方 偉，趙省向，張 奇，金大勇

（1. 西安近代化學(xué)研究所，陜西 西安 710065；2. 北京理工大學(xué)爆炸科學(xué)與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081）

1 引言

隨著技術(shù)的發(fā)展，燃料空氣炸藥（Fuel-Air Explosive，F(xiàn)AE）燃料從最初的低沸點(diǎn)可爆性有機(jī)液體，發(fā)展到了目前固液混合類型［1-2］，能量和后勤保障性有了很大提高。與環(huán)氧丙烷等典型液體FAE 燃料［3-4］相比，燃料中加入高密度、高體積熱、低耗氧量的鋁粉后，不僅能顯著提高裝藥密度和裝藥能量，而且有助于增大拋撒距離，擴(kuò)大爆炸云團(tuán)覆蓋面積［5］，從而大大增強(qiáng)FAE 爆炸毀傷威力?；谶@些特點(diǎn)，鋁粉以及鋁粉與液體燃料混合物的多相云霧點(diǎn)火及爆炸成為中外研究的熱點(diǎn)。王敬凱［6］綜述了近年來分子動(dòng)力學(xué)和反應(yīng)動(dòng)力學(xué)在鋁氧、鋁水以及鋁其他氧化物反應(yīng)體系中的進(jìn)展，并對鋁粉氧化動(dòng)力學(xué)的機(jī)制及關(guān)鍵影響因素進(jìn)行深入分析。Balakrishnan［7］以實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)建立了鋁粉粉塵點(diǎn)火經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，該模型能夠指?dǎo)鋁粒子點(diǎn)火和后燃燒效應(yīng)的研究。張奇［8］結(jié)合激光衍射儀和粒子圖像測速技術(shù)，利用20 L 圓柱形爆炸裝置研究了微米、納米鋁粉及其混合物粉塵在不同湍流強(qiáng)度下的粒度分布，并揭示了湍流強(qiáng)度對鋁粉粉塵點(diǎn)火和爆炸特性的影響，研究結(jié)果表明鋁粉分布的均勻程度對最大爆炸壓力的影響要強(qiáng)于湍流強(qiáng)度，而湍流強(qiáng)度對最大爆炸壓力上升速率影響則更大。尉存娟［9］通過實(shí)驗(yàn)證明，對于不同規(guī)格的鋁粉，存在最佳的點(diǎn)火延遲時(shí)間、云霧濃度和粒度使得最大爆炸壓力和壓力上升速率最大。周衛(wèi)軍［10］計(jì)算了環(huán)氧丙烷/鋁粉燃料的FAE 爆轟參數(shù)，綜合考慮FAE 爆轟參數(shù)、有效作用范圍、起爆可靠性和鋁粉分散相，認(rèn)為液固混合燃料中鋁粉的配比按30%～40%設(shè)計(jì)是可行的。

已報(bào)道的關(guān)于含鋁FAE 燃料的相關(guān)文獻(xiàn)［11-18］主要涉及的是微米鋁粉，而微米鋁粉存在點(diǎn)火感度相對較低的問題，通過引入具有高反應(yīng)活性特征的納米鋁粉作為添加劑，有可能解決這一問題。而目前關(guān)于含納米鋁粉的FAE 燃料報(bào)道［19］較少，特別是納米鋁粉比例對FAE 爆炸效應(yīng)的研究尚未見公開報(bào)道。本研究以微/納米鋁粉混合物和含納米鋁粉的固液型FAE 燃料為研究對象，利用實(shí)驗(yàn)室20 L 云霧爆炸實(shí)驗(yàn)裝置［20］，對混合燃料的爆炸參數(shù)進(jìn)行測試，研究了含納米鋁粉FAE 燃料的云霧爆炸特征，探討了點(diǎn)火能、納米鋁粉含量對爆炸壓力和溫度的影響規(guī)律，以期對這類燃料選型、配方設(shè)計(jì)等提供參考。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)材料：納米鋁粉（nano-Al），活性鋁含量85%，d50為100 nm，形貌見圖1a，西安近代化學(xué)研究所；微米鋁粉（micro-Al），活性鋁含量88%，不規(guī)則片狀，直徑約為18 μm，厚度小于1 μm，形貌見圖1b，鞍鋼鋁粉廠；液體碳?xì)渫闊N，純度98.5%，密度0.94 g·cm-3，西安近代化學(xué)研究所；液體硝酸酯，工業(yè)級，張家口市華威化工有限公司。其中，液體碳?xì)渫闊N和液體硝酸酯按照質(zhì)量比40/60 混合，制成液體混合燃料。

