AP对RDX基含铝炸药爆轰性能影响研究.pdf

doi1０. ３9６9/ ｊ. issn. 1００1-8３5２. ２０19. ０5. ００9 AP 对 RDX 基含铝炸药爆轰性能影响研究 ❋ 封雪松 冯 博 赵 娟 王彩玲 西安近代化学研究所陕西西安，710065 [摘 要] 为了研究氧化剂高氯酸铵AP对 RDX 基含铝炸药爆轰性能的影响,利用含铝复合炸药的金属飞片加 速试验和冲击起爆试验,结合含铝复合炸药的爆炸参数,分析了 RDX 基含 AP 复合炸药和 RDX 基无 AP 含铝炸药 的爆轰性能。 金属飞片加速试验表明,与后者相比,RDX 基含 AP 复合炸药由于较低的爆炸反应速率,金属加速能 力降低约11. 5％。 冲击起爆试验表明,RDX 基含 AP 复合炸药的爆轰距离较长,在23. 72 34. 00 mm 范围爆轰持续 稳定,并且能保持较长时间的稳定爆轰。 [关键词] 含 AP 复合炸药；金属加速；冲击起爆 [分类号] TJ55 Effect of AP on Detonation Property of RDX-based Aluminiｚed Explosive FENG Xuesong, FENG Bo, ZHAO Juan, WANG Cailing Xian Modern Chemistry Research Institute Shaanxi Xian, 710065 [ABSTRACT] In order to research the effect of AP on detonation property of RDX-based aluminized explosive, metal- acceleration test and shock initiation test were carried out. Detonation properties of RDX-based aluminized explosive contai- ning AP or without AP were analyzed in combination with explosion parameters of aluminized composite explosive. Results show that AP containing RDX-based composite explosive has higher energy output and lowers the metal-acceleration reaction velocity by 11. 5％ compared to the analogous aluminized explosive. Shock initiation characteristics shows that AP contai- ning composite aluminized explosive has the longer distance-to-detonation, keeping steady during 23. 72-34. 00 mm, and can sustain longer time. [ＫEYＷORDS] composite explosive containing AP； metal-acceleration； shock initiation 引言 目前,作为武器研究的热点之一,对钻地弹等深 层目标弹药的研究引发了各国对内爆型高威力炸药 的广泛关注。 研究表明,含氧化剂高氯酸铵AP和 可燃剂铝的混合炸药是典型的内爆型高威力炸药, 以氧化剂 AP 和金属铝粉构成的复合炸药具有较高 的化学能,将其作为重要发展方向,是提高炸药能量 输出和能量利用率的重要途径[1-2],具有深远的理论 和现实意义。 但国内外就 AP 对含铝炸药爆炸性能 影响的研究,目前还停留于宏观的测试分析,并未开 展其对炸药做功能力和爆轰增长历程的影响等较深 层问题的研究,对爆轰反应机理的分析也较少。 目前已有的研究成果包括冯晓军等[3]分析了 AP 与铝的摩尔比对复合炸药爆轰性能及爆轰能量 释放的影响规律；韩勇等[4]对两种不同直径50 mm 和 100 mm的含铝炸药进行了圆筒试验,考察其能 量释放过程；黄辉等[5]利用激光速度干涉仪研究了 铝粉粒度和氧化剂形态对加速金属能力的影响；王 红星等[6]计算了铝粉含量对温压炸药格尼系数和 壳体破碎能力的影响；冯晓军、沈飞等[7-8]研究了 RDX 基含铝炸药中铝粉含量对炸药爆炸加速能力 的影响；吴艳红、伍俊英等[9-10]研究了非均质炸药和 固体推进剂的冲击起爆特性。 