TATB基含铝炸药作功能力的试验研究

郭向利，韩 勇，刘世俊，肖良成

（中国工程物理研究院化工材料研究所，四川绵阳621900）

引 言

圆筒试验［1］和炸药驱动金属飞片实验是研究含铝炸药作功能力的有效方法。StanisLaw［2］通过测量有机玻璃中冲击波的传播速度，以检验含铝非理想炸药的能量释放，结果表明，冲击波速度随着传播距离的增加而降低，铝粉颗粒越细，冲击波衰减速度越慢，这是由于铝的氧化反应热所致。陈朗［3］对不同铝粉尺寸的RDX 基炸药进行了推动金属飞片能力的研究，得出铝主要影响炸药的爆轰后期以及二次反应。黄辉等［4］在此基础上研究了氧化剂的形态对RDX 基含铝炸药性能的影响。对于一般凝聚炸药，爆轰数值模拟建立在C－J爆轰理论基础上，对大多数工程问题可以得到比较满意的结果，但对于含铝炸药这类非理想炸药却不一定适合。陈朗等［5］认为含铝炸药后效应反应的点火增长模型能够与实验结果相符合。

本实验利用Φ50mm 圆筒试验研究了TATB基含铝炸药的作功能力，得到爆轰产物的状态方程参数及反应速率参数；利用激光位移干涉仪对含不同铝粉尺寸的几种含铝炸药和PBX炸药进行驱动铜飞片实验，通过数值计算验证了JWL状态方程和点火增长模型参数的有效性，为该炸药的应用和理论计算提供基础数据。

1 实 验

1．1 材料及仪器

TATB，中国工程物理研究院化工材料研究所，纯度95%～99%；Al粉，洪武纳米科技公司，粒度110μm，球形，纯度95%～99%；黏结剂为F2311，上海富晨化工有限公司。

FJZ－1000示波器，美国力科公司；GSJ－15型高速转镜相机，苏州光学仪器厂。

1．2 测试样品的制备

4种炸药样品配方见表1，TATB 基含铝炸药中铝粉的平均直径分别为2μm、10μm。

1．3 加速金属能力试验

TATB基含铝炸药驱动金属平板飞片试验装置如图1所示。药柱尺寸为Φ50mm×100mm，铜飞片尺寸为Φ50mm×2mm、铜密度为8．93g／cm3。装配时，要确保起爆药、含铝炸药和铜飞片的中心在一条直线上，DISAR 的激光探头对准整个装置的中心。采用全光纤激光位移干涉测速系统（DISAR）对飞片的速度历程进行测量。通过对DISAR系统收集的信息进行处理就可以计算出铜飞片中心点轴向质点运动的速度情况。

图1 含铝炸药加速铜飞片试验装置示意图Fig．1 Schematic diagram of copper flyer test device driven by aluminized explosive

1．4 圆筒试验及结果

采用Φ50mm 圆筒试验，测试样品采用压装成型工艺，尺寸为Φ50mm×495mm。传爆药柱为PBX－01（HMX／黏结剂质量比为95∶5），圆筒材料为TUI无氧铜，密度为8．93g／cm3，圆筒外径为60．2mm，狭缝扫描位置距起爆端为295mm。采用GSJ－15高速转镜相机通过金属板狭缝，记录圆筒壁在爆轰产物作用下狭缝处端面的圆筒膨胀距离随时间的变化，扫描速度为1．5 mm／μs，并通过固定于圆筒两端的电探针测定炸药的爆速。

试验所获得底片如图2所示，运用大型工具显微镜对圆筒膨胀过程的扫描底片进行判读，得出筒壁外表面的径向位移—时间数据。

图2 圆筒壁膨胀的高速扫描底片Fig．2 High speed scanning photograph of the cylinder expansion process

2 结果与讨论

2．1 TATB 基含铝炸药的爆轰产物JWL 状态方程和反应速率方程参数

本研究采用Lee－Tarver点火增长模型［6］对TATB基含铝炸药的圆筒试验进行数值模拟，此模型考虑了铝粉与爆轰产物的二次反应，可以较全面地描述含铝炸药的能量释放过程。