圖1 鋁粉形貌Fig.1 Morphology of aluminum powders

2.2 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)在容積為20 L 的圓柱形云霧爆炸裝置中進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)裝置如圖2 所示。整個(gè)系統(tǒng)由爆炸罐、點(diǎn)火系統(tǒng)、測試系統(tǒng)構(gòu)成。爆炸罐采用壁厚為10 mm 的不銹鋼制成，罐體內(nèi)部高度和直徑分別為312 mm 和300 mm，爆炸罐兩側(cè)各連接一套壓縮空氣脈沖噴入裝置，分別用于液體燃料和粉體的噴灑，在爆炸罐內(nèi)形成燃料-空氣混合云霧；點(diǎn)火系統(tǒng)采用電極點(diǎn)火方式，點(diǎn)火能量能夠精確調(diào)節(jié)和控制；測試系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、壓力傳感器、溫度傳感器、信號調(diào)理器等構(gòu)成，用于爆炸壓力、溫度變化歷程的準(zhǔn)確測量。

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖1—壓力表，2—點(diǎn)火電極，3—儲(chǔ)料盒，4—電磁閥，5—單向閥，6—同步控制，7—高壓氣罐，8—壓力測試，9—溫度測試，10—充氣管Fig.2 Schematic diagram of the experimental device 1—pressure gage，2—electrode，3—sample container，4—solenoid valve，5—check valve，6—control system，7—air reservoir，8—pressure transducer，9—temperature sensor，10—gas tube

2.3 實(shí)驗(yàn)方法

按照500 g·m-3的宏觀濃度（即放入儲(chǔ)料盒內(nèi)的燃料質(zhì)量除以罐體體積）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，由于儲(chǔ)料盒內(nèi)燃料殘余，罐體內(nèi)實(shí)際燃料濃度經(jīng)測試約為340 g·m-3，略高于化學(xué)當(dāng)量濃度。實(shí)驗(yàn)時(shí)，稱量樣品并分別放入左右兩邊的儲(chǔ)料盒中，設(shè)定空氣壓力泵氣動(dòng)壓力為0.8 MPa，對火花放電裝置中的儲(chǔ)能電容進(jìn)行充電，調(diào)節(jié)好點(diǎn)火能量測試系統(tǒng)和爆炸參數(shù)測試系統(tǒng)，通過電磁閥控制高壓空氣脈沖，將儲(chǔ)料盒內(nèi)的燃料噴入20 L罐體形成燃料空氣炸藥云霧，開啟點(diǎn)火開關(guān)，對云霧進(jìn)行電火花點(diǎn)火，同時(shí)觸發(fā)爆炸參數(shù)測試系統(tǒng)，獲得點(diǎn)火云霧中的壓力、溫度變化曲線。

3 結(jié)果與討論

3.1 高活性鋁含量對混合鋁粉云霧爆炸壓力的影響

在宏觀濃度為500 g·m-3，罐內(nèi)實(shí)際濃度為340 g·m-3，點(diǎn)火能為10.24 J 試驗(yàn)條件下，測量了納米鋁粉含量分別為0、5%、10%、15%的混合鋁粉爆炸壓力參數(shù)，結(jié)果見表1。

表1 納米鋁粉與微米鋁粉混合物爆炸參數(shù)Table 1 Explosion parameters of micro/nano-aluminum mixture

從表1 可見，在納米鋁粉含量為0%～10% 范圍內(nèi)，混合鋁粉的爆炸壓力峰值和爆炸壓力最大上升速率（dp/dt）max均隨著高活性鋁含量的升高而增大。純微米鋁粉爆炸壓力峰值和最大上升速率為0.82 MPa和1.75 MPa·s-1，加入納米鋁粉5%和10%后，爆炸壓力峰值分別提高到1.02 MPa 和1.30 MPa，增幅分別為24.4% 和58.5%，最大壓力上升速率增幅達(dá)到80.6%和103.4%，說明納米鋁粉的加入顯著提高了混合鋁粉的爆炸強(qiáng)度和劇烈程度。當(dāng)納米鋁粉含量升高到15%時(shí)，其爆炸最大壓力和壓力上升速率并未增大，反而有減小的趨勢，表明在該體系下，納米鋁粉最佳含量約為10%，納米鋁粉含量大于10%對于爆炸效應(yīng)增加沒有明顯作用。

對于納米鋁粉的促進(jìn)作用，其原因可能是微米片狀鋁粉活性鋁含量高，擁有更高的總氧化燃燒熱值，但由于粒度較大，反應(yīng)敏感性或反應(yīng)速度相對較低，氧化反應(yīng)時(shí)間會(huì)延長，釋放的高能量不會(huì)全部引起爆炸超壓峰值的提高。高活性納米鋁粉雖然活性鋁含量較低，但粒度小，比表面積大，反應(yīng)敏感性和氧化反應(yīng)速率高，釋放的能量大部分能夠引起爆炸壓力峰值的提高。加入納米鋁粉，能夠在保證能量不降低的前提下，對體系進(jìn)行敏化，提高混合鋁粉整體氧化反應(yīng)速率。當(dāng)高活性納米鋁含量超過一定程度，體系總熱值的降低對爆炸壓力輸出的影響開始顯現(xiàn)，隨著納米鋁含量的提高，體系爆炸壓力峰值開始降低。因此，在平衡反應(yīng)敏感性和能量輸出性能之間，高活性納米鋁含量有一個(gè)最佳比例范圍。

