HMX 基含硼铝炸药的释能特性和作功能力

李兴隆，王德海，刘清杰，花 成，曹 威，宋清官，王 翔，高大元

（1. 中国工程物理研究院化工材料研究所，四川 绵阳 621999；2. 中国工程物理研究院安全弹药研发中心，四川 绵阳 621999）

1 引言

活性金属粉在燃烧过程中会释放大量热，在高能炸药中加入氧化剂、金属粉和黏结剂制成增爆炸药（Enhanced Blast Explosive，EBX）和温压炸药（Thermobaric explosive，TBX）后能显著提升其爆热和爆炸威力［1-3］。从理论上分析，硼（B）的质量和体积燃烧热（58.9 kJ·g-1和137.8 kJ·cm-3）分别是铝（Al）质量和体积燃烧热（31.3 kJ·g-1和84.5 kJ·cm-3）的1.9 和1.6倍，属于人们非常关注的高燃烧热金属燃料［4-6］。一百多年的研究表明，含铝炸药中Al 粉燃烧释放的能量非常有限，若要进一步提高含铝炸药的能量，则需要添加燃烧热更高的金属粉。硼的熔点和沸点较高，且燃烧初期形成的液态B2O3包住硼粒子，致使B 粉的点火和燃烧特性较差，含硼炸药中B 难于完全燃烧释放其高燃烧热［7-8］。单一组分金属中虽然可以使用不同尺度级配，如纳米和微米级配来降低粘度、便于浇注成型和增加样品密度。但是，仅添加单一组分金属粉的混合炸药其能量释放效应变化不大。目前，国内外正在研究新型金属化炸药，即在炸药中加入两种或两种以上的金属粉，炸药爆炸时金属粉之间发生协同或合金化反应，释放出大量热量，从而大幅度提高毁伤效应。

复合金属粉的制备以及在含能材料中的应用，国内外已有文献报道。P.Q. Flower［9］开展了改善金属化炸药功效的相关研究，探索了两种方法制备硼铝机械合金（Mechanical Alloys）。方法一是制备微米尺度的纳米相机械合金，即纳米尺度硼均匀分散在微米铝金属中。这种合金的金属键断裂和破损等有助于提高体系的能量；方法二是以松散混合的微米铝和微米硼为原料，使用等离子体蒸发浓缩工艺（Plasma Evaporation-Condensation Process）制备纳米合金。美国曾报道在高威力炸药中加入质量比Al/Mg=1∶1 混合金属粉，可以提高炸药的作功能力［10］。国外专利［11］曾报道在RDX 中加入两种以上的金属粉制成金属化炸药，其爆炸威力比RDX 明显提高。如果用于水下炸药装药，则能够大幅度提高气泡能。徐森［12］开展了Al/B 粉的燃烧热以及金属化炸药在水下爆炸中的应用研究，表明随着硼粉含量增加，混合金属粉的燃烧热增加，而硼的燃烧效应降低。RDX 基含硼铝炸药（（RDX/Al/B/AP）比含铝炸药（（RDX/Al/AP）具有更大的爆轰能量。曹威［13］开展了添加B 和MgH2含铝炸药的爆轰特性研究，表明添加B 和MgH2后，含铝炸药的爆热稍微增加，爆压没有明显变化，早期加速能力（壁速和格尼能）稍微减弱，却表现出强劲的后效燃烧潜能。

针对如何提高炸药爆轰产物温度和改善硼的燃烧环境，使液态B2O3的蒸发速度接近生成速度，促进硼的二次反应释放高燃烧热的问题［14-16］，本研究以HMX为基，加入B/Al 复合粉和黏结剂制备含硼铝炸药。用Φ100 mm×105 mm 样品的空中爆炸和水下爆炸试验研究其能量释放特性，用Φ50 mm 圆筒试验评价其作功能力，探讨了不同微米金属粉含量对含硼铝炸药的释能过程和作功能力的影响，为钝感高能含硼铝炸药在武器和弹药中的应用提供指导。

