不同气氛对TATB基含铝炸药爆热的影响.pdf
doi10. 3969/ j. issn. 1001-8352. 2016. 02. 008 不同气氛对 TATB 基含铝炸药爆热的影响 ❋ 曹 威 郭向利 段英良 昝继超 韩 勇 刘世俊 中国工程物理研究院化工材料研究所四川绵阳,621900 [摘 要] 为了测定三氨基三硝基苯TATB基含铝炸药在不同气氛中的爆热,使用绝热式量热弹对其压装药在 真空、0. 1 MPa 氮气、0. 1 MPa空气、0. 1 MPa 氧气和 1. 5 MPa 氧气条件下的爆热进行了测量,研究了其能量释放规 律,并使用 X 射线衍射XRD对固相产物成分进行了分析。 结果表明TATB 基含铝炸药在真空、0. 1 MPa 氮气、 0. 1 MPa 空气、0. 1 MPa 氧气和 1. 5 MPa 氧气条件下的爆热依次增加;环境中压力的增加会导致爆热值增大,在 0. 1 MPa 氮气中,TATB 基含铝炸药的爆热值比真空中增加了 15. 7%。 环境中氧气量的增加也使爆热值增大0. 1 MPa 空气中的爆热值比 0. 1 MPa 氮气中增加了 7. 8%,0. 1 MPa 氧气中的爆热值比 0. 1 MPa 氮气中高出 49. 7%,1. 5 MPa 氧气中的爆热值比 0. 1 MPa 氮气中高出 146. 1%。 在富氧气氛下测试 TATB 基含铝炸药的爆热时,所测爆热 接近于炸药的燃烧热,且爆炸产物的 XRD 结果也表明 Al 粉已基本氧化完全。 同时,在0. 1 MPa 氮气气氛下没有检 测到氮化物 AlN 的存在。 该方法可对不同气氛下含铝炸药的爆热进行测量,并对爆炸产物中 Al 的存在形式进行 分析。 [关键词] 爆炸力学;TATB 基含铝炸药;爆热;爆炸产物;后燃反应 [分类号] O389 引言 高活性金属具有高燃烧热值,将其引入高能炸 药配方设计,可以明显提高炸药的能量密度、降低武 器的装药感度、提高武器的抗高过载能力及低易损 性。 Al 粉作为高活性金属,因其高热值和相对较低 的成本被广泛应用于先进常规兵器的装药中,如空 中和水中兵器装药用含铝炸药等。 含铝炸药作为一种典型的非理想炸药,具有高 爆热、高爆温、临界直径大、起爆传爆能力较弱、化学 反应区较宽、反应时间长、反应产物组成复杂及存在 后续二次反应甚至多次反应即后燃反应的特点。 与理想炸药相比,含铝炸药的这些特点导致其爆轰 性能的明显差异,更导致其能量释放的特殊性。 研 究人员在对含铝炸药爆轰反应机理的认识上,主要 形成了 3 种理论 二次反应理论、惰性热稀释理 论和化学热稀释理论,这些理论虽然在很大程度上 解释了含铝炸药爆轰的反应过程,但又都不能全面 地揭示含铝炸药爆轰的整个过程[1-2]。 含铝炸药具有高爆热性能,因此对其爆热的研 究成为人们关注的焦点。 Ornellas[3]对几十种不同 的炸药在量热弹中起爆后放出的热和产物组分进行 了测量,研究了量热弹中不同气体环境真空、二氧 化碳和氧气下炸药爆热和爆轰产物的差别,结果 表明对于贫氧炸药,在真空环境下爆轰生成的大量 C、CO、H2、Al 等燃料组分的含量在氧气环境中大大 减小,并释放出了更多的热量。 Kiciński 等[4]对 RDX 基含铝炸药在充有氩气、氮气、空气和氩气/ 氧 气的量热弹中起爆后释放的热量分别进行了测量, 结果表明量热弹中充入氮气和氩气的爆热测试结 果几乎一致,证明了氮气和氩气都可以作为惰性气 体用在量热弹中,而高压氧气则可以使含铝炸药释 放出更多的热量。 裴明敬等[5]利用氧弹量热计测 试了含铝温压炸药在氩气、空气和氧气环境中的燃 烧热,结果表明含铝温压炸药在有氧环境中的爆热 值较高。 李媛媛等[6]利用恒温式量热计测定了不 同铝粉颗粒度的 HMX 基含铝炸药在不同环境真 空、空气和氧气中的爆热,并研究了其能量释放规 律。 韩勇等[7]利用恒温式量热计测定了含铝炸药 在真空、空气和水中的爆热值,爆热值按照空气、真 空、水的顺序依次减小,认为 Al 粉与空气中的氧气 发生了二次反应。 前述文献表明,爆炸周围气体环 境及其中的氧含量影响了含铝炸药的爆轰产物状态 .43. 爆 破 器 材 Explosive Materials 第 45 卷第 2 期 ❋ 收稿日期2010-01-28 基金项目国家自然科学基金11372291,中国工程物理研究院化工材料研究所创新基金KJCX-201202 作者简介曹威1988 ,男,博士,助理研究员,主要从事炸药爆轰安全性能研究。 E-mail weicao668@163. com 通信作者郭向利1987 ,女,硕士,助理研究员,主要从事炸药爆轰安全性能研究。 