姚李娜，封雪松，赵省向，王彩玲，王淑萍

（西安近代化学研究所，陕西 西安710065）

引 言

含铝炸药作为一类高密度、高爆热的高威力炸药，已被广泛应用于水中兵器和对空武器弹药［1］。纳米铝粉作为一种新型材料，具有燃烧快、放热量大、活性高等特点，广泛应用于火箭推进剂、火炸药、太阳能电池铝背场等领域［2］。在炸药中加入高活性纳米铝粉可明显提高炸药的爆速，改善爆轰性能，提高作功能力等［3］。近年来，纳米铝粉在火炸药中的应用研究得到国内外学者的广泛关注［4-6］。Brousseaud等［7］研究了平均粒径为12μm 的微米铝粉（H-15）和纳米铝粉（Alex）对TNT／Al混合炸药性能的影响，结果表明，纳米铝粉的加入可显著提高炸药的爆速。黄辉等［1］在以RDX 为主体的黏结炸药中加入质量分数20%、粒径为50nm 的超细铝粉，得到的新型复合炸药爆轰性能及作功能力明显高于含20% 粒径为5μm 和50μm 铝粉的复合炸药。

本研究采用机械混合法制备了含纳米铝的RDX 基含铝炸药系列，分析了炸药的机械感度和火焰感度，并与含微米铝炸药的性能进行了比较。

1 实 验

1.1 材料与仪器

纳米Al，活性85.12%，西安近代化学研究所；4.5～5.5μm 铝粉，活性98.9%，盖州市金属粉末厂；123.6μm RDX，甘肃银光化学工业公司；68＃石蜡，中国石化集团抚顺石油化工研究院；高分子聚合物黏结剂，中昊集团晨光化工研究院；石墨，上海惠港石墨有限公司。

HGY-l型火焰感度仪；H3.5-10W 落锤式撞击感度仪；QUAINTA600扫描电子显微镜，美国FEI公司。

1.2 样品制备

含Al粉RDX基炸药配方见表1，采用直接法工艺制备100g样品，干燥后，加入质量分数1%的石墨。

表1 含铝RDX 基炸药配方Table 1 Formulation of RDX-based explosive containing Al powders

为了比较纳米Al的高活性，用相同方法制备了相同配方含微米Al粉RDX 基炸药。

1.3 感度试验

采用经过标定的H3.5-10W 落锤式撞击感度仪测定炸药样品的撞击感度，根据GJB772A-97标准中601.2 试验方法测定加入不同粒径铝粉的RDX 基炸药的爆炸特性落高。落锤质量10kg；药量（50±1）mg。试验分2组，每组25发，共50发。

按照GJB772A.97标准中602.1试验方法测定炸药试样的爆炸百分数。表压3.92MPa；摆角（90±1）°；药量（20±1）mg。每组25发，共50发。

按照GJB 770B.2005火药试验方法中“导火索法”在自制的火焰感度仪上用升降法测定试样50%发火时的火焰喷射高度值。药量0.0200g，每组30发，测2组。结果用50%发火高度表示，其值越大，表示炸药的火焰感度越高。

2 结果与讨论

2.1 铝粉对RDX 基炸药机械感度的影响

2.1.1 对撞击感度的影响

纳米Al对RDX 基炸药机械感度的影响见表2。由表2可看出，加入纳米Al后，RDX 基炸药的撞击感度增大，且随着纳米Al含量的增加，撞击感度增加幅度增大。

表2 含铝粉RDX 基炸药机械感度和火焰感度的测试结果Table 2 The mechanical sensitivity and flame sensitivity test results of RDX-based explosive with Al powders

