纳米铝粉对RDX基炸药爆速的影响

曹少庭，牛 磊，封雪松，牛国涛，金大勇，李文红



纳米铝粉对RDX基炸药爆速的影响

曹少庭，牛 磊，封雪松，牛国涛，金大勇，李文红

（西安近代化学研究所，陕西 西安，710065）

为了探索纳米铝粉对RDX基炸药爆速的影响，设计了含纳米铝粉、微米铝粉和复合铝粉的RDX基炸药配方，并进行爆速测试。爆速测试分析结果表明：当Al＜15%时，含复合铝粉炸药的爆速明显高于含微米铝粉炸药的爆速，纳米铝粉对爆速影响显著；Al＞20%时，含复合铝粉与含微米铝粉炸药的爆速基本保持一致。

炸药；纳米铝粉；爆速；热反应特性

纳米铝粉具有较大的比表面积，其反应活性较高，在炸药爆轰时表现出与微米铝粉不同的反应特性。相关试验表明通过合理的纳米铝粉和微米铝粉级配，可提高铝粉在RDX基炸药中反应完全率，从而可以提高炸药体系的爆轰能量[1-3]。

本文以5%纳米铝粉级配一定比例的微米铝粉，形成总铝粉含量为10%～40%的RDX基复合铝粉炸药配方。通过对比相同铝粉含量的含微米铝粉RDX基炸药的爆速，分析了纳米铝粉对RDX基炸药爆速的影响规律，为纳米铝粉在炸药中的应用研究提供借鉴。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

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，西安近代化学研究所；RDX，甘肃银光化学工业集团有限公司；粘结剂，自制。按照GJB772-97方法702.1电测法进行爆速测试，利用炸药爆轰波阵面电离导电特性，用测时仪和电探针测定爆轰波在一定长度炸药中的传播时间，通过计算求出试样的爆速。

1.2 实验过程

准确称量RDX炸药，加入一定比例的微米铝粉或纳米铝粉，加入含5%粘结剂的溶液，搅拌均匀，造粒烘干后，压制成φ30mm×30mm的药柱。设计了铝粉含量为10%～40%的RDX基含铝粉炸药配方，铝粉含量与相应的药柱密度见表1。

表1 含微米铝粉和复合铝粉RDX基炸药的密度和爆速

Tab.1 The density and detonation velocity of micrco-aluminum and composite content RDX-based aluminized explosive

2 结果与讨论

2.1 铝粉含量对RDX基炸药爆速的影响

含微米铝粉和复合铝粉炸药的爆速测试结果见表1。铝粉含量与RDX基炸药爆速关系见图1。

图1 铝粉含量与RDX基炸药爆速的关系

由图1可知，无论是含微米铝粉还是复合铝粉的炸药配方，爆速随着铝粉含量的增加逐步降低的趋势是一致的。在Al＜15%时，含复合铝粉RDX基炸药的爆速明显高于含微米铝粉炸药的爆速，且随着铝粉含量的减少，爆速差逐步增大。说明在铝粉总含量较低的情况下，纳米铝粉对RDX基炸药的爆速影响较为明显，少量纳米铝粉的高反应速率对微米铝粉的反应起到“催化”作用，加速了铝粉反应速率，提高了铝粉反应完成率，从而提高了炸药的爆速。在Al＞20%时，含复合铝粉RDX基炸药的爆速与含微米铝粉炸药的爆速基本一致，说明随着复合铝粉中微米铝粉含量的增加，纳米铝粉对炸药爆速的影响越来越小。分析原因可能是：（1）铝粉在炸药爆轰时在C-J面附近未反应完全，它在反应动力学上对反应物的浓度起稀释作用，而且还要吸热和消耗一部分能量，从而降低爆轰反应区的能量[4]，因此，随着铝粉含量的增加，RDX基含铝炸药的爆速逐步下降。（2）纳米铝粉的反应活性大于微米铝粉，在爆轰反应发生时，纳米铝粉优于微米铝粉先参加反应，纳米铝粉氧化放热，提供微米铝粉氧化所需的能量，可以在一定程度上减少RDX爆轰时C-J面上的能量损耗；（3）随着铝粉含量的继续增加，纳米铝粉氧化放热不足以提供微米铝粉的氧化，最终含纳米铝粉炸药的爆速与含微米铝粉炸药的爆速趋于一致。

2.2 纳米铝粉对RDX基炸药爆速的影响

由于纳米铝粉在铝粉含量较低时对炸药爆速的影响较为明显，设计了5%～15%纳米铝粉含量的RDX基炸药配方，测试了纳米铝粉单独作用时炸药的爆速与微米铝粉、复合铝粉炸药的爆速，结果见表2，与微米铝粉、复合铝粉炸药的爆速对比见图2。

表2 含微米铝粉、纳米铝粉和复合铝粉RDX基炸药的密度和爆速

Tab.2 The density and detonation velocity of RDX-based aluminized explosives

图2 3种铝粉对炸药爆速的影响对比

由图2可知，无论是纳米铝粉、微米铝粉还是复合铝粉，含铝RDX基炸药的爆速随铝粉含量增加而降低的趋势是一致的，但由于纳米铝粉的特殊反应性质，由其参与的炸药爆速变化趋势不尽相同。在Al＜10%时，含纳米铝粉RDX基炸药的爆速要高于含微米铝粉炸药，在铝粉含量10%～15%时，含纳米铝粉RDX基炸药的爆速急剧下降，低于同比例含微米铝粉炸药的爆速。在Al＜15%时，含复合铝粉RDX基炸药的爆速要高于含纳米铝粉和微米铝粉炸药，随着铝粉含量的增加，其爆速降低速率介于两者之间。原因可能是：纳米铝粉的比表面积大，在铝粉含量较低时，纳米铝粉在RDX的爆轰作用下，几乎全部参加反应，随着铝粉含量的增加，纳米铝粉在C-J面附近未反应完全，在铝粉的二次反应时，其高比表面积对RDX爆轰能量起到较强的稀释作用，反而降低了炸药的爆速。对于复合铝粉，在Al＜15%时，在爆轰波的作用下起到一定的耦合作用，爆速较同比例下的纳米铝粉和微米铝粉高，但随着铝粉含量的增加，耦合作用消失，爆速则迅速降低。

3 纳米铝粉的热氧化特性

由于纳米粒子具有较小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等特点，较常规粒度的粒子，展现出更多特有的性质[5]。实验采用DSC/TG联用方法，在自然流动的空气气氛中，分别测试了纳米铝粉和微米铝粉的热氧化过程，如图3~4所示。

图3 纳米铝粉DSC-TG曲线

图4 微米铝粉DSC-TG曲线

对比图3~4可以得出：（1）纳米铝粉对热刺激的反应活性高，从DSC曲线上可以看出，纳米铝粉在600℃左右有强放热峰，说明纳米铝粉600℃左右发生强氧化反应，而微米铝粉在1 000℃左右才发生强氧化反应；（2）纳米铝粉氧化速率高，从TG曲线上可以看出，纳米铝粉“一次”氧化反应在600℃左右完成，“二次”氧化反应在600～1 100℃左右完成，而微米铝粉的氧化反应是随着温度的升高逐渐完成，“一次”氧化在600～1 100℃左右完成，“二次”氧化反应在1 100～1 400℃左右完成；（3）纳米铝粉的氧化效率高，纳米铝粉的“一次”氧化增重量为52.76%，“二次”氧化增重量为26.53%，而微米铝粉的“一次”氧化增重量为29.70%，“二次”氧化增重量为12.66%，纳米铝粉的氧化效率是微米铝粉1.5～2倍。

纳米铝粉的高反应活性和高氧化速率表明，在爆轰反应发生时，纳米铝粉将率先参加反应，在一定程度上对爆速起到积极的作用，但纳米铝粉在C-J面附近并未完全参与反应，未参与反应的纳米铝粉会对爆轰波的传播起到稀释的作用，对爆速起消极作用。由于纳米铝粉的高反应活性和高氧化效率，未参加反应的纳米铝粉在“二次反应[6]”过程中，迅速地、大量地吸收爆轰波能量，对爆轰波的传播起到强稀释作用，反而降低了炸药的爆速。

4 结论

（1）纳米铝粉在铝粉总含量较低的情况下对RDX基炸药的爆速影响较为明显，在Al＜15%时，含复合铝粉炸药的爆速要高于含微米铝粉炸药的爆速，增加约0.9%～1.3%；在Al＞20%时，含微米铝粉炸药与复合铝粉炸药的爆速基本一致。

（2）纳米铝粉较微米铝粉具有对热刺激的反应活性高、氧化速率高和氧化效率高等特性，这些特性的相互作用对炸药的爆速产生一定的影响。

[1] 黄辉,黄勇,李尚斌.含纳米级铝粉的复合炸药研究[J].火炸药学报, 2002,25 (2):1-3.

[2] 牛国涛,王淑萍,金大勇,等.纳米铝对RDX基炸药水下爆炸能量的影响[J].火炸药学报,2015,38(1):64-68．

[3] 王淑萍,封雪松,姚李娜,等.纳米铝粉对黑索金基炸药爆热的影响[J].火工品,2014 (1):21-24.

[4] 王玮,王建灵,郭炜,等.铝含量对RDX基含铝炸药爆压和爆速的影响[J].火炸药学报,2010,33(1):15-18．

[5] 江治,李疏芬.纳米铝粉在含能材料中的应用之初探[J].飞航导弹, 2001 (9):38-41.

[6] 孙业斌,惠君明,曹欣茂.军用混合炸药[M].北京:兵器工业出版社,1995.

The Influence of Nano-aluminum on the Detonation Velocity of RDX-based Explosive

CAO Shao-ting, NIU Lei, FENG Xue-song, NIU Guo-tao, JIN Da-yong, LI Wen-hong

( Xi’an Morden Chemistry Research Institute, Xi’an,710065)

In order to explore the influence of nano-aluminum on the detonation velocity of RDX-based explosives, the formula of RDX-based explosives with nano-aluminum，micrco-aluminum and composite aluminum were designed, as well as the detonation velocity of the explosives was tested. Results show that, as the content of aluminum lower than 15%, the detonation velocity of explosives with composite aluminum is higher than that of explosives with micrco-aluminum, nano-aluminum has obvious effect on the detonation velocity. When the content of aluminum is more than 20%, the detonation velocity of explosives with composite aluminum and micrco-aluminum is basically the same.

Explosive；Nano-aluminum；Detonation velocity；Thermal reactivity

1003-1480（2019）01-0050-03

TQ564

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2019.01.013

2018-11-20

曹少庭（1985 -），男，工程师，主要从事混合炸药应用研究。