E-mail g-x l@163. com 及 Al 粉的反应程度,从而直接影响炸药的能量输 出[8-9]。 因此,对含铝炸药在不同氧含量的气体氛围 中的爆炸参数进行研究具有很重要的意义和价值。 三氨基三硝基苯TATB基含铝炸药以钝感高 能炸药 TATB 为基,具有良好的爆轰、安全、耐热、力 学和相容性能,其能量大于 1. 5 倍 TNT 当量,在快 速烤燃、慢速烤燃、子弹撞击等热和机械刺激条件下 安全性较好。 本文利用绝热式量热弹测定了 TATB 基含铝炸药在真空、常压氮气、常压空气、常压氧气 和高压氧气中的爆热值,从爆热角度分析了含铝炸 药在不同环境气氛中的能量释放规律,从反应动力 学角度阐述了其能量释放特点,并对爆炸产物中 Al 的存在形式进行了定性分析。 1 试验 试验用绝热式量热弹的装置结构示意如图 1, 爆热弹内容积为 10. 1 L。 试验温度控制在 17 ℃ 22 ℃之间,每次试验时,温度变化应在 1 ℃ 范围 内。 调节自动跟踪温度控制仪的平衡调节旋钮,控 制量热桶内水温与外桶水温之差,使量热桶内水温 15 min 内变化不大于 0. 003 ℃,记录筒内水温 T0。 而后引爆炸药,反应放热使水温不断升高,直至桶内 水温在 15 min 内变化不大于 0. 003 ℃时,记录桶内 水温所达到的最高值 T。 1 - 温度控制仪;2 - 铂电阻;3 - 温度计;4 - 潜水泵; 5 - 试样;6 - 爆热弹;7 - 量热桶;8 - 带夹套的外桶; 9 - 加热极板;10 - 冷却蛇管;11 - 泵 图 1 绝热式量热弹装置示意图 Fig. 1 Schematic diagram of adiabatic calorimetric bomb 圆 柱 形 压 装 炸 药 试 样 组 分 的 质 量 比 wTATB︰wAl︰w黏结剂为 70︰25︰5,临界 起爆直径约为 21 mm,氧平衡为 -0. 641。 每发样品 的质量为 30 g,直径为 25 mm,密度为 2. 03 g/ cm3。 真空中爆热测量试验是通过真空泵将空气从量热弹 中抽走,使弹内剩余压力为 0. 01 MPa绝对压力,下 同,此时视为真空;参照 GJB 772A1997 中的充 气方法,使量热弹中分别充有 0. 1 MPa 氮气、0. 1 MPa 空气、0. 1 MPa 氧气和 1. 5 MPa 氧气。 此外,为了分析不同气氛下爆炸产物的组成,本 文采用 Bruker 公司的 D8 Advance 型粉末 X 射线衍 射仪对量热弹中收集的固态爆炸产物中 Al 的存在 形式进行了 X 射线衍射XRD分析。 2 结果与讨论 2. 1 不同气氛对含铝炸药爆热的影响 表 1 给出了不同气体环境下的爆热试验值,本 试验对每种环境气氛下的样品爆热进行 2 发平行试 验测定,误差不超过 3%,求得平均值作为当前气氛 下的爆热值。 在常压氮气中爆热值比真空中爆热值 增加了 15. 7%。 在常压空气中爆热值比常压氮气 中增加了 7. 8%,常压氧气中的爆热值比常压氮气 中增加了 49. 7%;高压氧气中的爆热值比常压氮气 中增加了 146. 1%。 这说明量热弹作为密闭空间, 阻止了爆轰产物的大范围扩散[6,10],高温高压持续 时间更长,根据含铝炸药的二次反应理论,这为含铝 炸药二次反应亦称为后燃反应的发生提供了有 利条件,且由爆热的大小变化可以推测二次反应发 生的程度与环境压力和氧含量均有密切的关系。 表 1 不同气氛下 TATB 基含铝炸药的 爆热测试结果 Tab. 1 Test results of detonation heat of TATB-based aluminized explosive in different atmospheres 环境气氛气氛氧含量/ g爆热/ J.g -1 真空04 860 0. 1 MPa 氮气05 621 0. 1 MPa 空气2. 746 058 0. 1 MPa 氧气13. 068 415 1. 5 MPa 氧气195. 9013 832 TATB 基 含 铝 炸 药 是 贫 氧 炸 药 O. B. = -1. 01,在真空条件下爆炸时,虽然爆轰产物 CO、 CO2和 H2O 等与 Al 粉可发生二次反应可称为无 氧后燃反应,即没有外界氧气的参与,但其配方中 的氧含量有限,含铝炸药配方中的 Al 粉不可能完全 发生氧化反应,生成 Al2O3,有一部分 Al 粉只是参加 吸热反应。 充入 0. 