环境氧含量对含铝炸药爆热的影响

李媛媛，王晓峰，牛余雷，南 海，肖 奇

（西安近代化学研究所，陕西西安710065）

引 言

在含铝炸药的爆轰过程中，铝粉参加爆轰反应，其爆轰过程为非理想爆轰［1］。炸药在空气中爆炸时，反应在很短时间内完成，产物迅速膨胀冷却，空气中的氧气来不及参加反应，仅是炸药本身所含的氧与可燃性元素组分进行反应。由于铝与爆轰产物不可能完全反应，因此不能完全反映炸药的潜在能量［2］。在密闭环境中爆炸，炸药中的氧可以较多地参与到铝粉的二次反应中，使其潜在能量释放更完全。爆炸环境及其中的氧含量影响了含铝炸药的爆轰产物状态及铝粉的反应完全性，从而直接影响炸药的爆轰能量输出［3］。因此，预测含铝炸药在此类环境中的爆炸参数与环境中的氧含量和自身能量的关系具有重要意义［4］。

炸药在不同气氛中爆轰所释放的能量可以用量热弹测量。美国Nammo Tally公司于2006年建立了基于量热法原理测量炸药爆炸能量的装置，能够测量小药量的PBX炸药爆炸能量［5］。韩勇［6］等利用恒温式量热计测定了含铝炸药在空气、水和真空中的爆热，分析了含铝炸药的反应机理，认为含铝炸药在空气中爆炸时，部分铝粉是在化学反应区后参加反应的。冯晓军［7］等研究了铝粉粒度和爆炸环境对含铝炸药能量的影响。本研究通过测量含铝炸药在真空、空气和纯氧中的爆热，分析了高金属含量炸药在不同氧含量环境中的能量释放规律，并测量了铝粉级配后含铝炸药在不同环境中的爆热，从反应动力学角度阐述了其能量释放特点。

1 实 验

1．1 样 品

制备了3种HMX 基含铝炸药样品，配方见表1。其中粗、细颗粒铝粉的中位径d0．5分别为74．14μm和12．43μm，活性均在98%以上。采用捏合机将各组分混合均匀，然后浇注至Φ40mm 的陶瓷壳体中，每发样品的质量为100g。装药密度约为理论密度的96%，临界起爆直径约为30mm。采用纵向中心定位起爆方式，用JH－14做传爆药，8号雷管起爆。

表1 样品配方Table 1 Formulation of samples

1．2 实验装置

爆热测量用量热计装置结构示意图如图1所示。

图1 恒温式爆热量热计装置示意图Fig．1 Schematic diagram of isothermal calorimeter equipment

实验温度控制在23～26℃，温度变化不超过1℃；通过控温仪调节外桶温度，使内桶的温度达到稳定，即内桶在15min内温度变化不大于0．003℃；然后将外桶温度升高一定值，待其温度稳定，即外桶温度在15min内波动不大于0．02℃。

1．3 实验条件

真空中爆热测量是通过真空泵将爆热弹中的空气抽走，使弹内的剩余气体压力约为3kPa；空气环境爆热弹中的压力为1×105Pa；纯氧环境是在爆热弹中充入纯氧气体，使爆热弹中氧气量比炸药配方按化学当量计算值（即炸药配方中将C、H 和Al完全氧化的氧量）的摩尔量多10%，采用压力表控制充入氧气的压力值。

2 结果与讨论

2．1 环境氧含量对含铝炸药爆热的影响

采用恒温式量热计测量了3种含铝炸药配方在不同环境中的爆热，结果见表2。相同实验条件下，每个配方至少重复测量2次，误差不大于3%。

表2 爆热测量结果Table 2 Test results of heat of detonation

由表2可见，在真空、空气和纯氧中含铝炸药的爆热依次递增，说明在密闭环境下，爆轰产物膨胀受到约束，反应在较长时间内完成，有足够时间和周围的氧反应发生燃烧，环境中所存在的氧元素参与了化学反应，使爆炸生成完全氧化产物的量增加［8］。

对于含铝炸药，空气和纯氧环境中的氧气参与炸药后燃烧反应，可视为炸药与空气共同组成了一种爆炸混合物，空气改变了原炸药的氧平衡，爆炸后整个体系的含氧量增多，铝粉与其接触的几率增大，铝粉的反应完全性提高，有效促进了炸药的能量释放，从而提高了炸药的爆热，使得爆热较真空中的大。

