RDX 基金属化炸药的爆轰反应区参数测量

郭 伟，曹 威，谭凯元，段英良，宋清官，韩 勇

（中国工程物理研究院化工材料研究所，四川 绵阳 621999）

1 引言

高热值的铝（Al）金属添加剂被用来提高炸药的做功能力已经有一百多年的历史［1］。Al 在氧化过程中生成氧化铝（Al2O3）释放很高的热量（85 GJ·m-3），而硼（B）氧化时具有更高的体积热（140 GJ·m-3）；但B 的点火和燃烧比较困难，因此限制了其在炸药中的应用［2］。与Al 一样，B 表面形成的氧化层会阻止反应的持续进行。与Al2O3的熔点2327 K（沸点3250 K）相比，B2O3的熔点仅为723 K（沸点2338 K）。根据Glassman 准则［3］，与Al 的气相燃烧不同的是，B 的燃烧是多相燃烧，而且B 的熔点很高，接近2450 K（沸点3931 K），固态或液态B 燃烧时表面会形成液态的B2O3膜。有研究表明B 与MgH2加入到含铝炸药中能够提高炸药的输出能力，此外MgH2的反应产物H2O 能够提高B 和Al 的点火和燃烧性能［4-6］。已有研究表明，添加了Al/B 混合粉的炸药爆炸能量输出高于只含有铝粉的炸药［7-8］，添加了Al/B/MgH2合金粉的炸药的爆炸能量输出和激光点火性能也优于只含有铝粉的炸药［9‑11］。但是相关研究并没有对这些新型金属化炸药的爆轰反应区结构进行研究。

ZND（Zel′dovich‑Neumann‑Döring）爆轰模型假设了爆轰波中两种重要的状态，分别为表示初始化学反应开始的VN（von Neumann）峰和表示爆轰反应结束 的CJ（Chapman‑Jouguet）点［12］。 VN 峰 的 压 力（pVN）、CJ 点的爆轰压力（pCJ）、爆轰反应区时间（tCJ）和宽度（XCJ）是描述爆轰过程的重要参数，对研究炸药的冲击起爆过程，确定化学反应速率函数具有重要意义。很多新炸药的爆轰反应区参数主要通过计算和模拟获得，并未进行实验测量，因此迫切需要开展新型炸药的爆轰反应区参数测试。凝聚态炸药的爆轰压力一般在10～40 GPa 范围内，对其爆轰压力的直接测量十分困难。鲜有材料能够不受爆轰的高温高压环境影响而直接测出爆轰压力，因此爆轰压力需要通过其他实验手段获得，而且测量的同时尽量不对爆轰波产生影响。近年来，利用惰性材料接触炸药测试爆轰波的特性参数得到广泛的应用［12］。

许多研究报道了理想和非理想炸药的爆轰反应区的测试，方法包括纳秒时间分辨率的埋入式压力测量、埋入式粒子速度测量和激光干涉法等［13］。由于激光干涉法的物理机制和数据分析方法最为明晰，其时间分辨率能够达到ns 量级，通过记录界面粒子速度曲线能够有效获取炸药爆轰反应CJ 点、反应时间和反应区宽度［14］。激光干涉法就是利用惰性材料接触炸药测试爆轰波特性参数的方法。刘丹阳等［15］使用激光干涉法测试了CL‑20 基含铝炸药的爆轰反应区参数，并分析了铝粉粒径和含量对爆轰反应区的影响。裴红波和 覃 锦 程 等［14，16-17］利用 激 光 干 涉 法 测试 了TATB 基、HMX 基、RDX 基和PETN 基高聚物粘结炸药的爆轰反应区参数，并对激光干涉法测试技术的准确性进行了分析，得到光子多普勒测速系统的误差在3%以内。杨洋等［18-19］利用激光速度干涉技术测试了DNAN 基金属化熔铸炸药的爆轰反应区参数，并利用铜飞片速度计算了爆轰产物的JWL 状态方程参数。

本研究利用光子多普勒测速（photonic Doppler velometer，PDV）技术对RDX 基金属化炸药（分别添加了高氯酸铵AP/Al 和AP/Al/B/MgH2）的爆轰反应区参数进行研究，获得新型金属化炸药的爆轰反应区参数。通过爆轰反应区参数测量，可评估新型添加剂对金属化炸药爆轰性能的影响规律，理解高能金属燃料对炸药爆轰反应区的影响，相关研究结果可为金属化炸药的配方设计提供依据。

2 实验部分

2.1 样品制备

本研究利用造粒法制备了RDX/AP/Al/binder=36/20/35/9和RDX/AP/储氢合金/binder=36/20/35/9两种RDX 基金属化炸药（分别称为AH 和BH），其中储氢合金为Al/B/MgH2=70/15/15，RDX 的中粒径D50=30 μm，AP的D50=40 μm，球形Al粉的D50=2 μm，颗粒状储氢合金粉的D50=3 μm。此外，还使用了钝化RDX 炸药（RDXph，RDX/binder=95/5）作 为 对 比。AH、BH 和RDXph 三种炸药的压制密度分别为1.85（±0.005）、1.77（±0.005）和1.66（±0.005）g·cm-3。