1 MPa 的氮气于量热弹时,爆热 值比 真 空 条 件 下 的 爆 热 增 加 了 15. 7% 根 据 Kiciński 等[4]的试验结果,含铝炸药在量热弹中起 爆后 Al 粉与氮气发生反应的可能性很小,由此推断 这主要是由于在外界压力的作用下炸药反应加快, 使得 Al 与爆轰产物反应更充分,促进了无氧后燃反 应的发生。 .53.2016 年 4 月 不同气氛对 TATB 基含铝炸药爆热的影响 曹 威,等 当环境气氛中有氧气出现时,含铝炸药的爆热 进一步增大。 充入 0. 1 MPa 的空气于量热弹时, TATB 基含铝炸药在空气中的爆炸能量值比氮气中 的爆热值高 7. 8%,由此可以推论,空气中的氧气使 TATB 基含铝炸药中有 Al 粉和其他还原性爆轰产物 的二次反应更完全,并且在无氧后燃反应的基础上 出现了有氧后燃反应需要外界氧气的参与。 充 入 0. 1 MPa 的氧气于量热弹时,TATB 基含铝炸药 的爆热值比空气中的爆热值高 38. 9%,这说明氧质 量浓度的增加,使 Al 粉等还原性爆轰产物与氧气接 触的概率增大,有效地促进了炸药有氧后燃反应的 进行[11-12]。 充入 1. 5 MPa 的氧气于量热弹时,TATB 基含铝炸药的爆热值比0. 1 MPa 氧气中的爆热值高 64. 4%,达到了 13 832 J/ g。 通过对 TATB 基含铝炸药进行计算,按化学计 量比将其完全氧化需氧量为 19. 24 g,与表 1 中各气 体氛围下的含氧量比较可知,1. 5 MPa 氧气氛围下 的氧含量大于含铝炸药完全氧化的需氧量,此时含 铝炸药爆炸后形成的爆炸混合物为正氧平衡,此气 氛称为富氧气氛。 根据含铝炸药配方组成,计算该 炸药的燃烧热为14. 26 kJ/ g,由表1 中数据可知1. 5 MPa 氧气氛围下的爆热已接近于炸药的燃烧热误 差约为 3%,由此可知量热弹的爆轰产物发生了完 全氧化反应,并释放出最大的热量即炸药的燃烧 热,这表明爆轰产物包括 Al与氧气的反应已进 行完全。 2. 2 不同气氛下爆炸产物的定性分析 图 2 给出了 3 种试验情况下固相爆炸产物的 XRD 分析结果。 从爆炸产物的 XRD 图谱可以看 出,贫氧环境下爆炸后的产物中同时含有 Al2O3和 Al,但是 Al 的特征峰对应的 2θ 分别为 38. 5和 44.9较弱,分析原因可能是由于生成的 Al2O3包 覆在 Al 颗粒表面所致,且在 0. 1 MPa 氮气氛围下并 没有检测到 Al 的氮化物 AlN 的产生, 验证了 Kiciński 等[4]的试验结果;而富氧环境下爆炸后的 产物中则只有 Al2O3的特征峰,说明在此情况下 Al 粉基本燃烧完全,这也印证了前述的爆热测量结果。 3 结论 1TATB基含铝炸药在真空、氮气、空气和氧气 环境中的爆热值不同,爆热值高低顺序为1. 5 MPa 氧气、0. 1 MPa氧气、0. 1 MPa空气、0. 1 MPa氮气、 真空。当环境中压力增加时,其爆热值增大,在0. 1 MPa氮气中TATB基含铝炸药的爆热值比真空中增 加了15. 7% ;随着环境中氧气量的增加,其爆热值 逐渐增大,0. 1MPa空气中的爆热值比0. 1MPa氮 a真空 b0. 1 MPa 氮气 c1. 5 MPa 氧气 图 2 不同气氛下固体爆炸产物的 XRD 分析结果 Fig. 2 XRD analysis results of the solid explosion products in different atmospheres 气中增加了 7. 8%,0. 1 MPa 氧气中的爆热值比 0. 1 MPa 氮气中高出 49. 7%,1. 5 MPa 氧气中的爆热值 比 0. 1 MPa 氮气中高出 146. 1%。 2在贫氧环境的量热弹中测量 TATB 基含铝炸 药的爆热时,炸药中的 Al 粉发生了后燃反应,生成 了 Al2O3,同时由于氧气量不足,Al 粉没有燃烧完 全,还有剩余 Al 存在。 而在富氧气氛的量热弹中测 量含铝炸药的爆热时,Al 粉可以基本燃烧完全,所 测爆热接近于炸药的燃烧热。 同时,在 0. 1 MPa 氮 气气氛下,爆炸产物中没有检测到 AlN 的存在。 参 考 文 献 [1] 孙业斌,惠君明,曹欣茂. 军用混合炸药[M]. 北京 兵器工业出版社, 1995. 