不同气氛对TATB基含铝炸药爆热的影响❋

曹 威 郭向利 段英良 昝继超 韩 勇 刘世俊中国工程物理研究院化工材料研究所(四川绵阳，621900)



不同气氛对TATB基含铝炸药爆热的影响
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曹 威 郭向利 段英良 昝继超 韩 勇 刘世俊
中国工程物理研究院化工材料研究所(四川绵阳，621900)

[摘 要]为了测定三氨基三硝基苯(TATB)基含铝炸药在不同气氛中的爆热，使用绝热式量热弹对其压装药在真空、0.1 MPa氮气、0.1 MPa空气、0.1 MPa氧气和1.5 MPa氧气条件下的爆热进行了测量，研究了其能量释放规律，并使用X射线衍射(XRD)对固相产物成分进行了分析。结果表明:TATB基含铝炸药在真空、0.1 MPa氮气、0.1 MPa空气、0.1 MPa氧气和1.5 MPa氧气条件下的爆热依次增加；环境中压力的增加会导致爆热值增大，在0.1 MPa氮气中，TATB基含铝炸药的爆热值比真空中增加了15.7%。环境中氧气量的增加也使爆热值增大:0.1 MPa空气中的爆热值比0.1 MPa氮气中增加了7.8%，0.1 MPa氧气中的爆热值比0.1 MPa氮气中高出49.7%，1.5 MPa氧气中的爆热值比0.1 MPa氮气中高出146.1%。在富氧气氛下测试TATB基含铝炸药的爆热时，所测爆热接近于炸药的燃烧热，且爆炸产物的XRD结果也表明Al粉已基本氧化完全。同时，在0.1 MPa氮气气氛下没有检测到氮化物AlN的存在。该方法可对不同气氛下含铝炸药的爆热进行测量，并对爆炸产物中Al的存在形式进行分析。

[关键词]爆炸力学；TATB基含铝炸药；爆热；爆炸产物；后燃反应

[分类号] O389

引言

高活性金属具有高燃烧热值，将其引入高能炸药配方设计，可以明显提高炸药的能量密度、降低武器的装药感度、提高武器的抗高过载能力及低易损性。Al粉作为高活性金属，因其高热值和相对较低的成本被广泛应用于先进常规兵器的装药中，如空中和水中兵器装药用含铝炸药等。

含铝炸药作为一种典型的非理想炸药，具有高爆热、高爆温、临界直径大、起爆传爆能力较弱、化学反应区较宽、反应时间长、反应产物组成复杂及存在后续二次反应甚至多次反应(即后燃反应)的特点。与理想炸药相比，含铝炸药的这些特点导致其爆轰性能的明显差异，更导致其能量释放的特殊性。研究人员在对含铝炸药爆轰反应机理的认识上，主要形成了3种理论——二次反应理论、惰性热稀释理论和化学热稀释理论，这些理论虽然在很大程度上解释了含铝炸药爆轰的反应过程，但又都不能全面地揭示含铝炸药爆轰的整个过程[1-2]。

含铝炸药具有高爆热性能，因此对其爆热的研究成为人们关注的焦点。Ornellas[3]对几十种不同的炸药在量热弹中起爆后放出的热和产物组分进行了测量，研究了量热弹中不同气体环境(真空、二氧化碳和氧气)下炸药爆热和爆轰产物的差别，结果表明:对于贫氧炸药，在真空环境下爆轰生成的大量C、CO、H2、Al等燃料组分的含量在氧气环境中大大减小，并释放出了更多的热量。Kiciński等[4]对RDX基含铝炸药在充有氩气、氮气、空气和氩气/氧气的量热弹中起爆后释放的热量分别进行了测量，结果表明:量热弹中充入氮气和氩气的爆热测试结果几乎一致，证明了氮气和氩气都可以作为惰性气体用在量热弹中，而高压氧气则可以使含铝炸药释放出更多的热量。裴明敬等[5]利用氧弹量热计测试了含铝温压炸药在氩气、空气和氧气环境中的燃烧热，结果表明:含铝温压炸药在有氧环境中的爆热值较高。李媛媛等[6]利用恒温式量热计测定了不同铝粉颗粒度的HMX基含铝炸药在不同环境(真空、空气和氧气)中的爆热，并研究了其能量释放规律。韩勇等[7]利用恒温式量热计测定了含铝炸药在真空、空气和水中的爆热值，爆热值按照空气、真空、水的顺序依次减小，认为Al粉与空气中的氧气发生了二次反应。前述文献表明，爆炸周围气体环境及其中的氧含量影响了含铝炸药的爆轰产物状态及Al粉的反应程度，从而直接影响炸药的能量输出[8-9]。因此，对含铝炸药在不同氧含量的气体氛围中的爆炸参数进行研究具有很重要的意义和价值。

