金属基可燃胶体配方试验研究

贾栓柱，甄建伟，杜仕国，俞卫博



金属基可燃胶体配方试验研究

贾栓柱，甄建伟，杜仕国，俞卫博

（陆军工程大学石家庄校区，河北 石家庄，050003）

基于采用金属基可燃胶体高温灼烧方式就地销毁未爆弹药，具有可操作性强、作业效率高、安全风险低、场地适应性强等优点，制备了不同配比的金属基胶体，并进行数十组对5mm厚铝板的灼烧试验。对比结果发现CuO燃烧产生气体，易造成喷溅现象；Al/Ni容易产生高温熔渣，但放热量低；最终得出两种高热剂含量分别为总质量的20%左右最合适，含量增大或减少都会影响熔穿效果。

金属基可燃胶体；未爆弹药；销毁；氧化铜；镍

实弹训练中，未爆弹药销毁处理主要采取炸毁[1-3]方法。如果采用就地引爆处理方式，受现场环境复杂、布置精度要求高等因素影响，往往需要人工放置炸药或其它引爆装置（如射流弹等）。然而近距离接触未爆弹药会给排爆人员带来危险，另外除未爆弹药内部炸药外还额外增加了炸药的当量，这对于某些靶场的安全防护距离可能无法保证。由此可见，传统方式具有人员操作安全性低、需要额外增加爆炸当量、处理周期长等缺点，难以满足训练过程实时、安全、高效处理的需要。对于移除处理方式，虽然可采用机器人移除，但是移除后的未爆弹药仍需要人工近距离接触操作处理，人员的安全问题仍未有效解决。

目前，铝热剂因其反应产生的高温及熔融态金属而被广泛应用在金属切割领域[4-11]，在弹药销毁领域也被广泛关注。采用金属基可燃胶体高温灼烧方式可实现射击训练场不增加额外爆炸当量条件下就地销毁未爆弹药，且具有可操作性强、作业效率高、安全风险低、场地适应性强等优点，特别适合于手榴弹、枪榴弹、子母弹子弹、单兵火箭弹等壳体较薄、弹体较小、战斗部壳体为低熔点合金材料的弹种。而这些弹种也正是训练中应用最多、未爆率最高、产生未爆弹药最多的。本研究针对金属基可燃胶体配方进行试验，以期获得较好的熔穿效果。

1 材料选择

金属基可燃胶体由于是胶体直接接触灼烧，不会有模具，因此需要燃烧平稳，燃烧过程不产生喷溅，以保证熔渣的有效利用和安全性。同时由于铝热剂在燃烧中热量较有模具时易散失，因此需要有较好的温度保持性；此外，金属基胶体铝热剂不宜采用产生大量气体的添加剂，大量气体的产生会使胶体分散，不利于热量的集中，但若添加可以提高接触熔渣温度的物质，则可有效提高灼烧能力。因此，本文选取以下几种材料：

（1）Al/Fe2O3，反应速度平稳，且热值高，粉状铝热剂反应温度可达2 500℃左右。

2Al+Fe2O3= 2Fe+Al2O3-827.6kJ/mol ≈ - 4.06kJ/g （1）

（2）Al/CuO，Al/CuO反应过程中会产生大量的热，热值甚至高于Al/Fe2O3，但是由于反应过程中CuO于1 015℃时会分解产生O2[12]，不宜大量采用。

2Al+3CuO = 3Cu+Al2O3-1 212.5kJ/mol≈ - 4.42kJ/g （2）

（3）Al/Ni，反应生成物NiAl的熔点为1 640℃，铁的熔化温度在1 500℃左右，Cu的熔点在1 083℃，因此在反应过程中，生成熔融的NiAl更有利于提高熔渣的温度。但是其反应的产生热值较低，因此也不易大量采用。

2 实验

本实验共进行数十组，每组铝热剂定量为50g。在所有实验结果中，挑选6组具有代表性的数据，如表1所示。

表1 各组成分质量配比 (%)

每组铝热剂总质量50g，按照表1中的质量配比，配置完后，再在每组药剂中加入5g Mg粉，混合均匀，加入15g所配置的特殊胶体进行混合润湿，制得所需胶体，然后置于厚度为5mm厚的铝板上，用打火机引燃，如图1（a）所示。

(a) 金属基可燃胶体的放置

(b) 金属基可燃胶体燃烧初期

图1 金属基可燃胶体的放置与引燃

Fig.1 Placement and ignition of metal-based combustible colloids

3 实验现象及分析

3.1 实验现象

在点燃胶体后，金属基胶体中的胶体首先被点燃，如图1（b）所示，待胶体燃烧基本完毕，铝热剂被引燃。高热剂燃烧过程如图2（a）所示，均会产生大量火焰，待高热剂燃烧完毕后，生成大量金属熔渣，由图2（b）可见在燃烧产物中心处为红色高温熔渣，核心部位甚至达到黄色。待金属熔渣逐渐冷却，轻轻刮去金属熔渣，观察铝板。

