铝粉粒度和爆炸环境对含铝炸药爆炸能量的影响

冯晓军，王晓峰，李媛媛，徐洪涛

（西安近代化学研究所，陕西 西安710065）

引 言

提高炸药的爆炸能量一直是炸药设计者最为关心的问题［1］。人们在长期的研究和使用过程中发现，提高炸药的爆炸能量最有效而又简便的方法是向炸药配方中加入能够放出高热值的金属可燃剂［2］。由于铝粉具有较高的氧化热、低廉的价格及广泛的来源等优点，而且又有很强的后燃烧效应，已经在含铝炸药、温压炸药等高威力混合炸药配方中作为高热值金属可燃剂得到了广泛应用。

为了使铝粉在炸药爆炸过程中发挥最佳的作用，国内外研究者开展了大量的工作研究铝粉对炸药爆炸性能的影响。William［3］等研究了含铝炸药起爆后，铝粉被加热的早期动力学特性；Gert Bjam-holt［4］研究了化学反应后期热量从Al2O3传递到膨胀气体对外作功方面的问题；M.N.Makhov［5］等人研究了不同铝粉粒度的含铝炸药对金属薄片的加速能力；冯晓军［6］等人研究了铝粉对含铝炸药爆压和空中爆炸冲击波参数的影响特性；韩勇［7］等人利用不同直径的圆筒试验研究了含铝炸药的爆炸作功能力。本研究采用自行设计的恒温式爆热量热计测量了不同粒度含铝炸药在不同爆炸环境中的爆炸能量，分析了铝粉粒度和爆炸环境对含铝炸药爆炸能量的影响规律，以期为含铝炸药配方设计和应用提供帮助。

1 实 验

1.1 样品的制备

选用以HMX 为基的含铝炸药，配方见表1。铝粉规格为片状，粒径分别为13μm 和130μm。采用浇注成型工艺制备成Φ40mm×50mm 的药柱，利用装药尺寸为Φ15mm×15mm 的压装JH-14传爆药进行端面中心起爆。

表1 含铝炸药配方Table 1 Formulation of aluminized explosive

1.2 爆炸能量测量装置

采用自行设计的恒温式爆热量热计测量含铝炸药在不同环境下的爆炸能量，量热计装置如图1所示，最大试验药量为200gTNT当量［8］。采用美国FLUKE1529型温度记录仪、FLUKE5642型电阻温度计测量和采集爆热量热计内桶温度的变化；用HW-1型恒温控制仪对量热计外桶温度进行恒温控制。

1.3 试验方法

将被测含铝炸药试样悬挂在爆热弹内并密封，然后将爆热弹抽真空或者充入1标准大气压的空气后，在爆热量热计内采用恒温法原理进行测量，分别得到用两种不同粒度铝粉制备成的HMX 基含铝炸药在真空条件和1标准大气压空气条件下的爆炸能量。

图1 测量爆炸能量恒温装置示意图Fig.1 Isothermal apparatus scheme for measuring energy of explosion

恒温量热法测量含铝炸药爆炸能量的步骤如下［9］：（1）预备期，调节控温仪，使内桶温度达到稳定，然后将外桶升高一定的温度，使内外桶之间有一定的温度差；（2）等待期，外桶升温结束后等待外桶温度稳定，满足15min 内温度波动不大于0.02℃；（3）试验初期，维持20min，每分钟记录一次温度，然后起爆试样；（4）试验主期，持续一定的时间，每分钟记录一次温度，直到炸药试样的热量全部释放出来；（5）试验末期，维持20min，每分钟记录一次温度，结束试验，进行数据处理，按照式（1）求出不同环境温度下含铝炸药的爆炸能量。

式中：Q为被测炸药试样的爆炸能量，J／g；C为量热计系统的热容，J／℃；M2为JH-14 传爆药的质量，g；Q2为JH-14传爆药的爆炸能量，J／g；q为雷管的爆炸能量，J；Δt为炸药试样爆炸释放的能量使量热计内桶升高的温度，℃。

