含氟粘结剂对含硼炸药水下爆炸能量的影响

徐洪涛，封雪松，田轩，冯博

（西安近代化学研究所，陕西西安，710065）

含氟粘结剂对含硼炸药水下爆炸能量的影响

徐洪涛，封雪松，田轩，冯博

（西安近代化学研究所，陕西西安，710065）

为了有效提高含硼炸药的爆轰能量，通过测试含不同粘结剂的含硼炸药的爆热和水下爆炸能量，分析了含氟粘结剂对含硼炸药能量的作用机理。试验结果表明：含氟粘结剂能够显著提高含硼炸药的水下爆炸总能量和爆热，水下爆炸能量随粘结剂中氟含量的提高而提高，但随粘结剂含量的提高而降低。

炸药；硼；含氟粘结剂；水下爆炸；爆热

当前高威力含铝炸药的研究已日渐成熟，而硼粉较铝粉具有更高的质量热值和体积热值，是潜在的可以应用的金属可燃剂[1]。但由于硼颗粒的表面多相燃烧，且粘性氧化层在表面堆积，阻碍了硼粉与氧化剂的混合，使其燃烧效率低下，与含铝炸药相比，能量上并未产生明显优势[2]，因此如何提高硼粉的氧化和燃烧效率成为亟待解决的问题[3]。

目前炸药中普遍使用的粘结剂主要为碳氢类聚合物，包括乙烯醋酸乙烯共聚物（EVA）、聚异丁烯（PIB）等；为了提高炸药的能量，出现了含能粘结剂，如含氟聚合物和叠氮聚合物。由于粘结剂在压装炸药配方中的含量较少（不超过5%），它对炸药能量的影响未得到深入研究。在含硼炸药的能量研究中，笔者对含3种不同粘结剂（EVA、F2603、BAMOAMMO）含硼炸药的爆热和水下能量进行了测试，其中F2603为偏氟乙烯和六氟丙烯的共聚物，BAMOAMMO为含叠氮基团的含能热塑性弹性体，乙烯醋酸乙烯共聚物EVA。

1 实验

1.1 样品制备

以RDX为主体炸药，分别加入铝粉、硼粉和粘结剂，改变硼粉含量、改变粘结剂种类和含量，采用直接混合法制备一系列不同的含硼炸药；压制成药柱备用。其中硼粉为营口产普通硼粉、粒度3.78μm，铝粉为球形铝粉、粒度4.5μm；将试验样品压制成水下爆炸试验和爆热所需规格的药柱。设定黑索今、硼粉、粘结剂及钝感剂含量，改变粘结剂种类，分别以等量EVA、F2603、BAMO-AMMO作粘结剂，设计配方。

1.2 实验方法

水中爆炸参数的测量是将长径比为1～1.2的圆柱形炸药试样，放到水下一定深度，装药轴线为垂直布置；当装药深度为水池总深度的2/3时，来自水面和池底的边界效应互相抵消。采用端部垂直引爆，在距装药一定距离处，安装测压传感器，测定冲击波压力随时间的变化及从爆轰到气泡第1次收缩的振荡周期。经过数据处理得到冲击波能量和气泡能[4]。

采用GJB772A-97《炸药试验方法》方法701.1爆热恒温法和绝热法，在真空条件下起爆炸药试样，试样重量为25～30g，以蒸馏水为测温介质，测定水温升高，根据热容量和温升计算单位质量试样在测试条件下的爆热。

2 结果与讨论

2.1 粘结剂对含硼炸药水下能量的影响

2.1.1 不同粘结剂的影响

依据全氧氧化法设计了RDX基含硼炸药配方wRDX/wB/w粘结剂=75∶20∶5，分别采用3种不同粘结剂制样，水下爆炸试验结果见表1。

从表1可以看出，无论是比冲击波能还是比气泡能，以F2603、BAMO-AMMO为粘结剂的配方能量均高于以EVA为粘结剂的配方，其中F2603对含硼炸药的能量提高最大。

表1 RDX基3种粘结剂含硼炸药的小水池水下爆炸能量Tab.1 Under-water explosion energy of RDX-based explosive containing boron and three differentbinders in small poll