以上研究主要涉及无 AP 的含铝炸药金属加速能力和起爆特性研究,对含 AP 复合炸药仅涉及爆轰能量和金属加速能力测试 和初步分析,而未将这两项爆炸输出性能综合考量, 进而研究 AP 对含铝炸药爆炸性能的影响,也未结 合复合炸药的爆轰增长过程进行深入探讨。 第 48 卷 第 5 期 爆 破 器 材 Vol. 48 No. 5 2019 年 10 月 Explosive Materials Oct. 2019 ❋ 收稿日期2019-04-30 第一作者封雪松1973 － ,女,博士,副研究员,主要从事爆轰化学研究。 E-mail105222272＠ qq. com 为此,本文中,通过 RDX 基含 AP-铝复合炸药 的爆炸性能试验,结合含铝复合炸药自身爆轰增长 特性,从能量输出、金属加速能力和爆轰增长历程出 发,从含铝复合炸药爆轰作用机理的角度分析 AP 对 RDX 基含铝炸药爆炸性能的影响规律。 这一工 作的展开对理论研究和配方设计都具有重要意义。 1 试验部分 1. 1 RDX 基含铝复合炸药金属飞片加速试验 通过炸药爆炸驱动金属飞片的试验,研究炸药 爆轰过程中爆轰冲击波与爆轰产物如何对金属飞片 发生作用以及作用的影响因素。 炸药爆炸驱动金属飞片试验装置系统由金属飞 片、靶板、电离探针、时间记录仪等组成。 其结构见 图 1。 1 － 雷管；2 － 炸药试样；3 － 金属飞片 1；4 － 靶板； 5 － 时间记录仪；6 － 触发探针。 图 1 炸药爆炸驱动金属飞片加速试验结构图 Fig. 1 Construction diagram of metal-acceleration test of explosives 在圆柱形药柱的一端面粘贴一个与药柱同直径 的预制金属飞片,在另一端用雷管起爆圆柱形药柱, 其爆轰波和爆轰产物的膨胀会驱动金属飞片沿装药 轴线加速向前运动。 利用测时仪和靶板测量金属飞 片运动到不同距离处的时间；通过计算,得到金属飞 片在不同距离处的速度,以此评价炸药爆炸的驱动 能力。 将 3 发有效试验得到的金属飞片到达不同距离 靶板处的时间与靶板距离进行作图,得到金属飞片 运动距离 Ｌ 与时间 ｔ 的关系曲线；将该曲线对时间 进行一阶求导,可以得到金属飞片速度 ｖ 与时间 ｔ 的关系曲线。 金属加速试验炸药配方 1＃,RDX、铝与黏结剂的质量比为 62︰35︰3； 2＃,RDX、AP、铝与黏结剂的质量比为 27︰35︰35︰ 2；3＃,HMX、铝与黏结剂的质量比为 62︰35︰3。 1. ２ RDX 基含铝复合炸药冲击起爆试验 冲击起爆试验可以研究炸药冲击起爆条件下的 爆轰增长历程,即炸药在冲击加载作用下的冲击转 爆轰行为。 通过试验研究 RDX 基含铝复合炸药在 冲击起爆下爆轰增长历程,探索其爆轰增长特性。 冲击起爆试验装置系统由雷管、传爆药、触发探 针、主发装药、隔板、锰铜压力传感器、受试装药、试 验支架、脉冲恒流源及示波器等组成,试验装置示意 图见图 2。 1 － 雷管；2 － 传爆药；3 － 触发探针；4 － 主发装药； 5 － 隔板；6 － 锰铜压力传感器；7 － 受试装药；8 － 试 验支架；9 － 示波器；10 － 脉冲恒流源。 图 2 冲击起爆试验装置图 Fig. 2 Construction diagram of shock initiation test 锰铜箔受压时,其电阻随所受压力的增加而增 加,可以通过锰铜压力传感器记录炸药起爆至稳定 爆轰过程中压力的变化历程。 将锰铜箔制作的锰铜 压力传感器置于被测炸药不同位置处,采用经隔板 衰减后的冲击波对试样进行冲击加载,记录试验过 程中锰铜压力传感器受冲击波作用引起的电阻变 化,经过数据处理,得到冲击加载作用下炸药中不同 深度位置处的压力历程。 在冲击起爆试验中,起爆药和主发装药均采用 JH-14RDX 与黏结剂的质量比为95︰5；起爆药量 为 10 g；装药尺寸为20 mm 20 mm；主发装药尺 寸为40 mm 50 mm。 受试装药为2＃配方,直径由 5 个40 mm 的药柱叠加而成,其厚度分别为 6. 26、 6. 65、10. 81、10. 28 mm 和 10. 35 mm。 采用锰铜压 力计测量不同入射深度时的爆轰波压力,压力数据 通过示波器进行记录。 ２ 结果与讨论 ２. 1 RDX 基含 AP 复合炸药爆轰性能试验 由高能炸药、金属粉、氧化剂和黏结剂构成的复 合炸药,其化学反应过程首先是高能炸药快速爆轰, 742019 年 10 月 AP 对 RDX 基含铝炸药爆轰性能影响研究 封雪松,等 产生放热反应,然后是氧化剂受热分解和金属粉受 热氧化；保持主炸药含量不变,通过调节 AP 和铝的 比例,可以控制能量输出大小和能量释放速率,达到 对特定目标的最大毁伤效果。 表 1 为炸药的配方。 表 1 爆炸性能试验用 RDX 基含 AP 炸药的配方 Tab. 1 Explosive ulation with different AP content for detonation property test 炸药编号 组分质量分数/ ％ RDXAP铝 Ⅰ30700 Ⅱ306010 Ⅲ305020 Ⅳ303535 Ⅴ302545 Ⅵ302050 炸药采用直接法工艺制备,每发药柱质量为 25 g,药柱直径为 25 mm,同一配方的不同药柱密度差 均小于 0. 5％。 表 2 为不同 AP 质量分数复合炸药的爆轰性能 参数。 图 3 和图 4 为不同 AP 和铝质量分数的复合炸 药爆轰参数变化曲线。 从表 2 可知,随着 AP 质量分数降低和铝粉质 量分数增加,爆热呈直线上升；当铝粉和 AP 质量分 数均为 35％左右时,爆热达到最大；继续提高铝粉 质量分数、降低 AP 质量分数,爆热呈下降趋势。 原因是铝粉通过与炸药爆轰产物和氧化剂分解 产物的二次氧化反应而放热,单质炸药的氧质量分 数一定,随着 AP 氧化剂质量分数开始减小、铝粉质 量分数不断增加,配方的氧平衡数值不断降低,不断 加剧炸药的负氧性能。 因而,初始阶段铝粉的氧化 率不断提高,爆热值随铝含量增加直线上升；随着 AP 质量分数持续下降、铝粉质量分数不断提升,铝 粉的氧化率开始减小,导致爆热上升趋势减缓,最终 到达最高值；铝粉质量分数继续增高,使AP所含的 图 3 不同 AP 质量分数时 RDX 基 复合炸药爆轰参数的变化曲线 Fig. 3 Detonation parameter change curves of RDX-based composite explosive with different AP mass fraction 图 4 不同铝质量分数时 RDX 基 复合炸药爆轰参数的变化曲线 Fig. 4 Detonation parameter change curves of RDX-based composite explosive with different Al mass fraction 氧完全消耗,多余的铝粉不能氧化放热,复合炸药爆 热值趋于降低,如图 4 所示。 由于 RDX 主炸药具有较高的爆速8 800 m/ s,AP 作为氧化剂的反应速率明显偏低；虽然通过 配方体系以添加氧化剂的方式引入“氧元素”能够 有效地改善氧平衡状态,并促进和激发铝粉的氧化 反应程度,但与主炸药的爆轰反应速率相比,AP 和 铝粉的低速化学反应显著降低了爆轰体系的总体反 应速率,因而爆速随AP含量的提高不断出现下降, 表 2 不同 AP 质量分数时 RDX 基复合炸药的爆轰性能 Tab. 2 Detonation properties of RDX-based composite explosive with different AP mass fraction 炸药编号氧平衡/ ％AP 质量分数/ ％铝质量分数/ ％爆热/ Jg －1 爆速/ ms －1 Ⅰ16. 9097005 0285 971 Ⅱ4. 66060107 3816 057 Ⅲ－7. 69350208 3126 204 Ⅳ－26. 11535358 6076 380 Ⅴ－38. 54525457 9336 568 Ⅵ－44. 65920507 2026 595 84 爆 破 器 材 第 48 卷第 5 期 万方数据 见图 3。 反之,随着 AP 含量降低、铝粉含量增加,复合 炸药的爆速不断提高。 这是由于 AP 的热分解温度 较高306 360 ℃ 之间,大部分 AP 在爆轰波 CJ 面上只能作为惰性吸热物质而存在,无法参与爆轰 反应释放能量。 因此,要使 AP 分解并发生二次反 应,就必须在爆轰波阵面吸收比加热铝粉更多的能 量；保持主炸药含量不变,当铝粉含量增加、AP 含量 减小时,在爆轰波阵面的能量吸收减小,因此爆速不 断增大。 