王浩旭，昝繼超，賈路川，王 翔，張建明，蔣治海，菅國梁，盧校軍，高大元

(1.中國工程物理研究院 化工材料研究所, 四川 綿陽 621999;2.中國工程物理研究院 安全彈藥研發(fā)中心，四川 綿陽 621999)

1 引言

炸藥爆熱是一項(xiàng)重要的性能參數(shù)，是《軍用炸藥安全性和性能鑒定試驗(yàn)》中規(guī)定的炸藥定型、鑒定的必測項(xiàng)目。炸藥爆熱是自身的化學(xué)性質(zhì)，是決定炸藥爆炸毀傷特性的源動(dòng)力，可用爆熱測試儀對其爆熱進(jìn)行測量[1-3]。然而，炸藥爆熱的測試結(jié)果與多種因素有關(guān)。對CaHbOcNd炸藥，組分的氧平衡、樣品密度和尺寸、裝藥外殼材料和壁厚，環(huán)境氣氛、甚至藥柱的起爆方式都對爆熱測量結(jié)果有不同程度的影響[4-5]。因此，研究炸藥爆熱的影響因素有利于正確認(rèn)識(shí)和利用爆熱文獻(xiàn)數(shù)據(jù)，并從爆轟機(jī)理上解釋樣品密度、氧平衡、裝藥外殼等因素對炸藥爆熱實(shí)測值的影響。炸藥在不同氣氛中的爆熱測量方法一直備受國內(nèi)外同行關(guān)注。Ornellas D L[6]測量了幾十個(gè)炸藥配方的爆熱，并對產(chǎn)物組分進(jìn)行了分析，研究了真空、二氧化碳和氧氣3種環(huán)境下炸藥爆熱和爆轟產(chǎn)物的差別。結(jié)果表明，氧氣環(huán)境時(shí)，爆轟產(chǎn)物中可燃組分和Al粉能夠更好地和氧反應(yīng)，放出更多的熱量。美國Nammo Tally公司于2006年建立了基于量熱法原理測量炸藥爆炸能量的裝置，能夠測量小藥量PBX炸藥的爆炸能量[7]。Kiciński等對RDX 基含鋁炸藥分別在氬氣、氮?dú)夂蜌鍤?氧氣環(huán)境中的爆熱進(jìn)行了測量，表明在惰性氣體中爆熱的測試結(jié)果基本一致，而增加氧氣可以提高含鋁炸藥的能量釋放[8]。

在國內(nèi)方面，中物院化材所和西安近代化學(xué)研究所從20世紀(jì)70年代就開始研制恒溫法和絕熱法爆熱測試儀，并對許多高能炸藥、PBX炸藥和金屬化炸藥的爆熱進(jìn)行了測量，為炸藥在武器彈藥中的應(yīng)用提供了試驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐。爆熱測試的TNT當(dāng)量從50 g增加到300 g，內(nèi)外桶測溫精度和設(shè)備自動(dòng)化程度不斷提高，樣品平行試驗(yàn)的最大偏差進(jìn)一步降低。近年來，南京理工大學(xué)、重慶5013廠、蘭州805廠和山西374廠等單位均建立了爆熱測試方法，國內(nèi)的炸藥爆熱測試技術(shù)已接近世界領(lǐng)先水平。本研究綜述了國內(nèi)爆熱測試儀幾十年來不斷更新和發(fā)展動(dòng)態(tài)。從炸藥爆熱的理論計(jì)算和測量原理出發(fā)，介紹了恒溫法和絕熱法爆熱測試儀的組成和測試方法。總結(jié)了國內(nèi)許多同行開展高能炸藥和金屬化炸藥爆熱測試以及相關(guān)研究成果，討論了炸藥爆熱的影響因素，并展望了今后爆熱測試技術(shù)和應(yīng)用的發(fā)展趨勢。