2 结果与讨论

按照式（1）计算出不同粒度铝粉的含铝炸药在真空和1标准大气压空气条件下的爆炸能量，结果见表2，将爆炸能量随铝粉含量的变化作图，如图2所示。

表2 含铝炸药的爆炸能量Table 2 Energy of explosion of aluminized explosive

图2 爆炸能量随铝粉含量的变化曲线Fig.2 Energy of explosion versus Al powder content

2.1 爆炸环境对含铝炸药爆炸能量的影响

从表2和图2可以看出，含细铝粉和含粗铝粉的含铝炸药在1标准大气压空气中的爆炸能量均大于真空条件下的爆炸能量。由含铝炸药爆炸理论分析可知，含铝炸药的爆炸释能过程可以分为两个阶段：第一阶段是含铝炸药中主炸药，如HMX 的爆轰能量释放过程，该能量释放速率极快，大约持续数微秒，此时铝粉还未参与爆炸反应，但其会从主炸药爆轰释放的能量中吸收一部分用于升高自身的温度；第二阶段是加热的铝粉颗粒与主炸药的爆轰产物如H2O、CO、CO2等发生氧化还原反应释放能量。由于含铝炸药配方中的氧含量有限，在真空条件下爆炸时，含铝炸药配方中的铝粉不可能完全发生氧化反应生成Al2O3而释放大量能量，仍会有一部分铝粉只是吸热而不会参加放热反应，如果在爆热弹内充入1标准大气压的空气，因为含铝炸药在爆热弹内封闭的环境中爆炸，其灼热的爆轰产物及铝粉颗粒被限制在一定的体积范围内，不会发生大尺度的飞散和降温，此时的铝粉颗粒仍具有发生燃烧反应的能力，因此爆热弹内的空气就成为含铝炸药配方中的一个额外组分，使未完全氧化的铝粉继续与空气中的氧元素发生氧化还原反应而释放能量，从而使含铝炸药在空气中的爆炸能量值增加。

从表2中还可以看出，炸药中不论是含细铝粉还是含粗铝粉，当铝粉质量分数小于30%时，1标准大气压空气条件下的爆炸能量值比真空条件下的爆炸能量值高700～890J／g，其爆炸能量增加值基本为11%～13%，这可以定性地认为，由于充入到爆热弹内的氧气含量是一定的，因此与铝粉额外反应释放的能量值基本是一定的。但当铝粉质量分数达到35%时，含细铝粉的含铝炸药在空气中的爆炸能量比真空条件下的爆炸能量提高了大约34%，而粗铝粉的含铝炸药爆炸能量增加值基本未变，这主要是由于铝粉的粒度不同引起，这也可以说明，在铝粉含量增加后，爆炸环境对细铝粉含铝炸药爆炸能量的影响要大于粗铝粉的含铝炸药。

2.2 铝粉粒度对含铝炸药爆炸能量的影响

由表2和图2可以看出，在真空条件下，当铝粉质量分数小于10%时，细铝粉含铝炸药的爆炸能量大于粗铝粉的含铝炸药，当铝粉质量分数超过10%后，粗铝粉含铝炸药的爆炸能量反而大于细铝粉含铝炸药，但是两者差别不是很大，直到铝粉质量分数达到25%后，两者的差别才明显增大，铝粉质量分数达到30%时，随着铝粉含量的继续增加，细铝粉的含铝炸药爆炸能量明显快速降低，而粗铝粉的含铝炸药爆炸能量仍继续增加，当铝粉质量分数达到35%时，仍呈增加趋势，当铝粉质量分数为35%时，细铝粉的含铝炸药爆炸能量比粗铝粉的含铝炸药降低了近40%。在1标准大气压空气条件下，粗铝粉的含铝炸药爆炸能量始终大于细铝粉的含铝炸药，但两者差别也不是很大，只是当铝粉质量分数达到25%后才开始有明显的差别，同样，当铝粉质量分数达到30%后，细铝粉含铝炸药的爆炸能量快速降低，而粗铝粉含铝炸药的爆炸能量仍有增加，当铝粉质量分数为35%时，爆炸能量仍有增大的趋势，在铝粉质量分数为35%时，细铝粉含铝炸药的爆炸能量比粗铝粉含铝炸药降低了18%。

