硼含量对含铝炸药水下爆炸能量的影响.pdf

ｄｏｉ１０. ３９６９/ ｊ. ｉｓｓｎ. １００１-８３５２. ２０１５. ０６. ００１ 硼含量对含铝炸药水下爆炸能量的影响 * 陈 愿① 陈 相② 蒋 伟② 吴德俊① 刘大斌① 徐 森①③ 潘 峰③ ①南京理工大学化工学院江苏南京,２１００９４ ②上海出入境检验检疫局上海,２００１３５ ③国家民用爆破器材质量监督检验中心江苏南京,２１００９４ [摘 要] 将铝硼混合添加到含铝炸药配方体系为 Ａｌ/ Ｂ/ ＡＰ/ ＲＤＸ/ ｗａｘ中,采用水下爆炸法,研究硼含量对含铝 炸药水下爆炸能量的影响。 结果表明,水下爆炸中,随着硼含量的增加,炸药的冲击波能降低,气泡能先增加、后逐 渐减小；当硼质量分数为 １０％时,炸药水下爆炸总能量达到最大值 ５. ９４２ ＭＪ/ ｋｇ,比含铝样品提高 ５％,其中气泡能 为 ４. ９９９ ＭＪ/ ｋｇ,比含铝样品提高７％,是 ＴＮＴ 的２. ２ 倍。 在含铝炸药中添加少量的硼粉,可以提高炸药的水下爆炸 能量水平。 [关键词] 硼；含铝炸药；水下爆炸；冲击波能；气泡能 [分类号] ＴＪ５５ 引言 能量是衡量炸药作功能力的重要参数,对炸药 能量的评价,可以通过爆热和水下爆炸法实现[１]。 爆热作为炸药的一个重要的爆轰参数,它代表了炸 药所具有的化学潜能,是炸药能量示性数中重要的 参量之一[２]。 用爆热来测量炸药的能量已经标准 化。 ２０ 世纪 ７０ 年代,国外研究机构开始采用水下 爆炸法来测量炸药的能量[３-４]；近年来,国内也有学 者开始水下爆炸方面的研究[５-８],水下爆炸法已经成 为评价炸药威力的有效技术手段。 温压炸药的毁伤作用主要体现在冲击波的超压 作用、高温场的燃烧和热作用。 改进炸药的能量最 重要、最常用的方法是向炸药中添加金属粉末,这些 粉末在加热状态下点燃并释放大量能量,大大增强 了炸药的热效应。 目前,研究最多的是铝粉,研究结 果表明,铝粉可以有效地提高炸药的能量；铝粉含量 不同、尺寸不同,都会对炸药的爆轰性能产生影响。 关于硼粉和其他金属粉在炸药中混合使用的研究报 道相对较少。 王浩等[９]对 ＤＮＴＦ 基含硼和含铝炸药 的水下能量进行了研究；黄亚峰等[１０]研究指出,硼 粉含量质量分数为 ８％ ２０％ 时,混合炸药的爆 热与硼粉含量之间存在线性关系,硼粉能够提高混 合炸药的爆热；封雪松等[１１]研究了含硼炸药的水下 能量,当硼粉和铝粉混合使用时,可提高硼粉氧化效 率和炸药水下总能量；但由以上文献得出的结论中, 均没有考虑在炸药配方中添加高氯酸铵ＡＰ作为 供氧剂的情况。 为此,本文以 ＲＤＸ 为主体炸药,ＡＰ 为供氧剂,通过水下爆炸试验方法研究硼含量对含 铝炸药水下爆炸能量的影响,确定炸药水下爆炸能 量最大时硼的添加量。 １ 试验原理 炸药在水中爆轰时,生成气态爆轰产物,并形成 非常高的压力,压力以冲击波的形式在水中向四周 传播。 在距离爆心某一测点处,冲击波到达时,压力 在极短时间内达到峰值,然后以近似指数形式衰减, 压力和时间关系可由下式表示[１２] ｐｔ ＝ ｐｍｅｘｐ － ｔ/ θ。１ 式中ｐｔ是随时间变化的冲击波压力,ＭＰａ；ｐｍ是 冲击波峰值压力,ＭＰａ；θ 定义为时间衰减常数,为冲 击波从峰值压力 ｐｍ衰减到 ｐｍ/ ｅ 时所经历的时间。 冲击波离开后,爆轰产物在水中以气泡的形式 继续膨胀,推动周围的水沿径向向外流动。 气泡内 的压力随着膨胀不断下降,当下降到周围的静压力 时,在水流的惯性运动下,气泡继续膨胀,达到最大 半径。 