其中RDXph 的tCJ為24.3 ns，XCJ為0.15 mm；而AH 和BH 的tCJ分 別 為53.6 ns 和58.0 ns，XCJ分 為0.29 mm 和0.30 mm。兩種金屬化炸藥的爆轟反應(yīng)區(qū)參數(shù)差距較小，但是與鈍化RDX 仍然有較大的差異。對(duì)于RDX 基的金屬化炸藥來(lái)說，其爆轟反應(yīng)區(qū)壓力PVN和PCJ較RDXph 更小，其爆轟反應(yīng)區(qū)時(shí)間和寬度較RDXph 更長(zhǎng)。

表1 界面粒子速度測(cè)試獲得的爆轟反應(yīng)區(qū)參數(shù)Table 1 Detonation reaction zone parameters obtained from interface particle velocity histories

3.3 爆轟反應(yīng)區(qū)參數(shù)結(jié)果分析

Al 組分的加入將會(huì)降低炸藥的總產(chǎn)氣量，但金屬Al 在爆轟反應(yīng)區(qū)后的爆轟產(chǎn)物中氧化時(shí)會(huì)釋放大量的熱從而提高產(chǎn)物氣體的溫度，氣體溫度的提高有助于抵消氣體體積的減小所帶來(lái)的能量損失，從而提高炸藥對(duì)外做功的威力。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，添加了AP/Al 的RDX 炸藥爆轟波壓力有所降低，這是由于金屬Al在發(fā)生高能放熱反應(yīng)前首先要吸收熱量將表面的高熔點(diǎn)氧化鋁層（熔點(diǎn)2327 K）融化破壞，然后Al 金屬才能參與反應(yīng)釋放熱量；金屬Al 組分在爆轟反應(yīng)區(qū)極短的時(shí)間內(nèi)幾乎不發(fā)生反應(yīng)，相當(dāng)于炸藥配方中的惰性組分含量增加，支持爆轟波的組分含量下降。因此，金屬Al 的加入降低了炸藥的爆轟壓力，導(dǎo)致爆轟反應(yīng)區(qū)中反應(yīng)速率降低，使反應(yīng)時(shí)間增加，反應(yīng)區(qū)寬度變大。此外含鋁炸藥中AP 組分的爆壓較RDX 組分的低，也會(huì)使得金屬化炸藥的爆轟壓力降低。由于這些因素的共同影響，使得添加了AP/Al 的RDX 金屬化炸藥的爆轟化學(xué)反應(yīng)區(qū)時(shí)間和反應(yīng)區(qū)寬度提高了近一倍，而爆轟壓力也有所降低。而添加了B 和MgH2之后，形成的含AP/Al/B/MgH2的RDX金屬化炸藥的輸出壓力進(jìn)一步降低，在爆轟反應(yīng)區(qū)內(nèi)儲(chǔ)氫材料MgH2和Al/B 金屬燃料并沒有對(duì)爆轟能量釋放起到增強(qiáng)效應(yīng)。這是由于Al、B表面氧化物分解及MgH2（=-76.15 kJ·mol-1）的分解放氫反應(yīng)是吸熱反應(yīng)，MgH2吸收了炸藥組分的反應(yīng)放熱后釋放氫。氫可與Al、B 表面氧化物反應(yīng)促進(jìn)其氧化層的脫落；但這樣的過程在爆轟反應(yīng)區(qū)極短的時(shí)間內(nèi)無(wú)法完成，無(wú)法對(duì)炸藥的爆轟波進(jìn)行支持。因此，高能燃料組分的加入降低了炸藥的爆轟壓力，但在爆轟產(chǎn)物中的反應(yīng)能夠有效提高炸藥的爆炸輸出威力［11］。

通過爆轟反應(yīng)區(qū)測(cè)試結(jié)果可以看出，本研究使用的兩種新配方降低了RDX 的爆轟壓力和反應(yīng)速率，增長(zhǎng)了爆轟反應(yīng)時(shí)間，使得反應(yīng)區(qū)的寬度變大。炸藥的爆轟反應(yīng)是一種十分迅速的化學(xué)釋能過程，在提升炸藥輸出能力時(shí)不能僅僅著眼于提升炸藥的某一項(xiàng)爆轟性能參數(shù)。合理的添加高能金屬材料能夠提高炸藥總的能量輸出、體積威力和爆溫。對(duì)于金屬化炸藥，爆轟反應(yīng)區(qū)后爆轟產(chǎn)物中的后燃燒反應(yīng)也是重要的能量輸出組成部分，在對(duì)外做功、增加爆炸威力方面至關(guān)重要；因此要針對(duì)各個(gè)組分的釋能機(jī)理、作用過程進(jìn)一步深入的探討和分析，才能更為合理地有針對(duì)性地進(jìn)行配方設(shè)計(jì)，從而對(duì)金屬化炸藥各組分材料的能量釋放進(jìn)行有效利用，實(shí)現(xiàn)更高輸出威力的新型炸藥配方設(shè)計(jì)。

4 結(jié)論

（1）針對(duì)兩種RDX 基的金屬化炸藥AH（RDX/AP/Al/binder=36/20/35/9）和BH（RDX/AP/合金/binder=36/20/35/9，合金為Al/B/MgH2=70/15/15）和鈍化RDX（RDXph），利用光子多普勒測(cè)速技術(shù)獲得了炸藥的界面粒子速度曲線，通過不同的CJ 點(diǎn)判讀方法獲得了兩種金屬化炸藥的爆轟反應(yīng)區(qū)參數(shù)。

（2）RDX 基的金屬化炸藥AH 和BH 的爆轟反應(yīng)區(qū)壓力參數(shù)PVN、PCJ均低于RDXph，而AH 和BH 的爆轟化學(xué)反應(yīng)區(qū)時(shí)間和寬度均高于RDXph，化學(xué)反應(yīng)區(qū)時(shí)間和寬度約為RDXph 的兩倍。高能金屬組分的加入降低了炸藥的爆轟壓力，導(dǎo)致爆轟反應(yīng)區(qū)中反應(yīng)速率降低，使得炸藥的反應(yīng)時(shí)間增加，反應(yīng)區(qū)寬度變大。

（3）添加了Al/B/MgH2（70/15/15）高能材料的RDX 基金屬化炸藥BH 的爆轟反應(yīng)區(qū)壓力參數(shù)PVN、PCJ較AH 更低，而爆轟反應(yīng)區(qū)時(shí)間和寬度較AH 更高，Al/B/MgH2的加入進(jìn)一步降低了炸藥的爆轟壓力。儲(chǔ)氫組分MgH2在爆轟反應(yīng)區(qū)極短的時(shí)間內(nèi)相當(dāng)于惰性物質(zhì)，與高能Al 和B 組分一樣對(duì)爆轟波無(wú)支持作用。

致謝：感謝南京理工大學(xué)徐森副教授提供的實(shí)驗(yàn)樣品。