纳米铝在炸药中的分散性和成型性

牛国涛，曹少庭，牛 磊，金大勇，姚李娜

(西安近代化学研究所，西安 710065)

铝粉应用于炸药要追溯到1899年德国人将铝粉加入炸药中提高炸药的做功能力，使得含铝炸药广泛应用于武器型号，大大提高了炸药的威力和应用范围。随着现代科学技术水平的不断提高，20世纪80年代，出现了研究原子大小或分子大小级别物质的纳米技术。纳米铝粉是现阶段在含能材料应用研究中报道最多的一种含能材料，其最著名的产品就是国外已经用于商用的Alex纳米铝粉。中外对纳米铝粉的研究集中在纳米铝粉的制造、表面改性、活性、燃烧等方面[1-3]，但对纳米铝在炸药中的应用研究不多。例如，Fu等[4]研究了纳米铝和微米铝在20 L容器中的分散特性，为纳米铝在FAE中的应用提供了参考；Zheng等[5]、Wang等[6]进行了含纳米铝炸药的热分解的反应分子动力学模拟；封雪松等[7]研究了纳米铝和微米铝含量对炸药空爆性能的影响规律；桑圣君等[8]研究了爆速对纳米铝粉爆炸烧结性能的影响；曹少庭等[9]对比了纳米铝粉和微米铝粉不同含量对黑索金(RDX)基炸药爆速的影响；沈飞等[10]研究了微纳米粒度级配对炸药爆轰波阵面关系的影响等。由上述文献可知，纳米铝在炸药中应用改善了一些性能，甚至劣化了一些爆轰性能，但同时也增加工艺难度，经常采用纳米铝粉和微米铝粉级配的方式可以获得综合性能的提升，然而纳米铝在溶剂和炸药中的分散性和成型性很少见报道，分散性和成型性是纳米铝粉在炸药中应用的前提条件，为此以西安近代化学研究所自制纳米铝为研究对象，分别研究纳米铝粉在不同体系和不同工艺下的分散性，在此基础上对含纳米铝的炸药成型性进行研究，为纳米铝在炸药的应用提供参考。

1 试验

1.1 材料

纳米铝是西安近代化学研究所通过爆炸法自制，如图1所示，铝粉活性为85%以上，平均粒径150 nm，电镜扫描(scanning electron microscope，SEM)图片如图2所示，纳米铝粉成团簇状态；实验所用微米铝粉平均粒径5 μm，源于鞍钢实业微细铝粉有限公司；环己烷、正己烷、石油醚、乙酸乙酯(分析纯，天津市津东天正精细化学试剂厂)；RDX，甘肃银光化学工业公司；三硝基甲苯(TNT)，湖北东方化工有限公司；石蜡，中国石化集团抚顺石油化工研究院；石墨，上海惠港石墨有限公司；氟橡胶F2603，成都晨光化工研究院。

图1 50 g纳米铝粉

图2 纳米铝粉的电镜扫描图片

1.2 试验设备

Quanta600FEG型场发射扫描电镜，美国FEI公司；超声波仪器，型号为KQ-100DB，昆山市超声仪器有限公司；SDF高速分散机，天津市精科联材料试验机厂；叶片式恒速搅拌器，S312-250H，上海申生科技有限公司。

1.3 测试方法

爆热试验：按GJB 772A—1997 方法701.1 进行测试。

称量药柱的质量，游标卡尺量取药柱的直径和高度，计算其药柱密度。

2 纳米铝在炸药中的分散性研究

2.1 纳米铝在溶剂中的分散性

由于含纳米铝炸药的制备过程需要使用溶剂，而纳米铝在不同溶剂中的分散均匀性对炸药样品的质量、性能等均会产生影响，因此研究纳米铝在不同溶剂中的分散性十分必要，从而为含纳米铝炸药的制备工艺和性能研究提供基础。

