含硼储氢合金(Mg(BHx)y)对硝酸酯炸药能量的影响

张冠永, 魏晓安, 堵 平

(南京理工大学化工学院, 江苏 南京 210094)

1 引 言

为实现硝酸酯火药的高效毁伤能力,向炸药体系中添加高能添加剂是目前常用方法。含能材料作为高能添加剂的一种,不但可以实现精确打击、提高毁伤能力,而且可以有效降低武器重量,提高武器质量效率。与其他含能材料不同,含硼储氢合金(Mg(BHx)y)是由硼元素和MgH4通过特殊方式形成的具有复杂空间结构的一种含能材料。Mg(BHx)y不但可以在高温下释放氢参加爆轰反应,释放大量的热与水蒸气,引燃体系中的中硼(B)、镁(Mg)高热值燃烧剂释放能量,因此其提高炸药能量的能力高于纳米金属材料。Mg(BHx)y具有储氢密度高、含能高、污染小、安全可靠等特点。但是,Mg(BHx)y自身不稳定,易与水反应,影响混合炸药的储存寿命和环境适应性。且爆轰过程中,炸药体系中的硼元素在爆轰过程中表面易生成沸点较高的液态氧化层,阻碍爆轰反应的进一步进行[1-2]。因此,首先通过对Mg(BHx)y进行包覆处理以改善其稳定性; 其次选择硝酸酯炸药为基质,为Mg(BHx)y提供良好的爆轰环境。

目前,关于储氢材料在炸药体系中应用研究的报道比较少[3-6]。本研究改进了目前通用的含Mg(BHx)y硝酸酯炸药制备工艺,以硝酸酯炸药为基质,添加Mg(BHx)y混合造粒浇铸成型,通过对含Mg(BHx)y硝酸酯炸药进行空中爆炸试验、水下爆炸试验,分析能量输出特点,研究炸药的反应机理,并探索了Mg(BHx)y硝酸酯炸药体系的后燃效应。

2 实验

2.1 样品制备

Mg(BHx)y采用液相离子交换法制备,并通过包覆处理进行稳定性改善。炸药以硝化棉(NC)和硝化甘油(NG)为基质,添加Mg(BHx)y、铝粉(Al)、黑索今(RDX)等混合造粒。配置高能灌注液,采用浇铸法制备混合高能炸药。样品制备流程如下所示。

Scheme 1 Reparation process of mixing high explosive

选择爆热作为示性数,以化学平衡等要求作为约束条件,建立数学模型进行配方设计。样品配方如表1所示。水下爆炸试验中每次实验药量约200 g,每种试样平行测试两次,实验所得数据为实验平均值。空中爆炸试验中每次实验药量约800 g。

表1 硝酸酯炸药配方设计

Table 1 Formula design of nitric ester explosive

samplecomponentmassratio/%0#NG∶NC40～45∶55～601#matrix1)∶Al∶RDX30～35∶30～35∶30～352#matrix∶Mg(BHx)y∶Al∶RDX30～35∶15～20∶15～20∶30～353#matrix∶Mg(BHx)y∶RDX30～35∶30～35∶30～35

Note: 1) matrix is the 0#sample.

2.2 实验设备

水下爆炸试验: 实验水池直径D为8 m、深度H为8 m。实验药包距水面距离h为4 m,药包距传感器距离L为2.5 m,设备满足实验范围内一维对称条件[7]。采用压力传感器记录炸药爆轰后产生的能量,实验装置如图1所示。

图1 水下爆炸试验装置

Fig.1 Device used in underwater explosion test

空中爆炸试验: 压力传感器为PCB113B系列,数据采集仪为成都微测公司VXI-1115型。爆源离地高度为40 cm,测试点至爆心的距离为1.5 m。

3 结果与讨论

3.1 空中爆炸试验

为探究混合体系炸药真实爆炸情况,以1#混合炸药为参比样,对含Mg(BHx)y含量较高的3#高能炸药进行了空中爆炸试验,并通过高速摄影、超压测量技术分析炸药的燃烧过程、反应持续时间等爆轰特点,分析混合体系炸药的爆轰机理。图2为两种混合体系炸药的冲击波超压。图3为两种混合体系炸药空中爆炸试验高速摄影图像,分别选取火球形成、火球减小和火球消失三组图片进行比较。

由图2可以看出,在爆轰开始时,1#与3#形成空气冲击波超压大致相等,表明1#与3#基质与RDX被点燃,均发生明显的爆轰反应。基质爆轰释放的能量使Mg(BHx)y分解,产生的氧元素参加爆轰反应,生成水并放出热量。为爆轰后期B、Al、Mg等元素的继续反应提供条件。在0.3 ms左右时,混合炸药中的Al、Mg(BHx)y等被点燃,发生爆轰反应,并释放出热量。可以看出两种炸药均有明显后燃效应。由图3可以看出,在6.6 ms时,1#与3#火球火焰亮度高,无明显边界。在26.4 ms时,1#与3#火焰出现边界,边界火焰亮度降低,3号样在火焰基底颜色开始黄绿色,与硼元素的燃烧火焰颜色相一致。在36.3 ms时,1#与3#火球火焰亮度、颜色发生明显不同,1#火焰亮度明显降低,3#仍保持大面积高亮度火焰,且火焰基地颜色保持黄绿色。这表明,Mg(BHx)y在爆炸过程中产生分解,分解产物参与了后期的爆炸反应,体系能量得到释放。

