郭 偉，曹 威，譚凱元，段英良，宋清官，韓 勇

（中國工程物理研究院化工材料研究所，四川 綿陽 621999）

1 引言

高熱值的鋁（Al）金屬添加劑被用來提高炸藥的做功能力已經(jīng)有一百多年的歷史［1］。Al 在氧化過程中生成氧化鋁（Al2O3）釋放很高的熱量（85 GJ·m-3），而硼（B）氧化時具有更高的體積熱（140 GJ·m-3）；但B 的點火和燃燒比較困難，因此限制了其在炸藥中的應(yīng)用［2］。與Al 一樣，B 表面形成的氧化層會阻止反應(yīng)的持續(xù)進行。與Al2O3的熔點2327 K（沸點3250 K）相比，B2O3的熔點僅為723 K（沸點2338 K）。根據(jù)Glassman 準則［3］，與Al 的氣相燃燒不同的是，B 的燃燒是多相燃燒，而且B 的熔點很高，接近2450 K（沸點3931 K），固態(tài)或液態(tài)B 燃燒時表面會形成液態(tài)的B2O3膜。有研究表明B 與MgH2加入到含鋁炸藥中能夠提高炸藥的輸出能力，此外MgH2的反應(yīng)產(chǎn)物H2O 能夠提高B 和Al 的點火和燃燒性能［4-6］。已有研究表明，添加了Al/B 混合粉的炸藥爆炸能量輸出高于只含有鋁粉的炸藥［7-8］，添加了Al/B/MgH2合金粉的炸藥的爆炸能量輸出和激光點火性能也優(yōu)于只含有鋁粉的炸藥［9?11］。但是相關(guān)研究并沒有對這些新型金屬化炸藥的爆轟反應(yīng)區(qū)結(jié)構(gòu)進行研究。

ZND（Zel′dovich?Neumann?D?ring）爆轟模型假設(shè)了爆轟波中兩種重要的狀態(tài)，分別為表示初始化學反應(yīng)開始的VN（von Neumann）峰和表示爆轟反應(yīng)結(jié)束 的CJ（Chapman?Jouguet）點［12］。 VN 峰 的 壓 力（pVN）、CJ 點的爆轟壓力（pCJ）、爆轟反應(yīng)區(qū)時間（tCJ）和寬度（XCJ）是描述爆轟過程的重要參數(shù)，對研究炸藥的沖擊起爆過程，確定化學反應(yīng)速率函數(shù)具有重要意義。很多新炸藥的爆轟反應(yīng)區(qū)參數(shù)主要通過計算和模擬獲得，并未進行實驗測量，因此迫切需要開展新型炸藥的爆轟反應(yīng)區(qū)參數(shù)測試。凝聚態(tài)炸藥的爆轟壓力一般在10～40 GPa 范圍內(nèi)，對其爆轟壓力的直接測量十分困難。鮮有材料能夠不受爆轟的高溫高壓環(huán)境影響而直接測出爆轟壓力，因此爆轟壓力需要通過其他實驗手段獲得，而且測量的同時盡量不對爆轟波產(chǎn)生影響。近年來，利用惰性材料接觸炸藥測試爆轟波的特性參數(shù)得到廣泛的應(yīng)用［12］。

許多研究報道了理想和非理想炸藥的爆轟反應(yīng)區(qū)的測試，方法包括納秒時間分辨率的埋入式壓力測量、埋入式粒子速度測量和激光干涉法等［13］。由于激光干涉法的物理機制和數(shù)據(jù)分析方法最為明晰，其時間分辨率能夠達到ns 量級，通過記錄界面粒子速度曲線能夠有效獲取炸藥爆轟反應(yīng)CJ 點、反應(yīng)時間和反應(yīng)區(qū)寬度［14］。激光干涉法就是利用惰性材料接觸炸藥測試爆轟波特性參數(shù)的方法。劉丹陽等［15］使用激光干涉法測試了CL?20 基含鋁炸藥的爆轟反應(yīng)區(qū)參數(shù)，并分析了鋁粉粒徑和含量對爆轟反應(yīng)區(qū)的影響。裴紅波和 覃 錦 程 等［14，16-17］利用 激 光 干 涉 法 測試 了TATB 基、HMX 基、RDX 基和PETN 基高聚物粘結(jié)炸藥的爆轟反應(yīng)區(qū)參數(shù)，并對激光干涉法測試技術(shù)的準確性進行了分析，得到光子多普勒測速系統(tǒng)的誤差在3%以內(nèi)。楊洋等［18-19］利用激光速度干涉技術(shù)測試了DNAN 基金屬化熔鑄炸藥的爆轟反應(yīng)區(qū)參數(shù)，并利用銅飛片速度計算了爆轟產(chǎn)物的JWL 狀態(tài)方程參數(shù)。