分散试验的设计方法如下：称取相同质量(10 g)的纳米铝4份，放置在大小相同的表面皿内(容积500 mL，外径88 mm，高度121 mm)，用量筒量取相同体积(250 mL)的溶剂4份，倒入表面皿内，机械震荡30 s使其分散，静置30 min，观察表面皿内纳米铝粉的分散状态，并进行比较。使用溶剂为：环己烷、正己烷、石油醚和乙酸乙酯溶液，纳米铝在不同溶剂中的分散性如图3所示。

图3 纳米铝在四种不同溶剂中的分散

试验发现纳米铝在正己烷、环己烷、石油醚中均出现了较明显的结团或成球现象，而在乙酸乙酯溶剂中结团现象较少，分散较好，所以选择乙酸乙酯作为炸药制备工艺中的分散溶剂。由于纳米铝粉具有粒径小、比表面积大、表面原子配位不全等特点，纳米铝粉在实际使用过程中易发生团聚、氧化等现象，也可以通过微米铝与纳米铝级配、超声分散、高速剪切等技术解决纳米铝粉在炸药中的分散问题。

2.2 超声分散法

选择RDX+石蜡(W)/micro-Al/nano-Al/F2603(质量比为65/25/5/5)为基础配方，采用超声分散技术，将纳米铝粉和微米铝粉在乙酸乙酯中充分分散，然后加入主炸药和黏结剂溶液，机械搅拌混合制作造型分。另一组作为对比，采用机械搅拌方式将纳米铝粉和微米铝粉在乙酸乙酯中充分分散，然后加入主炸药和黏结剂溶液，机械搅拌混合制作造型粉。采用250 MPa压力压制药柱，密度测试见表1，爆热测试结果见表2。

表1 不同工艺药柱的密度

表2 不同工艺炸药的爆热

从表1可以看出，采用超声分散工艺相对于普通的机械搅拌，压药密度明显提高，从表2可以看出超声分散工艺所得到的炸药爆热值也有所提高，所以超声分散可以提高纳米铝粉的分散均匀性，从而提高装药密度，提高炸药的爆热。

2.3 高速剪切混合工艺(1 kg样品)

选择RDX+石蜡(W)/micro-Al/nano-Al/F2603(60/30/5/5)为基础配方进行组分称量。

首先按比例配制RDX的氟橡胶溶液加入不锈钢容器中，然后固定搅速为500 r/min，加入微米铝粉，高速分散机(剪切头见图4，剪切轴直径25 mm)搅拌溶液15 min后，将称好的纳米Al加入不锈钢容器中，继续搅拌30 min，停止搅拌，出料，制作炸药造型粉备用。工艺流程如图5所示。

图4 高速分散机的剪切头

图5 高速分散机混合工艺流程图

2.4 叶片式搅拌混合工艺(1 kg样品)

称取300 g微米铝粉加入RDX的氟橡胶溶液中，利用叶片式搅拌装置对溶液进行搅拌，搅拌速度为500 r/min，搅拌15 min后，停止搅拌，分批次共加入50 g纳米铝粉，同样的搅拌速度搅拌30 min，停止搅拌出料，制作炸药造型粉备用。工艺流程与高速分散机混合工艺流程相同。

2.5 分散+高速分散机混合工艺(1 kg样品)

所用分散机的剪切头与图4相同，固定搅速为500 r/min，高速分散机搅拌，首先将50 g纳米铝粉加入RDX的氟橡胶溶液中，使纳米铝粉在RDX的氟橡胶溶液中得到充分的分散。搅拌中发现溶液中出现大量的气泡，搅拌混合液15 min后，将称好的微米铝300 g分批加入不锈钢容器中，继续搅拌30 min，停止搅拌，出料，制作炸药造型粉备用，流程图如6所示。