传爆药、未反应炸药和爆轰产物的压力均采用JWL状态方程：

式中：p 为爆轰产物的压力，Pa；V 为爆轰产物的相对比容；其余为待定的状态方程参数。

点火增长反应速率方程为：

式中：λ是炸药反应度；t是时间；ρ是密度；ρ0是初始密度；p是压力；I、b、a、x、G1、c、d、y、G2、e、g 和z是常数，其值分别为200．4μs、0．667、0、4．8、0．28、0．7、0．33、1、5．0×10－4、1、0．1、2。式中的第一项代表部分炸药在冲击压缩下被点火；第二项代表炸药快速反应产生CO、H2O 和N2等气体产物；第三项代表铝粉与气体产物间的氧化反应。

反应过程中的相对比容为：

式中：λ＝0，表示炸药未反应；λ＝1，表示炸药已完全反应；Ve为未反应炸药的相对比容。

紫铜采用Johnson－Cook材料模型和Gruneisen状态方程描述，相关参数由文献［7］和［8］获得。

应用ANSYS－LSDYNS 软件对圆筒壁的膨胀过程进行数值模拟，获得的含铝炸药爆轰产物状态方程参数见表2。表2也列出传爆药PBX－01炸药的JWL状态方程参数，图3为Φ50mm 圆筒试验圆筒壁膨胀距离与时间关系的计算值和试验值的对比图。可以看出，实验值与计算值吻合较好，表明三项式点火增长模型能够较精确地描述Φ50mm 圆筒试验。

表2 TATB基含铝炸药爆轰产物及PBX－01炸药的JWL状态方程参数Table 2 Parameters of the JWL equation of state of the detonation product of TATB－based aluminized explosive and PBX－01explosive

图3 Φ50mm 圆筒壁膨胀距离与时间关系的计算值和试验值Fig．3 Calculated and tested expansion distance－time curves in cylinder test ofΦ50mm aluminized explosive

由图3可进一步得到圆筒壁膨胀速度与膨胀距离之间的关系曲线，见图4。由图4可得，圆筒壁膨胀到50mm 位置时，圆筒壁的速度曲线仍然上升，说明在此膨胀体积下，含铝炸药后期释放的能量仍然能够有效驱动圆筒壁。结合图3可得，该位置处圆筒壁的膨胀时间约为45μs。

图4 Φ50mm 圆筒膨胀距离与速度之间的关系曲线Fig．4 Calculated and tested expansion distance－velocity curves in cylinder test ofΦ50mm aluminized explosive

2．2 铝粉尺寸对驱动飞片速度的影响

对表1中4种配方炸药分别进行驱动2mm 厚铜飞片实验，表3是铜飞片在几种配方炸药作用下不同时刻的自由面速度。

表3 铜飞片在不同时刻的自由面速度Table 3 Free face velocities of copper flyer at different times

图5为2mm 厚度铜飞片在不同配方炸药驱动下的自由面速度与时间的关系曲线。从图5中可以看到铝粉颗粒度对含铝炸药作功能力的影响，以及速度尖峰后下降为平台、速度平台后继续下降、平台后二次加速，这是因为铜飞片层裂的原因。

由图5（a）可以看出，在样品1和2的含铝炸药驱动下，铜飞片在3μs内速度上升很快。样品2在爆轰初期反应快，铜飞片速度较快，达到一个峰值后由于铝粉尺寸相对比较大［9－10］，后期反应没有样品1反应充分，其速度下降；样品1对2mm 厚铜飞片的加速时间为5．9μs，比样品2短0．8μs，缩短了13．6%。样品1加速铜飞片的最终速度比样品2炸药加速铜飞片的速度高。说明细颗粒铝粉加速飞片的能力比粗颗粒的铝粉加速飞片的能力强。