分析认为，铝粉粒度较小时，比表面积大，导热速率也快，当含铝炸药中细铝粉含量较少时，在真空条件下，主炸药爆轰时释放的能量可以快速使细颗粒铝粉整体加热到可发生氧化还原反应的温度阈值，从而使细铝粉以较快的速率发生反应释放出能量，但对含铝炸药中的粗颗粒铝粉而言，其得到的主炸药爆轰能量只能使铝颗粒表面部分达到反应温度阈值，铝颗粒内部的温度相对较低，而且发生反应所需的氧量有限，因此参与反应的铝粉含量相对较少，而且内部未参加反应的铝粉仍要吸收部分热量，使得在铝粉质量分数小于10%时，细铝粉的含铝炸药爆炸能量高于粗铝粉的含铝炸药。但在1标准大气压的空气条件下，由于有部分氧气的补充，使得主炸药爆轰时生成的CO2增大，导致爆轰环境的温度更高，促使在真空条件下可能不会发生放热反应的部分铝粉发生了反应，相当于增加了铝粉反应的完全性，使得爆炸能量增加，因此，在1标准大气压的空气条件下，铝粉质量分数小于25%时，铝粉粒度对爆炸能量的影响不是很明显。

在含铝炸药中随着铝粉含量的增加，主炸药含量减少，第一阶段主炸药爆轰释放的能量总量会减少，由于细颗粒铝粉的导热速率大于粗颗粒铝粉，因此细颗粒铝粉从含铝炸药爆炸反应第一阶段得到的热量要远大于粗颗粒铝粉，相当于细颗粒含铝炸药的热量分散度大于粗颗粒含铝炸药，因此使得大量的细颗粒铝粉虽然被加热但却不会达到反应的温度阈值，而只有很少一部分得到热量的铝粉颗粒发生氧化反应释放能量，未反应的铝粉颗粒相当于惰性吸热物质，反而对铝粉的后续氧化反应不利。相反，由于粗颗粒铝粉的导热速率较小，因此从含铝炸药爆炸第一阶段得到的热量较少，但是其热量相对较为集中，因此可以使部分铝粉很快达到反应温度阈值而发生氧化反应释放出能量，并传递给相邻铝粉颗粒继续反应，这虽然在反应速率上要比细颗粒含铝炸药慢，但可以使更多的铝粉达到反应温度阈值而发生释能反应。由于爆炸能量测量是一个不考虑化学反应速率的热力学过程，因此，从最终的爆炸能量总量上，粗颗粒的含铝炸药会大于细颗粒含铝炸药。

当铝粉质量分数超过30%后，细颗粒铝粉的高传热速率和高热量分散性的影响会更大，导致大量铝粉被加热，却都无法达到发生反应的温度阈值，反而会大量吸收含铝炸药第一阶段爆炸释放出来的能量，相当于炸药配方中吸热的惰性物质大量增加，因此使含铝炸药的爆炸能量值快速降低；而粗颗粒的逐步加热集中反应方式会使更多的铝粉参与反应，因此爆炸能量仍有一定的增加趋势。

3 结 论

（1）不论是含细铝粉还是含粗铝粉的含铝炸药，在空气中的爆炸能量均大于真空条件下的爆炸能量，铝粉质量分数小于30%时，1标准大气压空气条件下的爆炸能量比真空条件下的爆炸能量增加值基本在11%～13%。

（2）真空爆炸条件下，当铝粉质量分数小于10%时，细铝粉的含铝炸药爆炸能量优于粗铝粉的含铝炸药，当铝粉质量分数大于10%时，粗颗粒的含铝炸药爆炸能量优于含细铝粉的含铝炸药。

（3）当铝粉质量分数超过30%时，无论是在真空条件还是1标准大气压的空气条件，随着铝粉含量的增加，细颗粒含铝炸药的爆炸能量快速降低，而粗颗粒含铝炸药在铝粉达到35%时，爆炸能量仍呈增加趋势。

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