纳米铝对RDX基炸药水下爆炸能量的影响

牛国涛，王淑萍，金大勇，牛　磊，曹少庭

(西安近代化学研究所，陕西西安710065)



纳米铝对RDX基炸药水下爆炸能量的影响

牛国涛，王淑萍，金大勇，牛磊，曹少庭

(西安近代化学研究所，陕西西安710065)

摘要：为了探索纳米铝对RDX基压装炸药的水下爆炸能量的影响，测试了含纳米铝、微米铝、以及纳米铝和微米铝级配的RDX基炸药水下爆炸能量，分析了其水下爆炸能量的变化规律。结果表明， RDX基压装炸药中，当单独使用纳米铝或微米铝时，纳米铝对炸药水下爆炸总能量的提高不如微米铝；当铝粉总质量分数为30%，且纳米铝和微米铝的质量比为1∶2时，水下爆炸总能量比单独使用微米铝时提高7%，说明纳米铝和微米铝合理级配能够提高铝粉的能量释放效率。当铝粉总质量分数为35%时，即使采用级配也无法提高含铝炸药的水下爆炸能量。

关键词：爆炸力学；纳米铝；微米铝；水下爆炸；总能量；RDX

引言

含铝炸药已广泛应用于水中兵器，可以显著提高炸药在水中爆炸的总能量，其在水中爆炸所形成的冲击波能和气泡能受铝粉含量的影响[1]，如在RDX/Al炸药中，冲击波能随铝粉质量分数的增加而增加，达到20%～23%时，水中冲击波能达到最大值，之后随铝粉质量分数的增加，冲击波能量反而下降。但气泡能在铝粉质量分数从0升至42%的范围内始终增加[2]。炸药对水中目标的毁伤是通过冲击波能和气泡能的综合效果，为了兼顾气泡能和冲击波能，水中兵器使用的含铝炸药铝粉质量分数一般在20%～30%。当铝粉质量分数一定时，提高水下炸药的能量只能通过添加更高能量水平的单质炸药或提高金属粉的反应效率。随着纳米技术的发展，纳米铝在炸药中得到初步应用，使炸药的性能产生了新变化，如：Lefrancois A等[3]的研究表明，含纳米铝炸药在水中爆炸后脉冲次数增加，气泡持续时间也增加；Brousseau等[4]研究表明，含纳米铝的炸药在水中爆炸10μs后，冲击波半径等于或低于H-15炸药，而气泡膨胀较快；黄辉等[5]研究了铝粉粒度对含铝炸药爆轰性能的影响，得出随着铝粉颗粒的减小，铝粉参与反应的时间缩短，作功能力提高，王淑萍等[6]设计了RDX基含纳米铝混合炸药配方，研究结果发现，用纳米铝完全替代微米铝，不能提高炸药的爆热，而采用微米铝和纳米铝适当级配，可提高炸药爆热；牛国涛等[7]的研究表明，与含微米铝粉相比，含纳米铝炸药在水中爆炸试验中并没有显示出其优势，并且工艺性和爆轰性能差。

本研究设计了含纳米铝的RDX基炸药配方，研究了纳米铝对炸药水下爆炸能量的影响，并与含微米铝RDX基配方进行了对比，为纳米铝在炸药中的应用提供借鉴。

1实验

1.1材料和仪器

RDX，Ⅱ类，甘肃银光化学工业集团有限公司；微米铝粉，平均粒径5μm，鞍钢实业微细铝粉有限公司；纳米铝粉平均粒径150nm，活性为86.3%，西安近代化学研究所。F2603，成都晨光化工研究院。

Quanta600FEG型场发射扫描电镜，美国FEI公司；采用美国PCB公司生产的138型ICP压电式电气石水激波传感器，灵敏度6.937MPa/V，压力测量范围为0～69MPa，测量水下距离爆心一定距离的冲击波超压和气泡周期；另配有482a型信号适配器；微测公司的高低频数据记录仪，气泡脉动信号的采样频率为1MHz。

1.2试样制备

准确称量RDX炸药，加入一定比例的微米铝粉或纳米铝粉，再加入一定量黏结剂F2603溶液搅拌均匀，烘干后压制成Φ30mm、质量30g的药柱，一端中心带雷管孔。

设计了5种含铝RDX基炸药配方，配方及药柱密度见表1；设计了铝粉质量分数为30%和35%时微米铝粉和纳米铝粉级配的炸药配方，配方和药柱密度见表2。

表1　含微米铝和纳米铝的RDX基炸药配方及药柱密度

表2　含微米铝和纳米铝的RDX基炸药的药柱密度

1.3试验装置和布局

试验水池尺寸Φ3.2m×2.4m，池底和池壁均由8mm钢板焊接而成。十字钢架作压力传感器和药柱悬挂支撑，采用重物悬挂法使两者保持在同一水平面上，两者相距0.9m且距离水面1.5m。为增加结果的准确性，采用两只相同的压力传感器，并通过树脂隔离绑缚在一起，传感器的断面与被测药柱断面平行，直接测试爆炸冲击波超压和气泡脉动周期。每个样品至少做两发试验，每发药柱得两组数据。采用8号电雷管起爆，C-4炸药作传爆药，试验结果已减去此部分能量。

