新型高能合金在燃料空气炸药中的应用研究

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30g/m3，低于A1粉的爆炸下限质量浓度40g/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260ms，含M2和含M3燃料空气炸药分别为280ms和290ms;含铝燃料空气炸药火球表面温度在800℃以上的持续时间为310ms，含M2和含M3燃料空气炸药均为360ms。

目录

声明

摘要

图表目录

1 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 燃料空气炸药的特点及研究现状

1．2．1 燃料空气炸药反应机理研究

1．2．2 高能添加剂在燃料空气炸药中的应用研究

1．2．3 新型材料在炸药中的应用前景

1．3 本论文研究思路及主要内容

2 金属粉在燃料空气炸药中的适用性研究

2．1 引言

2．2 金属及高能合金的组成

2．2．1 铝粉

2．2．2 铝硼合金

2．2．3 高能合金

2．3 高能合金热分解温度

2．3．1 实验仪器

2．3．2 实验过程及数据

2．3．3 结果分析

2．4 相容性

2．4．1 实验方法

2．4．2 差示扫描量热法测相容性

2．4．3 微热量热法测相容性

2．5 燃烧热

2．5．1 理论燃烧热

2．5．2 实测燃烧热

2．5．3 结果分析与讨论

2．6 比表面积

2．6．1 实验仪器

2．6．2 实验过程

2．6．3 结果分析与讨论

2．7 吸湿性

2．7．1 实验仪器

2．7．2 实验过程

2．7．3 实验结果

2．8 本章小结

3 金属粉的爆炸反应活性研究

3．1 引言

3．2 最小点火能

3．2．1 实验部分

3．2．2 结果分析与讨论

3．3 最低着火温度

3．3．1 实验部分

3．3．2 结果分析与讨论

3．4 爆炸下限质量浓度

3．4．1 实验部分

3．4．2 结果分析与讨论

3．5 最大爆炸压力及最大爆炸指数

3．5．1 实验方法

3．5．2 实验仪器

3．5．3 结果分析与讨论

3．6 本章小结

4 含金属粉燃料空气炸药爆炸场的冲击波特性

4．1 引言

4．2 静爆场爆炸实验研究

4．2．1 相关参数计算

4．2．2 实验样品与测试条件

4．2．3 二次起爆延迟时间

4．2．4 二次起爆药量

4．2．5 静爆场爆炸试验

4．3 本章小结

5 含金属粉燃料空气炸药的热毁伤效应研究

5．1 引言

5．2 主要实验仪器

5．3 火球表面温度及火球直径

5．3．1 TNT测试结果分析

5．3．2 含铝FAE爆炸场红外测试结果分析

5．3．3 含高能合金粉FAE爆炸场红外测试结果分析

5．3．4 不同爆源测试结果对比分析

5．4 本章小结

6 结束语

6．1 主要结论

6．2 创新点

6．3 今后研究方向

致谢

参考文献

附录