2 炸藥爆熱測量儀

俄羅斯和歐美從20世紀(jì)60年代就開始研制炸藥爆熱測量儀。但雙方用于測量炸藥爆熱的儀器設(shè)置略有不同，主要差別在于彈體內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[9-11]。俄羅斯采用柱形空腔彈體結(jié)構(gòu)，而歐美則使用球型空腔彈體結(jié)構(gòu)。中國參考了俄羅斯的設(shè)計(jì)思路。根據(jù)GJB772A—1997《炸藥試驗(yàn)方法》[12]，爆熱測試方法有恒溫法和絕熱法2種[13-14]。恒溫法爆熱測試儀在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中外桶溫度保持恒定，溫度變化不大于±0.01℃，但量熱內(nèi)桶和外桶的熱交換須用數(shù)學(xué)公式進(jìn)行修正，可由被測炸藥試樣的質(zhì)量、量熱計(jì)的熱容量和試驗(yàn)修正溫升求出炸藥的爆熱。絕熱法爆熱測試儀在測試過程中要求外桶通過溫控系統(tǒng)始終跟隨內(nèi)桶同步溫度升高，使內(nèi)外桶沒有溫差，確保內(nèi)桶與外桶間無熱量交換。炸藥放出的熱量全部用來加熱量熱體系，可由被測炸藥試樣的質(zhì)量、量熱計(jì)的熱容量和溫升求出炸藥的爆熱。

中物院化材所從20世紀(jì)70年代就開始用50 gTNT當(dāng)量恒溫量熱儀測量炸藥的爆熱。1989年11月，中國工程物理研究院第一本科技叢書《高能炸藥及相關(guān)物性能》出版，董海山院士對許多高能炸藥、混合炸藥和PBX炸藥的爆熱進(jìn)行了系統(tǒng)總結(jié)[15]。結(jié)果表明，環(huán)境氣氛、樣品密度、約束材料和厚度對炸藥爆炸測試結(jié)果均有影響。1984年，長沙礦冶院姜炯和賈丁海[16]介紹了BR-1型絕熱式爆熱測試系統(tǒng)的主要工作特性。對8#銅雷管、TNT、PETN、部分工業(yè)炸藥的爆熱測試結(jié)果表明，BR-1型測試系統(tǒng)具有靈敏度和精度高、操作簡便、受環(huán)境溫度影響小的優(yōu)點(diǎn)，適用于工業(yè)炸藥、軍用炸藥爆熱的測量。西安近代化學(xué)研究所從20世紀(jì)70年代也開始用絕熱量熱儀測量炸藥的爆熱。1994年，俞統(tǒng)昌等[17]報(bào)道了絕熱型爆轟熱量儀的建立和高能炸藥的爆熱測定。1997年，俞統(tǒng)昌等編寫了GJB772A—97方法701.1 爆熱-恒溫法和絕熱法。從此以后，國內(nèi)各單位的軍用炸藥爆熱測試均參照國軍標(biāo)執(zhí)行。

溫控裝置對于爆熱量熱儀非常重要，只有溫控裝置設(shè)計(jì)合理并保證一定精度才能保證測試結(jié)果可靠性。2006年，王翔等對傳統(tǒng)爆熱測試儀的溫控系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，研制了50 g TNT當(dāng)量絕熱型爆熱測試儀，并為國內(nèi)的山西374廠和蘭州805廠建立了爆熱測試裝置。該裝置以分別插入量熱內(nèi)桶和外桶的兩支鉑電阻作感溫元件，采用比例型溫控線路，能自動(dòng)跟蹤溫度控制儀控制外桶溫度，同步跟蹤量熱桶水溫的變化。非理想炸藥達(dá)到穩(wěn)定爆轟的臨界直徑較大，大當(dāng)量的爆熱測試儀是測量非理想炸藥爆熱的必備條件。同時(shí)，為確保數(shù)據(jù)的可靠性和客觀性，要求盡量減少測量過程中的人為因素，提高設(shè)備的自動(dòng)化程度。2016年，張建明等研發(fā)了100 g TNT當(dāng)量的絕熱型爆熱測試儀(BRE100G)[18]，并測量了6組炸藥樣品，最大偏差為2.17%，小于國軍標(biāo)規(guī)定的3%。結(jié)果表明，BRE100G 爆熱測試儀滿足國軍標(biāo)規(guī)定要求。2017年，張建明等[19]從提升設(shè)備自動(dòng)化程度、降低系統(tǒng)比熱容，提高系統(tǒng)絕熱性和溫控靈敏度等需求出發(fā)，研發(fā)了300 g TNT當(dāng)量的絕熱型爆熱測試儀(BR300g-I)，其外形照片見圖1所示。

