新型高能合金在燃料空气炸药中的应用研究

发布时间：2020-07-17 01:34

【摘要】：为筛选出能进一步提高燃料空气炸药能量水平的金属粉,对不同配方的新型高能合金(M合金)在燃料空气炸药中的适用性进行研究,并通过对金属粉爆炸活性进行测试,筛选出较优的高能金属合金配方。在相同的含液体燃料A/液体燃料B/助燃剂C/金属粉组分的FAE配方中,用高能M合金替换其中的高活性铝粉,制备燃料空气炸药;研究了高能合金对燃料空气炸药爆炸冲击波性能和热毁伤性能的影响,并将高能合金对在燃料空气炸药爆炸性能影响结果与高能合金的爆炸反应活性相比较,对用爆炸反应活性筛选应用于燃料空气炸药中金属粉的方法进行验证。对含金属粉燃料空气炸药配方的安全性研究结果表明:燃料空气炸药中各组分与金属粉的相容性,以及相应燃料空气炸药配方的安定性满足国军标要求,几种材料能在燃料空气炸药中安全使用。对几种金属粉的物理特性表征结果表明:M2、M3和M4等高能合金的理论燃烧热值及实测燃烧热值均高于铝粉,并且可以通过配方的改变来调整理论燃烧热值,达到提高实测燃烧热值的目的,高能合金比铝粉具有更高的热力学释能潜热。参照铝粉粒度及比表面积对铝粉-空气混合物的影响,铝粉颗粒的粒度越小,比表面积越大,爆轰越完全,越容易从燃烧转爆轰。为研究和比较高能合金与铝粉对燃料空气炸药性能的影响,所用的高能合金颗粒大小及比表面积与铝粉相当。同时高能合金的吸湿性满足炸药吸湿性的要求。高能合金的几种物理特性测试结果能够满足燃料空气炸药的使用要求。为了解新型高能合金粉在炸药中应用时的能量释放特性,采用哈特曼管和20L球爆炸测试系统分别对铝粉、镁粉、高能合金粉的动力学释能特性进行了研究。对不同金属粉发生粉尘爆炸的最小点火能量、最低着火温度、爆炸浓度极限、最大爆炸压力和爆炸指数进行了测试。其中高能合金的最小点火能为10～40mJ,小于铝粉(70～80mJ);高能合金M1、M2、M3和M4的最低着火温度分别为490℃、500℃、510℃和530℃,低于铝粉(700℃)和硼粉(1000℃);高能合金M1、M2和M3的爆炸下限质量浓度均为30 g/m3,低于Al粉的爆炸下限质量浓度40 g/m3;高能合金(M2、M3)的最大爆炸压力分别为0.8791MPa和0.8622MPa,与铝粉的最大爆炸压力0.8805MPa相差不大,但高能合金M2、M3的最大爆炸指数分别为48.4523MPa·m/s和46.1812MPa·m/s,明显大于铝粉的最大爆炸指数32.9021MPa·m/s。从以上的系列粉尘爆炸实验测试结果可以看出:相比于铝粉,高能合金粉尘相对于铝粉较容易被点燃,可以在较低的质量浓度下发生爆炸,且在爆炸时候的爆炸威力较为猛烈,高能合金的粉尘爆炸反应活性更能满足FAE对固体燃烧剂的要求。对含不同金属粉燃料空气炸药的静爆场爆炸冲击波特性进行研究,结果表明:在近场区,含M2和M3合金燃料空气炸药相比于含铝燃料空气炸药、含M1燃料空气炸药及含M4燃料空气炸药在空气中和地面冲击波压力上均有一定优势,其中含M3样品的空中冲击波压力和地面冲击波反射压力比同体系含铝样品分别提高5.5%和3.5%以上。燃料空气炸药发生爆炸后,冲击波超压主要是由燃料空气炸药中的燃料组分爆轰产生,而不同样品中液体燃料相同的,因此爆炸产生的冲击波压力差异主要是由金属燃烧剂造成的。所测得的冲击波超压结果与所测得的金属粉粉尘爆炸反应活性相一致。在云雾爆炸后期,分别含M2、M3和M4的燃料空气炸药中金属合金的后燃反应持续时间要明显长于含铝燃料空气炸药及含M1燃料空气炸药。采用红外摄像对燃料空气炸药的爆炸火球进行测量,结果表明:对比爆炸火球在红外热成像仪方向上的投影面积,含高能合金燃料空气炸药比同体系含铝燃料空气炸药提高20～30%左右。含铝燃料空气炸药爆炸反应产生的火球最高表面温度值为1723.5℃,含M2和含M3燃料空气炸药的爆炸火球表面最高温度分别为1826.1℃和1816.5℃。含高能合金燃料空气炸药的爆炸火球表面高温持续时间比含铝样品长。含铝燃料空气炸药火球表面温度在1200℃以上的持续时间为260 ms,含M2和含M3燃料空气炸药分别为280 ms和290 ms;含铝燃料空气炸药火球表面温度在800℃以上的持续时间为310 ms,含M2和含M3燃料空气炸药均为360 ms。
【学位授予单位】：南京理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TQ560.4
【图文】：

