飞片雷管激发药的燃烧性能 .pdf
doi10. 3969/ j. issn. 1001-8352. 2017. 01. 008 飞片雷管激发药的燃烧性能 ❋ 王俊杰 黄寅生 葛梦珠 张冬冬 南京理工大学化工学院江苏南京,210094 [摘 要] PETN、RDX 和造粒 RDX 可作为飞片雷管激发药。 为了研究这 3 种激发药的燃烧性能,制备了不同配 比的造粒 RDX,并采用 50 mL 密闭爆发器测试了 3 种激发药定容条件下的燃烧速度和峰值压力。 结果表明相同 点火条件下,PETN 的燃烧速度大于 RDX;相同质量的 RDX 燃烧产生的峰值压力大于 PETN;随着 KClO4质量分数 的增加,造粒 RDX 的燃烧速度和峰值压力均呈现先增大后减小的趋势;当 KClO4质量分数为 30% 40% 时,造粒 RDX 燃烧性能最佳。 [关键词] 飞片雷管;激发药;密闭爆发器 [分类号] TQ560. 7;TJ45 Combustion Properties of Excitation Powder in Flying Plate Detonator WANG Junjie, HUANG Yinsheng, GE Mengzhu, ZHANG Dongdong School of Chemical Engineering, Nanjing University of Science and Technology Jiangsu Nanjing, 210094 [ABSTRACT] To study the combustion performance of excitation powders, including PETN, RDX and granulated RDX prepared with different formulations, closed bomb was used to measure burning rates and peak pressures of powders under constant volume condition. Results indicate that under the identical ignition, the combustion velocity of PETN is larger than that of RDX while RDX generates a larger peak pressure than the same amount of PETN can do. The velocity and pressure of granulated RDX initially increase and then decrease with the increased amount of KClO4. The granulated RDX works best at a KClO4mass fraction range from 30% to 40%. [KEYWORDS] flying plate detonator; excitation powder; closed bomb 引言 飞片雷管作为无起爆药雷管的典型代表,采用 激发装置代替起爆药,具有安全性高、无污染的优 点[1-2]。 飞片雷管主要由点火元件、激发装置延期 元件、激发药、内帽和底部装药 3 部分构成。 激发 药在点火元件或延期元件的作用下发生燃烧反应, 产生的高温高压气体剪切驱动内帽底部形成飞片, 高速冲击起爆底部装药,实现雷管能量输出。 激发药的燃烧性能对飞片的速度有着重要影 响,它决定了飞片的起爆能力,是雷管可靠作用的关 键因素。 关于激发药的研究报道较少,目前使用的 激发药要主要有点火药、低密度的单质炸药或单质 炸药和氧化剂的造粒产物等。 Jacobson 使用低密度 的 HNAB 配以 TiH0. 18/ KClO4点火药共同作为激发 药[3];国外 SE-1 型和 ER-322 型飞片雷管使用的激 发药为 PETN 和 HMX[4];程立国使用 Zr/ KClO4质 量比 40︰60剪切驱动飞片[5];王慧娥等使用 RDX 来加速飞片起爆底部装药[6];刘明全等采用在膨胀 珍珠岩、PETN、KClO4混合物中添加黏合剂的方法 发明了一种飞片式无起爆药电雷管激发药[7];马宏 昊等对 PETN 和造粒 RDX 作为激发药的性能进行 了研究,试验表明,PETN 适用于无起爆药瞬发雷 管,造粒 RDX 在延期雷管中性能优异[2,8]。 本文中,采用密闭爆发器研究激发药在雷管内 部的定容燃烧过程,测试 PETN、RDX 和造粒 RDX 3 种激发药燃烧的 p-t压力-时间曲线,对比不同 激发药的燃烧速度和峰值压力,为激发药的选择作 出一定的参考。 第 46 卷 第 1 期 爆 破 器 材 Vol. 46 No. 1 2017 年 2 月 Explosive Materials Feb. 2017 ❋ 收稿日期2016-07-10 作者简介王俊杰1991 - ,男,硕士研究生,主要从事无起爆药雷管的研究。 E-mail1552264387@ qq. com 通信作者黄寅生1962 - ,男,教授,博导,主要从事军事化学与烟火技术研究。 E-mailhuangyinsheng@ sina. com 1 试验部分 1. 1 样品制备 采用 PETN、RDX 和造粒 RDX 作为激发药。 造 粒 RDX 的制备过程如下将 RDX 和 KClO4加入质 量分数为 4%的虫胶乙醇溶液,混合搅拌均匀,待溶 液呈黏稠状后,用 60 目筛子进行湿混造粒并烘干。 具体配比如表 1 所示。 表 1 造粒 RDX 配方质量分数 Tab. 1 Formulation of the granulated RDX mass fraction % 序号RDXKClO4虫胶 1#9604 2#86104 3#76204 4#66304 5#56404 6#0964 1. 2 试验条件 试验采用容积为50 mL 的密闭爆发器。 点火方 式采用点火头直接点燃松装激发药,激发药燃烧后 产生的气体迅速膨胀,造成密闭空间内压力升高,产 生的压力信号通过压电传感器和电荷放大器处理后 被数据采集仪接收,得到 p-t 曲线。 