由图 4 曲线可知,RDX 基含 AP 复合炸药爆热 最高时,铝粉的质量分数约为 32％ 35％,与相应 铝粉含量 RDX、HMX 为基的含铝炸药低于 8 000 J/ g 的爆热值相比,能量输出实现较大提高；与相应含 铝炸药高于 7 500 m/ s 的爆速值相比,RDX 基复合 炸药的爆轰波传播速率显著降低。 ２. ２ RDX 基含 AP 复合炸药金属飞片加速试验 通过爆热测试,研究了炸药爆轰的总能量输出 后,拟通过炸药爆炸对金属飞片驱动作用的测试,研 究无 AP 含铝炸药和含 AP 复合炸药的驱动结果曲 线,比较曲线的异同点,进而通过联系 3 种不同组分 炸药的爆轰化学作用进行分析。 表 3 和图 5 为 3 种配方的 Ｌ-ｔ 数据及曲线。 表 4 和图 6 为 3 种试样的 ｖ-ｔ 数据及曲线。 表 3 3 种试样的 Ｌ-ｔ 数据 Tab. 3 Ｌ-ｔ data of three explosive samples ｔ/ ns Ｌ/ mm 1＃2＃3＃ 4 1678. 945. 3610. 00 9 04718. 6711. 4220. 25 16 40528. 2619. 7330. 58 20 56232. 9223. 5234. 82 24 86236. 2627. 1238. 54 图 5 3 种试样金属飞片运动距离与时间的关系 Fig. 5 Relationship between Ｌ and ｔ of three explosive samples 表 4 3 种试样的 ｖ-ｔ 数据 Tab. 4 ｖ-ｔ data of three explosive samples ｔ/ ns ｖ/ ms －1 1＃2＃3＃ 4 1672 145. 428 01 286. 297 02 399. 808 9 0471 993. 852 01 241. 803 02 100. 410 16 4051 303. 343 01 129. 383 01 403. 914 20 562904. 498 4791. 436 11 260. 524 24 862893. 023 3790. 697 71 213. 953 图 6 3 种试样金属飞片速度与时间的关系 Fig. 6 Relationship between ｖ and ｔ of three explosive samples 从图 5 和图 6 可以看出,通过 3 种配方的飞片 运动距离和飞片速度的比较,2＃含 AP 复合炸药对 金属的加速能力最低。 在 1＃和 3＃含铝炸药中,以 HMX 为主炸药的配方 3＃金属加速能力优于以 RDX 为主炸药的配方 1＃。 这是由于 AP 的反应速率较低,2＃炸药的反应 区较宽、能量释放速率低,AP 氧化释放能量过程产 生于金属加速过程之后,对金属加速过程未产生作 用；结合爆热和爆速测试值,AP 虽然能够提高总体 能量释放,但会降低炸药体系的整体反应速率,造成 金属加速能力偏低。 1＃和 3＃配方由于不含 AP,虽然 总体能量输出偏低,但由于爆速较高的主体炸药含 量高,总体能量释放较快,能够在早期实现对金属飞 片的加速作用,因而金属加速能力较强,其中爆速较 高的配方 3＃具有更高的加速能力。 从速度曲线看出,飞片速度始终处于下降趋势。 说明对飞片的加速能量主要来自主体炸药 RDX、 HMX 爆轰释放的能量。 AP 氧化剂的分解反应速率 低于主炸药的爆轰反应速率,主要在爆轰反应发生 后受热分解,随后与炸药爆轰产物一起与金属铝粉 发生氧化反应而放热,该反应过程需要持续较长时 间,因此,铝粉氧化和后燃释放的能量不能用于金属 飞片加速。 942019 年 10 月 AP 对 RDX 基含铝炸药爆轰性能影响研究 封雪松,等 万方数据 ２. ３ RDX 基含 AP 复合炸药冲击起爆试验 利用图 2 所示装置,对 2＃配方 RDX 基含 AP 复 合炸药进行冲击起爆试验,表征其自身的爆轰特性 以及外界刺激下的响应特性。 试验所用铝隔板厚度 为 25 mm,对应的起爆压力为 16. 72 GPa,其峰值压 力及到达时间见表 5,试验结果如图 7 所示。 表 5 2＃炸药不同位置处的压力及到达时间 Tab. 5 Pressure peak and reach time of different location of Explosive 2＃ 测量位置/ mm到达时间/ μs峰值压力/ GPa 016. 