圖1 BR300g-I絕熱型爆熱測試儀

使用5發(fā)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)苯甲酸測定的系統(tǒng)比熱容為 262.674 kJ·℃-1，相對標(biāo)準(zhǔn)差 0.24%，優(yōu)于國軍標(biāo)要求的0.6 %。測量3發(fā)PBX炸藥爆熱的最大偏差為0.31%，小于國軍標(biāo)規(guī)定的3%。結(jié)果表明，BR300g-I測試儀滿足技術(shù)要求，精度明顯優(yōu)于國軍標(biāo)規(guī)定的技術(shù)指標(biāo)。

幾十年來，爆熱測試儀經(jīng)過不斷更新和發(fā)展，TNT當(dāng)量從50 g增加到300 g，提高了內(nèi)外桶測溫精度和設(shè)備自動(dòng)化程度，降低了樣品平行試驗(yàn)的最大偏差，已能滿足多種高能鈍感炸藥爆熱測試需求。

3 高能炸藥的爆熱

3.1 理論和經(jīng)驗(yàn)計(jì)算

用蓋斯定律計(jì)算爆熱時(shí)需要炸藥的化學(xué)組成、爆炸反應(yīng)方程式、炸藥以及爆炸產(chǎn)物的生成熱。例如，用蓋斯定律計(jì)算PETN和阿馬托(NH4NO3/TNT=80/20)的定容爆熱分別為5.892和4.180 kJ·g-1。然而，當(dāng)缺乏生成熱數(shù)據(jù)和接近真實(shí)情況的爆炸反應(yīng)方程式時(shí)，給計(jì)算帶來了困難。對CaHbOcNd高能炸藥，本綜述介紹2種方法。

1)阿瓦克楊法

(1)

(2)

該法也可用于計(jì)算混合炸藥爆熱。計(jì)算時(shí)假設(shè)各組分對爆熱的貢獻(xiàn)與含量成正比，則爆熱為：

Qv=∑ωiQvi

(3)

式中：ωi為混合炸藥中i組分的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)，%；Qvi為混合炸藥中i組分的爆熱，kJ·mol-1。用阿瓦克揚(yáng)法計(jì)算獲得TNT、RDX和TNT/RDX=50/50混合炸藥的爆熱分別為4.123、5.596和4.860 kJ·g-1。

2)俞統(tǒng)昌法

通過大量炸藥爆熱數(shù)據(jù)的分析,俞統(tǒng)昌等發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)CaHbOcNd炸藥的爆熱隨密度變化規(guī)律，提出了下列計(jì)算公式[21]:

(4)

式中：ρ為炸藥密度，g·cm-3；ρmax為炸藥的理論密度，g·cm-3；QVρ為炸藥密度ρ時(shí)的爆熱，J·g-1；QVmax為理論密度下的爆熱，J·g-1；φ為標(biāo)準(zhǔn)測試條件下炸藥爆熱對密度的比值，J·cm3·g-2；x為負(fù)氧程度系數(shù)。苗勤書[22]用上述方法計(jì)算的爆熱值與文獻(xiàn)值幾乎具有相同的精度，表明此方法同時(shí)反映了密度和氧平衡對炸藥爆熱的影響。

3.2 試驗(yàn)測試

部分Φ25 mm炸藥樣品爆熱的測試結(jié)果見表1所示。其中，Qv1為中物院化材所用恒溫法測量的爆熱[15]；Qv2為西安近代化學(xué)研究所用絕熱法測量的爆熱[17]。

