硼含量对燃料空气炸药爆炸性能影响的试验研究

徐敏潇， 刘大斌， 徐森

(南京理工大学 化工学院， 江苏 南京 210094)



硼含量对燃料空气炸药爆炸性能影响的试验研究

徐敏潇， 刘大斌， 徐森

(南京理工大学 化工学院， 江苏 南京 210094)

为了解硼含量对燃料空气炸药爆炸性能的影响规律，将硼粉和铝粉作为高能金属燃料混合添加到燃料空气炸药(配方体系为铝/硼/环氧丙烷/石油醚/硝酸异丙酯)中，采用静爆试验法，对含硼量不同的燃料空气炸药爆炸超压、冲量及热效应进行研究。研究结果表明：随着燃料空气炸药中硼含量的增加，炸药的冲击波超压、超压冲量和热效应均先增大、后减小；当硼含量为12.5%时，炸药的地面冲击波超压冲量为112.51 KPa·s，比含铝样品高6.16%,空中冲击波超压冲量为63.42 KPa·s，比含铝样品高5.16%；当硼含量为12.5%时，最高爆炸温度是1 650 ℃，比含铝样品提高20 ℃，最大热辐射量为68.266 kJ/m2,比含铝样品的最大热辐射量提高约7.14%. 在含铝燃料空气炸药中添加少量硼粉，可以提高炸药的整体能量水平。

兵器科学与技术； 硼； 冲击波超压； 超压冲量； 最大热辐射量

0 引言

追求炸药的高能量一直是各国在研制炸药过程中考虑的一个重要因素，炸药能量水平的高低与其采用的高能成分的能量水平密切相关。除了高能单质炸药之外，在炸药中加入适量的金属粉(从而构成“金属化炸药”)能够显著提高炸药的能量[1]。目前已经有多种含金属粉炸药在各国的武器弹药中得到了应用。

燃料空气炸药作为一种非凝聚相炸药，其杀伤破坏作用主要依靠爆轰作用，空气冲击波、热毁伤及窒息作用。向燃料空气炸药中添加金属粉末是提高其能量最常用的方法，金属粉末在加热状态下点燃并释放大量的能量，不仅能提供爆炸初始阶段的冲击波能量，还能大大提高爆炸后的热效应[2-3]。目前，在炸药中应用的金属粉当中，研究和应用最多的是铝粉，铝粉的添加能够有效地提高炸药的能量[4]。铝粉是目前在炸药中应用较为广泛的金属粉，除了铝粉以外还有很多具有高能量密度的金属粉，例如硼等[5]。但关于硼粉等其他金属粉在炸药中使用的研究报道相对较少。从热力学角度看，硼的理论燃烧热要比铝的理论燃烧热高很多，硼的质量热值为镁的2.3倍、铝的1.9倍，体积热值为镁的3.09倍、铝的1.66倍，理论上硼粉相对于目前广泛使用的铝粉能够进一步提高炸药的能量水平[6-7]。Makhov等[8]研究指出在炸药中加入硼粉可以显著提高炸药的爆热；黄亚峰等[9]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[10]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总能量。但以上文献中，均没有考虑在燃料空气炸药这种云爆剂中添加硼粉作为金属燃烧剂的情况。燃料空气炸药的威力评价一般采用爆炸场效应法，该方法主要利用冲击波峰值超压Δp、正压持续时间t+和比冲量I3个参数表征冲击波的毁伤作用[11]。结合硼的热值高，但存在熔点高、点火困难及燃烧效率低的问题[12]，本文以硼粉和铝粉混合作为金属燃烧剂，石油醚为燃料油，硝酸异丙酯为敏化剂，通过二次起爆型燃料空气炸药静爆场试验方法研究硼含量对含金属粉燃料空气炸药能量的影响，确定燃料空气炸药综合爆炸威力最大时候硼的添加量。