试验采用的样 品质量均为 200 mg。 2 结果与讨论 2. 1 PETN 和 RDX 燃烧性能研究 PETN 和 RDX 的燃烧 p-t 曲线如图 1 所示。 图 1 密闭爆发器中 PETN 和 RDX 燃烧的 p-t 曲线 Fig. 1 p-t curves of PETN and RDX combusting in closed bomb 由图 1 可以看出,在燃烧初始阶段,PETN 的 曲 线的斜率大于 RDX,说明 PETN 初始燃烧速度快,压 力上升速度较快;进入稳定燃烧阶段曲线中间部 分以后,两者燃烧速度比较接近。 PETN 和 RDX 燃烧时间分别为52. 8 ms 和68. 4 ms,最大峰值压力 分别是 2. 186 MPa 和 2. 223 MPa。 造成 PETN 和 RDX 燃烧时间差异的主要原因 在于两者的化学反应速率不同。 由文献[9]可知, 炸药化学反应速率如式1所示。 ε t = Ae - E RT1 - εm。 1 式中ε 表示炸药的反应百分数;ε/ t 表示炸药化 学反应速率;A 表示指前因子;R 为气体常数;E 表 示炸药的活化能;T 表示温度;m 为反应级数。 PETN 和 RDX 的反应动力学参数如表 2 所 示[10-11]。 表 2 PETN 和 RDX 的反应动力学参数 Tab. 2 Reaction kinetics parameters of PETN and RDX 炸药A/ s -1 E/ Jmol -1 m PETN1015. 298 8160. 5 1030. 951 RDX1022. 000 0235. 0 1030. 600 将表 2 中数据代入式1 中,得到 PETN 和 RDX 的燃烧速度 ε t PETN =1015. 298 8e -160. 5 103 8. 314 T1 - ε0. 951; 2 ε t RDX =1022. 000 0e -235. 0 103 8. 314 T1 - ε0. 600。 3 式2除以式3,得 ε t PETN ε t RDX =106. 7012e 8. 96 103 T 1 - ε0. 351。 4 因为 T 273. 15 K,所以 ε t PETN ε t RDX 3. 52 107 1 - ε0. 407。 5 令式5右项≥1,则 1 - ε≥2. 87 10 -19。 6 不等式6右项接近无穷小,而 0≤ε≤1,所以 ε t PETN ε t RDX 1。7 由式7可以看出,PETN 的化学反应速率大于 RDX。 因此,在相同的条件下,PETN 的燃烧时间小 于 RDX。 由吕-查德里方法B-W 法可知,PETN 和 RDX 932017 年 2 月 飞片雷管激发药的燃烧性能 王俊杰,等 爆炸反应方程式如下所示[12] C5H8O12N4→CO2+2CO +4H2O +2N2;8 C3H6O6N6→3CO +3H2O +3N2。9 由式8 和式9 可知,单位质量的 PETN 和 RDX 的气体产物的物质的量分别是 0. 035 mol/ g 和 0. 041 mol/ g。 由于密闭爆发器空间体积固定,根据 理想气体的状态方程可知,燃烧产物的峰值压力主 要取决于气体产物的物质的量。 由于试验使用的药 剂用量相同,所以密闭爆发器中 RDX 的气体燃烧产 物物质的量较多,产生的峰值压力较大。 2. 2 氧化剂对 RDX 燃烧性能的影响 对不同配比的造粒 RDX 进行密闭爆发器试验, 结果如图 2 所示。 图 2 密闭爆发器中造粒 RDX 燃烧的 p-t 曲线 Fig. 2 p-t curves of granulated RDX combusting in closed bomb 由图 2 可以看出,与 RDX 相比,KClO4燃烧的 p-t 曲线斜率明显较大曲线斜率 6# 1#,表明 KClO4初始燃烧速度明显大于 RDX;随着氧化剂含 量的增加,峰值压力均呈现先增加后减小的趋势,燃 烧时间则呈现相反趋势。 随着氧化剂含量的增加,炸药颗粒逐渐接近零 氧平衡。 炸药中的碳和氢完全被氧化成 CO2和 H2O,燃烧放出更多的热量。 气体产物受热膨胀,密 闭爆发器内压力增加。 氧化剂含量进一步增加,炸 药颗粒达到正氧平衡,燃烧将会产生富余的氧气。 燃烧放出的热量是 RDX 和 KClO4的共同作用,由于 RDX 的燃烧热较高,所以添加过多的氧化剂将会使 炸药燃烧放出的热量降低,气体产物膨胀程度减小, 压力降低。 密闭条件下,炸药的燃速与压力密切相关。 KClO4的燃烧速度明显快于 RDX,所以炸药颗粒中 的 KClO4首先被点燃,造成密室内压力升高。 由图 2 可以看出,燃烧初始阶段,造粒 RDX 的压力上升 速率明显大于纯 RDX。 因此,添加 KClO4能够有效 增加炸药颗粒的燃烧速度,燃烧时间降低如燃烧 时间 2# 1#。 进入稳定燃烧阶段以后,炸药的燃 烧速度取决于 KClO4和 RDX 气体产物压力的共同 作用,由于单位质量的 KClO4气体产物的物质的量 0. 021 mol/ g [13]明显低于 RDX0. 041 mol/ g,所 以随着 KClO4含量的进一步增加,密室内的压力将 会降低,进一步增加 KClO4的含量将会使炸药颗粒 的燃烧速度降低,燃烧时间增加。 3 结论 通过密闭爆发器研究不同激发药的燃烧时间和 峰值压力,得出以下结论 1相同的点火条件下,PETN 和 RDX 的燃烧性 能相差不大PETN 的燃烧速度略高于 RDX,但是相 同质量的 RDX 燃烧气体产物的压力略大于 PETN。 2KClO4的燃烧速度大于 RDX,添加 KClO4能 够明显增加 RDX 的燃烧速度和峰值压力。 随着 KClO4含量的增加,造粒 RDX 的燃烧时间呈现先减 小后增大的趋势,峰值压力呈现相反的趋势。 当 KClO4质量分数为 30% 40% 时,造粒 RDX 燃烧性 能较好。 参 考 文 献 [1] 陈月畅,沈兆武,杜建国. 飞片式无起爆药雷管的结构 和工作原理[J]. 爆破,2013,302162-166. 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