2结果与分析

2.1纳米铝含量对药柱压制密度的影响

从表1和表2可知，在RDX基压装炸药中，无论是单独使用纳米铝粉还是纳米铝与微米铝级配，随着纳米铝含量的增加，工艺性能变差，装药密度降低。两种铝粉的电镜扫描图像如图1所示。从图1可以看到，纳米铝粉的堆积密度较低，部分纳米铝粉团聚，使用后使得装药的孔隙率较高，密度降低。

图1　微米铝粉和纳米铝粉的电镜扫描图Fig.1　SEM images of micro and nano aluminum powder

2.2水下能量的理论计算

通过试验测试RDX基含铝炸药的冲击波能和气泡能。

根据水中爆炸相似率，可以得到相应的比冲击波能，由公式(1)[7]所示：

(1)

式中：Es为比冲击波能，J/kg；R为距爆炸中心的距离，m；W为装药量，kg；ρ为水的密度，kg/m3；CW为水的音速，m/s；θ为时间常数，s，即水中冲击波压力衰减到最大压力1/e的时间；p(t)为距爆炸中心R处爆炸冲击波超压随时间变化的函数关系。将测得的冲击波超压随时间的变化关系带入(1)式得到比冲击波能。

气泡能按式(2)[7]计算：

(2)

式中：Eb为比气泡能，MJ/kg；ph为爆点处水的静压力，MPa；ρw为测试点水的密度，kg/m3；tb为实测气泡脉动周期的数值，s。

水下爆炸的总能量S，在理论上应等于比冲击波能和比气泡能之和。但由于冲击波在传播过程中对所经之处的水冲击加热，使一部分能量以热的形式损失在水中[8]，本研究仅在理想情况下研究装药的水下总能量。

2.3微米铝或纳米铝单独使用时对RDX基炸药水下能量的影响

对设计的5种药柱(表1)进行水下爆炸试验，得到冲击波超压和气泡周期，利用公式(1)和(2)计算得到比冲击波能和比气泡能，两者相加得到水下爆炸总能量。不同铝粉质量分数时，水中爆炸能量如表3所示，每个数据为4个试验的平均值，含纳米铝和微米铝炸药水下爆炸总能量随Al粉含量的变化如图2所示。

表3　含纳米或微米铝的RDX基炸药水下性能对比

图2　铝粉含量与装药水下爆炸总能量之间的关系Fig.2　Relationship between the content of aluminumpowder and total energy of underwater explosion

由图2可见，铝粉含量相同时，含微米铝炸药的水下总能量高于含纳米铝炸药的水下爆炸总能量。分析原因认为：(1)在一定测试条件下，纳米铝反应速率快，对能量输出结构有影响，如果含纳米铝和微米铝的炸药水下爆炸总能量一致，则在比冲击波能和比气泡能的分配上，纳米铝会提高初始比冲击波能的比例，减少比气泡能(见铝粉质量分数20%时两者对比)；在到达测点时，初始比冲击波能中的一部分因为加热水而损耗，纳米铝因为反应速率快，有可能增加了初始比冲击波的强度而使热损失能增大，从而使测点处的总能量减小；(2)在相同试验条件下，比气泡能只与气泡脉动周期有关，纳米铝比微米铝反应快，气泡周期短，导致气泡能偏低；(3)纳米铝的活性较微米铝约小10%。综上3方面可知，纳米铝不如微米铝在水下RDX基炸药中的应用效果好。

2.4微米铝和纳米铝级配对RDX基炸药水下爆炸能量的影响

对于含微米铝炸药，在测试的铝粉含量范围内，水下爆炸总能量一直升高，这与王浩等[9]研究得到的规律一致；对于含纳米铝炸药，水下爆炸总能量在铝粉质量分数为35%时达到最高值。两者相似之处是铝粉质量分数小于30%时，水下爆炸总能量呈线性增加；大于30%时，增加速率减缓或下降。因为在RDX/Al炸药中，通过全氧氧化法求得铝粉的理论最大质量分数为32.7%[1]，铝粉质量分数高于此值不但工艺性差，且炸药负氧太多影响爆轰能量输出。

2.4.1铝粉总质量分数30%

按照表2进行铝粉级配，通过水下爆炸试验测得水下爆炸性能参数，并根据公式(1)和(2)计算得出比冲击波能和气泡能，结果如表4所示，试验数据为4个测试值的平均值，不同铝粉级配下得到的水下爆炸总能量变化趋势如图3所示。图中红线为含质量分数30%纯微米铝炸药水下爆炸总能量值，蓝线为含质量分数30%纯纳米铝炸药水下爆炸总能量值。