1 试验原理

燃料空气炸药在空中爆炸属于分布爆炸，其反应实质是燃料蒸汽或金属粉粒与空气中的氧气发生的剧烈氧化反应。由于燃料空气炸药抛洒云雾占有一定的体积并形成特有的云雾爆轰区，在云雾区及其边界附近压力比较稳定，并不因为距离的变化而衰减，这和爆炸相似律是相违背的。但是在距离云雾爆轰区较远的中、远场，燃料空气炸药爆轰产生的超压和普通炸药一样，服从空中爆炸相似律[13]。

Cook等[14]认为，含铝炸药爆轰时在Chapmen-Jouguet面之前铝粉并不参加化学反应，即使铝粉参与了化学反应，但在达到Chapmen-Jouguet面时也远远没有反应完全。铝粉的反应是在Chapmen-Jouguet面之后，当爆轰产物膨胀时才逐渐完成的。由于燃料空气炸药中的燃料反应速度要慢于普通炸药，且部分燃料燃烧时间较长，因而燃料空气炸药爆炸反应速度比高能炸药缓慢复杂，持续时间长，燃料空气炸药爆炸冲击波具有中心超压较低、冲击波超压随距离衰减缓慢且在云雾区超压比较稳定、正压作用时间长的特点。

燃料空气炸药可以通过爆炸场冲击波超压，冲击波超压冲量及热效应来衡量其爆炸能量。

1.1 冲击波超压

冲击波压力峰值超压Δp指的是空气冲击波到达时刻超过环境压力的超压峰值：

Δp=pmax-p0，

(1)

式中：p0为环境压力。

1.2 超压冲量

正压作用时间t+是指超压从环境压力升高到它的正超压峰值后再回复到环境压力所需要的时间。

正超压冲量I的定义为

(2)

1.3 热辐射量

燃料空气炸药热辐射破坏符合Q准则，如果将热辐射功率对时间t进行积分，就可以得到炸药从点火到火球熄灭(火球的可见光消失)过程中，火球表面单位面积的热辐射量q，即

q=∫εδT4dt,

(3)

式中：δ为斯蒂芬·波尔茨曼常数，δ=5.67×10-8W/(m2·K4)；T为物体的实际温度；ε为灰体表面比辐射率。

为了便于研究火球的热辐射毁伤效应，本文只计算可能通过爆炸火球表面单位面积的最大热辐射量qmax，其公式为

(4)

式中：Tmax是指某一时刻爆炸火球表面的最高温度[15]。

2 试验样品及设备

2.1 试验样品

试验用燃料空气炸药配方为Al/B/环氧丙烷(PO)/石油醚/硝酸异丙酯(IPN)(硼的比表面积为3.5～5 m2/g，D50为3 μm；铝粉为4号片状铝粉)。将1 040 g燃料空气炸药装配到弹体(壳体为硬聚氯乙烯(UPVC)质圆管形,高度200 mm，直径170 mm，弹壁厚度3 mm)中，以50 g钝化黑索今(RDX)药柱(直径25 mm，高度60 mm)作为传爆药柱，采用8号工业雷管进行起爆。固定炸药配方中金属粉的总质量分数不变，调整其中硼和铝的添加量见表1.

表1 样品组分及配比Tab.1 Composition and content of sample

2.2 测试仪器及试验布置

超压测试装置采用高频响应自动化数字测量系统，主要由瑞士Kister公司产石英压电压力传感器、国产5358 型电荷放大器、JV5201型瞬态波存储仪及控制系统组成。利用Micronscan 7200红外热成像系统记录的爆炸温度场图像和数据[16]。

试验场的现场布置如图1所示。以爆心为起点的呈45°两条力学线分别布置了测量地面超压和空中超压的传感器，在距离炸点1.5 m处分别布置2次起爆药柱，在距离炸点25 m处的防护装置后布置了高速摄像仪和红外热成像仪。压力传感器布置见图1.

图1 压力传感器布置示意图Fig.1 Layout diagram of pressure sensors

3 试验结果及分析

3.1 超压及超压冲量试验

在室外静爆场，按照图1示意图进行场地布置，对1号～6号样品静爆场爆炸试验，每种样品平行测试3次，取平均值。各样品冲击波超压测试结果分别见表2和表3，冲击波冲量测试结果分布见表4和表5.