72 6. 268. 2410. 09 12. 919. 5016. 75 23. 7211. 3219. 57 34. 0012. 9019. 64 图 7 2＃炸药的压力-时间曲线 Fig. 7 ｐ-ｔ curves of Explosive 2＃ 由表5 看出,对于2＃炸药,从起爆面至6. 26 mm 处,冲击波压力从 16. 72 GPa 衰减至 10. 09 GPa,此 时峰值压力为主发装药经隔板衰减后的冲击波压 力。 随着反应继续,在距起爆面 12. 91 mm 处,压力 增长为16. 75 GPa；之后压力持续增长,在23. 72 mm 处,增长至 19. 57 GPa；在 34. 00 mm 处,压力为 19. 64 GPa,与 23. 72 mm 处压力基本一致,此时认为已 达到稳定爆轰。 因此,对于 2＃炸药,当起爆压力为 16.72 GPa 时,其爆轰距离,即由起爆发展至稳定爆 轰的距离,在 12. 91 mm 至23. 72 mm 之间。 达到稳 定爆轰后,平均爆轰压力为 19. 61 GPa,平均爆轰速 度为 6 506 m/ s,这与爆速的测量值相近。 依据在16. 72 GPa 冲击波压力下2＃炸药的压力 增长历程,对于直径为 40 mm、总厚度为 44. 35 mm 的 RDX 基含 AP 复合炸药试样,其较稳定爆轰约在 距起爆面 12. 91 23. 72 mm 的轴向范围内实现,在 23. 72 34. 00 mm 范围爆轰持续稳定。 由于 AP 和 铝粉均会吸收爆轰波阵面的部分能量,造成支持爆 轰波阵面传播的能量减少,总体爆轰反应速率偏低, 达到稳定爆轰的距离较长；但到达峰值后,后续反应 仍会释放能量,维持一定峰值压力而不会迅速衰减。 2＃配方由 RDX、AP、铝、黏结剂组成,根据二次 反应理论,主体炸药爆炸后产生热量,AP 作为氧化 剂受热分解,同时铝粉受热形成游离态的铝原子,具 有高能量的铝原子与主炸药的爆轰产物以及来自氧 化剂的分解产物进行氧化还原反应,释放出大量的 热量。 其二次反应持续时间和能量释放时间较长, 大约在 0. 1 100 ms 之间；因此,对于含 AP 和铝的 复合炸药,反应过程包括爆轰反应增长过程和稳定 过程,均需要持续较长时间。 ３ 结论 综合上述 RDX 基含 AP 复合炸药爆炸性能、金 属飞片加速能力和冲击起爆性能的试验测定,可以 得到以下结论 1对于 RDX 基含 AP 复合炸药,当 RDX 含量 不变、铝粉质量分数为 32％ 35％、AP 质量分数在 35％ 38％ 范围时,总体能量释放达到最高；随着 AP 质量分数增加、铝粉质量分数减少,爆速呈降低 趋势。 AP 对复合炸药爆炸性能的影响,实质是通过 改善 RDX 基含铝炸药配方的氧平衡,进而改变其爆 轰产物,从而实现爆热、爆速等爆炸参数的改变。 2RDX 基含 AP 复合炸药与相应的 RDX 基和 HMX 基含铝炸药相比,加速金属飞片的运动距离和 运动速度均偏低。 这是由于含 AP 复合炸药的爆炸 反应速率较低、反应过程持续时间较长,金属飞片加 速能力受到在 4 15 μs 内完成的爆轰作用影响,因 而 AP 分解氧化铝粉释放的能量对作用时间较早、 持续时间较短的炸药金属飞片加速过程不能产生促 进作用。 3冲击起爆试验结果表明,由于存在 AP 的受 热分解过程及其与铝粉的二次反应过程,减少了支 持爆轰波传播的能量,爆速受 0. 1 μs 内完成的爆轰 作用影响,因此,RDX 基含 AP 复合炸药的爆速偏 低、爆轰距离和时间较长,但其后续二次氧化反应释 放的能量能够在较长时间内维持稳定爆轰。 参 考 文 献 [1] 孙承纬,卫玉章,周之奎. 应用爆轰物理[M]. 北京国 防工业出版社,2000. SUN C W, WEI Y Z, ZHOU Z K. Applied detonation 05 爆 破 器 材 第 48 卷第 5 期 万方数据 physics[M]. BeijingNational Defence Industry Press, 2000. [2] 孙锦山. 高能炸药的非理想爆轰性能研究[J]. 含能材 料,2004,12z2341-344. SUN J S . Research on non-ideal detonation perance of high energy explosives[J]. Energetic Materials,2004, 12z2341-344. [3] 冯晓军,韦国平,肖奇,等. Al/ AP 对复合炸药爆轰性能 及能量释放的影响[J]. 