2 实验部分

2.1 材料与样品制备

HMX：甘肃白银银光化学材料有限公司，纯度99.9%，D50=6.7 μm；钝化HMX：中物院化材所，颗粒尺寸20～30 μm；Al 粉：辽宁鞍钢实业微细铝粉有限公司，纯度99%，颗粒尺寸1～5 μm；B 粉：河北保定硼达新材料科技有限公司，纯度99.9%，颗粒尺寸1～5 μm；B/Al 复合粉：河北保定硼达新材料科技有限公司，质量比1∶1，颗粒尺寸范围5～20 μm；端羟基聚异丁烯（HTPB）：洛阳黎明化工研究院，平均分子量2000，羟值0.76 mmoL·g-1。

通过大量试验筛选出三种机械感度满足加工要求的含硼铝炸药，见表1。经过配料、升温熔化、捏合和搅拌均匀后制成药浆，在真空振动浇注机上依次装入一批Φ100 mm×105 mm、Φ50 mm×110 mm 的金属模具中。然后，在50 ℃固化120 h，冷却至室温开模，对浇注药柱进行加工得到试验样品，编号分别为ME-1～ME-3，其装药密度由排水法测量。

表1 含硼铝炸药配方及性能参数Table 1 Formulations and performance parameters of explosives containing B/Al

2.2 实验方法

2.2.1 空爆试验

将Ф100 mm×105 mm 的样品置于距离地面1.5 m高的支架上，用上端面中心点起爆。空爆试验中，ME-1、ME-2和ME-3样品的药量分别为1.356，1.354 kg和1.339 kg。超压传感器为PCB 137B23B，试验前，通过两次Φ50 mm×50 mm TNT 药柱的空爆试验进行标定。超压传感器布置在距离起爆点3，4，5 m 和6 m的直线位置处，高度1.3 m，两列超压传感器成45°角。用PCB 冲击波超压传感器和数据采集仪测试冲击波超压［17-18］，用Fastcam SA-X2 高速摄影机拍摄样品爆炸过程中火球形貌及演变历程，640×488 像素下拍摄速度10000 帧/s。试验样品、超压测试和高速摄影布置现场见图1。

图1 空爆试验布置图Fig.1 Sketch of air blast test

2.2.2 水下爆炸试验

水下爆炸试验中，样品尺寸Ф100 mm×105 mm，ME-1、ME-2和ME-3样品的药量分别为1.368，1.344 kg和1.339 kg。用网袋和绳索将样品放入水下10 m，两侧布置压力传感器。水池上端面直径48 m，底部直径32 m，水深23 m，水下爆炸试验布置情况见图2。其中，右侧6 个传感器距爆心距离分别为2，3，4，5，6 m和7 m，用于测量冲击波压力时程；左侧2 个传感器距爆心距离分别为3 m 和4 m，用于测量第一次气泡脉动周期。炸药爆炸释放的能量在水中表现为气泡能、冲击波能和热损耗能三部分。测定远场冲击波压力时程曲线，计算出远场冲击波能，再经过修正计算出初始冲击波能（包含热损耗能及远场冲击波能）；测定气泡脉动周期计算出气泡能。气泡能与初始冲击波能之和为炸药水中爆炸的总能量［19-20］。

图2 水下爆炸试验布置图Fig.2 Sketch of underwater explosion test

2.2.3 圆筒试验

Φ50 mm圆筒试验中，ME-1、ME-2和ME-3样品的密度分别为1.708，1.689 g·cm-3和1.673 g·cm-3。试验系统由13个Φ50 mm×50 mm 药柱、Φ60.2 mm×500 mm紫铜圆筒管（内径50.2 mm，长度500 mm，壁5 mm）、电探针、氩气弹、光学窗口、示波器和高速转镜扫描相机等组成，其试验布置见图3。其中，两列电探针用于测量炸药的爆速；相机的转动速度为7.5×103r·min-1，用于获得炸药爆轰驱动铜管膨胀曲线的实验底片，作功能力用300 mm 长度处铜管外壁径向膨胀到12 mm和38 mm 的壁速和格尼能来表征。壁速和格尼能越大，则炸药的作功能力越强［21-22］。

图3 Ф50 mm 圆筒试验装置Fig.3 Experimental setup of Ф50 mm cylinder test

3 结果与讨论

3.1 空爆冲击波超压

含硼铝炸药空爆后，爆轰产物具有极高的压力，迅速向四周膨胀并推挤周围的空气，形成空气冲击波。B/Al 复合粉具有后燃效应，所以在爆炸后期仍具有较大的冲击波超压。通过超压测试系统实测获得三种样品的冲击波超压衰减趋势。同时，采用Henrych 公式［23-24］计算三种样品空爆产生的冲击波超压。