表2 地面反射冲击波超压测试结果Tab.2 Test results of ground reflected shockwave overpressure MPa

表3 自由场冲击波超压测试结果Tab.3 Test results of shock wave overpressurein free field MPa

表4 地面反射冲击波冲量测试结果Tab.4 Test results of ground reflected impulse kPa·s

表5 自由场冲击波冲量测试结果Tab.5 Test results of impulse in free field kPa·s

从表2地面反射冲击波超压测试结果和表3自由场冲击波超压测试结果可知，按照1号样品到6号样品的顺序，样品的静爆场爆炸冲击波超压呈逐渐增大的趋势，从表4和表5可以看出静爆场冲击波冲量呈先增大再减小的趋势。也就是含纯铝粉的样品爆炸时产生的冲击波超压高于含硼铝混合物的样品爆炸时产生的冲击波超压。5号样品爆炸产生的冲击波冲量值最大，即当硼铝混合物中硼的质量百分含量为12.5%时(5号样品)，样品的地面反射冲击波冲量最大值为112.51 KPa·s，比含纯铝样品的地面反射冲击波冲量提高约6.16%；样品的自由场冲击波冲量最大值为63.42 KPa·s，比含纯铝样品的自由场冲击波冲量提高约5.16%. 随着硼粉质量分数的降低直到0，样品的冲击波超压值有所降低，而冲击波冲量值却有所提高。这是由于硼粉的自身氧化速度和氧化效率与铝粉相比较低，在硼粉含量较高的情况下，有大量的硼粉因为熔点高、反应速度慢及表面氧化形成的氧化物堆积，引起反应中断不能充分参与反应，导致燃料空气炸药的冲击波能量降低。在硼铝混合物中铝粉含量较高的情况下，铝粉燃烧释放大量的热量能够加大硼粉在爆轰过程中的氧化速率和氧化效率，但硼粉对冲击波超压的贡献仍低于铝粉，只能通过后燃反应期间产生的能量减缓空气中冲击波的衰减，来提高产生的冲击波冲量。因此，金属粉中加入硼粉并不利于燃料空气炸药冲击波超压的提高，但在合适的配比下，硼粉较长时间的后燃反应及较高的能量释放有利于提高燃料空气炸药的冲击波超压冲量。

3.2 热毁伤效应

通过Micronscan 7200红外热成像系统分别对每种样品爆炸过程中的火球红外辐射能量进行记录。图2为样品爆炸过程中红外热成像系统拍到的火球红外热成像图，图中有两条互相垂直的直线，图3上各点分别代表不同样品爆炸产生的火球在两条直线上的最高爆炸温度。

图2 火球表面红外成像图Fig.2 Infrared imaging of fireball

图3 样品最高爆炸温度Fig.3 Maximum blast temperature of sample

从图3及表6的测试结果可以看出，将硼铝混合物添加到燃料空气炸药中，随着硼含量的降低，云雾爆轰过程中产生的温度场最高爆炸温度和最大热辐射量呈增大趋势。当硼的含量降到12.5%时(5号样品)，样品的最高爆炸温度为1 650 ℃，最大热辐射量为68.266 kJ/m2,比纯铝样品的最大热辐射量提高约7.14%.

