α-AlH3对HMX基炸药爆轰参数的影响

牛 磊，王亲会，曹少庭，牛国涛，金大勇，王淑萍



α-AlH3对HMX基炸药爆轰参数的影响

牛 磊，王亲会，曹少庭，牛国涛，金大勇，王淑萍

（西安近代化学研究所，陕西 西安，710065）

为了研究α-AlH3对混合炸药爆轰性能的影响，设计了不同配比含α-AlH3和铝粉系列炸药配方。采用直接法制备炸药造型粉，用模压法制备测试用药柱，分别进行了爆热和爆速测试。研究结果表明：HMX基含α-AlH3炸药爆热随着α-AlH3含量的增加而增加，与含铝炸药爆热的变化趋势一致，其爆热值与同质量分数含铝炸药相当；HMX基含α-AlH3炸药爆速随α-AlH3含量增加呈下降趋势，相对密度相同时同质量分数含α-AlH3炸药的爆速低于含铝炸药。

α-AlH3；爆热；爆速；含铝炸药

AlH3是一种有广泛应用前景的还原剂，目前发现的共有8种晶型，其中α型最为稳定。α-AlH3密度为1.477g/cm3，与液态氢（0.071gH2/cm3)相比具有更高的储氢密度（0.148gH2/cm3）[1]，该特性使其在含能材料领域具有广泛的应用前景。近年来国内外在α-AlH3合成、稳定化及在推进剂应用领域进行了系列研究[2-5]。α-AlH3释氢规律的研究表明α-AlH3在高加热速率下可以达到很高的释氢速率，氢的释放受其在晶体中扩散过程控制，而不是Al-H断裂反应控制；AlH3点火行为研究表明其点火温度明显低于微米铝，点火过程介于微米铝和纳米铝之间[6]。Luigi T[7]等研究表明α-AlH3释氢后为多孔铝结构，具有比同等粒径微米铝更高的比表面积，具有更高的反应活性。这些研究表明α-AlH3在混合炸药领域具有一定的应用潜力。

将金属氢化物引入混合炸药，有研究表明可以提高炸药做功能力[8-9]。为了研究α-AlH3对混合炸药性能影响。本文设计了以HMX 为基的含α-AlH3、微米铝系列炸药配方，通过测量配方的爆热及爆速，分析了添加α-AlH3对HMX基炸药爆轰参数的影响，为α-AlH3在炸药中的应用研究提供参考。

1 试验

1.1 材料

铝粉，FLQT-3，活性大于98%，鞍钢实业微细铝粉有限公司；HMX，120目，甘肃银光化工公司；α-AlH3，西安近代化学研究所自制。

1.2 制备工艺

采用直接法制备HMX基含α-AlH3系列炸药配方造型粉，为便于与含铝炸药进行爆轰性能参数对比，采用相同工艺制备同质量分数的含铝炸药，配方见表1。将造型粉模压成形，制备测试用药柱。用游标卡尺测量药柱外形尺寸，计算药柱密度。爆速药柱规格为Φ20mm×20mm，爆热药柱规格为Φ25mm ×25g。

表 1 HMX基含α-AlH3及含铝炸药配方及元素构成计算

Tab.1 The formulation and calculated values of element composition for HMX based α-AlH3-contained and Al-contained explosive

1.3 测试方法

爆热测试：按照GJB 772A-1997方法701.1进行爆热测试。在爆热弹内无氧环境中引爆试样，以蒸馏水为测温介质，测定水温的升高量。根据量热计的热容量及升温值，求出单位质量的试样在给定条件下的爆热。爆速测试：按照GJB 772A-1997方法702.1进行爆速测试。该方法利用炸药爆轰波阵面电离导电特性，用测时仪和电探针测定爆轰波在一定长度炸药药柱中的传播时间，通过计算求出试样的爆速。

2 结果及讨论

2.1 α-AlH3对HMX基炸药爆热的影响

HQ及HL系列配方爆热测试结果见图1。

图1 HQ炸药及HL炸药爆热与可燃剂含量的关系

由图1可以看出两种混合炸药爆热随可燃剂含量增加均呈现增大趋势，数值与含铝炸药爆热理论计算值相近。计算表明当铝粉含量不大于30%时，HMX基含铝炸药爆热随铝粉含量增加逐渐增大。王彩玲等[9]对含铝非理想炸药爆轰产物的分析表明，随着炸药负氧程度的增加，混合炸药爆轰产物中的H2O及CO2等物质含量逐渐减少，H2、C和Al2O3等含量增加。含铝炸药爆轰二次反应理论认为，铝与高能炸药爆轰产物发生了二次反应，主要的二次反应有：

2Al+3CO2→Al2O3+3CO ΔH= - 826 kJ/mol

2Al+3CO→Al2O3+3C ΔH= - 1 314 kJ/mol

2Al+3H2O→Al2O3+3H2ΔH= - 939 kJ/mol

这些反应将炸药中的有效氧转移到铝的氧化物中，有效氧转移的过程伴随着更多能量的释放。

两种系列炸药的氧平衡见图2，可以看出两种系列炸药均为负氧平衡，且氧平衡随可燃剂含量的增加而降低，HQ系列炸药较HL系列炸药降低更多。

图2 HQ炸药与HL炸药氧平衡

图3是两种炸药氢氧比（H/O），图3中HL炸药氢氧比随铝粉含量增加只有微量提高，HQ系列炸药氢氧比随α-AlH3含量的增加迅速增大，α-AlH3含量为30%时混合炸药氢氧比是不含α-AlH3混合炸药的2倍多。