此时,由于气泡内的压力低于周围介质的平 衡压力,周围水便开始反向运动,气泡不断收缩,压 力逐渐增加,受聚合水流惯性运动,内部压力高于周 围的平衡压力,直到能阻止气泡的压力而达到新的 １２０１５ 年 １２ 月 硼含量对含铝炸药水下爆炸能量的影响 陈 愿,等 * 收稿日期２０１５-０５-２６ 作者简介陈愿１９８５ ,男,博士研究生,主要从事炸药性能与配方设计。 Ｅ-ｍａｉｌｃｈｅｎｙ ８５＠１６３. ｃｏｍ 通信作者徐森１９８１ ,男,博士,主要从事爆炸品性能测试分析。 Ｅ-ｍａｉｌｘｕｓｅｎ２０１５＠１６３. ｃｏｍ 平衡,气泡脉动的第一次循环结束。 随后,开始下一 次膨胀和压缩的脉动过程。 水下爆炸能量可以通过分别计算冲击波能和气 泡能来确定。 １. １ 冲击波能 冲击波在水中传播时,会有部分能量被耗散掉, 并且压力越高,能量损耗得越快,直到衰减成声波。 耗散掉的能量无法对结构产生破坏作用,剩余的能 量称为有效冲击波能。 单位质量炸药产生的有效冲 击波能可以表示成[１２] Ｅｓ＝ ４πＲ２ ｗρ０ｃ０ʃ ６. ７θ ０ ｐ２ｔｄｔ 。２ 式中Ｅｓ为有效冲击波能,Ｊ/ ｋｇ；Ｒ 为离爆心的距离, ｍ；ｗ 为炸药的装药量,ｋｇ；ρ０为水的密度,ｋｇ/ ｍ３；ｃ０ 为水中的音速,ｍ/ ｓ。 １. ２ 气泡能 气泡能的计算相对比较简单,可以测量气泡的 第一次气泡脉动周期,通过式３计算[１３] Ｅｂ＝ ０. ６７５ｐ５/２ ０ ｗρ３/２ ０ Ｔ３；３ 式中Ｔ 为气泡第一次振荡周期,ｓ。 １. ３ 总能量 忽略样品在爆轰后的各种其他能量损失,余下 的能量称为有效总能量[１４]。 有效总能量可按式４ 进行计算 Ｅｕ＝ Ｅｓ＋ Ｅｂ。４ ２ 试验样品与仪器 ２. １ 试验样品 试验用含铝炸药配方为 Ａｌ/ Ｂ/ ＡＰ/ ＲＤＸ/ ｗａｘ。 称取 １６０ ｇ 造型粉,模压成尺寸约为⌀５０ ｍｍ ５０ ｍｍ 的圆柱体药柱,以 １０ ｇ 钝化 ＲＤＸ⌀２０ ｍｍ ２０ ｍｍ作为传爆药柱,采用 ８＃工业雷管进行起爆。 固 定炸药配方中铝硼混合物的质量分数不变,调整混 合物中硼的添加量,样品组分、尺寸及密度见表 １。 表 １ 样品组分、尺寸及密度 Ｔａｂ. １ Ｂｏｒｏｎ ｃｏｎｔｅｎｔ, ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ ａｎｄ ｄｅｎｓｉｔｉｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓａｍｐｌｅｓ 样品 组分质量分数 / ％ ＢＡｌＡＰＲＤＸｗａｘ ｈ/ ｍｍ ρ/ ｇｃｍ －３ Ａ＆Ｂ-１１７. ５１７. ５２０３６９４８. ４１. ６８ Ａ＆Ｂ-２１４. ０２１. ０２０３６９４６. ７１. ７５ Ａ＆Ｂ-３１０. ５２４. ５２０３６９４５. ９１. ７８ Ａ＆Ｂ-４７. ０２８. ０２０３６９４５. ０１. ８１ Ａ＆Ｂ-５３. ５３１. ５２０３６９４４. ４１. ８３ Ａｌ０３５. ０２０３６９４４. ０１. ８５ ＴＮＴ５３. ９１. ５１ ２. ２ 测试系统 试验在８. ０ ｍ ８. ０ ｍ 水池中进行,样品和传感 器入水深度为 ４. ０ ｍ,传感器距离爆心的水平距离 为 ３. ０ ｍ,试验布置见图 １。 图 １ 水下爆炸布置示意图 Ｆｉｇ. １ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｔｈｅ ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ ３ 试验结果与分析 对每组样品平行测试 ２ 次,取平均值表 ２,样 品冲击波超压衰减情况和气泡脉动周期如图 ２ 和图 ３ 所示。 