Al粉对含铝炸药爆轰性能的影响

冯晓军，黄亚峰，徐洪涛

（西安近代化学研究所，陕西 西安，710065）

Al粉是一种高热值的金属添加剂，在混合炸药配方中已经得到了广泛的应用[1]。目前的研究表明，由于铝粉的加入增大了混合炸药的非理想爆轰特性，使得含铝炸药的爆轰反应区增长，爆炸能量释放速率减慢，从而延缓爆炸冲击波在空中和水中的传播衰减速率，增大冲击波的冲量，同时铝粉和爆轰产物的二次反应放热可以增加炸药水中爆炸的气泡能，提高混合炸药的做功能力[2]，因此含铝炸药已经成为水中武器主装药的首选。为了系统地分析Al粉对含铝炸药爆轰参数的影响规律，指导含铝炸药配方的设计，本文选择TNT和RDX为主炸药，通过添加不同含量的铝粉组成含铝炸药配方，进行了爆速、爆压和爆热测量，根据测量结果得到了含铝炸药的爆轰能量转化率，分析了Al/O摩尔比对含铝炸药爆轰性能参数的影响。

1 试 验

1.1 试验样品及制备

分别以TNT和RDX为主炸药，通过添加不同含量的Al粉组成一系列含铝炸药，配方组成见表1。所有试验样品均采用压装工艺制备，压力为250MPa，根据炸药爆轰参数测试项目的要求压制成不同的尺寸，结果见表2。

表1 含铝炸药配方组成Tab.1 The formulation of aluminized explosive

表2 试样制备尺寸Tab.2 The sample preparation size

1.2 试验方法

爆热测试: 采用GJB 772A-97 方法701.1的绝热法进行。

爆压测试：采用GJB 772A-97 方法704.2 锰铜压力传感器法进行。

爆速测试：采用GJB 772A-97 方法702.1 电测法进行。

2 结果与讨论

2.1 试验结果

试验得到的含铝炸药爆轰性能参数结果见表3。

2.2 Al粉含量对炸药爆压和爆速的影响

炸药的爆压和爆速都是爆轰波阵面能量释放强度和释放速率的体现，对于任何体系的炸药，两者的变化规律完全相同，因此同时讨论Al粉对含铝炸药爆压和爆速的影响。通常习惯用Al/O摩尔比表征Al粉含量的变化，得到的结果如图1～2所示。

表3 含铝炸药试验结果Tab.3 The experimental results of aluminized explosive

通过曲线拟合，得到TNT基含铝炸药和RDX基含铝炸药的爆压和爆速随Al/O摩尔比变化的经验方程，见方程（1）～（4）。由经验方程可以看出，含铝炸药的爆压随Al/O摩尔比以指数规律衰减，爆速随Al/O摩尔比（χ）以线性规律衰减。

TNT基含铝炸药爆压和爆速与Al/O摩尔比关系方程：

RDX基含铝炸药爆压和爆速与Al/O摩尔比关系方程：

根据目前公认的含铝炸药二次反应理论[3]，当含铝炸药爆轰时，配方中的Al粉没有在爆轰波阵面上参加反应，对于爆轰波阵面上的释能反应而言，Al粉是一种惰性吸热物质，它会从爆轰波阵面上吸收主炸药反应释放的能量；同时由于Al粉是热传导性能很好的金属质点（导热系数为230W/（m·K-1）），会随着爆轰产物的快速膨胀将爆轰波阵面上的一部分能量快速地传递到空气中去，这两者的共同作用使得用于支持主炸药传播爆轰的能量减小，从而使含铝炸药的爆压和爆速随着Al粉含量的增大而减小。

2.3 Al粉含量对炸药爆热的影响

TNT基含铝炸药和 RDX基含铝炸药的爆热随Al/O摩尔比的变化规律如图3所示。

图3 含铝炸药爆热与Al/O摩尔比关系Fig.3 The relation between Al/O and explosion heat

由图3可见，通过拟合可以得到含铝炸药的爆热与Al/O摩尔比成三次多项式关系，当Al/O摩尔比达到1.0（Al粉含量为40%）左右时，炸药爆热值达到最大值，与不含铝粉的单质炸药相比，TNT基含铝炸药爆热增加了 74.2%，RDX基含铝炸药爆热增加了37.5%；再增大Al/O摩尔比，炸药爆热值反而降低。TNT基含铝炸药和RDX基含铝炸药的爆热与Al/O摩尔比的经验方程见式（5）～（6）。