粒径分级,金属合金,合金,样品粒径

图２．３邋ＬＰ１金属合金样品粒径分级逡逑２．２．３氋能合金逡逑

粒径分布,粒径分级,硼合金,样品粒径

粒径分级（—逡逑图２．４高能合金Ｍ２样品粒径分级逡逑由图２．３和图２．４粒径分级图可知，采用特种制备方法嵌合组装的铝硼合金粒径（中逡逑位径为１８邋ｐｍ）明显大于单一铝（或硼）粉；采用特殊工艺处理后的新型高能合金体系逡逑尺寸分布范围较宽，中位径为３ｐｍ左右，整体粒径分布与高活性铝粉基本相当，这为逡逑提高新型高能合金在ＦＡＥ中的能量释放效应奠定了基础。逡逑２．３氋能合金热分解温度逡逑由于高能合金材料的特殊性，在一定温度下有可能发生分解。因此有必要在应用到逡逑ＦＡＥ前，试验其分解温度，判断其应用于炸药是否满足安全要求。本文选择在组分方面逡逑具有代表性的高能合金Ｍｌ和Ｍ２来进行测试。此前己有很多人通过各种方法测定物质逡逑的分解温度，如邋ＴＧ邋法、ＤＴＡ邋法、ＤＳＣ邋法等。ＤＳＣ邋法全称为邋Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ邋Ｓｃａｎｎｉｎｇ邋Ｃａｌｏｒｉｍｅｔｅｒ逡逑（外观如图２．４）＿。与ＤＴＡ相比，ＤＴＡ法是测量ＡＴ－Ｔ的关系，而ＤＳＣ法是保持ＡＴ＝０，逡逑测定ＡＨ－ｔ的关系。两者最大的差别是ＤＴＡ法只能定性或者半定量，而ＤＳＣ法的结果逡逑可以用来定量分析。ＤＳＣ法还具有以下特点：缘自功率补偿原理，直接测量温度和能量逡逑而非温度差

结构图,差示扫描量热仪,外观,结构图

Ｌａｂ：邋ＭＥＴＴＬＥＲ逦ＳＴＡＲＰ邋ＳＷ邋９．２０逡逑图２．６邋Ｍ２以１０Ｋ／ｍｉｎ的升温速率获得的ＤＳＣ曲线逡逑２．３．３结果分析逡逑从图２．５、图２．６可以看出，Ｍｌ的ＤＳＣ曲线在３５０°Ｃ附近有一较大吸热峰，笔者认为逡逑该处吸热峰为Ｍｌ的分解吸热峰。而开始分解吸热的温度（Ｔ０ｎｓｅｔ）为３５１．５９°Ｃ。Ｍ２的ＤＳＣ逡逑曲线在３５０°Ｃ附近也有一较大的吸热峰，同样也为Ｍ２的分解吸热峰，而它的开始分解吸逡逑热的温度（Ｔ０ｎｓｅｔ）为３３８．５１°Ｃ。逡逑从结果可知，Ｍｌ、Ｍ２的初始分解温度都＞３３０°Ｃ，完全满足炸药的安全要求和储存逡逑要求。逡逑２．４相容性逡逑炸药的相容性是评价炸药安全性和使用可靠性的一项重要指标。在讨论炸药的相容逡逑性的时候，要区分两种现象。研究炸药主体部分与其他材料混合后的反应速率变化情况逡逑的属于组分相容性。这是从混合炸药的角度来研宄各个组分是否适宜于应用。常把这种逡逑相容性问题叫做内相容性。另一种是把混合炸药作为整体，研究炸药和其他材料（包括逡逑金属和非金属材料）接触后可能发生的反应情况，这是属于接触相容性的问题，称作外逡逑相容性［９２＿９４］。本文所涉及的Ｆａｅ配方相容性属于燃料与金属粉之间的内相容性问题。逡逑２．４．１实验方法逡逑测定炸药和材料相容性的方法有很多，如：差示扫描量热仪（ＤＳＣ）法、微热量热逡逑法、真空安定性、布氏压力计法、１００°Ｃ加热法、气相色谱法等。由于ＦＡＥ的特殊性

【参考文献】