本研究利用光子多普勒測速（photonic Doppler velometer，PDV）技術(shù)對RDX 基金屬化炸藥（分別添加了高氯酸銨AP/Al 和AP/Al/B/MgH2）的爆轟反應(yīng)區(qū)參數(shù)進行研究，獲得新型金屬化炸藥的爆轟反應(yīng)區(qū)參數(shù)。通過爆轟反應(yīng)區(qū)參數(shù)測量，可評估新型添加劑對金屬化炸藥爆轟性能的影響規(guī)律，理解高能金屬燃料對炸藥爆轟反應(yīng)區(qū)的影響，相關(guān)研究結(jié)果可為金屬化炸藥的配方設(shè)計提供依據(jù)。

2 實驗部分

2.1 樣品制備

本研究利用造粒法制備了RDX/AP/Al/binder=36/20/35/9和RDX/AP/儲氫合金/binder=36/20/35/9兩種RDX 基金屬化炸藥（分別稱為AH 和BH），其中儲氫合金為Al/B/MgH2=70/15/15，RDX 的中粒徑D50=30 μm，AP的D50=40 μm，球形Al粉的D50=2 μm，顆粒狀儲氫合金粉的D50=3 μm。此外，還使用了鈍化RDX 炸藥（RDXph，RDX/binder=95/5）作 為 對 比。AH、BH 和RDXph 三種炸藥的壓制密度分別為1.85（±0.005）、1.77（±0.005）和1.66（±0.005）g·cm-3。

2.2 測試方法

利用界面粒子速度（up）研究炸藥的爆轟反應(yīng)區(qū)結(jié)構(gòu)，PDV 測速系統(tǒng)用于測試炸藥與LiF 窗口的界面粒子速度，進而評估炸藥的爆轟反應(yīng)區(qū)參數(shù)。使用Φ50 mm×50 mm 的RDXph炸藥起爆Φ50 mm×45 mm的金屬化炸藥樣品，利用Φ20 mm×10 mm LiF（Lithi?um?Fluoride）窗口測試炸藥樣品中心輸出端面的界面粒子速度。為了給界面粒子速度測試提供一個反射面，在LiF 窗口靠近炸藥的端面鍍有0.6 μm 厚的Al膜，裝配時在炸藥窗口界面涂抹少量硅油以排除界面空氣間隙。實驗測試示意圖如圖1 所示，測試系統(tǒng)包括起爆裝置、雷管、傳爆藥RDXph、待測裝藥樣品、PDV 系統(tǒng)、示波器等。雷管起爆鈍化RDX 產(chǎn)生爆轟波起爆待測裝藥樣品，利用PDV 系統(tǒng)測量待測裝藥樣品的爆轟反應(yīng)產(chǎn)物界面粒子速度。其中，PDV 系統(tǒng)的激光波長為1550 nm，使用的光纖探頭的直徑為3.2 mm，配套示波器最高采樣率為40 GS·s-1。

圖1 界面粒子速度測試示意圖Fig.1 Schematic of the interface particle velocity measurement

3 結(jié)果與討論

3.1 界面粒子速度測試

按文獻［20］給出的LiF 折射率修正指數(shù)獲得三種炸藥的界面粒子真實速度曲線如圖2 所示。由于受到炸藥中初始沖擊波的影響，VN 峰后炸藥的粒子速度曲線的第一部分出現(xiàn)一個下降較快的陡坡，然后界面粒子速度第二部分出現(xiàn)一個下降變緩的自相似非定態(tài)Taylor 波，此時炸藥爆轟產(chǎn)物開始膨脹。

圖2 炸藥與LiF 窗口的界面粒子速度曲線Fig.2 Interface particle velocity histories between explosives and LiF windows

3.2 數(shù)據(jù)處理和爆轟反應(yīng)區(qū)參數(shù)計算

通常有兩 種 方 法 進行CJ 點 的 判讀［12，21］。第一種方法是線性回歸線擬合，CJ 點由界面粒子速度曲線的兩個部分的線性回歸線的交叉點決定；使用這種方法的前提是能夠較為清晰的識別出界面粒子曲線的拐點位置，一般適用于理想炸藥，因此RDXph 炸藥的CJ 點由此方法判讀。第二種方法是對界面粒子速度?時間曲線進行時間的微分化處理，然后利用dup/dt 與t 的關(guān)系在線性坐標系下可以表示為兩條直線；其中第二條直線的斜率接近于零，通過讀取兩條直線的交叉點對應(yīng)的時間即為CJ 點，此方法適用于爆轟化學反應(yīng)區(qū)與Taylor 波稀疏區(qū)的區(qū)分較為困難的時候，一般適用于非理想炸藥，因此AH 和BH 的CJ 點由此方法判讀。