TNT基含铝炸药爆热与Al/O摩尔比关系方程：

RDX基含铝炸药爆热与Al/O摩尔比关系方程：

含铝炸药的爆热随Al/O摩尔比变化的规律与其爆轰反应机理有关，根据含铝炸药爆轰理论，当炸药发生爆轰时，其组分中的Al粉没有参加C-J面上的反应或者在C-J面上远未反应完全，大部分是与炸药的爆轰产物进行二次反应放出热量[4]，其主要的反应有：

也有人认为Al粉在高温高压下还能与爆炸产物中的氮气发生反应，生成氮化铝而放出热量，即：

Al+0.5N2→AlN+241.0kJ

以上这些反应都是放热反应，因此可以大幅度提高炸药的爆热值，但是当Al/O摩尔比大于1.0后，由于Al粉含量已经超过爆轰产物中可能与Al粉发生放热化学反应的物质的量，此后，Al粉就会完全作为一种惰性吸热物质而存在，消耗大量热量而使爆热值降低。

2.4 Al粉含量对含铝炸药爆轰能量转化率的影响

含铝炸药爆炸释放的能量可以分为两部分：一部分为爆轰反应释放的能量（Qd），该能量在10-4ms前释放出来，主要贡献给爆速或爆压，用于维持爆轰波的传播；另一部分能量为Al粉的二次反应所释放的能量（Qp），该能量释放时间大约在0.1～100ms，对爆轰波没有贡献。通常利用爆热量热计测得的炸药爆热QV是这两部分能量之和，通常用Qd/QV表示含铝炸药爆轰能量的转化率[5]。Qd可以用式（7）和式（8）联合求得：

通过计算可以得到以TNT为基和以RDX为基的含铝炸药的爆轰能量和爆轰能量转化率，结果见表4。

利用Al/O摩尔比分析铝粉含量对含铝炸药爆轰能量转化率的影响，结果如图4所示，通过拟合得到的经验方程见式（9）～（10）。

表4 含铝炸药爆轰能量及转化率Tab.4 The detonation energy and its transform scale of aluminized explosive

图4 含铝炸药爆轰能量转化率与Al/O摩尔比关系Fig.4 The relation between detonation energy transform scale and Al/O

TNT基含铝炸药爆轰能量转化率与Al/O摩尔比关系方程：

RDX基含铝炸药爆轰能量转化率与Al/O摩尔比关系方程：

可以看出，随着Al粉含量的增大，爆轰能量转化率以指数规律降低。这是因为Al粉含量增大，含铝炸药爆轰的非理想性增强，爆轰反应区增长，在爆轰波阵面上释放的用于支持爆轰波传播的能量减小，大部分能量在爆轰波阵面之后释放出来，对爆轰波的传播不再有贡献；而且随着铝粉含量的增大，在爆轰波阵面后由于铝粉与爆轰产物的二次反应释放的能量增大，使得含铝炸药的爆热增大，因而使得爆轰能量转化率降低。

3 结论

（1）含铝炸药的爆压随着Al/O摩尔比的增大以指数规律降低，爆速以线性规律降低。

（2）含铝炸药的爆热随着Al/O摩尔比的增大以三次多项式规律变化，当Al/O摩尔比接近1.0时，爆热值达到最大，而爆轰能量转化率随Al/O摩尔比增大以指数规律降低。

[1]殷海权,潘清,张建亮.铝粉对炸药性能的影响[J].含能材料,2004,12(5):318-320.

[2]周俊祥,徐更光,王廷增.铝化炸药水下爆炸冲击波特性分析[J].爆破,2005,22(1):41-51.

[3]陈朗,龙新平,冯长根,蒋小华.含铝炸药爆轰[M].北京:国防工业出版社,2004.

[4]孙业斌,惠君明.军用混合炸药[M].北京:兵器工业出版社,1995.

[5]冯晓军.炸药爆轰参数对水中爆炸能量输出结构的影响[D].西安:西安近代化学研究所,2011.