对比实测超压与Henrych 公式计算的超压，获得含硼铝炸药空爆冲击波超压随距离衰减趋势见图4。

图4 冲击波超压实测值与Henrych 经验公式计算值的对比Fig.4 Comparison between the measured shock wave overpressures and the calculated values

从图4 得知，三种炸药样品无约束空间中爆炸时，在3，4，5 m 和6 m 位置处空中超压值从大到小排序为ME-3＞ME-2＞ME-1，含硼铝炸药（ME-3 和ME-2）比含铝炸药（ME-1）冲击波超压值更高，表明B/Al 复合粉燃烧反应释放的热量比Al 粉更大，对远距离处超压的增强效果更显著。在HMX 爆轰作用下，Al 粉和B 粉并不是严格按照金属活性的先后次序进行反应，而是Al 粉先进行部分燃烧反应，提供一个较高的温度环境，随后在高温环境中Al 粉和B 粉同时进行燃烧反应。ME-3样品（硼铝质量比1∶1）参与反应的B 粉比ME-2 样品（硼铝质量比3∶7）反应的B 粉更多，释放的热量更大。因此，在各测量位置的ME-3 样品的超压值比ME-2 样品更高。

上述分析表明，实测的冲击波超压值与Henrych经验公式的计算值，其总体趋势一致，表明三种炸药样品的空爆冲击波超压满足爆炸相似率。实测的冲击波超压值与Henrych 经验公式计算值有一定偏差，但最大偏差不超过3.5 kPa。经验公式是根据等效TNT 装药量计算的，其近距离处计算超压值较高。

3.2 燃烧和能量释放

采用高速摄影拍摄三种样品爆炸过程中火球形貌及演变历程，对比三种含硼铝炸药在不同时刻的爆炸和燃烧图像见图5。

图5 3 种含硼铝炸药空中爆炸高速照片对比Fig.5 Comparison of high speed photographs of air blast for three explosives containing B/Al

样品起爆后，HMX 在极短时间内发生爆轰反应，形成爆炸火球。从0.1 ms 开始，爆炸火球尺寸逐渐增大。Al 粉比B 粉更易与HMX 爆轰产物和空气中氧气发生燃烧反应。经过23.2 ms，含铝炸药ME-1 燃烧火焰为黄色；含硼铝炸药ME-2 和ME-3 爆炸火球中心附近颜色为黄色，而四周有微弱的蓝绿色火焰，样品中有少量B 粉开始参与反应。随后蓝绿色火焰从边缘扩散到整个火球表面，火球四周的蓝绿色火焰更加明显，表明在Al 粉燃烧带动下，B 粉正剧烈发生燃烧反应［25］。经过约88.4 ms，ME-1 的放热燃烧反应趋于结束，黄色火焰即将消失，而含硼铝炸药还在继续发生燃烧反应，仍有较大的蓝绿色发光区域。特别是ME-3，微米B 粉燃烧产生的蓝绿色火焰仍波及整个火球表面，表明在燃烧反应后期，B/Al 复合粉中Al 粉基本反应完全，而B粉仍继续参与反应。B/Al 复合粉的后续反应时间大于Al 粉，且B/Al 复合粉含量越大，后续反应时间越长。该阶段B 粉燃烧释放出大量能量，延长了爆轰反应的高温高压持续时间，增强了后效作功能力［26-27］。

3.3 水下爆炸能量

3.3.1 冲击波能

含硼铝炸药水下爆炸后，爆轰产物具有极高的压力，迅速向四周膨胀，在爆轰产物和水界面处形成初始冲击波并在水中传播，其能量在传播过程中部分转化为热耗散能［28-29］。由于B/Al 复合粉与爆轰产物和水蒸汽的二次反应，在爆炸后期仍有较大的冲击波超压。通过超压测试系统获得样品在不同位置的冲击波超压。根据水下爆炸相似律，用公式组（2）计算不同测量位置的冲击波能Es和初始冲击波能Es0［30］。

