提高硼粉的爆炸反应性研究

封雪松，田 轩，徐洪涛，赵 娟



提高硼粉的爆炸反应性研究

封雪松，田 轩，徐洪涛，赵 娟

（西安近代化学研究所，陕西 西安，710065）

为了有效提高含硼炸药的爆轰能量，基于影响硼粉反应性的因素，通过选择粒度及纯度、添加活泼金属、制备含硼储氢合金、使用含氟粘结剂等技术手段，改善了爆炸过程中硼粉的氧化，提高了硼粉的爆炸反应性。水下爆炸试验结果表明，上述技术途径均能有效提高含硼炸药的爆轰能量释放。

炸药；硼；活泼金属；金属氢化物；含氟粘结剂；水下爆炸

硼粉具有约2倍于铝粉的体积热值和质量热值，是具有良好应用前景的高能材料，应开展其在高能炸药领域的应用研究。目前硼在炸药中的应用问题包括以下几方面：（1）单质硼的熔沸点较高，难以熔化和气化；（2）氧化生成的B2O3沸点较高，呈粘性氧化层在颗粒表面堆积，阻碍了硼的进一步氧化；（3）硼颗粒氧化反应速率低，生成中间产物多，且耗氧量大。在炸药爆轰的短暂时标范围内，提高硼的氧化速率和氧化率即提高硼的反应性，才能实现炸药能量性能的提高。目前含硼炸药与含铝炸药相比，能量上并未产生明显优势[1-2]，应开展爆炸过程中硼粉反应性的影响因素研究，推进高能量材料硼在炸药中的应用进程。

在含硼炸药的能量研究中，笔者通过改变硼粉粒度及纯度、与易燃金属混合、与金属氢化物混合、与含氟粘结剂混合等方法，通过目前较为精确的水下爆炸测试手段，对含硼炸药的能量输出进行了表征分析，研究了提高硼粉爆炸反应性的有效途径。

1 试验

1.1 样品制备

以黑索今RDX或奥克托今HMX为主体炸药，分别加入一定含量硼粉、易燃金属或金属化合物、粘结剂，采用直接混合工艺制备一系列不同的含硼炸药样品，压制一定尺寸药柱备用。本试验所用硼粉共分3类：B1为营口硼粉，(0.5):3.682μm，纯度92.5%；B2为保定硼粉，(0.5)：11.635μm，纯度93.7%；B3为丹东硼粉，(0.5)：0.120μm，纯度97%。B3硼粉的粒度最低、纯度最高，B2与B1硼粉纯度相近，但粒度较高。

1.2 试验方法

水中爆炸参数的测量：将长径比为1~1.2的圆柱形炸药试样，放置到水下一定深度，装药轴线为垂直布置；采用端部垂直引爆，在距装药一定距离处，安装测压传感器，测定冲击波压力随时间的变化及从爆轰到气泡第1次收缩的振荡周期。通过测试得到冲击波压力——时间曲线、爆轰开始到气泡第1次收缩的振荡周期等，经过数据处理得到冲击波能量和气泡能[3-5]。当装药深度为水池总深度的2/3时，来自水面和池底的边界效应互相抵消，结果较为精确。试验布局如图1所示。

图1 大水池水下试验布局

2 试验结果与讨论

2.1 粒度和纯度硼粉对含硼炸药能量的影响

在配方主炸药RDX含量为63.5％、粘结剂含量为1.5％、铝硼混合金属粉含量为（17.5%/17.5%）、大水池试验条件下，通过水下爆炸试验进行3种硼粉对炸药能量的影响测试，结果见表1。

表1 RDX基35% Al-B混合金属粉炸药大水池水下爆炸能量

Tab.1 Under-water performance of 35% Al-B compound- metal containing explosive based RDX

由表1可见，含B2硼粉配方的水下比冲击波能、比气泡能和总能量低于含B1配方，说明硼粉纯度相近的情况下，含低粒度B1硼粉的炸药爆炸能量较高。

在主炸药RDX含量为63.5％、粘结剂含量为1.5％、小水池试验条件下，改变硼粉种类，测试了含Al-B/（20%/15%）配方的水下能量，结果如表2所示。

表2 含不同硼粉RDX基35%Al-B混合金属粉炸药小水池水下爆炸能量

Tab.2 Under-water performance of 35% Al-B compound- metal containing explosive based RDX

由表2可以看出，含B1硼粉的炸药水下比冲击波能、比气泡能和总能量低于含B3硼粉的炸药，B3硼粉的粒度较低、纯度较高，在炸药的爆轰反应中的氧化速率和氧化效率较高，因此释放出较高的能量。

2.2 活泼金属对含硼炸药的能量影响

以奥克托今为主炸药，加入一定量的硼粉和易燃金属粉（铝粉、镁粉、镁铝合金），与少量EVA粘结剂（碳氢类）混合，制样成型备用。硼粉为B1硼粉；铝粉为球形铝粉，50为4.5~5.5μm；镁粉和镁铝合金粉为磨削粉。

设计了HMX基含硼炸药配方HMX75.5/ B20/ EVA4.5，以易燃金属粉替代其中的部分硼粉，通过水下试验进行了几种配方的能量比较，结果见表3。

表3 HMX基含20%混合金属粉炸药小水池水下爆炸能量

Tab.3 Under-water performance of 20% compound- metal containing explosive based HMX

在爆轰过程中易燃金属先行氧化，释放出的热量为硼粉的氧化提供了高温的环境；同时由于镁粉、镁铝合金粉、铝粉氧化的耗氧量较低，为硼粉的氧化提供了较多的剩余氧，故提高了爆轰过程中硼粉的氧化速度和氧化效率，进而提高了爆轰的能量释放；但由于镁和镁铝合金本身氧化热值较低，加入铝粉对能量的提高最大。