火工品,2011417-20 FENG X J,WEI G P,XIAO Q, et al. The influence of Al/ AP on the detonation perance and energy release of composite explosive[J]. Initiators ＆ Pyrotechnics,2011 417-20. [4] 韩勇,黄辉,黄毅民,等. 不同直径含铝炸药的作功能 力[J]. 火炸药学报,2008,3165-7. HAN Y,HUANG H,HUANG Y M,et al. Power of alumi- nized explosives with different diameters [ J]. Chinese Journal of Explosives and Propellants,2008,3165-7. [5] 黄辉,黄亨建,黄勇等. 以 RDX 为基的含铝炸药中铝粉 粒度和氧化剂形态对加速金属能力的影响[J]. 爆炸 与冲击,2006,2617-11. HUANG H,HUANG H J,HUANG Y,et al. The influence of aluminum particle size and oxidizer morphology in RDX-based aluminized explosives on their ability to accelerate metals[J]. Explosive and Shock Waves,2006, 2617-11. [6] 王红星,王浩,蒋芳芳,等. 铝粉含量对温压炸药性能 的影响[J]. 火工品, 20136 32-35. WANG H X, WANG H,JIANG F F, et al. Effect of alu- minum content on the perance of thermobaric explo- sive[J]. Initiators ＆ Pyrotechnics, 20136 32-35. [7] 冯晓军,王晓峰,徐洪涛,等. Al 粉对炸药爆炸加速能 力的影响[J]. 火炸药学报,2014,37525-27,32. FENG X J,WANG X F,XU H T, et al. Influence of Al powder on the explosion acceleration ability for explosives [J]. Chinese Journal of Explosives and Propellants, 2014,37525-27,32. [8] 沈飞,王辉,袁建飞,等. 铝含量对 RDX 基含铝炸药驱 动能力的影响[J]. 火炸药学报,2013,36350-53. SHEN F,WANG H,YUAN J F, et al. Influence of Al content on the driving ability of RDX-based aluminized explosives[J]. Chinese Journal of Explosives and Propel- lants,2013,36350-53. [9] 吴艳红. 非均质凝聚态炸药冲击波临界起爆现象研究 [D]. 长沙湖南大学,2006. WU Y H.The research on critical shock initiation phenomenon for heterogeneous condensed explosives[D]. ChangshaHunan University,2006. [10] 伍俊英,陈朗,鲁建英,等. 高能固体推进剂冲击起爆 特征研究[J]. 兵工学报,2008,29111315-1319. WU J Y,CHEN L,LU J Y,et al. Researchon shock ini- tiation of the high energy solid propellants [ J]. Acta Armamentarii, 2008,29111315-1319. 152019 年 10 月 AP 对 RDX 基含铝炸药爆轰性能影响研究 封雪松,等 万方数据