牛国涛，封雪松，曹少庭，姚李娜

（西安近代化学研究所，陕西 西安，710065）

水中兵器弹药爆炸后，希望在较远距离处仍保持冲击波的较高超压和所产生的较高气泡脉动能量，以摧毁舰船及水下设施。含铝炸药由于铝粉与爆轰产物反应释放出大量的能量，可补充水中冲击波的能量和气泡脉动的能量，不仅增强了爆炸功，而且延长了作用时间，所以含铝炸药在水中的爆炸破坏作用高于相应的非含铝炸药[1]。

国外对含铝炸药的水下性能做了较全面的研究。CTSN研究中心的科学家得出含纳米铝炸药的反射波压力和脉冲效应均高于含微米铝粉炸药，同时含纳米铝粉的炸药在水中爆炸后脉冲次数增加，气泡持续时间也增加的结论[2]；Dorsett[3]等通过高速摄影证明，在特里托那儿炸药中，Alex在炸药中比微米铝反应地早，反应地快，纳米铝粉早期参加反应可增加爆压和拥有较大的爆热；Brousseau[4]研究结果表明在10μs时，含Alex的炸药冲击波半径等于或低于H-15，而气泡膨胀较快，这与Alex快速反应相一致。国内黄辉[5]等人研究了铝粉粒度对含铝炸药爆轰性能的影响，得出随着铝粉颗粒减小，铝粉参与反应的时间缩短，做功能力逐渐提高，从而提高了爆炸威力。

本研究采用不同含量的纳米铝和微米铝炸药，通过水下输出能量特性的对比分析，研究不同规格铝粉和铝粉含量对水下能量输出的影响规律。

1 试样及试验设计

1.1 样品制作和仪器

试验所用混合炸药配方中微米铝粉平均粒径为5 μm，来源于鞍钢实业微细铝粉有限公司；纳米铝粉为西安近代化学研究所通过爆炸法研制，平均粒径为150nm。两种铝粉的电子扫描图片如图1所示。

图1 微米铝粉和纳米铝粉的电镜扫描图Fig.1 SEM of micro-aluminum and nano-aluminnum

从图1（b）中可见，纳米铝粉很容易团聚，并且团聚与团聚之间有较大的空隙，从而无法形成致密的堆积，使其在炸药中应用带来很大问题。

利用直接法工艺制备了以RDX为基含铝炸药，感度测试表明含纳米铝粉炸药感度极高，通过加入适量钝感剂得到较好效果，并压制成φ30mm×30g的柱形药块，一端中心带雷管孔。试验设计了分别含纳米铝和微米铝的 5种配方（铝粉含量分别为 20%、25%、30%、35%、40%）。

采用8#电雷管起爆，压力测试采用美国PCB公司生产的138型ICP压电式电气石水激波传感器；另配有482A型信号适配器、微测公司的高低频数据记录仪，气泡脉动信号的采样频率为1MHz。

1.2 试验装置和布局

试验水池直径3.2m，水深2.4m，池底和池壁均由8mm钢板焊接而成。具体尺寸布局见图2。

图2 水下爆炸测试示意图Fig.2 Configuration of underwater explosion

十字钢支架作为压力传感器和药柱悬挂支撑，为了保持传感器和药柱垂直水平面，防止由于水的浮力和湍流对测试的影响，使用重物悬挂使得两者保持在同一水平面上，直接测试爆炸冲击波超压和气泡超压。

2 结果与分析

2.1 冲击波超压与冲击波能量

炸药在水中爆炸后，爆炸产物急剧膨胀压缩水介质形成冲击波，冲击波在水中的速度很快，可达到几倍的音速，首先对目标作用。本次试验利用两只并联的压力传感器测量药柱水下爆炸冲击波压力时间曲线和气泡脉动压力时间曲线，每个样品进行两次试验，峰值压力取平均值，从而得到不同铝粉含量炸药水中冲击波超压，如图3所示。