2.3 粘结剂对含硼炸药的能量影响

依据全氧氧化法设计了RDX基含硼炸药配方RDX75/B20/粘结剂5，分别采用EVA(碳氢类)、BAMO-AMMO（叠氮类）、F2603（含氟类）3种不同粘结剂制样，通过水下爆炸试验，进行了配方的能量比较，结果见表4。

表4 RDX基3种粘结剂含硼炸药的小水池水下爆炸能量

Tab.4 Under-water performance of boron containing explosive based RDX with three binders

从表4可以看出，无论是比冲击波能还是比气泡能，以F2603、BAMO-AMMO为粘结剂的配方能量均高于以EVA为粘结剂的配方，其中F2603对含硼炸药的能量提高最大。F2603提高含硼炸药能量是由于含氟粘结剂分解产生的含氟物质可能与硼颗粒表面的氧化层反应[6-8]，通过去除硼粉表面的氧化层而加速硼的氧化，从而产生较高能量，高于叠氮类含能粘结剂的作用，碳氢粘结剂因无法促进和改善硼粉的氧化，能量释放少。

目前常用的含氟粘结剂包括F2311(偏氟乙烯与三氟氯乙烯共聚物)、F2603(偏氟乙烯和六氟丙烯的共聚物)、F246G(偏氟乙烯、四氟乙烯与六氟丙烯共聚物)，3种粘结剂的氟含量各不相同， F246G最高(67.8%)，F2603次之(65.5%)，F2311最低(52.6%)。RDX基不同含氟粘结剂含硼混合炸药水下爆炸能量的测试结果如表5所示。

表5 RDX基含氟粘结剂含硼混合炸药水下爆炸能量

Tab.5 Under-water performance of boron-containing explosive based RDX with three fluorine-binders

从表5可以看出，含F246G炸药能量最高，F2603次之，F2311能量最低，这与粘结剂氟含量的高低顺序一致。说明粘结剂含量相同时，氟含量越高，含硼炸药的能量越高。

2.4 金属氢化物对含硼炸药的能量影响

将金属氢化物与硼粉复合制备储氢合金，选择的储氢合金为铝镁硼体系，其中氢元素以氢化镁的形式储存于合金体系中，与高含能金属硼、铝等通过球磨混合制备合金，其化学组成如表6所示。

以RDX为主体炸药，加入一定量含硼储氢合金，以碳氢类EVA为粘结剂，混合制样。在大水池进行含硼储氢合金炸药的水下能量测试，并与含铝硼混合金属粉的配方进行能量比较，试验结果见表7。表7结果表明，在不使用含氟粘结剂时，氢化镁与硼粉、铝粉复合制备的储氢合金水下总能量高于不含氢的含铝炸药配方。利用氢化镁氧化释放出高热量和水蒸气，前者提供高温环境，有利于硼粉表面氧化层的蒸发；后者能够与硼粉表面的氧化层反应[9-10]，有利于氧化层的移除和硼粉的继续氧化；两方面共同作用，硼粉得以快速氧化释放能量。

表6 几种含硼储氢合金燃烧剂的化学组成

Tab.6 Formation of hydrogen storage alloy

表7 RDX基储氢合金炸药的大水池水下能量

Tab.7 Under-water performance of hydrogen storage alloy-containing explosive based RDX

A1、A2、A4合金中硼含量基本不变，随着MgH2含量降低和Al含量升高，含A1、A2、A4合金的炸药的水下比冲击波能、比气泡能和总能量变化趋势表现为先降低后升高。说明在一定的负氧范围内，氧化热值较高的铝和易燃但氧化热值较低的镁配比合适，才能有利于能量的提高；在A4合金的基础上，减少铝粉含量、少量增加硼粉和镁粉含量制成的A3合金，负氧程度加剧，含A3合金炸药的各项能量均出现下降，说明提高硼粉含量加剧负氧程度可能降低配方能量；氢化镁的加入能够改善和加速硼粉的氧化，同时改善炸药的爆容，但配方的总能量最终仍由氧含量和铝硼镁金属的含量配比决定。

3 结论

（1）在炸药爆轰过程中，硼粉的粒度越低、纯度越高，在爆轰反应中反应性即氧化速率越高，因此释放出较高的能量。

（2）硼粉与易燃活泼金属粉包括铝粉、镁粉在炸药中混合使用，易燃金属粉的放热反应能够促进硼粉的氧化，提高能量输出。

（3）在3种不同粘结剂（EVA、F2603、BAMO- AMMO）中，使用含氟粘结剂的含硼炸药的能量最高；这是由于含氟粘结剂的分解产物能够作用于硼粉表面的氧化膜，有效提高硼粉的氧化效率。

（4）在不含氟的条件下，金属氢化物在爆轰过程中氧化放热产生的高温环境和水蒸气，能够改善硼的反应性。

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Research on Improvement in Boron Reactivity by Explosion

FENG Xue-song, TIAN Xuan, XU Hong-tao, ZHAO Juan

(Xi’an Modern Chemistry Research Institute, Xi’an, 710065)

In order to improve the detonation energy of explosive, based on the factors affecting boron-reactivity in explosion, through selecting particle size and purity, adding reactive metal, preparing hydrogen-alloy containing boron, using fluorine-binder, the boron-oxidation and reactivity during explosion was improved. The under-water explosion results show that, detonation energy output of boron-explosive can be effectively increased by above ways.

Explosives；Boron；Reactive metal；Metal hydride；Fluorine-binder；Underwater explosion

1003-1480（2018）02-0044-04

TQ564

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2018.02.012

2017-08-23

封雪松（1973 -），女，副研究员，主要从事爆轰化学研究。