RDX 基含硼炸药的能量特性

黄亚峰，王晓峰，赵东奎

（西安近代化学研究所，陕西西安710065）

引 言

可燃剂在发生氧化反应的过程中可以释放出大量的热量，因此，在炸药中加入高热值可燃剂能显著提高炸药的爆热，其中铝粉和硼粉是两种高热值可燃剂。目前，世界各国对含铝炸药开展了广泛研究，取得了丰硕的成果［1－2］。由于硼的燃烧热值比铝约高1倍，因此近几十年，含硼炸药的研究成为国内外混合炸药研究的热点之一。Makhov［3］研究了含硼炸药的爆热，发现硼粉的加入可以显著提高炸药的爆热；Stiel［4］研究了含硼炸药的爆轰性能，结果表明当硼粉含量高时，硼会生成氮化硼和碳化硼等副产物；王浩［5］研究了DNTF基含硼炸药与含铝炸药的水下能量，结果表明，当可燃剂质量分数低于18%，DNTF 基含硼炸药能量高于含铝炸药；封雪松［6］研究了含硼镁、硼铝等复合金属粉的金属化炸药水下爆炸能量，发现硼粉和铝粉混合使用可以提高炸药的水下爆炸总能量；任晓宁［7］研究了RDX基含硼炸药的热行为，结果表明硼粉、铝粉和镁粉的加入降低了RDX热分解反应的表观活化能和反应速率。

本实验通过测试RDX 基含硼炸药的爆热、水下爆炸能量和作功能力，研究了硼粉含量对RDX基含硼炸药能量特性的影响规律，分析了含硼炸药几种性能之间的内在联系。

1 实 验

1．1 样品及仪器

RDX，Ⅱ类，甘肃银光化学工业集团有限公司；硼粉，平均粒度为3．5μm，活性98．42%，辽宁营口辽滨精细化工有限公司；乙烯－醋酸乙烯共聚物（EVA），上海化工研究所。

JR－5型爆热仪，其中测温仪为Fluke5416 型，精度为1%；美国PCB 公司PCB138A 自由场传感器，灵 敏 度 为6．937MPa／V，压 力 测 量 范 围为0～69MPa。

1．2 样品制备

在60℃水浴环境下，将黏结剂EVA 完全溶解于一定量的石油醚中；然后依次加入RDX 和硼粉，搅拌均匀；溶剂挥发至物料呈拉丝状时，出料、过筛造粒和烘干即得造型粉；将造型粉压制成Ф25mm、Ф30mm 药柱。

1．3 爆热测试

按照GJB772A－1997方法701．1测试爆热。精确称量Ф25mm 的炸药药柱25g，然后将其在内部体积为5．8L的爆热弹内引爆，以16．5L 的蒸馏水作为测温介质，采用测温仪实时跟踪测量水温，根据用苯甲酸标定的爆热弹系统的热容值及温升值求出单位质量实验样品的定容爆热值。

1．4 水下能量测试

实验所用水池直径为3．2m，水深为2．4m。将传感器放置于距离Ф30mm 药柱0．9m处。药柱质量为（30．00±0．05）g，放置于水下1．6m处。每个样品做两发实验，每发药柱取两组数据，计算得到炸药的冲击波能、气泡能和水下爆炸总能量。

1．5 作功能力测试

按 照GJB772A－1997 方 法705．1 测 试 作 功能力。

2 结果与分析

2．1 硼粉含量对RDX 基含硼炸药爆热的影响

不同硼粉含量的RDX 基炸药爆热测试数据见表1。

由表1可以看出，含硼炸药的爆热随着硼粉含量的增加而增大，当硼粉质量分数为20%时，含硼炸药的爆热达到最大值7 162kJ／kg，此时硼氧比为0．87。然后随着硼粉含量的增加，爆热呈下降趋势。按照金属化炸药二次反应理论，炸药中的氧用来氧化金属粉。含硼炸药中的氧用来将硼氧化生成B2O3，理论上在硼氧质量比为0．67时，爆热应为最大值；实际上在硼氧质量比为0．87时，含硼炸药的爆热达到最大值。这是因为硼粉的氧化反应过程及氧化产物比较复杂，在生成B2O3的过程中还有B2O2、HBO2等产物生成，而B2O2、HBO2的标准摩尔生成焓都较B2O3低，其综合作用使含硼炸药的最大爆热值不是出现在理论的硼氧比。

表1 RDX 基含硼炸药爆热测试结果Table 1 Test results of heat of detonation for RDX－based boron－contained explosive

2．2 RDX 基含硼炸药的水下爆炸能量

含硼炸药的水下爆炸能量测试结果见表2。由表2可以看出，在硼粉含量较少时（8%～12%），含硼炸药的冲击波能随着硼粉含量的增加而增加，当硼粉质量分数为12%时，冲击波能达到最大，然后随着硼粉含量增加而缓慢降低；含硼炸药的气泡能随着硼粉含量的增加而增加。

表2 含硼RDX 基炸药的水下能量测试结果Table 2 Test results of underwater energy for RDX－based boron－contained explosive

将硼粉含量（8%～20%）与气泡能数据进行线性拟合，结果见图1。由图1可以看出，在硼粉质量分数低于20%时，含硼炸药气泡能与硼粉含量呈线性相关，其相关度达到0．998 63。