表4　铝粉总质量分数30%时微米铝与纳米铝级配后

图3　铝粉质量分数30%时微米铝与纳米铝不同级配时况的水下爆炸能量对比Fig.3　Comparison of the underwater energy of explosiveswith three kinds of 30% aluminum powder in mass fraction

由表4和图3可见，使用两种铝粉级配后炸药的水下爆炸总能量提高，说明单纯用纳米铝不能使该RDX基炸药的总能量得到提高。含纯微米铝RDX基炸药的水下爆炸总能量比含纯纳米RDX基炸药的高，当微米铝和纳米铝质量比为20∶10时，水下爆炸总能量最高，比含纯微米铝的高出7%，说明两者合理级配可以提高水下爆炸总能量，这是因为级配后炸药爆炸反应时，纳米铝首先反应进而促使更多的微米铝参与反应，纳米铝起到敏化作用。

2.4.2铝粉总质量分数35%

按照表2进行铝粉级配，通过水下爆炸试验测得水下爆炸性能参数，并根据公式(1)和(2)计算出比冲击波能和比气泡能，如表5所示，不同铝粉级配下得到的水下爆炸总能量变化趋势如图4所示。图中红线为含质量分数35%纯微米铝RDX基炸药水下爆炸总能量值，蓝线为含质量分数35%纯纳米铝RDX基炸药水下爆炸总能量值。

表5　铝粉总质量分数为35%时微米铝与纳米铝

图4　铝粉质量分数35%微米铝与纳米铝不同级配时的水下爆炸能量对比Fig.4　Comparison of the underwater energy of explosiveswith three kinds of 35% aluminum powder in mass fraction

当铝粉质量分数为35%时，已经超过根据全氧氧化法求得铝粉理论最大值32.7%[1]。由表5和图4可见，炸药中铝粉总质量分数为35%、纳米铝和微米铝质量比为17.5∶17.5时，装药的水下爆炸总能量达到最大值。表明使用两种铝粉级配后RDX基炸药装药的水下爆炸总能量介于含纯微米铝RDX基炸药和含纯纳米铝RDX基炸药装药水下爆炸总能量之间，说明单纯使用纳米铝不利于RDX基炸药总能量的提高，且铝粉总质量分数超过全氧氧化法得到铝粉理论含量最大值32.7%时，微米铝和纳米铝级配后无法提高其水下能量。

3结论

(1)含纳米铝粉RDX基炸药装药的压药密度比相同含量的微米铝炸药装药的低。

(2)在试验设计的质量分数范围内，含微米铝RDX基炸药装药的水下爆炸总能量高于含纳米铝RDX基炸药装药。

(3)当铝粉质量分数为30%时，通过合理的纳米铝和微米铝级配可以提高RDX基压装炸药的水下爆炸总能量。当铝粉质量分数为35%时，采用纳米铝和微米铝级配无法提高其水下爆炸总能量。

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Influence of the Nano-aluminium on Underwater Energy of RDX-based Pressed Explosive

NIU Guo-tao, WANG Shu-ping，JIN Da-yong, NIU Lei，CAO Shao-ting

(Xi′an Modern Chemical Research Institute, Xi′an 710065，China)

Abstract:In order to explore the influence of nano-aluminum on the underwater explosion energy of RDX-based explosives, the underwater explosion energies of RDX-based explosives with nano-aluminum, micro-aluminum and particle grading between them were tested.The change laws of underwater explosion energy were analyzed. Results showed that the increase of explosion energy with nano-aluminum explosive was less obvious than that of explosion energy with micro-aluminum explosive when they were used alone. When the mass fraction of aluminum powder was 30% and the mass ratio of nano-aluminum and micro-aluminum is 1∶2 in the RDX-based pressed explosive, the underwater total energy can increase by 7% than the use of micro-aluminum alone, revealing that gradation of nano-aluminum and micro-aluminum can improve the efficiency of aluminum powder release energy. When the mass fraction of aluminum powder is 35%, the underwater explosion energy of aluminized explosive with gradation of nano-aluminum and micro-aluminum can not be improved.

Keywords:explosion mechanics;nano-aluminum; micro-aluminum; underwater explosion; total energy; RDX

作者简介:牛国涛(1983-)，男，助理研究员，从事混合炸药配方及工艺研究。

基金项目:总装备部重大专项

收稿日期:2014-06-21；修回日期:2014-11-12

中图分类号：TJ55; O381

文献标志码：A

文章编号：1007-7812(2015)01-0064-05

DOI：10.14077/j.issn.1007-7812.2015.01.015