图3 不同铝粉含量时的峰值超压曲线Fig.3 Overpressure curve of explosive with different content of aluminum

由图3可见，在铝粉含量25%以后，水中冲击波超压随着铝粉含量的增加而递减，并且在铝粉含量相同情况下，含纳米铝粉炸药的冲击波超压较低；而在20%铝粉含量时，含纳米铝粉的炸药冲击波压力稍高。所以在用于水下的以RDX为基的含铝混合炸药配方研制过程中，微米铝粉含量在25%左右时，达到最大冲击波压力值，这与Stromsoe E研究RDX/AL得出的铝粉含量为20%～23%时，水中冲击波能量达到最大值是相符的[6]；而含纳米铝粉的混合炸药却不同，从测试铝粉含量范围内，没有出现拐点，当纳米铝含量为20%时，得到最大的冲击波值，说明比表面积更大的纳米铝比微米铝更多、更快地参与了爆轰反应，支持了前沿的冲击波。所以在水中爆炸用含纳米铝炸药配方设计中，若要得到较好的冲击波毁伤，铝粉含量不应大于20%。

在铝粉含量25%以后，含纳米铝炸药冲击波压力明显低于含微米铝粉炸药的冲击波压力。现以30%铝含量为例对微米铝和纳米铝进行不同比例的级配，进行水下爆炸测试冲击波压力，测试结果如图4所示。

图4 不同铝粉配比下冲击波超压Fig.4 Shock pressure of explosive with different scale aluminum grading

从图4可知，通过纳米铝和微米铝的级配，水中冲击波压力明显大于两种铝粉单独使用时的冲击波压力，且微米铝和纳米铝比例为1:1时达到了最大冲击效果，比两种铝粉单独使用时的冲击波压力高出1MPa左右，说明颗粒级配有利于提高冲击效果，为纳米铝在炸药中的应用提供了一个新思路。

根据水中爆炸相似率，可以得到相应的比冲击波能，如公式（1）[7]所示：

式（1）中：Es为比冲击波能量，J/kg；R为距爆炸中心的距离，m；W为装药量，kg；ρ为水的密度，kg/m3；Cw为水的音速，m/s；θ为时间常数，s，即为水中冲击波压力衰减到最大压力1/e的时间；p(t)为距爆炸中心R处爆炸冲击波超压随时间变化的函数关系。

将水中爆炸试验测试得到的冲击波超压随时间变化的结果带入式（1）（实际上是非连续函数求和计算，得到水中爆炸比冲击波能）得到两种铝粉不同含量时炸药在水中爆炸的冲击波能，如图5所示。

图5 不同铝粉含量的冲击波能变化曲线Fig.5 Shock wave energy curve of explosive with different content of aluminum

由图5可知，两条曲线的变化趋势一致，比冲击波能随铝粉含量的增加先增大，到铝粉含量25%左右时，比冲击波能量达到最大值，然后随铝粉含量的增加，冲击波能迅速降低。在所测试的铝粉含量范围内，含微米铝粉炸药的比冲击波能量大于含纳米铝粉炸药的比冲击波能量。在铝粉含量20%时，两者相差较小，随着铝粉含量的增加，冲击波能差值有增大的趋势。说明铝粉含量增大抑制比冲击波能，铝粉参与爆轰反应量较少，更多地与爆轰产物反应，甚至起到惰性作用，而比表面积更大的纳米铝更容易吸收爆热而使冲击波能量衰减更快；其次纳米铝粉反应较快，作用时间短，不利于冲击波能量的积累，由公式（1）可知即使在铝粉含量20%时，含纳米铝炸药的水中冲击波超压大，但是比冲击波能小。

