纳米铝在炸药中的分散性和成型性

2021-08-03牛国涛曹少庭金大勇姚李娜

科学技术与工程 2021年19期

牛国涛，曹少庭，牛磊，金大勇，姚李娜

(西安近代化学研究所，西安 710065)

铝粉应用于炸药要追溯到1899年德国人将铝粉加入炸药中提高炸药的做功能力，使得含铝炸药广泛应用于武器型号，大大提高了炸药的威力和应用范围。随着现代科学技术水平的不断提高，20世纪80年代，出现了研究原子大小或分子大小级别物质的纳米技术。纳米铝粉是现阶段在含能材料应用研究中报道最多的一种含能材料，其最著名的产品就是国外已经用于商用的Alex纳米铝粉。中外对纳米铝粉的研究集中在纳米铝粉的制造、表面改性、活性、燃烧等方面[1-3]，但对纳米铝在炸药中的应用研究不多。例如，Fu等[4]研究了纳米铝和微米铝在20 L容器中的分散特性，为纳米铝在FAE中的应用提供了参考；Zheng等[5]、Wang等[6]进行了含纳米铝炸药的热分解的反应分子动力学模拟；封雪松等[7]研究了纳米铝和微米铝含量对炸药空爆性能的影响规律；桑圣君等[8]研究了爆速对纳米铝粉爆炸烧结性能的影响；曹少庭等[9]对比了纳米铝粉和微米铝粉不同含量对黑索金(RDX)基炸药爆速的影响；沈飞等[10]研究了微纳米粒度级配对炸药爆轰波阵面关系的影响等。由上述文献可知，纳米铝在炸药中应用改善了一些性能，甚至劣化了一些爆轰性能，但同时也增加工艺难度，经常采用纳米铝粉和微米铝粉级配的方式可以获得综合性能的提升，然而纳米铝在溶剂和炸药中的分散性和成型性很少见报道，分散性和成型性是纳米铝粉在炸药中应用的前提条件，为此以西安近代化学研究所自制纳米铝为研究对象，分别研究纳米铝粉在不同体系和不同工艺下的分散性，在此基础上对含纳米铝的炸药成型性进行研究，为纳米铝在炸药的应用提供参考。

1 试验

1.1 材料

纳米铝是西安近代化学研究所通过爆炸法自制，如图1所示，铝粉活性为85%以上，平均粒径150 nm，电镜扫描(scanning electron microscope，SEM)图片如图2所示，纳米铝粉成团簇状态；实验所用微米铝粉平均粒径5 μm，源于鞍钢实业微细铝粉有限公司；环己烷、正己烷、石油醚、乙酸乙酯(分析纯，天津市津东天正精细化学试剂厂)；RDX，甘肃银光化学工业公司；三硝基甲苯(TNT)，湖北东方化工有限公司；石蜡，中国石化集团抚顺石油化工研究院；石墨，上海惠港石墨有限公司；氟橡胶F2603，成都晨光化工研究院。

图1 50 g纳米铝粉

图2 纳米铝粉的电镜扫描图片

1.2 试验设备

Quanta600FEG型场发射扫描电镜，美国FEI公司；超声波仪器，型号为KQ-100DB，昆山市超声仪器有限公司；SDF高速分散机，天津市精科联材料试验机厂；叶片式恒速搅拌器，S312-250H，上海申生科技有限公司。

1.3 测试方法

爆热试验：按GJB 772A—1997 方法701.1 进行测试。

称量药柱的质量，游标卡尺量取药柱的直径和高度，计算其药柱密度。

2 纳米铝在炸药中的分散性研究

2.1 纳米铝在溶剂中的分散性

由于含纳米铝炸药的制备过程需要使用溶剂，而纳米铝在不同溶剂中的分散均匀性对炸药样品的质量、性能等均会产生影响，因此研究纳米铝在不同溶剂中的分散性十分必要，从而为含纳米铝炸药的制备工艺和性能研究提供基础。

分散试验的设计方法如下：称取相同质量(10 g)的纳米铝4份，放置在大小相同的表面皿内(容积500 mL，外径88 mm，高度121 mm)，用量筒量取相同体积(250 mL)的溶剂4份，倒入表面皿内，机械震荡30 s使其分散，静置30 min，观察表面皿内纳米铝粉的分散状态，并进行比较。使用溶剂为：环己烷、正己烷、石油醚和乙酸乙酯溶液，纳米铝在不同溶剂中的分散性如图3所示。

图3 纳米铝在四种不同溶剂中的分散

试验发现纳米铝在正己烷、环己烷、石油醚中均出现了较明显的结团或成球现象，而在乙酸乙酯溶剂中结团现象较少，分散较好，所以选择乙酸乙酯作为炸药制备工艺中的分散溶剂。由于纳米铝粉具有粒径小、比表面积大、表面原子配位不全等特点，纳米铝粉在实际使用过程中易发生团聚、氧化等现象，也可以通过微米铝与纳米铝级配、超声分散、高速剪切等技术解决纳米铝粉在炸药中的分散问题。

2.2 超声分散法

选择RDX+石蜡(W)/micro-Al/nano-Al/F2603(质量比为65/25/5/5)为基础配方，采用超声分散技术，将纳米铝粉和微米铝粉在乙酸乙酯中充分分散，然后加入主炸药和黏结剂溶液，机械搅拌混合制作造型分。另一组作为对比，采用机械搅拌方式将纳米铝粉和微米铝粉在乙酸乙酯中充分分散，然后加入主炸药和黏结剂溶液，机械搅拌混合制作造型粉。采用250 MPa压力压制药柱，密度测试见表1，爆热测试结果见表2。