本研究利用方法一確定了RDXph 的CJ 點，如圖3所示。利用方法二確定了AH 和BH 兩種炸藥的CJ點，如圖4 所示。LiF 是一種較主裝藥具有更高沖擊阻抗的惰性材料，因此會有一個強的沖擊波反射回反應(yīng)炸藥中。通過阻抗分析炸藥?LiF 窗口測試區(qū)的界面粒子速度，利用LiF 窗口沖擊絕熱線建立沖擊波速度Us與粒子速度up之間的關(guān)系［22］:

利用阻抗匹配［23］公式計算爆轟波的壓力:

式 中，pi是 爆 轟 壓 力，GPa；ρLiF為LiF 的 初 始 密 度，為2.64 g·cm-3；D 為炸藥的爆速［10］，km·s-1；ρ0是炸藥的初始密度，g·cm-3。聯(lián)立公式（1）和公式（2），其中up取uCJ，爆轟壓力pi即為pCJ，計算得到AH 和BH 的CJ 壓力為20.1 GPa 和18.8 GPa。測量的不確定度約為3%，這與CJ 點的精確定位、界面粒子速度的修正以及LiF 的沖擊絕熱線關(guān)系有關(guān)。

為了獲得爆轟反應(yīng)區(qū)寬度（XCJ），利用如下公式計算獲得炸藥的XCJ:

圖3 RDXph 炸藥的界面粒子速度曲線Fig.3 Interface particle velocity histories of RDXph

圖4 AH 和BH 炸藥的界面粒子速度微分曲線Fig.4 Derivative of the interface particle velocity histories of AH and BH

因此，利用壓力?粒子速度阻抗匹配關(guān)系獲得炸藥的爆轟反應(yīng)區(qū)VN 峰壓力pVN、CJ 壓力pCJ、化學反應(yīng)區(qū)時間tCJ和寬度XCJ。

表1給出了通過界面粒子速度測試獲得的三種炸藥的爆轟反應(yīng)區(qū)參數(shù)。從測試結(jié)果中可以看出，RDXph具有最高的PVN和PCJ，其參數(shù)分別為39.5 GPa 和25.8 GPa，AH的PVN和PCJ分別為32.5 GPa和20.1 GPa，BH 的PVN和PCJ分 別 為29.9 GPa 和18.8 GPa。相反，RDXph 的爆轟化學反應(yīng)區(qū)時間和寬度均小于AH 和BH 炸藥，其中RDXph 的tCJ為24.3 ns，XCJ為0.15 mm；而AH 和BH 的tCJ分 別 為53.6 ns 和58.0 ns，XCJ分 為0.29 mm 和0.30 mm。兩種金屬化炸藥的爆轟反應(yīng)區(qū)參數(shù)差距較小，但是與鈍化RDX 仍然有較大的差異。對于RDX 基的金屬化炸藥來說，其爆轟反應(yīng)區(qū)壓力PVN和PCJ較RDXph 更小，其爆轟反應(yīng)區(qū)時間和寬度較RDXph 更長。

表1 界面粒子速度測試獲得的爆轟反應(yīng)區(qū)參數(shù)Table 1 Detonation reaction zone parameters obtained from interface particle velocity histories

