含硼储氢合金炸药能量研究

方　伟，封雪松，赵省向

（西安近代化学研究所，陕西 西安，710065）

含硼储氢合金炸药能量研究

方伟，封雪松，赵省向

（西安近代化学研究所，陕西 西安，710065）

设计了3种含硼储氢合金炸药的配方，通过进行水下爆炸实验，对水下爆炸能量输出进行了研究，并对含硼储氢合金炸药的能量进行理论分析。结果表明，氢氧化产生的高温环境和水蒸气能够促进硼粉表面氧化层的蒸发和分解，从而提高硼粉的氧化速率和氧化率；含硼储氢合金炸药之所以产生高能量，是含硼合金与氢气共同作用的结果。

炸药；含硼储氢合金；硼；水下爆炸；能量

含硼储氢合金燃烧剂是一类由硼和金属氢化物以及高含能金属（铝、镁等）通过特定方法复合而成的具有特定空间相结构的新型可燃剂，其中氢元素以氢化镁的形式储存于合金体系中[1]。含硼储氢合金具有较高的稳定性，能够解决金属氢化物虽然能量较高，但化学性质不稳定、与炸药相容性差等问题。硼与铝相比具有更高的质量热值和体积热值[2]，但硼氧化时表面形成沸点较高的液态氧化层，阻碍了硼与氧化剂的继续反应，使其燃烧效率低下[3]，国外研究者探讨了氢的燃烧产物与硼表面氧化层之间的反应机理[4-5]。

本文设计了几种含储氢合金炸药的配方，与含铝炸药及含硼铝混合金属粉炸药一起进行了水下爆炸实验，并对含硼储氢合金炸药的能量进行了理论分析，研究了含硼储氢合金炸药的能量输出，探讨了含硼储氢合金在炸药爆炸过程中的反应机理。

1　实验部分

1.1材料及实验样品制备

材料：RDX，八类；含硼储氢合金，见表1；铝粉， 4～5μ m；硼粉，粒度0.12μ m，纯度93.9%；石蜡；EVA(乙烯醋酸乙烯共聚物)；硬脂酸；石油醚。实验样品采用直接法制备，以石油醚为溶剂，RDX为主体炸药，用石蜡对其进行包覆，加入一定量的可燃剂（含硼储氢合金、Al粉或Al粉与B粉的混合物），以一定比例的EVA与硬脂酸的混合物作粘结剂；将石蜡包覆的RDX、可燃剂和粘结剂溶液在26℃下混合，搅拌均匀，待溶剂挥发后，强制过筛造粒，烘干后压制成Ф50mm、180～200 g/发的药柱备用。所有样品中石蜡的质量百分含量为2%，EVA和硬脂酸的质量百分含量分别为2%和1%。含硼储氢合金水下爆炸实验炸药样品配方见表2。

表1　几种含硼储氢合金燃烧剂的化学组成　（%）Tab.1　Composition of boron-containing hydrogen-storage-alloy

表2　炸药样品配方Tab.2　Formula of explosive

1.2水下爆炸实验

水下爆炸实验布局如图1所示。

图1　水下爆炸实验布局图Fig.1　Layout of the underwater explosion experiment

图1中大水池深度9.5m，直径12m，样品和传感器入水深度均为6.3m，4个PCB138A型电气石水下激波传感器安装在距爆心的水平1.2m和1.8m处，两侧对称放置。

2　实验结果及分析

2.1实验结果分析

在水中爆炸实验条件下，进行了1至5号炸药配方的水下爆炸实验。其中1号含铝炸药配方及5号含硼铝混合金属粉配方用作与含硼储氢合金炸药配方对比。通过测试及数据处理得到冲击波能量和气泡能[6-7]，结果如表3所示。

表3　水下爆炸能量Tab.3　Energy of underwater explosion

从表3测试结果可知，含A-1、A-3配方的总能量高于1号含铝配方；含A-2配方的比冲击波能、比气泡能均低于含铝配方；其中A-1配方的比冲击波能与含铝配方相近，比气泡能高于含铝配方；含A-3配方的比冲击波能低于含铝配方，比气泡能高于含铝配方；含30%铝硼混合金属粉的5号配方能量最低，其原因一方面是由于硼表面液态氧化层阻碍其氧化放热，另一方面是该配方的负氧程度很高（见表4），硼氧化不够充分。

表4　炸药配方的氧值计算Tab.4　Oxygen content of formula

图2为硼含量与水下能量关系，可以看出，随着配方中硼含量递增（2号配方含硼3.72%、3号含硼6.48%、4号含硼10.08%）、铝粉含量递减（1号配方含铝30%、2号含铝21.2%、3号含铝14.88%、4号不含铝），比冲能先降低后升高，能量变化幅度很小；比气泡能先升高后降低再升高，变化幅度较大；总能量具有与比气泡能相同的变化趋势。含A-1配方的比冲击波能和比气泡能最高，含A-2配方的比冲击波能和比气泡能最低，含A-3配方的比冲击波能和比气泡能均高于含A-2配方，但低于含A-1配方。

图2　储氢合金中硼含量与水下能量的关系Fig.2　Relationship between boron content of hydrogen-storage-alloy and underwater explosion energy