表1 一些炸藥的爆熱實(shí)測值

對同種炸藥，因樣品密度、試驗(yàn)裝置和數(shù)據(jù)處理方法不盡相同，測試精度存在局限性，各單位獲得的爆熱測試結(jié)果存在偏差。因此，在使用炸藥爆熱數(shù)據(jù)時(shí)，需要注明其樣品尺寸、密度、測試方法和試驗(yàn)條件。1996年，俞統(tǒng)昌等[23]研制了炸藥爆熱計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置，使試驗(yàn)精度得到了較大提高。GJB772A—97方法701.1 爆熱-恒溫法和絕熱法頒布后，各單位均參照國軍標(biāo)進(jìn)行軍用炸藥爆熱測試，對相同密度和尺寸的炸藥樣品，其測試可信度不斷提高。

針對恒溫法爆熱經(jīng)典測量方法存在測量時(shí)間長、出現(xiàn)系統(tǒng)故障易導(dǎo)致測量失敗等問題，楊杰等[24]提出了一種基于故障前數(shù)據(jù)辨識(shí)爆熱的解決方案，以期為恒溫法測炸藥爆熱提供有益補(bǔ)充。誤差分析表明，爆熱的辨識(shí)值可穩(wěn)健地收斂于經(jīng)典值，有效降低了系統(tǒng)故障導(dǎo)致測量失敗的風(fēng)險(xiǎn)。

目前，對CaHbOcNd高能炸藥爆熱的理論和經(jīng)驗(yàn)計(jì)算、測量方法已非常成熟。改善炸藥氧平衡是提高其爆熱的途徑之一，盡量達(dá)到或接近零氧平衡。即高能炸藥分子中所含的O能完全氧化C與H而生成CO2和H2O，此時(shí)放出的熱量最高。

4 金屬化炸藥的爆熱

4.1 含鋁炸藥

2002年，韓勇等[25]用恒溫法測定了Φ25 mm×30mm含鋁炸藥(TNT/HMX/Al/CaClO3= 28.6/58/13/0.4)在空氣、真空和水中的爆熱分別為7.087、6.887和6.327 kJ·g-1。結(jié)果表明，含鋁炸藥在空氣中的爆熱顯然高于水中爆熱。含鋁炸藥中至少部分Al粉與空氣中的氧發(fā)生了氧化反應(yīng)放熱。至于在真空中測出的爆熱大于水中的爆熱，這是因?yàn)樵谡婵窄h(huán)境下存在4.934 kPa的壓力，還有5%的氧氣；水中含氧較少,炸藥中的Al更難與水中的氧進(jìn)行較完全的反應(yīng)。根據(jù)爆熱分析了含鋁炸藥的反應(yīng)機(jī)理，認(rèn)為含鋁炸藥在空氣中爆炸時(shí)，Al粉在化學(xué)反應(yīng)區(qū)和C-J點(diǎn)后都參加了反應(yīng)，且在后一階段釋放大量的熱量。

2013年，馮博等[26]用絕熱法測試了5種HMX基含鋁炸藥(HMX/Al/蠟)的爆熱。根據(jù)爆熱的測定值，通過最小吉布斯自由能法確定了不同配比含鋁炸藥的爆炸產(chǎn)物組成，進(jìn)而計(jì)算得到不同組成的含鋁炸藥中Al粉的反應(yīng)率。含鋁炸藥爆熱與Al粉反應(yīng)率和Al粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系見圖2所示。

圖2 鋁粉含量與爆熱和鋁粉反應(yīng)率的關(guān)系

從圖2可知，對于 HMX 基含鋁炸藥，隨著Al粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，Al粉的反應(yīng)率呈線性增大，爆熱也增加。Al粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)在30%時(shí)達(dá)到最大，爆熱也達(dá)到最大。隨Al粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，Al粉的反應(yīng)率呈下降趨勢，爆熱也呈下降趨勢。