由图5（b）可以看出，由于TATB 主要参加前期反应，样品3在炸药起爆初期比样品1 反应快，驱动铜飞片的能量多，因此TATB 超细粉炸药驱动铜飞片有个跳跃的峰。在反应后期样品1 中的TATB量相对多一些，使得样品1比样品3对铜飞片的加速更快，同时铜飞片达到的最大速度也比样品3的高。样品3 对2mm 铜飞片加速时间比样品1短1．0μs。

由图5（c）和表3可见，对于2mm 厚铜飞片，样品4的加速时间为4．9μs，而样品1为5．9μs，前者比后者缩短20．4%，最大速度提高11．7%，表明铝粉是在炸药爆轰后期参加反应释放能量，铝的加入使得炸药反应速度减慢，能量释放时间相对较长，同时也可以看出，样品4比样品1的作功能力强。

图5 铜飞片在不同配方炸药驱动作用下的自由面速度与时间的关系曲线Fig．5 Relation curves of free－surface velocities of copper flyer driven by different formula explosivs with time

由图5（d）可以看出，作功能力的强弱顺序为样品4＞样品1＞样品2＞样品3，反应时间长短顺序为样品3＞样品2＞样品1＞样品4。

从上述试验结果可知，铝粉尺寸对炸药作功能力和反应时间都有显著影响。由于不同粒度铝粉的比表面积不同，反应活性也不同，从而可能影响铝粉的氧化反应及其最终反应程度和能量释放程度。

铝粉粒径越小，比表面积越大，同周围介质接触的几率增加，使铝粉的导热性提高。由二次反应理论和惰性热稀释理论可知，在炸药爆炸过程中，铝在爆轰区不参加反应而且还要吸热，比表面积大的铝粉可较快吸热达到活化温度，因而铝参与反应的时间提前，反应更加充分，能量输出更大，所以颗粒越小的铝粉更容易与炸药爆轰产物反应，并且反应时间提前，能量释放速度加快，使得炸药作功能力增强，炸药的非理想性越小。

参与反应区内的铝粉比例越高，能量释放越快［11－13］，炸药的非理想性越小，炸药释放总能量增加，炸药作功能力增强，因此炸药反应总时间缩短，作功时间变短。从表3可以看到铝粉尺寸为2μm时，含铝炸药的反应时间仍然比TATB 基PBX炸药（样品4）长，可见在含铝炸药爆轰过程中，铝主要是与炸药的爆轰产物反应，炸药的反应区宽度变长，增加了炸药爆轰后期能量的释放。

2．3 JWL状态方程和点火增长模型参数的验证

为验证圆筒试验所确定的JWL 状态方程和点火增长模型参数的有效性，基于驱动飞片试验进行了数值计算。被测药柱和铜飞片建立轴对称模型，炸药采用2．1 节所述的模型和参数，铜飞片采用GRUNEISEN 状 态 方 程 和 MAT＿ELASTIC＿PLASTIC＿HYDRO 力学模型。

图6给出被测炸药柱颗粒尺寸为样品2的数值计算结果，并与试验结果进行了比较。

图6 铜飞片速度的测量值和计算值的比较Fig．6 Comparison of experimental results and calculated ones for copper flyer velocities

由图6可看出，在整个时间历程中，铜飞片速度的测量值与计算值能较好地吻合，验证了圆筒试验所标定的JWL状态方程和点火增长模型参数的有效性。

3 结 论

（1）采用Lee－Taver点火增长三项式模型对TATB基含铝炸药的圆筒试验进行了数值模拟，标定了含铝炸药的爆轰产物JWL 状态方程参数与反应速率方程参数，计算的膨胀距离—时间曲线与试验曲线间的误差小于1%，计算结果和试验结果能够较好地吻合。

（2）较小尺寸的铝粉能够使铜飞片获得更大的自由面速度，加速铜飞片的时间更小，能量释放速度加快，使得炸药作功能力增强，炸药的非理想性越小；颗粒越大的铝粉反应时间较长，能量释放速度慢。

（3）4种样品的作功能力强弱顺序为：样品4＞样品1＞样品2＞样品3。

（4）通过驱动飞片试验验证了圆筒试验标定参数的正确性。

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