从表2还可以看出，当加入质量分数为25%纳米Al时，RDX 基炸药的撞击感度增加22.4%，加入质量分数为25%微米Al时，RDX 基炸药的撞击感度增加4.47%；当铝粉含量继续增加时，含纳米Al炸药的撞击感度继续增加，而含微米Al炸药感度增加幅度降低；当铝粉质量分数增加到40%，含纳米Al炸药的撞击感度增加66.8%，而含微米Al炸药的撞击感度增加1.21%。说明随着铝粉含量的增加，RDX 基炸药的撞击感度变化幅度不同，即含纳米Al炸药的撞击感度增加幅度随纳米Al含量的增加而增加，而含微米Al炸药撞击感度的增加幅度不大。

出现以上结果可能是由于［8］：（1）铝粉粒度不同。图1 为铝粉及含铝RDX 炸药的SEM 照片。从图1（a）和（b）看出，纳米Al为球形，平均直径为140nm，而球形铝粉的粒度处于4.5～5.5μm。当受到外界冲击载荷作用时，纳米Al在炸药颗粒中的相对运动速率大于微米Al，且含纳米Al的RDX基炸药内部受力易集中到某一微小区域或某一点上，导致形成热点，使得炸药的撞击感度高；（2）纳米Al和微米Al的堆积密度和孔隙率不同。实验发现，含量相同的纳米Al的体积大于微米Al，说明纳米Al的堆积密度小于微米Al，从而使得纳米Al颗粒之间空隙率较大。（3）铝粉在炸药内部空穴大小的变化。从图1（c）和（d）看出，纳米Al在炸药中存在少量的团聚，且在炸药中的分散不好，导致含纳米Al炸药的内部空穴增大，炸药撞击感度增大。（4）铝粉含量的影响。铝粉含量增加，纳米Al的团聚现象加剧（图1（c）和（d）），分散空穴增加，当炸药受到外界冲击时，纳米Al含量增加，在炸药中的团聚严重和空穴数增加，易于形成更多热点，炸药撞击感度增加，且增加幅度也增加。微米Al含量的增加对炸药撞击感度的影响不是很大。

图1 铝粉和含20%铝粉RDX 炸药的SEM图片Fig.1 SEM photos of Al powder and RDX-based explosive with 20% Al powder

2.1.2 对摩擦感度的影响

图2为含Al炸药的摩擦感度变化趋势。从图2看出，含纳米Al的RDX 基炸药的摩擦感度较高，且随纳米Al含量的增加，摩擦感度增高比较明显；含纳米Al炸药的摩擦感度大于含微米Al炸药。

根据热点理论，摩擦感度增加可能是由不同铝粉在炸药中的特性所决定。炸药中的纳米Al粒子的表面能高、表面原子活性大，从而对外界能量更敏感，导致纳米Al与击柱下表面的相互作用增强，即黏附强度增强；另外，颗粒间的摩擦生热也是产生热点的主要原因，而纳米Al的尺寸太小会导致比表面积迅速增加，即炸药中单位质量的纳米Al粒子之间的接触面积显著增大，因此，在摩擦过程中会产生更多的热量，很容易形成热点，且随含量的增加，形成的热点会更多，最终导致RDX 基炸药的摩擦感度增加。

图2 铝粉对RDX 基炸药的摩擦感度影响Fig.2 Effect of Al powders on the friction sensitivity of RDX-based explosive

2.2 铝粉对RDX 基炸药火焰感度的影响

纳米Al对石蜡包覆RDX 基炸药火焰感度的影响测试结果如表2和图3所示。结果表明，含纳米Al炸药火焰感度比较高，且随纳米Al含量增加而增加；加入不同铝粉后，RDX 基炸药的火焰感度都增加，且随铝粉含量的增加，炸药的火焰感度都呈明显的、缓慢的上升趋势，即铝粉的含量越高，火焰感度越高。且纳米Al炸药火焰感度的增幅随Al含量增加的幅度大于微米Al炸药。

图3 铝粉对RDX 基炸药的火焰感度影响Fig.3 Effect of Al powders on the flame sensitivity of RDX-based explosive