由表 ２ 中的测试结果可知,将铝硼混合物添加 到含铝温压炸药中,随着硼含量降低,水下爆炸的冲 表 ２ 水下爆炸试验结果 Ｔａｂ. ２ Ｔｅｓｔ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ 样品ｐｍ/ ＭＰａθ/ μｓＴ/ ｍｓＥｓ/ ＭＪｋｇ －１ Ｅｂ/ ＭＪｋｇ －１ Ｅｕ/ ＭＪｋｇ －１ Ｅｂ/ Ｅｕ Ａ＆Ｂ-１６. ５７２６４. ３１５１. ９０. ７９２３. ４６３４. ２５５８１. ４ Ａ＆Ｂ-２７. ０９５６２. ４１５７. ００. ８４３３. ８２２４. ６６５８１. ９ Ａ＆Ｂ-３６. ９９３６２. ３１６３. ２０. ９３０４. ２９７５. ２２７８２. ２ Ａ＆Ｂ-４７. １６０７０. ９１６５. ６０. ９２１４. ４８５５. ４０６８３. ０ Ａ＆Ｂ-５７. ００４８２. ３１７１. ７０. ９４３４. ９９９５. ９４２８４. １ Ａｌ７. ２８５６８. ５１６８. ００. ９８３４. ６８２５. ６６５８２. ６ ＴＮＴ７. １５３６１. ６１３２. １０. ９１５２. ２７４３. １８９７１. ３ ２ 爆 破 器 材 Ｅｘｐｌｏｓｉｖｅ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ 第 ４４ 卷第 ６ 期 图 ２ 冲击波时间历程曲线 Ｆｉｇ. ２ Ｔｉｍｅ ｈｉｓｔｏｒｉｅｓ ｏｆ ｓｈｏｃｋ ｗａｖｅ 图 ３ ３. ０ ｍ 处样品第一次气泡脉动周期 Ｆｉｇ. ３ Ｔｈｅ ｆｉｒｓｔ ｂｕｂｂｌｅ ｐｅｒｉｏｄ ｏｆ ｅｘｐｌｏｓｉｖｅ ｃｈａｒｇｅｓ ａｔ ３. ０ ｍ 击波能和气泡能呈现增大的趋势。 当混合物中硼的 质量分数降到 １０％时Ａ＆Ｂ-５,样品的气泡能达到 最大值 ４. ９９９ ＭＪ/ ｋｇ,是同等质量 ＴＮＴ 样品气泡能 的 ２. ２０ 倍；此时,有效总能量也达到最大,为 ５. ９４２ ＭＪ/ ｋｇ,比含纯铝样品提高 ５％。 随后,硼质量分数 降为 ０含铝样品时,样品的冲击波能继续增加,气 泡能和有效总能量有所降低。 含铝炸药中气泡能所 占的比例高于 ＴＮＴ,超过 ８０％。 结果表明,铝硼混 合物中,硼的质量分数应控制在 １０％时为优。 结合 Ｆｉｎｇｅｒ 等人[１５]对含铝炸药爆轰时所描述 的过程,同样可以对本试验中样品发生反应时的过 程进行描述,主要包括１ＲＤＸ 的冲击起爆和反应； ２炸药分解产生的热使 ＡＰ 分解和反应；３加热铝 硼使其达到灼热并生成少量的低级氧化物；４爆 轰产物的扩散与混合；５铝硼与 ＲＤＸ 爆轰产物 以及来自 ＡＰ 过剩氧的二次反应；６氧化物的转化 及传热。 由以上的分析可知,样品爆炸反应过程的第一 步是单质炸药和其他活性组分的爆炸反应,第二步 是铝粉、硼粉参与反应。 在含铝炸药中,相对炸药组 分而言,铝粉是惰性的,不能与炸药直接发生反应, 要在炸药爆轰反应造成的高温、高压条件下,与炸药 的爆轰反应产物再进行反应。 因此,铝粉较不易反 应,且需要吸热和消耗一部分能量,从而降低爆轰波 的能量。 相对铝而言,硼更为惰性,硼的含量越高, 发生反应时吸收的能量越多。 因此,向含铝炸药中 添加硼粉,会引起冲击波能的减小。 同时,由于铝 硼粉的反应进行得较为缓慢,此阶段放出的能 量,为爆轰产物在水中的膨胀提供了能量来源,延长 了气泡的脉动周期,有利于提高水下爆炸的气泡能。 