2.2 测试方法

利用界面粒子速度（up）研究炸药的爆轰反应区结构，PDV 测速系统用于测试炸药与LiF 窗口的界面粒子速度，进而评估炸药的爆轰反应区参数。使用Φ50 mm×50 mm 的RDXph炸药起爆Φ50 mm×45 mm的金属化炸药样品，利用Φ20 mm×10 mm LiF（Lithi‑um‑Fluoride）窗口测试炸药样品中心输出端面的界面粒子速度。为了给界面粒子速度测试提供一个反射面，在LiF 窗口靠近炸药的端面镀有0.6 μm 厚的Al膜，装配时在炸药窗口界面涂抹少量硅油以排除界面空气间隙。实验测试示意图如图1 所示，测试系统包括起爆装置、雷管、传爆药RDXph、待测装药样品、PDV 系统、示波器等。雷管起爆钝化RDX 产生爆轰波起爆待测装药样品，利用PDV 系统测量待测装药样品的爆轰反应产物界面粒子速度。其中，PDV 系统的激光波长为1550 nm，使用的光纤探头的直径为3.2 mm，配套示波器最高采样率为40 GS·s-1。

图1 界面粒子速度测试示意图Fig.1 Schematic of the interface particle velocity measurement

3 结果与讨论

3.1 界面粒子速度测试

按文献［20］给出的LiF 折射率修正指数获得三种炸药的界面粒子真实速度曲线如图2 所示。由于受到炸药中初始冲击波的影响，VN 峰后炸药的粒子速度曲线的第一部分出现一个下降较快的陡坡，然后界面粒子速度第二部分出现一个下降变缓的自相似非定态Taylor 波，此时炸药爆轰产物开始膨胀。

图2 炸药与LiF 窗口的界面粒子速度曲线Fig.2 Interface particle velocity histories between explosives and LiF windows

3.2 数据处理和爆轰反应区参数计算

通常有两 种 方 法 进行CJ 点 的 判读［12，21］。第一种方法是线性回归线拟合，CJ 点由界面粒子速度曲线的两个部分的线性回归线的交叉点决定；使用这种方法的前提是能够较为清晰的识别出界面粒子曲线的拐点位置，一般适用于理想炸药，因此RDXph 炸药的CJ 点由此方法判读。第二种方法是对界面粒子速度‑时间曲线进行时间的微分化处理，然后利用dup/dt 与t 的关系在线性坐标系下可以表示为两条直线；其中第二条直线的斜率接近于零，通过读取两条直线的交叉点对应的时间即为CJ 点，此方法适用于爆轰化学反应区与Taylor 波稀疏区的区分较为困难的时候，一般适用于非理想炸药，因此AH 和BH 的CJ 点由此方法判读。

本研究利用方法一确定了RDXph 的CJ 点，如图3所示。利用方法二确定了AH 和BH 两种炸药的CJ点，如图4 所示。LiF 是一种较主装药具有更高冲击阻抗的惰性材料，因此会有一个强的冲击波反射回反应炸药中。通过阻抗分析炸药‑LiF 窗口测试区的界面粒子速度，利用LiF 窗口冲击绝热线建立冲击波速度Us与粒子速度up之间的关系［22］:

利用阻抗匹配［23］公式计算爆轰波的压力:

式 中，pi是 爆 轰 压 力，GPa；ρLiF为LiF 的 初 始 密 度，为2.64 g·cm-3；D 为炸药的爆速［10］，km·s-1；ρ0是炸药的初始密度，g·cm-3。联立公式（1）和公式（2），其中up取uCJ，爆轰压力pi即为pCJ，计算得到AH 和BH 的CJ 压力为20.1 GPa 和18.8 GPa。测量的不确定度约为3%，这与CJ 点的精确定位、界面粒子速度的修正以及LiF 的冲击绝热线关系有关。

为了获得爆轰反应区宽度（XCJ），利用如下公式计算获得炸药的XCJ:

图3 RDXph 炸药的界面粒子速度曲线Fig.3 Interface particle velocity histories of RDXph

图4 AH 和BH 炸药的界面粒子速度微分曲线Fig.4 Derivative of the interface particle velocity histories of AH and BH