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Detonation Heat of TATB-based Aluminized Explosive in Different Atmospheres CAO Wei, GUO Xiangli, DUAN Yingliang, ZAN Jichao, HAN Yong, LIU Shijun Institute of Chemical Materials, China Academy of Engineering Physics Sichuan Mianyang, 621900 [ABSTRACT] To measure the heat generation of triaminotrinitrobenzeneTATB-based aluminized explosive in different atmospheres, the exotherm of pressed charge in vacuum, 0. 1 MPa nitrogen, 0. 1 MPa air, 0. 1 MPa oxygen and 1. 5 MPa oxygen were measured by adiabatic calorimetric bomb and the energy release rule was studied. Then the solid explosion products were detected by X-ray diffraction XRD. Results show that the heat output of TATB-based aluminized explosive increased gradually in the sequence of vacuum, 0. 1 MPa nitrogen, 0. 1 MPa air, 0. 1 MPa oxygen and 1. 5 MPa oxygen; the increase of atmospheric pressure results in the increase of heat output, which is shown that the heat output in 0. 1 MPa nitrogen increased by 15. 7% than that in vacuum; and the heat output increases with the increase of oxygen amount in atmosphere, which is verified by the conclusion that the heat output in 0. 1 MPa air was 7. 8% larger than that in 0. 1 MPa nitrogen, the heat output in 0. 1 MPa oxygen was 49. 7% higher than that in 0. 1 MPa nitrogen, and the heat output in 1. 5 MPa oxygen was 146. 1% higher than that in 0. 1 MPa nitrogen. In the case that the heat output of TATB-based aluminized explosive was measured in oxygen-rich atmosphere, the measured heat output was close to the combustion heat, and the XRD of the explosion products verified that the aluminum powders were almost completely oxidized. Meanwhile, AlN was not detected in 0. 1MPa nitrogen. It provides a method to measure the heat output of aluminized explosives and analyze the existing form of aluminum element in explosion products. [KEY WORDS] explosion mechanics; TATB-based aluminized explosive; detonation heat; explosion products; afterburning reaction .73.2016 年 4 月 不同气氛对 TATB 基含铝炸药爆热的影响 曹 威,等