硼粉对总能量的贡献主要体现在气泡能上。 硼粉比铝粉具有更大的热力学潜能,其燃烧热 值约为铝粉的 ２ 倍,但在温压炸药体系中,添加较多 的硼粉,其具有的能量并不能迅速且完全地释放出 来。 铝硼混合物中,硼的熔点为 ２ ０７６ ℃ [１６],而铝 的熔点６６０ ℃低于硼粉,在爆轰过程中容易气化 和氧化,氧化热值较高,氧化释放的热量有助力于提 高硼的氧化效率,从而提高水下爆炸的总能量。 从图 ２ 和图 ３ 中冲击波压力和时间关系可知, 铝硼混合物中硼质量分数为 １０％ Ａ＆Ｂ-５时,样品 的冲击波压力衰减最慢,气泡脉动周期时间最长。 同时由图 ３ 还可知,样品质量相同时,含铝炸药样品 的气泡脉动周期比 ＴＮＴ 长。 这是由于含铝硼炸 药能量释放特性与 ＴＮＴ 的差异,对炸药水下爆炸冲 击波特性参数产生了影响。 ４ 结论 研究硼含量对某一配方体系为 Ａｌ/ Ｂ/ ＡＰ/ ＲＤＸ/ ｗａｘ 含铝炸药爆炸能量的影响,采用水下爆炸方法 对样品的爆炸能量进行评估,可以得到以下结论 １在含铝炸药中添加高燃烧热值的硼粉,对总 能量的贡献主要体现在气泡能上,含铝炸药的气泡 脉动周期比同等质量的 ＴＮＴ 长,气泡能在有效总能 量中的比例超过 ８０％。 ２铝硼混合物中,硼质量分数为 １０％ 时,水下 爆炸气泡能和总能量达到最大。 与含铝样品相比, 总能量提高 ５％；气泡能提高 ７％。 ３在 ＲＤＸ、ＡＰ 混合炸药中,铝粉和少量的硼粉 混合使用,可以促进硼的氧化反应,提高水下爆炸的 总能量。 参 考 文 献 [１] 徐森, 张兴明, 潘峰, 等. 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Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ Ｂｏｒｏｎ Ｃｏｎｔｅｎｔ ｏｎ Ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ Ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ Ｅｎｅｒｇｙ ｏｆ Ａｌｕｍｉｎｉｚｅｄ Ｅｘｐｌｏｓｉｖｅ ＣＨＥＮ Ｙｕａｎ①,ＣＨＥＮ Ｘｉａｎｇ②,ＪＩＡＮＧ Ｗｅｉ②,ＷＵ Ｄｅｊｕｎ①,ＬＩＵ Ｄａｂｉｎ①,ＸＵ Ｓｅｎ①③,ＰＡＮ Ｆｅｎｇ③ ①Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ, Ｎａｎｊｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｊｉａｎｇｓｕ Ｎａｎｊｉｎｇ, ２１００９４ ②Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｅｎｔｒｙ-Ｅｘｉｔ Ｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ Ｑｕａｒａｎｔｉｎｅ Ｂｕｒｅａｕ Ｓｈａｎｇｈａｉ, ２００１３５ ③ Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｑｕａｌｉｔｙ Ｓｕｐｅｒｖｉｓｉｏｎ ａｎｄ Ｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎ Ｃｅｎｔｅｒ ｆｏｒ Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｅｘｐｌｏｓｉｖｅ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｊｉａｎｇｓｕ Ｎａｎｊｉｎｇ, ２１００９４ [ＡＢＳＴＲＡＣＴ] Ｍｉｘｔｕｒｅ ｏｆ ａｌｕｍｉｎｕｍ ａｎｄ ｂｏｒｏｎ ｗａｓ ａｄｄｅｄ ｔｏ ＲＤＸ-ｂａｓｅｄ ｅｘｐｌｏｓｉｖｅｓ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｆｏｒｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ Ａｌ/ Ｂ/ ＡＰ/ ＲＤＸ/ Ｂｉｎｄｅｒ, ａｎｄ ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ ｗｅｒｅ ｐｅｒｆｏｒｍｅｄ ｔｏ ｓｔｕｄｙ ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｓ ｏｆ ｂｏｒｏｎ ｃｏｎｔｅｎｔ ｉｎ ｔｈｅ ｍｉｘｔｕｒｅ ｏｎ ｔｈｅ ｄｅｔｏ- ｎａｔｉｏｎ ｅｎｅｒｇｙ ｏｆ ｔｈｅ ｅｘｐｌｏｓｉｖｅｓ. Ｔｈｅ ｔｅｓｔ ｒｅｓｕｌｔｓ ｉｎｄｉｃａｔｅ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｈｏｃｋ ｗａｖｅ ｅｎｅｒｇｉｅｓ ｄｅｃｒｅａｓｅ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｏｆ ｂｏｒｏｎ ｃｏｎｔｅｎｔ ｉｎ ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ, ｗｈｉｌｅ ｔｈｅ ｂｕｂｂｌｅ ｅｎｅｒｇｉｅｓ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｆｉｒｓｔｌｙ ａｎｄ ｔｈｅｎ ｄｅｃｒｅａｓｅ. Ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｍａｓｓ ｆｒａｃｔｉｏｎ ｏｆ ｂｏｒｏｎ ｉｓ １０％, ｔｈｅ ｔｏｔａｌ ｅｎｅｒｇｙ ｏｆ ｔｈｅ ｅｘｐｌｏｓｉｖｅ ｒｅａｃｈｅｓａ ｍａｘｉｍｕｍ ｏｆ ５. ９４２ ＭＪ/ ｋｇ, ｗｈｉｃｈ ｉｓ ５％ ｈｉｇｈｅｒ ｔｈａｎ ｔｈｅ ａｌｕｍｉ- ｎｉｚｅｄ ｅｘｐｌｏｓｉｖｅ. Ｔｈｅ ｂｕｂｂｌｅ ｅｎｅｒｇｙ ｉｓ ４. ９９９ ＭＪ/ ｋｇ, ｗｈｉｃｈ ｉｓ ２. ２ ｔｉｍｅｓ ｏｆ ｔｈａｔ ｏｆ ＴＮＴ, ａｎｄ ７％ ｈｉｇｈｅｒ ｔｈａｎ ｔｈａｔ ｏｆ ｔｈｅ ａｌｕｍｉｎｉｚｅｄ ｓａｍｐｌｅ. Ａｄｄｉｎｇ ｓｏｍｅ ｂｏｒｏｎ ｐｏｗｄｅｒｓ ｔｏ Ａｌ-Ｂ ｍｉｘｔｕｒｅ ｃａｎ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ ｄｅｔｏｎａｔｉｏｎ ｅｎｅｒｇｙ ｏｆ ｔｈｅ ａｌｕｍｉ- ｎｉｚｅｄ ｅｘｐｌｏｓｉｖｅ. [ＫＥＹ ＷＯＲＤＳ] ｂｏｒｏｎ； ａｌｕｍｉｎｉｚｅｄ ｅｘｐｌｏｓｉｖｅ； ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ； ｓｈｏｃｋ ｗａｖｅ ｅｎｅｒｇｙ； ｂｕｂｂｌｅ ｅｎｅｒｇｙ ４ 爆 破 器 材 Ｅｘｐｌｏｓｉｖｅ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ 第 ４４ 卷第 ６ 期