表6 样品最大热辐射量Tab.6 Maximum thermal radiation of sample

结合Cook等的对含铝炸药爆轰的看法以及燃料空气炸药的爆炸特性分析可知，样品爆炸反应过程的第1步是中心药柱爆炸将燃料颗粒抛洒到空中形成云雾，第2步是液体燃料被2次起爆药引燃，第3步是硼粉和铝粉参与反应。硼粉比铝粉具有更高的热力学潜能，其理论燃烧热值约为铝粉的2倍，理论上将其用于燃料空气炸药有利于提高炸药的能量。但是在燃料空气炸药爆炸过程中，由于硼粉的熔点较高，且其颗粒表面本来就有一层氧化膜，同时在燃烧过程中硼粉颗粒的表面会进一步氧化形成B2O3的富集，从而阻碍硼粉的充分反应。如果在燃料空气炸药中添加较多比例的硼，其能量较难快速充分的释放出来，反而会降低燃料空气炸药的整体输出能量。而将适当比例硼粉和铝粉的混合物应用到燃料空气炸药中时，由于铝粉的熔点较低，为660 ℃，较易在爆轰过程中气化和氧化，氧化时释放出大量的能量,产生的高温环境不仅有利于硼粉表面氧化膜的破裂及硼的气化，同时铝还有助于去除硼的氧化物B2O3，有利于提高硼粉的氧化效率[17-19]。因此将适当配比的硼粉和铝粉的混合物添加到燃料空气炸药中有利于爆炸总能量的提高，但由于硼粉的能量释放速率较低，产生的后燃效果持续时间更长，放出的大量能量主要体现在爆轰后的火球热效应上。

从表4、表5和表6的数据可以看出，当硼铝混合物中硼的质量分数为12.5%时(5号样品)，样品的冲击波冲量值最大，最大热辐射量值最高。这是由于硼的高热值和后燃特性，对燃料空气炸药的爆炸场产生了影响。

4 结论

研究硼含量对配方体系为B/Al/PO/石油醚/IPN的燃料空气炸药爆炸能量的影响，采用测量冲击波超压、超压冲量、爆炸场温度、热辐射量的方法对样品爆炸能量进行评估，可以得到以下结论：

1)在含铝粉燃料空气炸药中添加高热值的硼粉，对总能量的贡献体现在冲击波冲量及热辐射量上。与铝粉相比，硼粉对爆炸场冲击波超压的贡献相对较小。

2)在1 kg级燃料空气炸药中，金属燃料硼铝混合物中硼的质量分数为12.5%是最佳配比值。含该配比金属粉的燃料空气炸药与含纯铝燃料空气炸药相比，地面冲击波冲量提高约6.16%，空中冲击波冲量提高约5.16%，最大热辐射量提高约7.14%.

3)在燃料空气炸药中，将铝粉和少量的硼粉配合使用，铝粉燃烧所释放的能量可以促使硼粉能量更加快速充分的释放，有利于提高燃料空气炸药爆炸总能量。

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Experimental Study of Influence of Boron Content on ExplosionPerformance of Fuel-air Explosive

XU Min-xiao, LIU Da-bin, XU Sen

(School of Chemical Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, Jiangsu, China)

In order to know the influence of boron content on explosion performance of fuel-air explosive, the mixture of boron and aluminum is added to fuel-air explosive with formulation of B/Al/PO/petroleum ether/IPN, and a static explosion is performed to study the influence of boron content in the mixture on the explosion overpressure, impulse and heating effect. The test results indicate that the explosion overpressure, impulse and heating effect increase firstly and then decrease with the increase in boron content in fuel air explosive (FAE). When the mass fraction of boron is 12.5%, the ground impulse of the explosive reaches to 112.51 KPa·s, which is 6.16% higher than that of the aluminized FAE. When the mass fraction of boron is 12.5%, the explosion temperature reaches to 1 250 ℃, which is 20 ℃ higher than that of the aluminized FAE. When the mass fraction of boron is 12.5%, the biggest thermal radiation reaches to 68.266 kJ/m2, which is 7.14% higher than that of the aluminized FAE. Adding some boron powders to Al-B mixture can improve the underwater detonation energy of the aluminized FAE.

ordnance science and technology; boron; overpressure; impulse; maximum thermal fraction

2016-07-28

徐敏潇(1982—)， 男， 博士研究生。 E-mail: xuminxiao@163.com

刘大斌(1963—)， 男， 教授， 博士生导师。 E-mail: dabin63@vip.sina.com

TQ564.4+3

A

1000-1093(2017)05-0886-06

10.3969/j.issn.1000-1093.2017.05.007