2014年，李媛媛等[27]用恒溫法測定了3種含鋁炸藥(HMX/Al/粘結(jié)劑=53/35/12)在真空、空氣和純氧環(huán)境的爆熱。結(jié)果表明，含鋁炸藥在真空、空氣和純氧中的爆熱依次遞增，表明在密閉環(huán)境下，爆轟產(chǎn)物膨脹受到約束，反應(yīng)在較長時(shí)間內(nèi)完成，Al粉有足夠時(shí)間和周圍的氧發(fā)生燃燒反應(yīng)釋放能量[28]。關(guān)于Al粉顆粒尺寸對HMX基含鋁炸藥爆熱的影響也有相關(guān)報(bào)道。李媛媛等[29-30]用恒溫法測定了2種粒度(D0.5分別為12 μm和125 μm)的HMX基含鋁炸藥(HMX/Al/粘結(jié)劑)在真空和空氣中的爆熱值，從能量角度分析了澆注 PBX 含鋁炸藥反應(yīng)放熱的特點(diǎn)，討論了Al粉粒度和環(huán)境中氧含量對Al粉反應(yīng)率的影響規(guī)律。8種含鋁炸藥的爆熱測試結(jié)果見圖3所示。

圖3 鋁粉含量與實(shí)測爆熱的關(guān)系

從圖3可知，無論顆粒大小，相同配方含鋁炸藥在空氣中的爆熱總是大于真空中的爆熱。對125 μm Al粉，隨著含量增加，含鋁炸藥在真空和空氣中的爆熱均呈遞增趨勢。Al粉含量35%時(shí)，爆熱達(dá)到最大值。對12 μm Al粉，隨著含量增加，含鋁炸藥在真空和空氣中的爆熱均呈先升高后降低趨勢。Al粉含量25%時(shí)，真空中爆熱出現(xiàn)最大值；Al粉含量30% 時(shí)，空氣中爆熱出現(xiàn)最大值。這是因?yàn)锳l粉含量較高時(shí)，細(xì)Al粉導(dǎo)熱性較好，吸收的熱量多，導(dǎo)致體系溫度下降，其輸出能量降低。對比之下，相同配方炸藥中粗Al粉的顆粒數(shù)量較少，炸藥爆炸后產(chǎn)生的熱量需要?jiǎng)冸xAl粉氧化膜數(shù)量相應(yīng)減少，爆炸氣體中的氧元素及時(shí)與Al粉接觸，溫度下降緩慢，Al粉反應(yīng)更加充分，能量輸出大。

4.2 含硼鋁炸藥

B的質(zhì)量和體積燃燒熱(58.9 kJ·g-1和137.8 kJ·cm-3)分別是Al(31.3 kJ·g-1和84.5 kJ·cm-3)的1.9和1.6倍[31-32]，用高能炸藥、氧化劑、B-Al復(fù)合粉和粘結(jié)劑制備的含硼鋁炸藥具有較高的爆熱。2010年，黃亞峰等[33]用絕熱法測定了7種RDX基含硼炸藥(RDX/B/EVA)的爆熱，并進(jìn)行了理論計(jì)算，獲得B粉含量與實(shí)測爆熱和計(jì)算爆熱之間的關(guān)系見圖4所示。

圖4 硼粉含量與實(shí)測爆熱和計(jì)算爆熱的關(guān)系

從圖4可知，B粉含量少于10% 時(shí)，計(jì)算爆熱和實(shí)測爆熱基本一致。B粉含量為 8%～20% 時(shí),實(shí)測爆熱與B粉含量之間存在線性關(guān)系，表明B粉能夠提高混合炸藥的爆熱。測量和計(jì)算的最大爆熱分別是 7.162 kJ·g-1和 8.967 kJ·g-1，分別對應(yīng)RDX/B/EVA=78/20/2的含硼炸藥(B∶O 比為0.87)和RDX/B/EVA=83/15/2的含硼炸藥(B∶O 比為 0.61)。隨著B粉含量逐漸增大，兩者的差距也隨之變大。這是因?yàn)锽粉在炸藥中不能完全氧化的緣故。當(dāng)炸藥中B的含量逐漸增大時(shí)，B粉除氧化反應(yīng)生成 B2O3外，還會(huì)與炸藥中的氮、氫等元素反應(yīng)生成低生成焓的產(chǎn)物，降低炸藥的爆熱，使實(shí)測爆熱與計(jì)算爆熱誤差較大。當(dāng)爆熱值達(dá)到最大后，隨B粉含量增加，爆熱呈緩慢下降趨勢。