表1 不同工艺药柱的密度

表2 不同工艺炸药的爆热

从表1可以看出，采用超声分散工艺相对于普通的机械搅拌，压药密度明显提高，从表2可以看出超声分散工艺所得到的炸药爆热值也有所提高，所以超声分散可以提高纳米铝粉的分散均匀性，从而提高装药密度，提高炸药的爆热。

2.3 高速剪切混合工艺(1 kg样品)

选择RDX+石蜡(W)/micro-Al/nano-Al/F2603(60/30/5/5)为基础配方进行组分称量。

首先按比例配制RDX的氟橡胶溶液加入不锈钢容器中，然后固定搅速为500 r/min，加入微米铝粉，高速分散机(剪切头见图4，剪切轴直径25 mm)搅拌溶液15 min后，将称好的纳米Al加入不锈钢容器中，继续搅拌30 min，停止搅拌，出料，制作炸药造型粉备用。工艺流程如图5所示。

图4 高速分散机的剪切头

图5 高速分散机混合工艺流程图

2.4 叶片式搅拌混合工艺(1 kg样品)

称取300 g微米铝粉加入RDX的氟橡胶溶液中，利用叶片式搅拌装置对溶液进行搅拌，搅拌速度为500 r/min，搅拌15 min后，停止搅拌，分批次共加入50 g纳米铝粉，同样的搅拌速度搅拌30 min，停止搅拌出料，制作炸药造型粉备用。工艺流程与高速分散机混合工艺流程相同。

2.5 分散+高速分散机混合工艺(1 kg样品)

所用分散机的剪切头与图4相同，固定搅速为500 r/min，高速分散机搅拌，首先将50 g纳米铝粉加入RDX的氟橡胶溶液中，使纳米铝粉在RDX的氟橡胶溶液中得到充分的分散。搅拌中发现溶液中出现大量的气泡，搅拌混合液15 min后，将称好的微米铝300 g分批加入不锈钢容器中，继续搅拌30 min，停止搅拌，出料，制作炸药造型粉备用，流程图如6所示。

从表3可知，采用不同混合工艺对、不同的铝粉加入顺序，药柱密度基本一致，基本上可以达到相同的分散效果。

图6 高速分散机分散纳米铝混合工艺流程图

表3 不同工艺炸药药柱的密度

3 纳米铝粉在炸药中成型性研究

3.1 TNT基混合炸药的成型性

以TNT/Al体系为基础，首先利用蒸汽将TNT熔化，将不同比例的铝粉加入熔融TNT中，搅拌均匀，出料制成造型粉备用。分别制备微米铝和纳米铝质量分数分别为10%、20%、30%的TNT基炸药样品，在相同比压下压制成Φ25 mm药柱，分别测试药柱密度，结果如表4所示。

表4 含不同铝粉的TNT药柱的密度

采用熔融混合造粒工艺制备样品，由于液相TNT含量相对较多，能够对铝粉进行充分包覆，在铝粉混合均匀的条件下，使得含纳米铝炸药的压制成型密度与含微米铝炸药的成型密度相当，所以在进行炸药爆轰性能测试时，能够在同一密度水平上进行相互比较。

3.2 RDX基混合炸药

以RDX/Al/黏结剂体系为基础，采用直接混合造粒工艺，即先用乙酸乙酯溶解黏结剂，再分别加RDX和铝粉混合均匀出料制作造型粉。利用直接混合造粒法制备微米铝和纳米铝含量分别为20%、25%、30%、35%、40%的RDX基炸药造型粉，在相同比压下压制成Φ30 mm药柱，分别测试药柱密度，结果如表5所示。

表5 含微米铝炸药和含纳米铝炸药的成型密度

从表5可以看出，由于该配方体系中黏结剂含量相对较低，纳米铝较大的比表面积、较小的堆积密度和难于分散的特性，使得纳米铝吸附更多的黏结剂，包覆较差，最终含纳米铝炸药的压制成型密度低于含微米铝炸药的成型密度，所以在该炸药体系内，含纳米铝炸药成型性较差。在进行炸药爆轰能量测试和做功能力测试时，含纳米铝炸药的低成型密度会降低炸药爆轰性能。

同样的工艺采用两种铝粉按质量比1∶1级配的方式制备RDX基炸药造型粉，压制成质量为25 g、直径为25 mm的药柱，其密度变化趋势对比如图7所示。

图7 含不同铝粉的RDX基炸药的密度变化曲线

从图7可以看出，随着纳米铝含量的增加，药柱密度变化呈非线性的变化；而对于两种铝粉级配炸药的密度随铝粉含量的增加线性增加。其原因是随着纳米铝含量的增加，黏结剂对炸药和纳米铝的包覆效果越来越差，成型性也越来越差，导致压制药柱密度不规律。对于两种铝粉级配的炸药药柱密度，微米铝的加入减少纳米铝、炸药分子间的作用力，在压力作用下，炸药颗粒容易变形，炸药分子之间易于相对运动，使得炸药颗粒间的空隙率减小，使所压制的药柱密实度增加，从而提高了炸药药柱的成型密度，因此通过两种铝粉的级配可以提高炸药的成型性。