由表2可知，含细铝粉的样品1在真空中和空气中的爆热均低于含粗铝粉的样品2。根据吸热理论［9］，在炸药爆炸过程中，铝在爆轰区不参加反应而且还要吸热。当铝粉含量较高时，炸药基体的连续相被破坏，爆轰反应区变窄，爆炸初始能量和压力降低。加之细颗粒铝粉的热传导性较粗铝粉好，粒度较小，比表面积较大，吸收和消耗的能量较多，从而降低了爆轰的总能量，导致系统整体温度降低，甚至低于铝粉的点火温度。因此，爆热较含粗铝粉炸药的低。

与真空环境相比，在体系中充入空气后，样品1和样品2爆热的增幅分别为23．1%和14．7%，含细铝粉炸药爆热的增幅比含粗铝粉的高。这是由于配方中的铝含量较高，在真空环境中，炸药爆轰时细铝粉参与反应的量相对较少，未反应铝的比例较高。而在空气环境中，氧含量增加，在一定程度上支持了铝粉的后续氧化反应，相对于真空环境，此时爆轰反应区内未反应部分的细铝粉参与了二次反应和后燃烧反应，因此，样品1的爆热增加量比样品2大。

在纯氧环境中，3 种配方的爆热相当。说明氧气充足时，铝粉粒度对含铝炸药爆炸能量输出几乎没有影响，其爆热值与理论计算的化学燃烧热值相当，完全燃烧。理论上，增加含铝炸药的金属含量可以得到更高的输出能量。然而，在实际应用中由于爆轰产物膨胀引起氧的传递效率不高和环境冷却使金属燃料不完全反应，导致含铝炸药爆轰性能显著低于其燃烧热值［10］。

按照二次反应理论和惰性热稀释理论，比表面积大的细铝粉导热性较好，可较快地达到活化温度，铝参与反应的时间提前；而比表面积小的粗铝粉参与反应的时间滞后［10］。铝粉级配后含铝炸药的能量输出结构是细铝粉反应在前，提供了支持后续反应的温度和压力，使得反应滞后的粗铝粉能够充分加入到反应中，二者形成阶梯渐进式能量输出特点，反应总时间延长，理论上使得爆炸反应的总能量增多［11］。

但由表2可知，铝粉颗粒级配后，炸药在真空和空气中的爆热均介于级配前两种粒度铝粉的炸药爆热之间，并没有显著提高。这是因为炸药爆炸在瞬间完成，炸药中的铝粉与氧的接触和反应存在随机性和无序性，也可能有的铝粒子来不及参与反应而成为“无效铝”［12］。因此，含铝炸药爆炸时无法按理想状态完成细铝粉先氧化，使体系热量增加，维持后续粗铝粉的反应，从而提高整个体系的能量输出的序列反应。即爆炸反应动力学上不可能实现铝粉反应按理论的先后顺序进行，所以铝粉级配后炸药的爆热也就无法达到一个更高值。而在某些炸药配方中采用颗粒级配，主要是考虑炸药制备和装药工艺为前提［9］。要想获得综合性能较好的炸药配方，还需要通过对粗细铝粉进行表面处理以及添加合适的助燃剂予以解决。

2．2 环境氧含量对含铝炸药爆炸产物形貌的影响

采用数码相机对含铝炸药在空气和真空环境中爆炸产物的外观状态进行拍照，结果见图2。3个配方实验样品在相同实验条件下的外观状态基本相同，在此只讨论典型样品1。

图2 样品1在空气和真空环境中的爆炸产物照片Fig．2 Photos of the detonation products of sample 1in air and vacuum environment

由图2可见，真空环境中的爆炸产物为粉体状，空气环境中爆炸后，产物呈块状，铝粉颗粒熔联、凝聚，出现烧结现象，在此过程中突破氧化层的熔融活性铝对铝的点火燃烧非常有利［13］。

为了进一步考察含铝炸药在空气和真空环境中爆炸产物的形貌，用扫描电镜（SEM）对样品1爆炸后的固体产物进行2 000 倍放大观察，结果见图3。

由图2和图3可见，在空气气氛中，含铝炸药爆炸产物中球形氧化铝的生成量较高，而且固体中有后燃烧结产生的空隙，这就容易使铝团中熔融的活性铝不断突破表面氧化层，进入铝的氧化反应。由于有利于与氧气的接触，铝粉的反应较完全和充分，使得铝粉的反应量增加，其本身的氧化反应也使铝团不断升温［14］。当温度上升到氧化铝的熔点（2 318℃）时，铝粉表面氧化层对铝氧化反应的阻碍作用完全消失。而真空环境下，爆炸体系中氧含量不足，存在较多未反应的铝粉，使得爆炸产物呈密实状态。在真空密闭环境下，铝含量过高，超过其理论计算的最大加入量时，炸药的量相对减少，爆炸产生的二氧化碳、水和一氧化碳的量减少，与铝粉反应的气体减少，加之外界无法补充氧，与铝粉结合的氧原子的量减少，而且过量的铝粉充当了惰性介质，降低了爆炸的能量。