三氨基三硝基苯(TATB)基含铝炸药以钝感高能炸药TATB为基，具有良好的爆轰、安全、耐热、力学和相容性能，其能量大于1.5倍TNT当量，在快速烤燃、慢速烤燃、子弹撞击等热和机械刺激条件下安全性较好。本文利用绝热式量热弹测定了TATB基含铝炸药在真空、常压氮气、常压空气、常压氧气和高压氧气中的爆热值，从爆热角度分析了含铝炸药在不同环境气氛中的能量释放规律，从反应动力学角度阐述了其能量释放特点，并对爆炸产物中Al的存在形式进行了定性分析。

1 试验

试验用绝热式量热弹的装置结构示意如图1，爆热弹内容积为10.1 L。试验温度控制在17℃～22℃之间，每次试验时，温度变化应在±1℃范围内。调节自动跟踪温度控制仪的平衡调节旋钮，控制量热桶内水温与外桶水温之差，使量热桶内水温15 min内变化不大于0.003℃，记录筒内水温T0。而后引爆炸药，反应放热使水温不断升高，直至桶内水温在15 min内变化不大于0.003℃时，记录桶内水温所达到的最高值T。

圆柱形压装炸药试样组分的质量比w(TATB)︰w(Al)︰w(黏结剂)为70︰25︰5，临界起爆直径约为21 mm，氧平衡为-0.641。每发样品的质量为30 g，直径为25 mm，密度为2.03 g/cm3。真空中爆热测量试验是通过真空泵将空气从量热弹中抽走，使弹内剩余压力为0.01 MPa(绝对压力，下同)，此时视为真空；参照GJB 772A—1997中的充气方法，使量热弹中分别充有0.1 MPa氮气、0.1 MPa空气、0.1 MPa氧气和1.5 MPa氧气。

此外，为了分析不同气氛下爆炸产物的组成，本文采用Bruker公司的D8 Advance型粉末X射线衍射仪对量热弹中收集的固态爆炸产物中Al的存在形式进行了X射线衍射(XRD)分析。

2 结果与讨论

2.1 不同气氛对含铝炸药爆热的影响

表1给出了不同气体环境下的爆热试验值，本试验对每种环境气氛下的样品爆热进行2发平行试验测定，误差不超过3%，求得平均值作为当前气氛下的爆热值。在常压氮气中爆热值比真空中爆热值增加了15.7%。在常压空气中爆热值比常压氮气中增加了7.8%，常压氧气中的爆热值比常压氮气中增加了49.7%；高压氧气中的爆热值比常压氮气中增加了146.1%。这说明量热弹作为密闭空间，阻止了爆轰产物的大范围扩散[6，10]，高温高压持续时间更长，根据含铝炸药的二次反应理论，这为含铝炸药二次反应(亦称为后燃反应)的发生提供了有利条件，且由爆热的大小变化可以推测二次反应发生的程度与环境压力和氧含量均有密切的关系。

表1 不同气氛下TATB基含铝炸药的爆热测试结果Tab.1 Test results of detonation heat of TATB-based aluminized explosive in different atmospheres

TATB基含铝炸药是贫氧炸药( O.B.= -1.01)，在真空条件下爆炸时，虽然爆轰产物CO、CO2和H2O等与Al粉可发生二次反应(可称为无氧后燃反应，即没有外界氧气的参与)，但其配方中的氧含量有限，含铝炸药配方中的Al粉不可能完全发生氧化反应，生成Al2O3，有一部分Al粉只是参加吸热反应。充入0.1 MPa的氮气于量热弹时，爆热值比真空条件下的爆热增加了15.7%:根据Kiciński等[4]的试验结果，含铝炸药在量热弹中起爆后Al粉与氮气发生反应的可能性很小，由此推断这主要是由于在外界压力的作用下炸药反应加快，使得Al与爆轰产物反应更充分，促进了无氧后燃反应的发生。

当环境气氛中有氧气出现时，含铝炸药的爆热进一步增大。充入0.1 MPa的空气于量热弹时，TATB基含铝炸药在空气中的爆炸能量值比氮气中的爆热值高7.8%，由此可以推论，空气中的氧气使TATB基含铝炸药中有Al粉和其他还原性爆轰产物的二次反应更完全，并且在无氧后燃反应的基础上出现了有氧后燃反应(需要外界氧气的参与)。充入0.1 MPa的氧气于量热弹时，TATB基含铝炸药的爆热值比空气中的爆热值高38.9%，这说明氧质量浓度的增加，使Al粉等还原性爆轰产物与氧气接触的概率增大，有效地促进了炸药有氧后燃反应的进行[11-12]。充入1.5 MPa的氧气于量热弹时，TATB基含铝炸药的爆热值比0.1 MPa氧气中的爆热值高64.4%，达到了13 832 J/g。