2018年，曹威等[34]用恒溫法測定了添加金屬儲(chǔ)氫材料的RDX基含硼鋁炸藥(Φ25 mm×30 mm)在真空環(huán)境中的爆熱。新型儲(chǔ)氫合金由高活性Al、B和MgH2嵌合組裝而成，其質(zhì)量比為Al/B/MgH2=70/15/15。結(jié)果表明，含鋁炸藥AH(RDX/AP/Al/粘結(jié)劑=36/20/35/9)的密度為1.850 g·cm-3時(shí)，爆熱為7.480 kJ·g-1。AH配方中的35% Al用Al/B/MgH2代替時(shí)，BH的密度降低到1.770 g·cm-3，爆熱卻增加到7.593 kJ·g-1，充分顯示了金屬儲(chǔ)氫材料的能量優(yōu)勢。2019年，高大元等[35]用恒溫法測定了Φ25 mm×30 mm含硼鋁炸藥(PF-1、PF-2和PF-3)在氮?dú)猸h(huán)境中的爆熱。結(jié)果表明，含硼鋁炸藥在氮?dú)猸h(huán)境中爆炸時(shí)，由于缺乏氧氣，會(huì)嚴(yán)重影響其爆熱。PF-1、PF-2和PF-3的爆熱值分別為5.839、6.566和6.185 kJ·g-1，PF-2的爆熱最大。PF-1、PF-2和PF-3的區(qū)別在于B粉和Al粉的含量不同，但金屬粉總含量為20%。PF-2中含6%的B粉，B的質(zhì)量燃燒熱相當(dāng)于Al的兩倍，在爆炸過程的后燃階段釋放出大量燃燒熱，其爆熱比PF-1高。PF-3中B粉和Al粉的含量均為10%，B的熔點(diǎn)和沸點(diǎn)較高，B粉燃燒的耗氧量較大，高含量的B粉在惰性環(huán)境中未體現(xiàn)其燃燒熱優(yōu)勢。雖然PF-3的爆熱比PF-1高，卻小于PF-2的爆熱。

4.3 金屬粉添加劑對RDX基炸藥爆熱的影響

圖5 爆熱與添加劑含量的關(guān)系

從圖5可知，RDX的密度為1.66 g·cm-3時(shí)，爆熱為4.99 kJ·g-1。RDX中添加微米Al粉后，所有測試RDX基炸藥的爆熱都比RDX本身高，表明Al粉對增加總能量釋放有顯著影響。如果用ZrH2代替一半的Al添加劑，能量效應(yīng)會(huì)成比例地降低。對于RDX/ZrH2混合物，增加ZrH2含量會(huì)導(dǎo)致爆熱緩慢降低，但部分添加劑會(huì)與RDX的爆轟產(chǎn)物發(fā)生放熱反應(yīng)，釋放的熱量幾乎可以補(bǔ)償 RDX含量的減少。TiH2是反應(yīng)性最低的添加劑。當(dāng)TiH2含量為45%時(shí)，爆熱接近假設(shè)添加劑完全惰性時(shí)的熱效應(yīng)。

為獲得添加劑在氬氣環(huán)境中爆轟特性的更多信息，對從量熱彈中收集的固體爆炸產(chǎn)物進(jìn)行了分析，以確定其元素和相組成。熱分析和XRD分析結(jié)果表明，RDX/TiH2裝藥在充滿氬氣的量熱彈中爆炸產(chǎn)生固體碳質(zhì)產(chǎn)物和金屬氧化物。在RDX/TiH2爆炸產(chǎn)物中，還存在未反應(yīng)的TiH2。

炸藥是戰(zhàn)術(shù)武器毀傷能量的來源，提高其爆熱是人們不懈追求的目標(biāo)。在炸藥中添加高熱值的金屬粉，諸如Al粉、B粉、B-Al復(fù)合粉等可增加其爆熱[37-38]，進(jìn)而提高其爆炸威力。