图3 样品1在空气和真空环境中爆炸产物的扫描电镜照片Fig．3 SEM images of the detonation products of sample 1in air and vacuum environment

3 结 论

（1）在真空、空气和纯氧环境中相同配方含铝炸药的爆热值不同，真空环境的爆热值较低，纯氧环境中的最高。3种配方在纯氧中的爆热基本相当，说明在富氧密闭环境中发生了完全燃烧反应。

（2）在真空和空气环境中，含细铝粉的炸药的爆热均低于含粗铝粉的炸药，铝粉的粒度影响含铝炸药的能量输出。两种粒度的铝粉级配后，含铝炸药在真空和空气环境中的爆热处于铝粉未级配的炸药爆热之间，从爆炸反应动力学上分析，是因为没有实现炸药的能量释放按照细铝粉先反应、粗铝粉后续反应的理想状态。

（3）在空气和真空环境中含铝炸药的爆轰产物形貌存在一定差异。与真空环境相比，空气环境中含铝炸药爆炸后球形氧化铝的生成量较多，铝粉反应较完全。

［1］ Smith K．Pressable thermobaric explosives：Aluminum containing compositions based on HMX and RDX［C］∥36th International Annual Conference of ICT．Karlsruhe：ICT，2005．

［2］ 惠君明，陈天云．炸药爆炸理论［M］．江苏：科学技术出版社，1994．

［3］ Arnoldl W，Rottenkolber E．Combustion of an aluminized explosive in a detonation chamber［C］∥39th International Annual Conference of ICT．Karlsruhe：ICT，2008．

［4］ 王晓峰．军用混合炸药的发展趋势［J］．火炸药学报，2011，34（4）：1－4．WANG Xiao－feng．Developmental trends in military composite explosive［J］．Chinese Journal of Explosives and Propellants，2011，34（4）：1－4．

［5］ Davis An R，Hall S D，Knowlton G D．Detonation calorimeter：Application and operation for thermobaric explosive characterization and evaluation［C］∥40th International Annual Conference of ICT．Karlsruhe：ICT，2009．

［6］ 韩勇，韩敦信，陈红霞，等．含铝炸药爆热的实验研究［J］．含能材料，2002，10（2）：78－80．HAN Yong，HAN Dun－xin，CHEN Hong－xia，et al．Experimental research of detonation heat of Al－containing explosives［J］．Energetic Materials，2002，10（2）：78－80．

［7］ 冯晓军，王晓峰，李媛媛，等．铝粉粒度和爆炸环境对含铝炸药爆炸能量的影响［J］．火炸药学报，2013，36（6）：24－26．FENG Xiao－jun，WANG Xiao－feng，LI Yuan－yuan，et al．Effects of aluminum particle and explosion atmosphere on the energy of explosion aluminized explosive［J］．Chinese Journal of Explosives and Propellants，2013，36（6）：24－26．

［8］ 李芝绒，王胜强，殷俊兰．不同气体环境中温压炸药爆炸特性的试验研究［J］．火炸药学报，2013，36（3）：59－61．LI Zhi－rong，WANG Sheng－qiang，YIN Jun－lan．Experiment study of blast performance of thermobaric explosive under different gas environment［J］．Chinese Journal of Explosives and Propellants，2013，36（3）：59－61．

［9］ 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：1981．

［10］Hall S D，Davis An R．Detonation calorimeter characterization of various explosive compositions［C］∥Thirty－fifth International Pyrotechnics Seminar．Colorado：［s．n．］，2008：319－329．

［11］苗勤书，徐更光，王廷增．铝粉粒度和形状对含铝炸药性能的影响［J］．火炸药学报，2002，25（2）：4－5．MIAO Qin－shu，XU Geng－guang，WANG Yan－zen．Mechanism analysis of the influense of Al shape and size on the detonation properties of aluminized explosives［J］．Chinese Journal of Explosives and Propellants，2002，25（2）：4－5．

［12］裴明敬，田朝阳，胡华权，等．铝粉在温压炸药爆炸过程中的响应分析［J］．火炸药学报，2013，36（4）：7－12．PEI Ming－jing，TIAN Zhao－yang，HU Hua－quan，et al．Response analysis of aluminum in the process of thermobaric explosive detonation［J］．Chinese Journal of Explosives and Propellants，2013，36（4）：7－12．

［13］张炜，朱惠．固体推进剂性能计算原理［M］．长沙：国防科技大学出版社，1996．

［14］Kuhl A L，Reichenbach H．Combustion effects in confined explosion［J］／／Proceeding of the Combustion Institute，2009，32（2）：2291－2298．