F2603提高含硼炸药能量的原因可能有两个：首先，硼氟化的质量热值和容积热值分别为105.01kJ/g和245.72 kJ/cm3，几乎是硼氧化质量热值和容积热值的两倍（58.74kJ/g和137.45 kJ/cm3）；其次，含氟粘结剂分解产生的含氟物质可能与硼颗粒表面的氧化层反应，通过去除硼粉表面的氧化层而加速硼的氧化，从而产生较高能量。

2.1.2 不同含氟粘结剂的影响

为了深入研究含氟粘结剂对含硼炸药能量的影响，通过改变含氟粘结剂的种类和含量等手段，测试了含硼炸药的水下能量变化。目前常用的含氟粘结剂包括F2311(偏氟乙烯与三氟氯乙烯共聚物)、F2603(偏氟乙烯和六氟丙烯的共聚物)、F246G(偏氟乙烯、四氟乙烯与六氟丙烯共聚物)，3种粘结剂的氟含量各不相同，如表2所示，F246G最高，F2603次之，F2311最低。通过改变含硼炸药中含氟粘结剂的种类，对不同含硼炸药配方的水下能量进行了测试，结果列于表3。

表2 含氟粘结剂种类与氟含量Tab.2 Binder containing fluoride w ith different percentage

表3 RDX基含氟粘结剂含硼混合炸药水下爆炸能量Tab.3 Under-water explosion energy ofRDX-based explsive w ith boron and different fluoride binder

从表3可以看出，使用不同的含氟粘结剂，含硼炸药的能量不同；含F246G炸药的能量最高，F2603次之，F2311能量最低，这与粘结剂氟含量的高低顺序一致。说明粘结剂含量为2%时，其氟含量越高、含硼炸药的能量越高。

2.1.3 不同含量的含氟粘结剂的影响

为了确定含氟粘结剂对含硼炸药爆轰能量的作用，研究了粘结剂含量对含硼炸药水下能量的影响，即RDX为主炸药，硼含量为25%，逐步提高粘结剂F2603含量，降低RDX含量，通过水下爆炸试验，研究在硼粉过量的情况下，减少氧含量、增加氟含量对含硼炸药能量的影响，试验结果列于表4。从表4可以看出，随着F2603含量的提高、RDX含量的降低，含硼炸药配方的比冲击波能和比气泡能均逐渐下降，水下总能量逐渐降低；配方能量并未随氟含量的增加而上升，而是随炸药含量的降低而减小。

表4 不同粘结剂含量下RDX基含硼25%混合炸药小水池水下爆炸能量Tab.4 Under-waterexplosion energy ofRDX-based explosives containing 25%boron and differentcontentbinder

2.1.4 金属粉含量30%时不同粘结剂的影响

当金属粉含量为30%时，主炸药的氧含量已无法满足所含铝硼金属粉的完全氧化，研究氧平衡降低条件下，不同粘结剂对混合炸药能量的影响，结果见表5。

表5 RDX基不同粘结剂含30%Al-B混合金属粉炸药大水池水下爆炸能量Tab.5 Under-water explosion energy ofRDX-based explosive containing 30%Al-Bmetalpowderand differentbinder

从表5可见，以EVA为粘结剂的含Al-B（15%/ 15%）配方水下比气泡能和总能量低于以F2603为粘结剂配方的比气泡能和总能量，同时低于以F2603为粘结剂的含铝30%配方的总能量，甚至低于以EVA为粘结剂的含30%Mg-Al合金配方的比气泡能和总能量。

比较EVA为粘结剂的含Mg-Al合金配方与含Al-B配方的能量，前者的比冲击波能和比气泡能均高于后者，计算Mg-Al合金和Al-B的氧化热值，含Al-B配方应产生较高能量。这是由于硼粉难以被炸药爆轰产物氧化，而碳氢粘结剂无法促进和改善硼粉的氧化，因此能量释放少，低于同含量的含Mg-Al合金炸药配方和含铝炸药配方。