式中，Es为距离装药中心R处的冲击波能，MJ·kg-1；ρ0为水的密度，1.0 g·cm-3；C0为水的声速，1460m·s-1；m为样品质量，kg；p（t）为测点处t时刻冲击波压力，MPa；t为积分上限，μs；Es0为初始冲击波能，MJ·kg-1；μ为冲击波修正因子；pcj为装药爆压，GPa。根据参考文献［1］，ME-1、ME-2 和ME-3 的爆压计算值分别为24.73、25.53GPa 和25.93GPa，计算获得其冲击波修正因子μ分别为2.178、2.211 和2.229。根据不同位置测试的冲击波压力时程计算的冲击波能和初始冲击波能见表2。

表2 三种含硼铝炸药的冲击波能和初始冲击波能Table 2 Shock wave energy and initial shock wave energy of explosives containing B/Al

从表2 可知，在6 个测量位置，ME-1、ME-2 和ME-3 冲击波能的平均值分别为0.993、1.010 MJ·kg-1和1.048 MJ·kg-1，含硼铝炸药（ME-2 和ME-3）的冲击波能均稍大于含铝炸药（ME-1）的冲击波能。这表明B 粉与HMX 的爆轰产物和水蒸汽发生的二次反应比Al 粉二次反应释放出较大的热能，对冲击波能有一些贡献。经过修正因子μ计算的初始冲击波能为理论值，设计的三种金属化炸药的初始冲击波能表现出与冲击波能相同的变化规律。

3.3.2 气泡能

气泡脉动周期Tb是第一次气泡脉动压力峰值对应时间与冲击波到达时间的差值，由气泡脉动压力周期曲线得到。气泡能Eb用公式组（3）计算［30］。

式中，Tb为气泡脉动周期，ms；Tf为第一次气泡脉动压力峰值对应时间，ms；Ts为冲击波到达时间，ms；Eb为每公斤样品的气泡能，MJ·kg-1；Em为炸药样品气泡能，MJ；Ph为炸药中心处静水压和试验时当地大气压之和，Pa；h为炸药中心入水深度，10 m。根据3 m 和4 m 处传感器测试的第一次气泡脉动周期计算的气泡能见表3。

从表3可知，在测量位置3 m 和4 m 处，ME-1、ME-2和ME-3气泡能的平均值分别为1.807，1.946 MJ·kg-1和1.968 MJ·kg-1，含硼铝炸药（ME-2 和ME-3）的气泡能均大于含铝炸药（ME-1）的气泡能。其中，含20% B/Al复合粉的ME-3 气泡能最大，比含铝炸药（ME-1）大0.161 MJ·kg-1，这进一步表明B 粉与HMX 的爆轰产物和水蒸汽发生的二次反应比Al 粉二次反应释放出更大的热量，对气泡能有较大贡献。含硼铝炸药水下爆炸能量E等于初始冲击波能ES0和气泡能Eb之和，计算结果见表4。

表3 三种含硼铝炸药的气泡能Table 3 Bubble energy of explosives containing B/Al

表4 3 种含硼铝炸药的水下爆炸总能量Table 4 Total energy in underwater explosion of explosives containing B/Al

从表4 可知，3 种炸药样品中，水下爆炸总能量从大到小的次序依次为ME-3、ME-2 和ME-1，含硼铝炸药（ME-2 和ME-3）的水下爆炸总能量比含铝炸药（ME-1）大。结果表明，HMX 基含硼铝炸药中，使用B/Al 复合粉时，HMX 的爆热提高爆轰产物的温度和改善金属粉的燃烧环境，Al 粉与爆轰产物和水蒸汽的二次反应能够进一步促进B 粉的二次反应，释放出大量的反应热，分别通过冲击波和气泡脉动提高冲击波能和气泡能，从而提高水下爆炸的总能量。

3.4 作功能力评价

Ф50 mm 圆筒试验是测量金属化炸药爆速和评价作功能力的有效方法之一［31-32］。试验时，通过在外露铜管上下药柱安装电探针测量爆速。爆轰产物对铜管的加速过程采用高速相机进行拍摄和记录，获得圆筒300 mm 处铜管膨胀曲线实验底片，根据公式组（4）先拟合膨胀距离与膨胀时间数据获得系数a1、a2、a3和a4，然后分别计算不同膨胀距离的壁速和格尼能随爆轰产物相对体积的变化［33-34］，计算结果见图6 和图7；3 种含硼铝炸药作功能力的比较结果见表5。

表5 在不同膨胀距离三种含硼铝炸药的壁速和格尼能Table 5 Copper wall velocity and Gurney energy of explosives containing B/Al at different expansion distances