5 炸藥爆熱的影響因素

5.1 炸藥密度和氧平衡

炸藥密度是爆熱的主要影響因素。北京理工大學(xué)的張錦云[39]、鄭孟菊[40]教授在其專著中報(bào)道的幾種單質(zhì)炸藥在不同密度下的爆熱測試結(jié)果見表2所示。其中，6#炸藥(重三硝基乙基硝銨)為正氧平衡炸藥。

從表2可知，密度對負(fù)氧平衡的炸藥有明顯影響。對于同種負(fù)氧炸藥，炸藥密度較大時(shí)，測量爆熱也較大。但是，隨著負(fù)氧量的減小，密度對炸藥爆熱的影響也減小。對正氧平衡炸藥，密度對炸藥爆熱幾乎沒有影響。密度對爆熱的影響可用爆壓對化學(xué)平衡移動(dòng)的影響以及產(chǎn)物平衡組份的‘凍結(jié)’溫度來解釋。由爆轟理論可知，炸藥爆壓隨密度的增加而增大。在密度較高時(shí)，達(dá)到‘凍結(jié)’溫度時(shí)產(chǎn)物的壓力也較大。對負(fù)氧平衡炸藥，爆壓的增大使化學(xué)平衡向氣態(tài)產(chǎn)物總體積減小、放熱量增大的方向移動(dòng)，從而增加爆熱。

表2 密度對炸藥爆熱的影響

5.2 炸藥組成

單質(zhì)炸藥一般由CaHbOcNd組成。制備混合炸藥時(shí)，可添加活性金屬粉和含高能元素的粘結(jié)劑來提高爆熱。對由高能炸藥、B-Al復(fù)合粉、氧化劑和粘結(jié)劑組成的新型溫壓炸藥，在高能炸藥爆轟作用下，通過改善金屬粉的供氧環(huán)境、由Al粉燃燒帶動(dòng)B粉燃燒，能夠快速有效提高爆熱?；旌险ㄋ幮枰褂酶叻肿诱辰Y(jié)劑來成型。在粘結(jié)劑分子中引入某些高能元素，諸如可燃劑B元素或氧化劑F元素等而形成新的化合物。這些化合物在燃燒和爆炸時(shí)生成B2O3(s)、HF(g)和CF4(g)，并放出大量的熱量，從而增加混合炸藥的爆熱。

5.3 外殼材料及厚度

測量爆熱時(shí)樣品是否有外殼、外殼材料和厚度對試驗(yàn)結(jié)果都有較大影響，而且這種影響的大小與樣品氧平衡有關(guān)。外殼對炸藥爆熱的影響可用爆轟產(chǎn)物的化學(xué)平衡移動(dòng)，并結(jié)合爆轟產(chǎn)物組分的‘凍結(jié)’溫度區(qū)間來解釋。如果在炸藥產(chǎn)物的平衡反應(yīng)過程中存在下列化學(xué)反應(yīng)：

2CO(g)?CO2(g)+C+172 kJ

(5)

CO(g)+H2(g)?H2O(g)+C+131 kJ

(6)

3H2(g)+N2(g)?2NH3(g)+186 kJ

(7)

大多數(shù)炸藥的‘凍結(jié)’溫度區(qū)間為1 500～1 800 K，在爆轟產(chǎn)物溫度降低到此區(qū)間以前，壓力增大使平衡向氣態(tài)產(chǎn)物體積減小、放熱方向移動(dòng)；壓力減小則使平衡向氣態(tài)產(chǎn)物體積增大、吸熱方向移動(dòng)。雖然外殼不參加反應(yīng)，但外殼作為外部條件影響炸藥爆炸化學(xué)反應(yīng)的溫度和壓力，從而影響化學(xué)平衡。對相同密度的樣品，有外殼約束炸藥的爆轟產(chǎn)物壓力降低緩慢，有利于化學(xué)平衡向放熱方向移動(dòng)，能量釋放得更加充分，從而提高了爆熱[41]。陶瓷的主要原料為粘土、石英和長石，是炸藥爆熱測試中比較合適的外殼材料。