通过对TATB基含铝炸药进行计算，按化学计量比将其完全氧化需氧量为19.24 g，与表1中各气体氛围下的含氧量比较可知，1.5 MPa氧气氛围下的氧含量大于含铝炸药完全氧化的需氧量，此时含铝炸药爆炸后形成的爆炸混合物为正氧平衡，此气氛称为富氧气氛。根据含铝炸药配方组成，计算该炸药的燃烧热为14.26 kJ/g，由表1中数据可知1.5 MPa氧气氛围下的爆热已接近于炸药的燃烧热(误差约为3%)，由此可知量热弹的爆轰产物发生了完全氧化反应，并释放出最大的热量(即炸药的燃烧热)，这表明爆轰产物(包括Al)与氧气的反应已进行完全。

2.2 不同气氛下爆炸产物的定性分析

图2给出了3种试验情况下固相爆炸产物的XRD分析结果。从爆炸产物的XRD图谱可以看出，贫氧环境下爆炸后的产物中同时含有Al2O3和Al，但是Al的特征峰(对应的2θ分别为38.5°和44.9°)较弱，分析原因可能是由于生成的Al2O3包覆在Al颗粒表面所致，且在0.1 MPa氮气氛围下并没有检测到Al的氮化物AlN的产生，验证了Kiciński等[4]的试验结果；而富氧环境下爆炸后的产物中则只有Al2O3的特征峰，说明在此情况下Al粉基本燃烧完全，这也印证了前述的爆热测量结果。

3 结论

1)TATB基含铝炸药在真空、氮气、空气和氧气环境中的爆热值不同，爆热值高低顺序为1.5 MPa氧气、0.1 MPa氧气、0.1 MPa空气、0.1 MPa氮气、真空。当环境中压力增加时，其爆热值增大，在0.1 MPa氮气中TATB基含铝炸药的爆热值比真空中增加了15.7%；随着环境中氧气量的增加，其爆热值逐渐增大，0.1MPa空气中的爆热值比0.1 MPa氮气中增加了7.8%，0.1 MPa氧气中的爆热值比0.1 MPa氮气中高出49.7%，1.5 MPa氧气中的爆热值比0.1 MPa氮气中高出146.1%。

2)在贫氧环境的量热弹中测量TATB基含铝炸药的爆热时，炸药中的Al粉发生了后燃反应，生成了Al2O3，同时由于氧气量不足，Al粉没有燃烧完全，还有剩余Al存在。而在富氧气氛的量热弹中测量含铝炸药的爆热时，Al粉可以基本燃烧完全，所测爆热接近于炸药的燃烧热。同时，在0.1 MPa氮气气氛下，爆炸产物中没有检测到AlN的存在。

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Detonation Heat of TATB-based Aluminized Explosive in Different Atmospheres

CAO Wei，GUO Xiangli，DUAN Yingliang，ZAN Jichao，HAN Yong，LIU Shijun
Institute of Chemical Materials，China Academy of Engineering Physics (Sichuan Mianyang，621900)

[ABSTRACT]To measure the heat generation of triaminotrinitrobenzene(TATB)-based aluminized explosive in different atmospheres，the exotherm of pressed charge in vacuum，0.1 MPa nitrogen，0.1 MPa air，0.1 MPa oxygen and 1.5 MPa oxygen were measured by adiabatic calorimetric bomb and the energy release rule was studied.Then the solid explosion products were detected by X-ray diffraction (XRD).Results show that the heat output of TATB-based aluminized explosive increased gradually in the sequence of vacuum，0.1 MPa nitrogen，0.1 MPa air，0.1 MPa oxygen and 1.5 MPa oxygen；the increase of atmospheric pressure results in the increase of heat output，which is shown that the heat output in 0.1 MPa nitrogen increased by 15.7%than that in vacuum；and the heat output increases with the increase of oxygen amount in atmosphere，which is verified by the conclusion that the heat output in 0.1 MPa air was 7.8%larger than that in 0.1 MPa nitrogen，the heat output in 0.1 MPa oxygen was 49.7%higher than that in 0.1 MPa nitrogen，and the heat output in 1.5 MPa oxygen was 146.1%higher than that in 0.1 MPa nitrogen.In the case that the heat output of TATB-based aluminized explosive was measured in oxygen-rich atmosphere，the measured heat output was close to the combustion heat，and the XRD of the explosion products verified that the aluminum powders were almost completely oxidized.Meanwhile，AlN was not detected in 0.1MPa nitrogen.It provides a method to measure the heat output of aluminized explosives and analyze the existing form of aluminum element in explosion products.

[KEY WORDS]explosion mechanics；TATB-based aluminized explosive；detonation heat；explosion products；afterburning reaction

通信作者:郭向利(1987～)，女，硕士，助理研究员，主要从事炸药爆轰安全性能研究。E-mail: g-x_l@163.com

作者简介:曹威(1988～)，男，博士，助理研究员，主要从事炸药爆轰安全性能研究。E-mail: weicao668@163.com

基金项目:国家自然科学基金(11372291)，中国工程物理研究院化工材料研究所创新基金(KJCX-201202)

收稿日期:❋2010-01-28

doi:10.3969/j.issn.1001-8352.2016.02.008