3.3 爆轟反應(yīng)區(qū)參數(shù)結(jié)果分析

Al 組分的加入將會降低炸藥的總產(chǎn)氣量，但金屬Al 在爆轟反應(yīng)區(qū)后的爆轟產(chǎn)物中氧化時會釋放大量的熱從而提高產(chǎn)物氣體的溫度，氣體溫度的提高有助于抵消氣體體積的減小所帶來的能量損失，從而提高炸藥對外做功的威力。從實驗結(jié)果來看，添加了AP/Al 的RDX 炸藥爆轟波壓力有所降低，這是由于金屬Al在發(fā)生高能放熱反應(yīng)前首先要吸收熱量將表面的高熔點氧化鋁層（熔點2327 K）融化破壞，然后Al 金屬才能參與反應(yīng)釋放熱量；金屬Al 組分在爆轟反應(yīng)區(qū)極短的時間內(nèi)幾乎不發(fā)生反應(yīng)，相當于炸藥配方中的惰性組分含量增加，支持爆轟波的組分含量下降。因此，金屬Al 的加入降低了炸藥的爆轟壓力，導致爆轟反應(yīng)區(qū)中反應(yīng)速率降低，使反應(yīng)時間增加，反應(yīng)區(qū)寬度變大。此外含鋁炸藥中AP 組分的爆壓較RDX 組分的低，也會使得金屬化炸藥的爆轟壓力降低。由于這些因素的共同影響，使得添加了AP/Al 的RDX 金屬化炸藥的爆轟化學反應(yīng)區(qū)時間和反應(yīng)區(qū)寬度提高了近一倍，而爆轟壓力也有所降低。而添加了B 和MgH2之后，形成的含AP/Al/B/MgH2的RDX金屬化炸藥的輸出壓力進一步降低，在爆轟反應(yīng)區(qū)內(nèi)儲氫材料MgH2和Al/B 金屬燃料并沒有對爆轟能量釋放起到增強效應(yīng)。這是由于Al、B表面氧化物分解及MgH2（=-76.15 kJ·mol-1）的分解放氫反應(yīng)是吸熱反應(yīng)，MgH2吸收了炸藥組分的反應(yīng)放熱后釋放氫。氫可與Al、B 表面氧化物反應(yīng)促進其氧化層的脫落；但這樣的過程在爆轟反應(yīng)區(qū)極短的時間內(nèi)無法完成，無法對炸藥的爆轟波進行支持。因此，高能燃料組分的加入降低了炸藥的爆轟壓力，但在爆轟產(chǎn)物中的反應(yīng)能夠有效提高炸藥的爆炸輸出威力［11］。

通過爆轟反應(yīng)區(qū)測試結(jié)果可以看出，本研究使用的兩種新配方降低了RDX 的爆轟壓力和反應(yīng)速率，增長了爆轟反應(yīng)時間，使得反應(yīng)區(qū)的寬度變大。炸藥的爆轟反應(yīng)是一種十分迅速的化學釋能過程，在提升炸藥輸出能力時不能僅僅著眼于提升炸藥的某一項爆轟性能參數(shù)。合理的添加高能金屬材料能夠提高炸藥總的能量輸出、體積威力和爆溫。對于金屬化炸藥，爆轟反應(yīng)區(qū)后爆轟產(chǎn)物中的后燃燒反應(yīng)也是重要的能量輸出組成部分，在對外做功、增加爆炸威力方面至關(guān)重要；因此要針對各個組分的釋能機理、作用過程進一步深入的探討和分析，才能更為合理地有針對性地進行配方設(shè)計，從而對金屬化炸藥各組分材料的能量釋放進行有效利用，實現(xiàn)更高輸出威力的新型炸藥配方設(shè)計。

4 結(jié)論

（1）針對兩種RDX 基的金屬化炸藥AH（RDX/AP/Al/binder=36/20/35/9）和BH（RDX/AP/合金/binder=36/20/35/9，合金為Al/B/MgH2=70/15/15）和鈍化RDX（RDXph），利用光子多普勒測速技術(shù)獲得了炸藥的界面粒子速度曲線，通過不同的CJ 點判讀方法獲得了兩種金屬化炸藥的爆轟反應(yīng)區(qū)參數(shù)。

（2）RDX 基的金屬化炸藥AH 和BH 的爆轟反應(yīng)區(qū)壓力參數(shù)PVN、PCJ均低于RDXph，而AH 和BH 的爆轟化學反應(yīng)區(qū)時間和寬度均高于RDXph，化學反應(yīng)區(qū)時間和寬度約為RDXph 的兩倍。高能金屬組分的加入降低了炸藥的爆轟壓力，導致爆轟反應(yīng)區(qū)中反應(yīng)速率降低，使得炸藥的反應(yīng)時間增加，反應(yīng)區(qū)寬度變大。

（3）添加了Al/B/MgH2（70/15/15）高能材料的RDX 基金屬化炸藥BH 的爆轟反應(yīng)區(qū)壓力參數(shù)PVN、PCJ較AH 更低，而爆轟反應(yīng)區(qū)時間和寬度較AH 更高，Al/B/MgH2的加入進一步降低了炸藥的爆轟壓力。儲氫組分MgH2在爆轟反應(yīng)區(qū)極短的時間內(nèi)相當于惰性物質(zhì)，與高能Al 和B 組分一樣對爆轟波無支持作用。

致謝：感謝南京理工大學徐森副教授提供的實驗樣品。