2.1.5 金属粉含量20%时不同粘结剂的影响

在金属粉含量20%时即主炸药供氧量充足的情况下，研究不同种类粘结剂对混合炸药能量的影响，试验结果见表6。从表6可见，含Al-B/（10%/10%）的炸药配方，以EVA为粘结剂时水下比气泡能和总能量低于以氟橡胶为粘结剂时的比气泡能和总能量，同时低于以氟橡胶为粘结剂的含铝20%配方的比气泡能和总能量，但高于以EVA为粘结剂的含铝20%配方的比气泡能和总能量。同样说明无论是含铝炸药还是含铝硼的炸药，采用含氟粘结剂都能显著提高水下的比冲击波能、比气泡能和总能量。这是因为含氟粘结剂分解释放的含氟化合物能够与铝粉和硼粉表面的氧化膜发生反应，使氧化膜快速消失，从而加快金属的氧化速率。

表6 RDX基不同粘结剂含20%Al-B混合金属粉炸药小水池水下爆炸能量Tab.6 Under-waterexplosion energy ofRDX-based explosive containing 20%Al-Bmetalpowderand differentbinder

2.1.6 含氟粘结剂对含硼炸药能量的影响

硼氟化的质量热值（105.01kJ/g），几乎是硼氧化质量热值（58.74kJ/g）的两倍，在炸药配方中提高粘结剂含量即氟含量，降低RDX含量即氧含量，通过理论计算来分析总能量的变化。假设100g含硼炸药中，RDX的氧全部用于硼的氧化，F2603的氟全部用于硼的氟化，不考虑RDX自身爆轰释放的能量，仅从硼的氧化和氟化角度进行能量计算，结果见表7。

表7 RDX基含硼25%混合炸药能量的理论分析Tab.7 Theory energy analysison RDX-based explosive w ith 25%boron

综上所述，虽然硼粉氟化释放出较高能量，但由于炸药配方中氟含量有限，约为粘结剂含量的65%，减少主炸药含量、增加氟橡胶含量并不能提高硼粉释放的总能量；加之主炸药自身分解释放出大量能量，而氟橡胶本身分解还需吸收热量，提高含氟粘结剂含量所增加的能量应低于含氟粘结剂替代的炸药释放的能量及炸药爆轰产物氧化硼粉释放的能量之和；因此含硼炸药的能量提高并不是由于硼粉氟化产生的高热量，而是由于含氟粘结剂的加入，硼粉氧化完全性提高而产生能量的提高。即含硼炸药能量的提高必须依赖改善硼粉的氧化来实现，使用含氟粘结剂可以作为改善硼粉氧化性的有效手段。

2.2 粘结剂对含硼炸药爆热的影响

为了确定含氟粘结剂对含硼炸药能量的提高作用，将含F2603配方的爆热与含EVA配方的爆热进行了对比研究，结果见表8。由表8可以看出，硼粉单独使用时，与含EVA粘结剂配方的爆热值相比，含F2603配方的爆热值产生明显提高，由于配方中粘结剂含量较少，推测爆热的提高不是由于硼粉的氟化产生，而是硼粉的氧化完全性提高所致[5-6]。

表8 不同粘结剂含铝硼、镁硼炸药的爆热Tab.8 Explsion heatofAl-Band Mg-Bexplosive containing differentbinders

由表8的试验结果同样看出，铝硼、镁硼在炸药中混合使用时，含F2603配方的爆热值明显提高，可能由于含氟粘结剂分解产生了氟化氢或氟原子[7-8]，它们能够与硼粉表面生成的液态氧化硼反应，因而加速了硼粉的氧化，提高了硼的氧化率。

2.3 分析与讨论

由于硼的熔点（2 300℃）和沸点（2 550℃）都比较高，难以熔化和汽化，且氧化时粒子表面形成熔点较低、沸点较高的粘态氧化层（B2O3），阻碍了硼粉的快速和持续氧化；含氟粘结剂分解产生了氟化氢或氟原子，它们能够与硼粉表面生成的液态氧化硼反应，消除氧化层的阻碍作用，因而加速了硼粉的氧化，提高了硼的氧化率，从而获得较高能量。