1至3号配方的比气泡能先升后降再升的变化趋势，可用配方的缺氧程度加以分析。如表4所示，2号与1号配方相比负氧程度较小，所含的硼能够较充分地氧化，而硼比铝具有更高的质量热值，所以具有较高的能量；随着硼含量提高，3号配方负氧程度较高，造成硼粉氧化不充分，比气泡能下降。4号配方在负氧量更大的情况下能量高于3号配方，原因是氢含量较高，氧化释放出较高能量造成高温环境，同时生成水蒸气，而高温环境有利于硼粉表面氧化层的蒸发，水蒸气能够与硼粉表面的氧化层发生放热反应（1）和（2），这两个方面均有利于氧化层的消除和促进硼的继续氧化[4-5]。

0.5H2O(g)+0.5B2O (l) = HBO2(g) + 63kJ/mol（1）1.5H2O(g)+1.5B2O3(l)=H3B3O6(g)+28 kJ/mol（2）2.2含硼储氢合金炸药能量的理论分析

与含铝炸药相比，含储氢合金炸药的能量具有一定优势，是由于炸药爆轰时，氢、铝、镁等易燃物质首先发生氧化反应，释放能量，造成高温环境；随后硼在此高温环境下，与剩余氧和氢气氧化产生的水蒸气进行氧化反应释放出较高能量。依据此反应机理，在100g试样在理想状况下，即炸药中所含氧除用于氧化金属铝、镁外，全部用于硼的氧化，对2、3、4号炸药配方的能量进行了理论计算。结果含A-1和A-2的配方随着硼含量的升高，爆热值由953.8kJ/100g降低至931.5kJ/100g，与水下实验测试结果一致；含A-3配方爆热计算值为902.2kJ/100g，A-3可燃剂不含铝，由于A-3中镁粉耗氧量低且放热速度快于铝粉，氢含量高于另外两种可燃剂，爆炸过程中的氧化产物可以促进硼粉氧化放热，所以其实测水下能量高于含A-2的配方。

从能量计算结果可知，含硼储氢合金在爆轰反应过程中，基本遵循活泼金属和氢气首先氧化产生高温，随后硼开始氧化的反应顺序。但在随后的反应中，并不是氢和活泼金属反应完全后，硼才开始反应，而是在高温环境下，硼与活泼金属相互竞争，同时发生氧化反应。根据上述分析，含硼储氢合金之所以能够产生高能量，是硼与活泼金属及氢共同作用的结果。

3　结论

（1）含30%铝硼混合金属粉配方的水下爆炸能量最低，其原因一方面是由于硼表面液态氧化层阻碍其氧化放热，另一方面是由于配方的负氧程度高，硼氧化不够充分。（2）在氢含量相差不多的情况下，负氧程度是含硼储氢合金炸药水下爆炸能量的影响因素之一，负氧程度越高，其水下爆炸能量越低。（3）氢氧化产生的高温环境和水蒸气能够促进硼粉表面氧化层的蒸发和分解，从而提高硼粉的氧化速率和氧化率。（4）含硼储氢合金爆轰过程中，基本遵循活泼金属和氢气首先氧化产生高温，随后硼开始氧化的反应顺序，但并不是氢和活泼金属反应完全后，硼才开始反应，而是在高温环境下，硼与活泼金属相互竞争，同时发生氧化反应。含硼储氢合金炸药之所以产生高能量，是含硼合金与氢气共同作用的结果。

[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.

[2] 王晓峰，郝仲璋.炸药发展中的新技术[J].火炸药学报，2002，25(2):35-37.

[3] 王浩,王亲会. DNTF基含硼和含铝炸药水下能量[J].火炸药学报, 2007,30(6):38-40.

[4] Glassman I，Williams F A， Antaki P. A physical and chemical interpretation of boron particle combustion, Twentieth symposium(international) on combustion[R].The Combustion Institute, 1984.

[5] Yetter R A,Rabitz H,Dryer F L. Kinetics of high-tempera- ture B/O/H/C chemistry[J].Combustion and Flame,1991,83(1):43-46.

[6] 周俊祥,于国辉.RDX/Al含铝炸药水下爆炸试验研究[J].爆破,2005,22(2):4-6.

[7] 周霖,徐少辉,徐更光.炸药水下爆炸能量输出特性研究[J].兵工学报,2006,27(2):235-238.

Research on the Explosion Energy of Explosive with Boron-containing Hydrogen-storage-alloy

FANG Wei, FENG Xue-song, ZHAO Sheng-xiang
(Xi’an Modern Chemistry Research Institute, Xi’an, 710065)

In this paper, three formulas of explosive with boron-containing hydrogen-storage-alloy were designed, the underwater explosion energy was tested, and the energy of explosive with boron-containing hydrogen-storage-alloy were researched theoretically. The result shows that high temperature and vapour generated by combustion of hydrogen can promote the process of evaporation and disintegration of B2O3on surface of boron particles, thereby it improves the oxidation velocity and ratio of boron particles. It’s the combined reaction of boron-containing alloy with hydrogen that explosive with boron-containing hydrogen-storage-alloy releases high energy.

Explosive；Boron-containing hydrogen-storage-alloy；Boron；Underwater explosion；Energy

TQ564

A

1003-1480（2015）02-0036-03

2014-09-10

方伟（1982-），男，工程师，从事混合炸药配方及工艺研究。