因此，利用压力‑粒子速度阻抗匹配关系获得炸药的爆轰反应区VN 峰压力pVN、CJ 压力pCJ、化学反应区时间tCJ和宽度XCJ。

表1给出了通过界面粒子速度测试获得的三种炸药的爆轰反应区参数。从测试结果中可以看出，RDXph具有最高的PVN和PCJ，其参数分别为39.5 GPa 和25.8 GPa，AH的PVN和PCJ分别为32.5 GPa和20.1 GPa，BH 的PVN和PCJ分 别 为29.9 GPa 和18.8 GPa。相反，RDXph 的爆轰化学反应区时间和宽度均小于AH 和BH 炸药，其中RDXph 的tCJ为24.3 ns，XCJ为0.15 mm；而AH 和BH 的tCJ分 别 为53.6 ns 和58.0 ns，XCJ分 为0.29 mm 和0.30 mm。两种金属化炸药的爆轰反应区参数差距较小，但是与钝化RDX 仍然有较大的差异。对于RDX 基的金属化炸药来说，其爆轰反应区压力PVN和PCJ较RDXph 更小，其爆轰反应区时间和宽度较RDXph 更长。

表1 界面粒子速度测试获得的爆轰反应区参数Table 1 Detonation reaction zone parameters obtained from interface particle velocity histories

3.3 爆轰反应区参数结果分析

Al 组分的加入将会降低炸药的总产气量，但金属Al 在爆轰反应区后的爆轰产物中氧化时会释放大量的热从而提高产物气体的温度，气体温度的提高有助于抵消气体体积的减小所带来的能量损失，从而提高炸药对外做功的威力。从实验结果来看，添加了AP/Al 的RDX 炸药爆轰波压力有所降低，这是由于金属Al在发生高能放热反应前首先要吸收热量将表面的高熔点氧化铝层（熔点2327 K）融化破坏，然后Al 金属才能参与反应释放热量；金属Al 组分在爆轰反应区极短的时间内几乎不发生反应，相当于炸药配方中的惰性组分含量增加，支持爆轰波的组分含量下降。因此，金属Al 的加入降低了炸药的爆轰压力，导致爆轰反应区中反应速率降低，使反应时间增加，反应区宽度变大。此外含铝炸药中AP 组分的爆压较RDX 组分的低，也会使得金属化炸药的爆轰压力降低。由于这些因素的共同影响，使得添加了AP/Al 的RDX 金属化炸药的爆轰化学反应区时间和反应区宽度提高了近一倍，而爆轰压力也有所降低。而添加了B 和MgH2之后，形成的含AP/Al/B/MgH2的RDX金属化炸药的输出压力进一步降低，在爆轰反应区内储氢材料MgH2和Al/B 金属燃料并没有对爆轰能量释放起到增强效应。这是由于Al、B表面氧化物分解及MgH2（=-76.15 kJ·mol-1）的分解放氢反应是吸热反应，MgH2吸收了炸药组分的反应放热后释放氢。氢可与Al、B 表面氧化物反应促进其氧化层的脱落；但这样的过程在爆轰反应区极短的时间内无法完成，无法对炸药的爆轰波进行支持。因此，高能燃料组分的加入降低了炸药的爆轰压力，但在爆轰产物中的反应能够有效提高炸药的爆炸输出威力［11］。

通过爆轰反应区测试结果可以看出，本研究使用的两种新配方降低了RDX 的爆轰压力和反应速率，增长了爆轰反应时间，使得反应区的宽度变大。炸药的爆轰反应是一种十分迅速的化学释能过程，在提升炸药输出能力时不能仅仅着眼于提升炸药的某一项爆轰性能参数。合理的添加高能金属材料能够提高炸药总的能量输出、体积威力和爆温。对于金属化炸药，爆轰反应区后爆轰产物中的后燃烧反应也是重要的能量输出组成部分，在对外做功、增加爆炸威力方面至关重要；因此要针对各个组分的释能机理、作用过程进一步深入的探讨和分析，才能更为合理地有针对性地进行配方设计，从而对金属化炸药各组分材料的能量释放进行有效利用，实现更高输出威力的新型炸药配方设计。

4 结论

（1）针对两种RDX 基的金属化炸药AH（RDX/AP/Al/binder=36/20/35/9）和BH（RDX/AP/合金/binder=36/20/35/9，合金为Al/B/MgH2=70/15/15）和钝化RDX（RDXph），利用光子多普勒测速技术获得了炸药的界面粒子速度曲线，通过不同的CJ 点判读方法获得了两种金属化炸药的爆轰反应区参数。

（2）RDX 基的金属化炸药AH 和BH 的爆轰反应区压力参数PVN、PCJ均低于RDXph，而AH 和BH 的爆轰化学反应区时间和宽度均高于RDXph，化学反应区时间和宽度约为RDXph 的两倍。高能金属组分的加入降低了炸药的爆轰压力，导致爆轰反应区中反应速率降低，使得炸药的反应时间增加，反应区宽度变大。

（3）添加了Al/B/MgH2（70/15/15）高能材料的RDX 基金属化炸药BH 的爆轰反应区压力参数PVN、PCJ较AH 更低，而爆轰反应区时间和宽度较AH 更高，Al/B/MgH2的加入进一步降低了炸药的爆轰压力。储氢组分MgH2在爆轰反应区极短的时间内相当于惰性物质，与高能Al 和B 组分一样对爆轰波无支持作用。

致谢：感谢南京理工大学徐森副教授提供的实验样品。