在含硼炸药配方中，增加含氟粘结剂含量、减少主炸药含量，不能提高炸药能量，只能使比冲击波能和比气泡能降低。这是因为主炸药RDX能够在爆轰过程中实现自分解，释放高能量和气体产物，氧化硼粉释放能量；与RDX相比，F2603为惰性物质，硼粉氟化的能量虽然高出硼粉氧化能量的1倍左右，但含氟粘结剂的熔化需要吸收部分热量，而分解释放能量较低，最终仍导致总能量降低。

综上所述，加入含氟粘结剂提高含硼炸药能量的原因，并不是由于硼粉氟化释放出高能量；而是由于粘结剂热分解所产生的含氟成分，可能与硼粉表面低熔点、高沸点的氧化层发生作用，消除氧化层的阻碍，使硼的氧化加速，释放出较高能量。

3 结论

（1）在3种不同粘结剂（EVA、F2603、BAMOAMMO）中，使用含氟粘结剂的含硼炸药的水下爆炸能量和爆热最高；水下爆炸能量随粘结剂中氟含量的提高而提高，但随粘结剂含量的提高而降低；

（2）硼粉能量的释放主要依靠与主炸药之间的氧化作用，含氟粘结剂的活化作用能够有效改善硼粉的氧化，但不能决定含硼炸药释放能量的高低，在含硼炸药的配方设计中，不宜过多提高含氟粘结剂含量而降低主体炸药含量；

（3）无论是含铝炸药还是含铝硼的炸药，采用含氟粘结剂都能显著提高水下的比冲击波能、比气泡能和总能量；含氟粘结剂分解释放的含氟化合物能够有效改善铝粉和硼粉的氧化，推测是与铝粉和硼粉表面的氧化膜发生反应，使氧化膜快速消失，而加快金属的氧化速率。

[1]王晓峰,郝仲璋.炸药发展中的新技术[J].火炸药学报,2002, 25(2)：35-37.

[2]松全才,杨崇惠,金韶华.炸药理论[M].北京：兵器工业出版社,1997.

[3]封雪松,赵省向,刁小强,等.含硼炸药的能量输出特性研究[J].火工品,2011(3)：25-29.

[4]牟金磊,朱锡,李海涛,等.炸药水下爆炸能量输出特性试验研究[J].高压物理学报,2010,24(2)：88-92.

[5]Liu T K，Luh S P,Perng HC.Effectofboron particle surface coating on combustion of solid propellants for ducted rockets [J].Propellants,Explosives,Pyrotechnics,1991,16(4)：156-166.

[6]张炜,方丁酋,朱慧.硼镁高能贫氧推进剂的能量分析[J].推进技术,1998,19(3)：78-81.

[7]张炜,朱慧,方丁酋.改善含硼高能贫氧推进剂机燃烧特性的技术途径[J].含能材料,1998,6(4)：179-186.

[8]关大林,王宁飞.改善硼粒子点火及燃烧性能研究的回顾与展望[J].火炸药学报,1998,21(2)：52-54.

Effectof Fluorine-binder on the Under-water Exp losion Energy of Boron-containing Explosive

XU Hong-tao，FENG Xue-song，TIAN Xuan，FENG Bo
(Xi’an Modern Chemistry Research Institute,Xi’an,710065)

In order to effectively improve the detonation energy of explosive,through measuring the explosion heat and under-water energy output characteristics of boron-containing explosive w ith different binders,including EVA,fluorine binder and BAMO-AMMO,the mechanism of fluorine-binder affecting the outputenergy of boron-containing explosive was analyzed.The results show that fluorine-binder can increase both under-water explosion energy and explosion heat,the under-water explosion energy is increased w ith the increase of fluorine contentofbinder,while is decreased w ith the increase ofbindercontent.

Explosive；Boron；Fluorine-binder；Under-waterexplosion；Explosion heat

TQ564

A

1003-1480（2015）04-0038-04

2015-03-06

徐洪涛（1982-），男，工程师，主要从事炸药爆轰释能规律及测试技术工作。