图6 铜管壁速随爆轰产物相对体积的变化Fig.6 Variation of the copper wall velocity with the relative volume of detonation products

图7 格尼能随爆轰产物相对体积的变化Fig.7 Variation of Gurney energy with the relative volume of detonation products

式中，t为圆筒壁膨胀的时间，μs；a1、a2、a3、a4为待定系数；R为圆筒外壁距圆筒中心轴线的距离，mm；R0为圆筒外壁距圆筒中心轴线的初始距离，mm；U为圆筒壁的速度，mm·μs-1；V/V0为爆轰产物的相对体积；d为圆筒壁厚度，mm；EG为格尼能，kJ·g-1；m和c分别为铜管和炸药单位长度的质量，kg·mm-1。

从图6、图7 和表5 可知，在早期阶段（爆轰产物的相对体积小于2）所有炸药的壁速和比动能曲线是相似的，这是由炸药中Al 粉的反应引起的。膨胀距离R-R0=12 mm 时，爆轰产物的相对体积为2.190。在大约爆轰产物的2 倍比体积之后，ME-2 和ME-3 的壁速比ME-1 低，表明未消耗足够的Al 粉并带动B 粉反应驱动铜管壁膨胀，这是因为炸药中B 的反应速率比Al低。膨胀距离R-R0=38 mm 时，爆轰产物的相对体积为6.350。在大约爆轰产物的6 倍比体积之后，ME-2的比动能大于ME-3，表明ME-2 中B 粉消耗的数量逐渐增加。膨胀距离R-R0=70 mm 时，爆轰产物的相对体积为14.44，ME-2 的比动能2.780 kJ·g-1稍高于ME-1 的比动能2.713 kJ·g-1，表明B 的燃烧热比Al 高，金属粉含量20%（B 6%+Al 14%）的ME-2 比含铝炸药ME-1（Al 20%）具有更强的后燃效应。可是，金属粉含量20%（B 10%+Al 10%）的ME-3 比动能2.550 kJ·g-1最低，这是因为在ME-3 的铜管破裂之前，爆轰产物中没有足够的氧和B 粉反应，在密闭环境中未能体现含硼铝炸药中B 粉的燃烧能量优势。然而，当铜管壁膨胀破裂后，空气中的氧可以与B/Al 复合粉反应释放燃烧热，增强后效作功能力，这使得含硼铝炸药在高效毁伤弹药中具有广阔的应用前景［35-36］。

4 结论

（1）空爆试验中，在HMX 的爆轰作用下由Al 粉燃烧带动B 粉燃烧，释放出大量的燃烧热。在相同测量位置，含硼铝炸药（ME-2 和ME-3）空中爆炸的冲击波超压大于含铝炸药（ME-1），且爆炸火球的持续时间更长。特别是，含20%硼铝复合粉的ME-3 爆炸火球持续时间最长。这表明B 粉比Al 粉具有更强的燃烧强度和更大的能量释放。B/Al 复合粉的燃烧延长了含硼铝炸药二次反应的高温高压持续时间，增强了后效作功能力。

（2）水下爆炸中，炸药爆轰的能量表现为冲击波能和气泡能。3 种炸药样品中，水下爆炸总能量从大到小的次序依次为ME-3、ME-2 和ME-1，含硼铝炸药（ME-2 和ME-3）的水下爆炸总能量比含铝炸药（ME-1）大。这表明HMX 基含硼铝炸药中，使用B/A复合粉时，HMX 的爆热能提高爆轰产物的温度和改善金属粉的燃烧环境，B/A 复合粉的二次反应释放出大量的反应热，通过气泡脉动提高气泡能，从而提高水下爆炸的总能量。

（3）Φ50 mm 圆筒试验用壁速和格尼能评价含硼铝炸药的作功能力，只能表征铜管壁未破裂前状态，初始爆轰产物与空气互相隔离，时间尺度仅几十微秒。膨胀距离R-R0=70 mm（相对体积14.44）时，ME-2 的比动能2.780 kJ·g-1稍高于ME-1的比动能2.713 kJ·g-1，而ME-3 的比动能2.550 kJ·g-1最低。因为在铜管破裂之前，ME-3 的爆轰产物中没有足够的氧和B 粉反应，在密闭环境中未能体现含硼铝炸药中B 粉的燃烧能量优势。