(a)胶体中铝热剂燃烧

(b) 胶体全部燃烧完毕

图2 金属基可燃胶体燃烧

Fig.2 Metal-based combustible colloid burning

6组燃烧实验后铝板如图3所示。

（a） 组1

（b） 组2

（c） 组3

（d） 组4

（e） 组5

（f） 组6

图3 金属基可燃胶体灼烧5mm厚铝板结果

Fig.3 Result of 5mm thick aluminum plate burned by metal-based combustible colloids

从图3可以看出，不同组分的铝热剂配比，其燃烧效果相差明显，对于组4、组5，铝板只是变形，并没有烧透，而组2效果最好，组3次之。

3.2 实验分析

组1组分为Al/Fe2O3，产生直径约10mm的孔洞，反应平稳，产生高温熔渣依附在铝板表面，使铝板熔透；组2组分包含20%Al/CuO与20%Al/Ni，产生直径约30mm的孔洞，燃烧过程中Al/CuO产生高温，Al/Ni又可提高熔渣温度，从而使灼烧侵蚀效果达到最好；组3组分包含20%Al/CuO与40%Al/Ni，燃烧产生长20mm、宽10mm的孔洞，虽然Al/Ni熔渣温度高，但是其燃烧热值较低，因此当含量过高时，反应产生热值降低，从而限制温度提升；组4组分包含40%Al/CuO与20%Al/Ni，燃烧后没有产生孔洞，虽然Al/CuO燃烧过程中产生高温，但是CuO在1 015℃高温时会分解产生氧气，CuO含量过高，使气体产量过大，导致药剂喷溅，如图4所示，因此熔渣得不到利用，效果反而下降。组5组分含40%Al/Ni，效果次于组3，因为相对于组3，组5缺少Al/CuO，而Al/CuO会产生高热，所以本组效果要差于组3；组6组分含40%Al/CuO，效果好于组4，因为相对于组4，组6中将20%Al/Ni替换为Al/Fe2O3，产生的热值要高于组4，但是此时由于Al/CuO会产生大量气体，因此两组都会产生大量喷溅，在此时，产生的高热值起到了关键作用。

（a） 燃烧过程

（b） 燃烧结果

图4 含40%CuO/Al的金属基可燃胶体燃烧现象

Fig.4 Combustible of metal-based combustible colloid with 40% CuO/Al

Al/CuO含量过高时会喷溅而导致效果下降，Al/Ni含量过高时会因热值较低效果同样下降，因此，为使金属基可燃胶体能够达到最好的燃烧效果，经过多组实验比较发现，当Al/CuO为20%，Al/Ni为20%，Al/Fe2O3为60%时，铝板熔穿效果最优。

4 结论

通过实验对比探究金属基可燃胶体配方，比较Al/CuO、Al/Ni、Al/Fe2O3不同配比的燃烧效果，发现当Al/CuO占粉体质量的20%、Al/Ni占粉体质量的20%、Al/Fe2O3占粉体质量的60%时，可以达到最佳效果，根据实验现象总结出原因如下：（1）Al/Fe2O3反应平稳，产生高温熔渣依附在铝板表面，50g时可使5mm铝板熔透；（2）Al/CuO燃烧过程中放出热量高于Al/Fe2O3，因此加入Al/CuO可以增加反应热，但是CuO在1 015℃会分解放出氧气，将反应物喷溅，导致熔渣得不到利用，实验结果也表明不适合大量加入。（3）Al/Ni反应生成物NiAl的熔点为1 640℃，铁的熔化温度在1 500℃左右，Cu的熔点在1 083℃，因此Al/Ni可提高熔渣温度，从而使灼烧侵蚀效果达到最好。虽然Al/Ni熔渣温度高，但是其燃烧热值较低，因此当含量过高时，反应产生热值降低，从而限制温度提升。

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Experimental Study on Formula of Metal-based Combustible Colloid

JIA Shuan-zhu，ZHEN Jian-wei，DU Shi-guo，YU Wei-bo

(Army Engineering University Shijiazhuang Campus，Shijiazhuang，050003)

To disposal the unexploded ammunition by metal-based combustible colloid high temperature burning, based on the advantages such as easy operation, high efficiency, low safety risk and so on, the metal-based combustible colloids with different component ratio were prepared, and the burning test for aluminum plate with 5mm thickness were carried out. The results show that CuO combustion produced gas, which was easy to cause splashing phenomenon, Al / Ni was easy to produce high temperature slag, while heat amount was small. The test concluded that the two kinds of high heat agent content in the total mass should be about 20%, higher or lower content will affect the penetration effect.

Metal-based combustible colloid；Unexploded ammunition；Disposal；Copper oxide；Nickel

TQ567.7

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2017.06.008

1003-1480（2017）06-0030-03

2017-10-20

贾栓柱（1993 -），男，在读硕士研究生，主要从事特种能源与防护材料研究。