2.2 气泡能量分析

炸药水中爆炸以后，爆炸产物以气泡的形式在水中连续膨胀收缩，称为气泡脉动。气泡脉动压力只有冲击波峰值压力的15%～20%，但是脉动的时间很长，产生的冲量高于冲击波[8]。随着非理想炸药在水中兵器战斗部中广泛使用，气泡能占炸药水中爆炸总能量的比例越来越高，本次试验由于铝粉含量较高，气泡能量到总能量的80%左右。利用从冲击波超压峰值到第1次脉动超压峰值时间间隔作为气泡的膨胀周期，带入比气泡能公式[8]得到不同铝粉含量时含铝炸药水中爆炸的气泡能曲线，如图6所示。

比气泡能按式（2）计算：

式（2）中：eb为比气泡能，MJ/kg；pi为试验时的大气压，MPa；h为试样入水深度，m；m为试样质量，kg；tb为实测气泡脉动周期，s。

图6 不同铝粉含量时比气泡能曲线Fig.6 Specific bubble energy curve of explosive with different content of aluminum

由图6可知，含纳米铝炸药与含微米铝炸药的比气泡能随铝粉含量变化规律不同。在试验所测试的范围内，含微米铝粉炸药的比气泡能随着铝粉含量的增加而增加，这与文献[7]得出的结论是一致的；而含纳米铝粉炸药的比气泡能随铝粉含量先增加后减小，且在铝粉含量35%左右达到最大值。在相同的铝粉含量情况下，含微米铝炸药的比气泡能始终大于含纳米铝炸药的比气泡能，而且两者之差随着铝粉含量的增加而增大。

由比气泡能公式可知，在相同试验条件下，比气泡能只与气泡的脉动周期的立方成正比，含微米铝炸药和纳米铝炸药水中爆炸气泡脉动周期变化规律如图7所示，其变化规律与比气泡能基本一致。从反应机理上分析，纳米铝粉比表面积大，活性高，与爆轰产物反应快，所以周期较短，而微米铝粉则相反。

图7 不同铝粉含量炸药水下气泡脉动周期Fig.7 Pulse periods of underwater bubble of explosive with different content of aluminum

3 结论

（1）在以RDX为基的含铝炸药水下试验中，微米铝含量在25%左右时，达到最大冲击波压力值；含纳米铝的炸药冲击波压力随铝粉含量呈线性变化，且最大值高于含微米铝炸药，所以在水下炸药纳米铝配方设计中，若要得到较好的冲击波毁伤，纳米铝粉含量不应大于20%；纳米铝和微米铝的级配可以明显提高冲击波压力，但是含微米铝炸药冲击波能始终占优。

（2）含微米铝粉炸药的比气泡能随着铝粉含量的增加而增大；而含纳米铝粉炸药的比气泡能随铝粉含量先增加后减小，并且在铝粉含量35%左右达到最大值。在相同的铝粉含量下，含微米铝粉炸药的比气泡能始终大于含纳米铝炸药的比气泡能，且两者之差随着铝粉含量的增加而增大。

[1]孙业斌,惠君明,曹欣茂.军用混合炸药[M].北京：兵器工业出版社,1995.

[2]A.Lefrancois and C.Legallic.Expertise of nanometric aluminum powder on the detonation efficiency of explosives[C]// Proceedings of the 32nd International Annual Conference of ICT“Energetic Materials-Ignition,Combustion and Detonation.Pfinztal Karlsruhe Germany:ICT,2001.

[3]Dorsetr,H.E.,Brousseau,P. and Cliff,M.D.The Influence of ultrafine aluminum upon explosives detonation[C]//28th International Pyrotechnics Seminar.Adelaide, South Australia,2001.

[4]Patrik Brosseau,Helen E,C John Anderson.Dotonation properties of explosives containing nanometric aluminium power[C]//12th Symposium(International) on Detonation.San Diego.California, USA,2000.

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

[6]Stromsoe E and Eriksen S W. Performance of high explosives in underwater applications[J].Propellants and Explosives Pyrotechnics, 1990 (2).

[7]周霖，徐更光.含铝炸药水中爆炸能量输出结构[J].火炸药学报，2003,26(1):30-36.

[8]Cole P.水下爆炸[M].北京:国防工业出版社,1960.