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        α-AlH3對HMX基炸藥爆轟參數(shù)的影響

        2018-08-13 07:58:28王親會曹少庭牛國濤金大勇王淑萍
        火工品 2018年3期
        關(guān)鍵詞:鋁粉炸藥配方

        牛 磊,王親會,曹少庭,牛國濤,金大勇,王淑萍

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        α-AlH3對HMX基炸藥爆轟參數(shù)的影響

        牛 磊,王親會,曹少庭,牛國濤,金大勇,王淑萍

        (西安近代化學研究所,陜西 西安,710065)

        為了研究α-AlH3對混合炸藥爆轟性能的影響,設計了不同配比含α-AlH3和鋁粉系列炸藥配方。采用直接法制備炸藥造型粉,用模壓法制備測試用藥柱,分別進行了爆熱和爆速測試。研究結(jié)果表明:HMX基含α-AlH3炸藥爆熱隨著α-AlH3含量的增加而增加,與含鋁炸藥爆熱的變化趨勢一致,其爆熱值與同質(zhì)量分數(shù)含鋁炸藥相當;HMX基含α-AlH3炸藥爆速隨α-AlH3含量增加呈下降趨勢,相對密度相同時同質(zhì)量分數(shù)含α-AlH3炸藥的爆速低于含鋁炸藥。

        α-AlH3;爆熱;爆速;含鋁炸藥

        AlH3是一種有廣泛應用前景的還原劑,目前發(fā)現(xiàn)的共有8種晶型,其中α型最為穩(wěn)定。α-AlH3密度為1.477g/cm3,與液態(tài)氫(0.071gH2/cm3)相比具有更高的儲氫密度(0.148gH2/cm3)[1],該特性使其在含能材料領(lǐng)域具有廣泛的應用前景。近年來國內(nèi)外在α-AlH3合成、穩(wěn)定化及在推進劑應用領(lǐng)域進行了系列研究[2-5]。α-AlH3釋氫規(guī)律的研究表明α-AlH3在高加熱速率下可以達到很高的釋氫速率,氫的釋放受其在晶體中擴散過程控制,而不是Al-H斷裂反應控制;AlH3點火行為研究表明其點火溫度明顯低于微米鋁,點火過程介于微米鋁和納米鋁之間[6]。Luigi T[7]等研究表明α-AlH3釋氫后為多孔鋁結(jié)構(gòu),具有比同等粒徑微米鋁更高的比表面積,具有更高的反應活性。這些研究表明α-AlH3在混合炸藥領(lǐng)域具有一定的應用潛力。

        將金屬氫化物引入混合炸藥,有研究表明可以提高炸藥做功能力[8-9]。為了研究α-AlH3對混合炸藥性能影響。本文設計了以HMX 為基的含α-AlH3、微米鋁系列炸藥配方,通過測量配方的爆熱及爆速,分析了添加α-AlH3對HMX基炸藥爆轟參數(shù)的影響,為α-AlH3在炸藥中的應用研究提供參考。

        1 試驗

        1.1 材料

        鋁粉,F(xiàn)LQT-3,活性大于98%,鞍鋼實業(yè)微細鋁粉有限公司;HMX,120目,甘肅銀光化工公司;α-AlH3,西安近代化學研究所自制。

        1.2 制備工藝

        采用直接法制備HMX基含α-AlH3系列炸藥配方造型粉,為便于與含鋁炸藥進行爆轟性能參數(shù)對比,采用相同工藝制備同質(zhì)量分數(shù)的含鋁炸藥,配方見表1。將造型粉模壓成形,制備測試用藥柱。用游標卡尺測量藥柱外形尺寸,計算藥柱密度。爆速藥柱規(guī)格為Φ20mm×20mm,爆熱藥柱規(guī)格為Φ25mm ×25g。

        表 1 HMX基含α-AlH3及含鋁炸藥配方及元素構(gòu)成計算

        Tab.1 The formulation and calculated values of element composition for HMX based α-AlH3-contained and Al-contained explosive