炸药的水下爆炸总能量是冲击波能和气泡能之和，因冲击波从装药传播到传感器时有一部分能量损失，同时由于高温气体与水之间存在的温度差也会有部分的能量损失。另外，装药的形状和尺寸对水下爆炸总能量也有影响，因此炸药的总能量需要校正，其计算式如下［8］：

式中：E0为炸药的水下爆炸总能量，MJ／kg；kf为装药校正因子；μ 为冲击波损失因子。

图1 硼含量与气泡能的关系曲线ig．1 Relation curves of boron content and bubble energy

对于炸药尺寸为Φ30mm 的圆柱形药柱，且又在同一个水域中进行水下实验，公式中的kf、μ 为常数，所以在实际分析炸药水下爆炸总能量时直接将炸药的冲击波能和气泡能加和。含硼炸药水下爆炸总能量结果见表2。

由表2可知，含硼炸药水下爆炸总能量随着硼粉含量的增加而增大，将硼粉含量与水下爆炸总能量进行线性拟合，结果见图2。由图2可知，在硼粉质量分数低于20%时，含硼炸药水下爆炸总能量与硼粉含量呈线性相关，其相关度达到0．996 59。

图2 硼含量与水下总能量关系曲线Fig．2 Relation curves of boron content and underwater total energy

炸药水下爆炸总能量与其爆热之间存在一定的关系：Qv＝γE0，式中：γ 为一常数，其大小与水下实验时炸药能量的损失多少有关。

将硼粉质量分数为20%内的含硼炸药爆热与水下爆炸总能量进行数据处理，结果见图3。由图3可知，在硼粉质量分数低于20%时，含硼炸药的爆热与水下爆炸总能量呈线性相关，其相关度达到0．995 47，关系式为Qv＝2 397．48＋1．02（Es＋Eb）。

2．3 RDX 基含硼炸药的作功能力

RDX 基含硼炸药的作功能力测试结果见表3。

图3 爆热与水下爆炸总能量的关系曲线Fig．3 Relation curves of heat of detonation and underwater total energy

表3 RDX 基含硼炸药的作功能力Table 3 Work capacity for RDX－based boron－contained explosive

由表3可知，在RDX 基炸药中加入硼粉可以提高炸药的作功能力，当硼粉质量分数为10%时，RDX 基含硼炸药的作功能力达到最大值，为1．649倍TNT 当量，然后随着硼粉含量的提高，炸药的作功能力缓慢下降。

3 结 论

（1）RDX 基炸药中加入硼粉后，可以明显提高炸药的爆热、水下爆炸能量和作功能力。

（2）硼粉质量分数为8%～25%时，RDX 基含硼炸药爆热先随硼粉含量的增加而增大，硼粉质量分数为20%时，爆热达到最大值7 162kJ／kg，然后随硼粉含量的增加而减小。

（3）硼粉质量分数为8%～20%时，RDX 基含硼炸药的气泡能和水下爆炸总能量随硼粉含量增加而增大。

（4）硼粉质量分数为8%～15%时，RDX 基含硼炸药的作功能力先随硼粉含量的增加而增大，当质量分数为10%时，作功能力达到最大值1．649倍TNT当量，之后作功能力随硼粉含量的增加而缓慢降低。

［1］ 王晓峰．军用混合炸药的发展趋势［J］．火炸药学报，2011，34（4）：1－4． WANG Xiao－feng．Developmental trends in military composite explosives［J］．Chinese Journal of Explosives and Propellants，2011，34（4）：1－4．

［2］ 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．

［3］ Makhov M．Explosion heat of boron－containing explosive compositions［C］∥Proc 35th Intern Annual Confer of ICT．Karlsruhe：ICT，2004，55：1－10．

［4］ Stiel L I，Baker E L，Capellos C．Jaguar procedures for detonation behavior of explosives containing boron［J］．Shock Compression of Condensed Matter，2009：448－451．

［5］ 王浩，王亲会，金大勇，等．DNTF 基含硼和含铝炸药的水下能量［J］．火炸药学报，2007，30（6）：38－40．WANG Hao，WANG Qin－hui，JIN Da－yong，et al．Underwater energy of DNTF based boron－contained and Aaluminum－contained explosive ［J］． Chinese Journal of Explosives and Propellants，2007，30（6）：38－40．

［6］ 封雪松，赵省向，刁小强，等．含硼金属炸药水下能量的实验研究［J］．火炸药学报，2009，32（5）：21－24．FENG Xue－song，ZHAO Sheng－xiang，DIAO Xiaoqiang，et al．Experimental research of underwater energy of explosive containing boron／metal［J］．Chinese Journal of Explosives and Propellants，2009，32（5）：21－24．

［7］ 任晓宁，邵颖慧，刘子如，等．硼金属化RDX 基炸药的热行为［J］．火炸药学报，2012，35（3）：47－51．REN Xiao－ning，SHAO Ying－hui，LIU Zi－ru，et al．Thermal behavior of boron metalized RDX－based explosives［J］．Chinese Journal of Explosives and Propellants，2012，35（3）：47－51．

［8］ 黄亚峰．复合金属化炸药及其能量释放机理研究［D］．西安：西安近代化学研究所，2004．