根据火焰的点火理论可知，炸药的最小点火能受气体层的横截面积和气体平均热导率的影响，铝粉含量越大，气体层横截面积和气体热导率越大，越有利于炸药的最初点火［9］。

上述情况，可能有以下3个原因：（1）纳米Al特殊的比表面积和小尺寸效应；（2）在点火实验中发现，纳米Al的点火温度为550℃，而微米Al的点火温度则高于1100℃；（3）纳米Al在其炸药中的微量团聚（图1（c））更容易使其点火。另外，随纳米Al铝粉的增加，其在炸药中的团聚加剧，最终导致炸药火焰感度增大，且增加幅度大于微米Al炸药。

3 结 论

（1）加入纳米Al后RDX 基炸药撞击感度增加，且随纳米Al含量的增加，撞击感度增加幅度增大；含纳米Al的RDX 基炸药摩擦感度高于含微米Al炸药，且随含量的增加，摩擦感度增加比较明显。

（2）加入纳米Al后，RDX 基炸药的火焰感度增加，且随含量的增加，火焰感度增幅较大。

［1］黄辉，黄勇，李尚斌.含纳米级铝粉的复合炸药研究［J］.火炸药学报，2002，25（2）：1-3.

HUANG Hui，HUANG Yong，LI Shang-bin.Research on composite explosive with nano-aluminium［J］.Chinese Journal of Explosives and Propellants，2002，25（2）：1-3.

［2］张坤，崔玉民，陶栋梁.纳米铝的应用及其制备方法研究进展［J］.阜阳师范学院学报（自然科学版），2010，27（3）：45-47.

ZHANG Kun，CUI Yu-min，TAO Dong-liang.Research progress of application and synthesis method of aluminum nanoparticles［J］.Journal of Fuyang Teachers College（Natural Science），2010，27（3）：45-47.

［3］Mench M M，Kuo K K，Yeh C L.et al.Comparison of the thermal behavior of regular and ultra-fine aluminum powders （Alex）made from plsma explosion process［J］.Combustion Science and Technology，1998，135（1-6）：269-292.

［4］FANG Chong，LI Shu-fen.Experimental research of the effects of superfine aluminum powders on the combustion characteristics of nepe propellants［J］.Propellants，Explpsives，pyrotechnics，2002，27：34-38.

［5］梁磊，王晶禹，董军，等.纳米铝粉对硝胺炸药热分解催化性能的影响［J］.火炸药学报，2009，32（6）：75-78.

LIANG Lei.WANG Jing-yu，DONG Jun，et al.Effects of Nano-AI powder on the thermal decomposition catalytic performance of nitroamine explosives［J］.Chinese Journal of Explosives and Propellants，2009，32（6）：75-78.

［6］黄亚峰，赵省向，李文祥，等.纳米铝粉在炸药中的应用概述［J］.山西化工，2011，32（3）：28-31.

HUANG Ya-feng.ZHAO Sheng-xiang.LI Wenxiang.et al.Review on the application of nano-aluminum powder in explosive［J］.Shanxi Chemical Industry，2011，31（3）：28-31.

［7］Brousseau P，Anderson C J.Nanometric aluminum in explosives［J］.Propellants，Explosives，Pyrotechnics，2002，27（5）：300-306.

［8］陈天石，张玉若，张英浩.HMX 粒度对基机械感度的影响研究［J］.理论与探索，2006，5：27-28.

CHEN Tian-shi，ZHANG Yu-ruo，ZHANG Ying-hao.Effects of the HMX particle size on the mechanical sensitivity［J］.Theory and Exploration，2006，5：27-28.

［9］梁磊，王晶禹，董军，等.粒度对HMX 热感度及火焰感度的影响研究［J］.火工品，2009（5）：39-42.

LIANG Lei，WANG Jing-yu，DONG Jun，et al.Effect of the particle size on thermal sensitivity and flame sensitivity of HMX［J］.Initiators and Pyrotechnics，2009（5）：39-42.