        1.3 測試方法

        爆熱測試:按照GJB 772A-1997方法701.1進行爆熱測試。在爆熱彈內(nèi)無氧環(huán)境中引爆試樣,以蒸餾水為測溫介質(zhì),測定水溫的升高量。根據(jù)量熱計的熱容量及升溫值,求出單位質(zhì)量的試樣在給定條件下的爆熱。爆速測試:按照GJB 772A-1997方法702.1進行爆速測試。該方法利用炸藥爆轟波陣面電離導電特性,用測時儀和電探針測定爆轟波在一定長度炸藥藥柱中的傳播時間,通過計算求出試樣的爆速。

        2 結(jié)果及討論

        2.1 α-AlH3對HMX基炸藥爆熱的影響

        HQ及HL系列配方爆熱測試結(jié)果見圖1。

        圖1 HQ炸藥及HL炸藥爆熱與可燃劑含量的關(guān)系

        由圖1可以看出兩種混合炸藥爆熱隨可燃劑含量增加均呈現(xiàn)增大趨勢,數(shù)值與含鋁炸藥爆熱理論計算值相近。計算表明當鋁粉含量不大于30%時,HMX基含鋁炸藥爆熱隨鋁粉含量增加逐漸增大。王彩玲等[9]對含鋁非理想炸藥爆轟產(chǎn)物的分析表明,隨著炸藥負氧程度的增加,混合炸藥爆轟產(chǎn)物中的H2O及CO2等物質(zhì)含量逐漸減少,H2、C和Al2O3等含量增加。含鋁炸藥爆轟二次反應理論認為,鋁與高能炸藥爆轟產(chǎn)物發(fā)生了二次反應,主要的二次反應有:

        2Al+3CO2→Al2O3+3CO ΔH= - 826 kJ/mol

        2Al+3CO→Al2O3+3C ΔH= - 1 314 kJ/mol

        2Al+3H2O→Al2O3+3H2ΔH= - 939 kJ/mol

        這些反應將炸藥中的有效氧轉(zhuǎn)移到鋁的氧化物中,有效氧轉(zhuǎn)移的過程伴隨著更多能量的釋放。

        兩種系列炸藥的氧平衡見圖2,可以看出兩種系列炸藥均為負氧平衡,且氧平衡隨可燃劑含量的增加而降低,HQ系列炸藥較HL系列炸藥降低更多。

        圖2 HQ炸藥與HL炸藥氧平衡

        圖3是兩種炸藥氫氧比(H/O),圖3中HL炸藥氫氧比隨鋁粉含量增加只有微量提高,HQ系列炸藥氫氧比隨α-AlH3含量的增加迅速增大,α-AlH3含量為30%時混合炸藥氫氧比是不含α-AlH3混合炸藥的2倍多。

        圖4是HQ系列和HL系列炸藥鋁氧比(Al/O),圖4中HQ和HL系列炸藥的鋁氧比均隨炸藥中可燃劑含量的增加而增大,且HL炸藥略高于HQ炸藥。

        圖 3 HQ炸藥與HL炸藥H/O比

        圖 4 HQ炸藥與HL藥Al/O比

        HQ炸藥和HL炸藥中的氧元素只來源于HMX,當炸藥中的可燃劑含量相同時,兩種炸藥中的氧元素含量相同。由于α-AlH3極高的含氫量,導致HQ炸藥中H含量隨可燃劑含量增加快速增加,使得HQ炸藥氫氧比遠高于HL炸藥,也使得HQ炸藥負氧程度高于HL炸藥。單位質(zhì)量α-AlH3中鋁元素含量較相同質(zhì)量鋁粉低10%左右,使得HQ炸藥鋁氧比略低于HL炸藥。從圖1~4可以看出,在爆轟反應發(fā)生時,HQ和HL兩種炸藥中對爆熱增加的貢獻主要來源于鋁元素的二次反應,且兩種炸藥中鋁元素在爆炸反應中的反應度相近。HQ炸藥中α-AlH3中的氫元素在爆炸反應完成后多以H2的形式存在,增加了氣態(tài)爆轟產(chǎn)物的量。

        2.2 α-AlH3對HMX基炸藥爆速的影響

        混合炸藥的爆速與被測樣品的密度密切相關(guān),為了研究α-AlH3對HMX基炸藥爆速的影響,測試了HQ炸藥爆速,結(jié)果見表2,采用Urizar公式計算α-AlH3特征爆速,通過該特征爆速計算不同情況下HQ炸藥爆速,與含鋁炸藥進行對比研究。Urizar公式見式(1):

        v=Σ(vW) (1)