图4是HQ系列和HL系列炸药铝氧比（Al/O），图4中HQ和HL系列炸药的铝氧比均随炸药中可燃剂含量的增加而增大，且HL炸药略高于HQ炸药。

图 3 HQ炸药与HL炸药H/O比

图 4 HQ炸药与HL药Al/O比

HQ炸药和HL炸药中的氧元素只来源于HMX，当炸药中的可燃剂含量相同时，两种炸药中的氧元素含量相同。由于α-AlH3极高的含氢量，导致HQ炸药中H含量随可燃剂含量增加快速增加，使得HQ炸药氢氧比远高于HL炸药，也使得HQ炸药负氧程度高于HL炸药。单位质量α-AlH3中铝元素含量较相同质量铝粉低10%左右，使得HQ炸药铝氧比略低于HL炸药。从图1～4可以看出，在爆轰反应发生时，HQ和HL两种炸药中对爆热增加的贡献主要来源于铝元素的二次反应，且两种炸药中铝元素在爆炸反应中的反应度相近。HQ炸药中α-AlH3中的氢元素在爆炸反应完成后多以H2的形式存在，增加了气态爆轰产物的量。

2.2 α-AlH3对HMX基炸药爆速的影响

混合炸药的爆速与被测样品的密度密切相关，为了研究α-AlH3对HMX基炸药爆速的影响，测试了HQ炸药爆速，结果见表2，采用Urizar公式计算α-AlH3特征爆速，通过该特征爆速计算不同情况下HQ炸药爆速，与含铝炸药进行对比研究。Urizar公式见式（1）：

v=Σ（vW） （1）

式（1）中：v为无限直径时混合炸药的爆速，m/s ；v为组分的特征爆速，m/s；W为组分的体积分数，%。处理数据后得到α-AlH3的特征爆速为6 078m/s，采用该特征爆速带入Urizar公式计算相对密度为96%时HQ炸药及HL炸药的爆速，见图5。

表2 含α-AlH3炸药爆速

Tab.2 The detonation velocity of explosive containing α-AlH3

图 5 相对密度96%时HQ及HL炸药爆速计算值

由图5中可见混合炸药中可燃剂质量分数相同时，HQ炸药爆速低于HL炸药，随着可燃剂含量的增大，HQ炸药及HL炸药爆速均呈下降趋势，HQ炸药下降更为明显。炸药的爆速和炸药密度密切相关，图6是两类混合炸药密度为1.5g/cm3时的爆速计算结果。

图6 密度为1.5g/cm3时HQ及HL炸药的爆速计算值

图6中曲线表明，当密度为1.5g/cm3时，炸药中可燃剂质量分数相同时，HL炸药爆速低于HQ炸药，随着混合炸药中可燃剂含量增加，混合炸药的爆速均呈下降趋势，HL系列炸药下降更为明显。这表明铝粉对爆轰波的削弱作用比α-AlH3明显。结合250MPa下HQ及HL炸药密度曲线（图7），可以看出导致HL炸药爆速较HQ炸药低的主要原因是α-AlH3密度（1.477 g/cm3）比铝粉密度（2.7g/cm3）低，使得含α-AlH3炸药密度低于含铝炸药。

铝粉爆轰反应热稀释理论认为，铝粉在爆轰波阵面上起稀释、吸收能量的作用，这样会降低炸药的爆速和爆压，在爆轰产物膨胀阶段参与反应放出热量，增加爆轰产物的做功能力。

图7 250MPa下HQ及HL炸药密度曲线

图6表明添加α-AlH3对炸药爆速降低的影响弱于添加铝粉，A.A. Selezenev等分析认为可能是由于爆轰时冲击波对氢化铝的影响，导致了氢化铝在爆轰波阵面发生非热分解，降低了其对爆速的影响。

3 结论

（1）向HMX基炸药中添加α-AlH3可以提高混合炸药爆热，爆热与同等质量分数的HMX基含铝炸药相当；（2）向HMX基炸药中添加α-AlH3会降低混合炸药爆速，相对密度相同时同质量分数含α-AlH3炸药爆速低于含铝炸药。（3）计算表明炸药密度相同时，HMX基含α-AlH3炸药爆速高于HMX基含铝炸药，表明α-AlH3对混合炸药爆速影响弱于铝粉。

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The Influence of α-AlH3on the Detonation Parameters of HMX-based Explosive

NIU Lei，WANG Qin-hui，CAO Shao-ting，NIU Guo-tao，JIN Da-yong，WANG Shu-ping

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

In order to investigate the influence of α-AlH3on the detonation parameters of HMX-based explosive, the explosive containing α-AlH3was designed. The explosive was prepared by immediate mixing technology, and the sample was prepared by molding. The explosion heat test shows that the explosive of HMX-based aluminized explosives is equivalent to the same mass fraction of α-AlH3containing explosives. The detonation velocity test shows that the detonation velocity of HMX-based α-AlH3containing explosive decreases with the increase of α-AlH3content, and is lower than that of HMX-based aluminized explosives under same mass fraction and relative density.

α-AlH3；Explosion heat；Detonation velocity；Aluminized explosive

TQ564

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2018.03.006

1003-1480（2018）03-0023-04

2018-03-22

牛磊（1987 -），男，助理研究员，从事高能混合炸药配方与性能研究。

总装高能毁伤科研专项（00403020201）