从表3可知，采用不同混合工艺对、不同的铝粉加入顺序，药柱密度基本一致，基本上可以达到相同的分散效果。

图6 高速分散机分散纳米铝混合工艺流程图

表3 不同工艺炸药药柱的密度

3 纳米铝粉在炸药中成型性研究

3.1 TNT基混合炸药的成型性

以TNT/Al体系为基础，首先利用蒸汽将TNT熔化，将不同比例的铝粉加入熔融TNT中，搅拌均匀，出料制成造型粉备用。分别制备微米铝和纳米铝质量分数分别为10%、20%、30%的TNT基炸药样品，在相同比压下压制成Φ25 mm药柱，分别测试药柱密度，结果如表4所示。

表4 含不同铝粉的TNT药柱的密度

采用熔融混合造粒工艺制备样品，由于液相TNT含量相对较多，能够对铝粉进行充分包覆，在铝粉混合均匀的条件下，使得含纳米铝炸药的压制成型密度与含微米铝炸药的成型密度相当，所以在进行炸药爆轰性能测试时，能够在同一密度水平上进行相互比较。

3.2 RDX基混合炸药

以RDX/Al/黏结剂体系为基础，采用直接混合造粒工艺，即先用乙酸乙酯溶解黏结剂，再分别加RDX和铝粉混合均匀出料制作造型粉。利用直接混合造粒法制备微米铝和纳米铝含量分别为20%、25%、30%、35%、40%的RDX基炸药造型粉，在相同比压下压制成Φ30 mm药柱，分别测试药柱密度，结果如表5所示。

表5 含微米铝炸药和含纳米铝炸药的成型密度

从表5可以看出，由于该配方体系中黏结剂含量相对较低，纳米铝较大的比表面积、较小的堆积密度和难于分散的特性，使得纳米铝吸附更多的黏结剂，包覆较差，最终含纳米铝炸药的压制成型密度低于含微米铝炸药的成型密度，所以在该炸药体系内，含纳米铝炸药成型性较差。在进行炸药爆轰能量测试和做功能力测试时，含纳米铝炸药的低成型密度会降低炸药爆轰性能。

同样的工艺采用两种铝粉按质量比1∶1级配的方式制备RDX基炸药造型粉，压制成质量为25 g、直径为25 mm的药柱，其密度变化趋势对比如图7所示。

图7 含不同铝粉的RDX基炸药的密度变化曲线

从图7可以看出，随着纳米铝含量的增加，药柱密度变化呈非线性的变化；而对于两种铝粉级配炸药的密度随铝粉含量的增加线性增加。其原因是随着纳米铝含量的增加，黏结剂对炸药和纳米铝的包覆效果越来越差，成型性也越来越差，导致压制药柱密度不规律。对于两种铝粉级配的炸药药柱密度，微米铝的加入减少纳米铝、炸药分子间的作用力，在压力作用下，炸药颗粒容易变形，炸药分子之间易于相对运动，使得炸药颗粒间的空隙率减小，使所压制的药柱密实度增加，从而提高了炸药药柱的成型密度，因此通过两种铝粉的级配可以提高炸药的成型性。

4 结论

(1)利用环己烷、正己烷、石油醚和乙酸乙酯四种溶剂对纳米铝粉进行了分散，结果乙酸乙酯的分散效果最好。

(2)选择RDX+石蜡(W)/micro-Al/nano-Al/F2603(65/25/5/5)为基础配方，采用超声分散工艺相对于普通的机械搅拌，压药密度显著提高，爆热也有所提高，超声分散可以提高纳米铝粉的分散均匀性。

(3)选择RDX+石蜡(W)/微米Al/纳米Al/F2603(60/30/5/5)为基础配方，采用高速剪切混合工艺、叶片式搅拌混合工艺、分散+高速分散机混合工艺三种工艺并且改变纳米铝和微米铝粉加入的次序药柱密度基本一致，三种工艺分散纳米铝粉效果。

(4)在TNT/Al体系的压装炸药中，微米铝和纳米铝在TNT中的成型性基本相同。

(5)在RDX/Al压装炸药体系中，含纳米铝的炸药成型性低于含微米铝的炸药；含纳米铝炸药的密度随铝粉含量增加呈现非线性变化，而纳米铝和微米铝级配可以提高炸药的成型性。