        式(1)中:v為無限直徑時混合炸藥的爆速,m/s ;v為組分的特征爆速,m/s;W為組分的體積分數(shù),%。處理數(shù)據(jù)后得到α-AlH3的特征爆速為6 078m/s,采用該特征爆速帶入Urizar公式計算相對密度為96%時HQ炸藥及HL炸藥的爆速,見圖5。

        表2 含α-AlH3炸藥爆速

        Tab.2 The detonation velocity of explosive containing α-AlH3

        圖 5 相對密度96%時HQ及HL炸藥爆速計算值

        由圖5中可見混合炸藥中可燃劑質(zhì)量分數(shù)相同時,HQ炸藥爆速低于HL炸藥,隨著可燃劑含量的增大,HQ炸藥及HL炸藥爆速均呈下降趨勢,HQ炸藥下降更為明顯。炸藥的爆速和炸藥密度密切相關(guān),圖6是兩類混合炸藥密度為1.5g/cm3時的爆速計算結(jié)果。

        圖6 密度為1.5g/cm3時HQ及HL炸藥的爆速計算值

        圖6中曲線表明,當密度為1.5g/cm3時,炸藥中可燃劑質(zhì)量分數(shù)相同時,HL炸藥爆速低于HQ炸藥,隨著混合炸藥中可燃劑含量增加,混合炸藥的爆速均呈下降趨勢,HL系列炸藥下降更為明顯。這表明鋁粉對爆轟波的削弱作用比α-AlH3明顯。結(jié)合250MPa下HQ及HL炸藥密度曲線(圖7),可以看出導致HL炸藥爆速較HQ炸藥低的主要原因是α-AlH3密度(1.477 g/cm3)比鋁粉密度(2.7g/cm3)低,使得含α-AlH3炸藥密度低于含鋁炸藥。

        鋁粉爆轟反應熱稀釋理論認為,鋁粉在爆轟波陣面上起稀釋、吸收能量的作用,這樣會降低炸藥的爆速和爆壓,在爆轟產(chǎn)物膨脹階段參與反應放出熱量,增加爆轟產(chǎn)物的做功能力。

        圖7 250MPa下HQ及HL炸藥密度曲線

        圖6表明添加α-AlH3對炸藥爆速降低的影響弱于添加鋁粉,A.A. Selezenev等分析認為可能是由于爆轟時沖擊波對氫化鋁的影響,導致了氫化鋁在爆轟波陣面發(fā)生非熱分解,降低了其對爆速的影響。

        3 結(jié)論

        (1)向HMX基炸藥中添加α-AlH3可以提高混合炸藥爆熱,爆熱與同等質(zhì)量分數(shù)的HMX基含鋁炸藥相當;(2)向HMX基炸藥中添加α-AlH3會降低混合炸藥爆速,相對密度相同時同質(zhì)量分數(shù)含α-AlH3炸藥爆速低于含鋁炸藥。(3)計算表明炸藥密度相同時,HMX基含α-AlH3炸藥爆速高于HMX基含鋁炸藥,表明α-AlH3對混合炸藥爆速影響弱于鋁粉。

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        The Influence of α-AlH3on the Detonation Parameters of HMX-based Explosive

        NIU Lei,WANG Qin-hui,CAO Shao-ting,NIU Guo-tao,JIN Da-yong,WANG Shu-ping

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

        In order to investigate the influence of α-AlH3on the detonation parameters of HMX-based explosive, the explosive containing α-AlH3was designed. The explosive was prepared by immediate mixing technology, and the sample was prepared by molding. The explosion heat test shows that the explosive of HMX-based aluminized explosives is equivalent to the same mass fraction of α-AlH3containing explosives. The detonation velocity test shows that the detonation velocity of HMX-based α-AlH3containing explosive decreases with the increase of α-AlH3content, and is lower than that of HMX-based aluminized explosives under same mass fraction and relative density.

        α-AlH3;Explosion heat;Detonation velocity;Aluminized explosive

        TQ564

        A

        10.3969/j.issn.1003-1480.2018.03.006

        1003-1480(2018)03-0023-04

        2018-03-22

        牛磊(1987 -),男,助理研究員,從事高能混合炸藥配方與性能研究。

        總裝高能毀傷科研專項(00403020201)

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