5.4 樣品尺寸和藥量

非理想炸藥的爆轟性能(爆速和爆壓)具有尺寸效應(yīng)，在爆熱測試中也非常明顯。例如：對TATB基PBX炸藥和HMX基含硼鋁炸藥，王浩旭和昝繼超在氮?dú)猸h(huán)境中分別進(jìn)行了2種尺寸樣品的爆熱測試，結(jié)果見表3所示。

表3 不同尺寸炸藥的爆熱測試結(jié)果

Φ25 mm×30mm和Φ45 mm×50 mm樣品用陶瓷外殼約束，分別用50 g TNT當(dāng)量和300 g TNT當(dāng)量的絕熱型量熱儀測量爆熱。結(jié)果表明，對相同密度的樣品，大尺寸樣品的爆熱較高，顯示了非理想炸藥爆熱測試的尺寸效應(yīng)。

5.5 量熱系統(tǒng)比熱容

根據(jù)恒溫法和絕熱法量熱儀的工作原理，系統(tǒng)比熱容影響量熱儀的測量精度。在釋放同等熱量情況下，系統(tǒng)比熱容越小，溫升越高，系統(tǒng)誤差越??；系統(tǒng)比熱容越大，溫升越低，系統(tǒng)誤差越大。因此，在量熱儀的爆熱彈設(shè)計(jì)中，不僅要考慮爆熱彈強(qiáng)度滿足最大測試TNT當(dāng)量需求，同時(shí)還要求盡量降低系統(tǒng)比熱容。材料力學(xué)性能與彈體壁厚呈明顯的負(fù)相關(guān)，影響著彈體外形尺寸和水套的總質(zhì)量，最終對系統(tǒng)的綜合比熱容產(chǎn)生顯著影響。因此，選擇超高強(qiáng)度鋼能顯著降低量熱系統(tǒng)的比熱容。

混合炸藥配方設(shè)計(jì)時(shí)，爆熱是其重要指標(biāo)之一。弄清炸藥爆熱的影響因素后，可通過合理地選擇高能炸藥、氧化劑、添加劑和黏結(jié)劑等組分，調(diào)整設(shè)計(jì)配方的氧平衡和裝藥密度，使能量指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求。此外，在爆熱測試過程中，應(yīng)嚴(yán)格遵守試驗(yàn)操作規(guī)程，使影響因素可控，并盡量減少人為影響因素。

6 結(jié)論

炸藥爆熱是一項(xiàng)重要的性能參數(shù)。幾十年來，炸藥爆熱測試儀不斷更新和完善，在軍用炸藥的研制、定型和鑒定中發(fā)揮了巨大作用。在今后的研制和測試中，除不斷提高爆熱儀溫度測試系統(tǒng)的精度和樣品測試結(jié)果的可信度外，應(yīng)注重開展下列研究。

1)在測量炸藥爆熱的同時(shí)，收集爆炸和凝聚燃燒產(chǎn)物。通過對產(chǎn)物進(jìn)行SEM、XRD、EDS和熱分析，剖析其爆炸反應(yīng)機(jī)理和能量釋放特性。

2)燃燒熱是含能材料的重要物理化學(xué)參數(shù)，通過測定燃燒熱，可由熱化學(xué)關(guān)系式計(jì)算生成焓和爆熱。因此，開展小藥量炸藥燃燒熱測量方法研究，便于對新型單質(zhì)炸藥和研制的混合炸藥新配方的能量進(jìn)行綜合評估。

3)適當(dāng)改進(jìn)爆熱測試儀，進(jìn)行炸藥大當(dāng)量爆熱測試時(shí)，在彈體內(nèi)部設(shè)置沖擊波超壓傳感器，通過測量爆熱彈內(nèi)部空間的沖擊波超壓―時(shí)間歷程，進(jìn)而評估炸藥的內(nèi)爆毀傷威力。

4)改進(jìn)和完善傳統(tǒng)爆熱測試儀的溫控系統(tǒng)，研制兼具恒溫法和絕熱法測試功能的大當(dāng)量爆熱測試儀。根據(jù)實(shí)際需求選擇測試方法，并深入研究2種測試方法對大尺寸炸藥爆熱測試結(jié)果的影響。