由空中爆炸试验可知,在外界激发条件下,含硝酸酯和黑索今最先发生剧烈的爆轰反应,在极短的时间内完成,并释放出大量的热量。在爆轰中期,Mg(BHx)y在高温和强波阵面的作用下发生分解放氢反应,氢、铝、镁等可燃元素被点燃,放出大量的热量和水蒸气。在爆轰后期能量的主要来源主要来自硼的燃烧,硼在爆轰过程中表面生成高沸点液态氧化膜,阻碍硼与氧化剂的继续反应。氢燃烧生成的水蒸气与爆轰中期反应产生的热量可以消除硼表面的氧化物,推动反应继续进行,其反应如公式(1)、(2)所示[6]。完成含能炸药体系能量较为完全的释放。

a. explosion air shock wave of 1#

b. explosion air shock wave of 3#

图2 1.5 m处爆炸空气冲击波

Fig.2 Explosion air shock wave measured at 1.5 m

a. high-speed photographic image of 1#

b. high-speed photographic image of 3#

图3 空中爆炸试验高速摄影图像

Fig.3 High-speed photographic images of the explosion in air

0.5H2O(g)+0.5B2O(l)=HBO2(g)+63 kJ·mol-1

(1)

1.5H2O(g)+1.5B2O3(l)=H3B3O6(g)+28 kJ·mol-1

(2)

3.2 水下爆炸试验

对负氧平衡的2#、3#混合炸药样品进行水下爆炸试验。试验测量方法和数据计算标准,依据Bjarnholt G[8]、陈网桦等[9]关于水下爆炸试验测试和数据计算的研究。结果见表2。

表2 水下爆炸试验结果

Table 2 Experimental results of the underwater explosion

samplepm/MPaes/kJ·g-1eb/kJ·g-1e/kJ·g-12#9.40.93095.4437.52183#10.010.9866.56168.841

Note:pmis the blast wave overpressure;esis the shock wave energy;ebis bubble energy;eis the total energy.

由表2可以看出,与含铝体系(2#)相比,3#冲击波超压提高6.5%,冲击波能提高5.9%,气泡能提高20.6%,总能量提高17.56%。这种现象的产生可能是因为: 爆轰起始阶段,硝酸酯基质最先反应,随后Mg(BHx)y分解,氢元素参加反应,导致冲击波超压提高。爆轰产生的热量、水蒸气、活性氧,为Al、B、Mg金属元素的爆轰反应提供条件,使冲击波衰减减缓,冲击波能提高。爆轰总反应释放能量增多,使气泡的最大半径提高,检测到的气泡能提高。这与硝酸酯炸药爆轰机理相一致。仅从能量方面来说,Mg(BHx)y提高炸药能量的能力高于高能金属材料,Mg(BHx)y在硝酸酯炸药中具有较好的应用前景。

在水下爆炸试验中,由于含Mg(BHx)y硝酸酯炸药氧平衡为负值,在水下爆炸试验中能量并不能完全释放,因此,通过水下爆炸试验研究了硝酸酯炸药的后燃效应。对1#与3#分别在氩气和氧气气氛下进行实验,试验结果如表3所示。

表3 后燃效应试验结果

Table 3 Experimental results of the afterburning effects

sampleAtmospherees/kJ·g-1eb/kJ·g-1e/kJ·g-12#Ar0.375.25.43#Ar0.255.45.52#O20.5110.511.33#O20.3512.913.2

Note:esis the shock wave energy;ebis the bubble energy;eis the total energy.

由表3可以看出,后燃实验冲击波能小于水下爆炸实验,这是由于实验设备的影响,即破坏钢瓶过程中损耗一部分冲击波能。添加的Al、B、Mg等金属元素,是在爆轰后期反应,减缓冲击波的衰减,提高了炸药后期的冲击波能量。因此,2#冲击波能高于3#的冲击波能[10]。在氩气环境中,硝酸酯炸药的总能量小于表2中实验测得的炸药释放的能量,这是因为水下爆炸能量释放实验中,炸药可以从水中获得一部分氧气,使爆轰继续进行。在氧气环境下,3#比1#总能量提高16.8%。与在氩气环境中相比,1#与3#在氧气气氛中爆炸释放的总能量均提高100%以上。即两种硝酸酯炸药均有明显的后燃效应,在含氧环境中,能量能够得到更完全的释放。

4 结 论

(1) Mg(BHx)y在高温下释放氢参加爆轰反应,释放大量的热与水蒸气,引燃体系中的中B、Mg高热值燃烧剂释放能量。能显著提高炸药的能量。

(2) 水下爆炸试验中,与同体系含铝体系相比,含Mg(BHx)y硝酸酯炸药冲击波超压提高6.5%,冲击波能提高5.9%,气泡能提高20.6%,总能量提高17.56%。仅从能量方面来说,Mg(BHx)y提高炸药能量的能力高于高能金属材料。

(3) 含硝酸酯高能炸药为负氧平衡,存在后燃效应。水下爆炸试验中,与在无氧环境中相比,两种含硝酸酯高能炸药体系在有氧环境中释放能量提高100%以上。

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