3.2 點(diǎn)火能對燃料空氣炸藥爆炸參數(shù)的影響

以含10%納米鋁粉的鋁粉混合物為固體組分，以40/60 的液體混合燃料為液體組分，利用20 L 爆炸實(shí)驗(yàn)裝置，在宏觀濃度為500 g·m-3，罐內(nèi)實(shí)測濃度約為340 g·m-3條件下，測量了固/液組分質(zhì)量比分別為30/70、50/50、60/40 的燃料空氣炸藥在不同點(diǎn)火能量下的爆炸超壓和溫度變化曲線，結(jié)果見圖3 和圖4。

圖3 不同點(diǎn)火能量下不同固/液比燃料空氣炸藥爆炸超壓Fig.3 Overpressure of fuel-air explosive with different solid/liquid ratio in varying ignition energies

圖4 不同點(diǎn)火能量下不同固液比燃料空氣炸藥的爆炸溫度Fig.4 Explosion temperature of fuel-air explosive with different solid/liquid ratio in varying ignition energies

由圖3a 可見，固/液比為30/70 的燃料空氣炸藥在點(diǎn)火能為11.82 J 時(shí)的爆炸弛豫時(shí)間（從點(diǎn)火開始到壓力明顯開始上升的時(shí)間）約為0.106 s，隨著點(diǎn)火能的增大（11.82，13.72，15.75，17.92，20.23，22.68，28.00 J），爆炸弛豫時(shí)間不斷減小，當(dāng)點(diǎn)火能增大到28.00 J 時(shí)，爆炸弛豫時(shí)間約減小為0.066 s，相應(yīng)的，燃料空氣炸藥的爆炸溫度上升時(shí)間也明顯變短。固/液比為50/50 和60/40 的燃料空氣炸藥的爆炸弛豫時(shí)間具有相同的變化規(guī)律。

不同點(diǎn)火能量下，各種固/液比燃料空氣炸藥的最大爆炸壓力和最大爆炸溫度數(shù)據(jù)見表2。從表2 可見，固液比為30/70的燃料空氣炸藥，點(diǎn)火能從11.83 J增加到28 J，其最大爆炸壓力從0.28 MPa 增大到0.52 MPa，最高爆炸溫度從834 ℃增大到1118 ℃。從表2 結(jié)果還可以看出，隨著點(diǎn)火能的增加，固/液比為50/50 和60/40 燃料空氣炸藥的最大爆炸壓力和最大爆炸溫度同樣明顯增大。該結(jié)果表明，增大點(diǎn)火能有利于提高燃料空氣炸藥的爆炸參數(shù)。

表2 不同點(diǎn)火能下燃料空氣炸藥最大爆炸壓力和最大爆炸溫度Table 2 Maximum pressure and maximum temperature of fuel-air explosive under different ignition energies

表3 中的數(shù)據(jù)為不同點(diǎn)火能下，各種固/液比燃料空氣炸藥最大爆炸壓力上升速率（dT/dt）max和最大爆炸溫度上升速率（dp/dt）max，這兩個(gè)參數(shù)反映了炸藥體系的爆炸反應(yīng)劇烈程度。從表3 可見，點(diǎn)火能從11.83 J 增大到28 J，固液比30/70 燃料空氣炸藥的（dT/dt）max從1821 ℃·s-1增大到3247 ℃·s-1，（dp/dt）max從6.40 MPa·s-1增大到24.25 MPa·s-1，并且固/液比為50/50 和60/40 燃料空氣炸藥的（dT/dt）max和（dp/dt）max具有相同的變化趨勢。該結(jié)果表明，在本實(shí)驗(yàn)點(diǎn)火能范圍內(nèi)，燃料空氣炸藥的爆炸反應(yīng)劇烈程度隨著點(diǎn)火能的增大而增強(qiáng)。

表3 不同點(diǎn)火能下燃料空氣炸藥最大壓力和溫度上升速率Table 3 Maximum rise rate of pressure and temperature of fuel-air explosive under different ignition energies

分析認(rèn)為，燃料空氣炸藥通過電極放電點(diǎn)火的過程屬于熱刺激爆炸，燃料組分在熱作用下發(fā)生熱分解、氧化反應(yīng)快速放出氣體產(chǎn)物和熱量，使爆炸罐內(nèi)的壓力和溫度快速上升。點(diǎn)火能量越高，組分原子瞬間吸收的熱量越多，縮短了達(dá)到活化溫度所需時(shí)間，使爆炸反應(yīng)的時(shí)間提前，爆炸弛豫時(shí)間變短；同時(shí)，點(diǎn)火能的提高增加了點(diǎn)火瞬間參加反應(yīng)的原子數(shù)量，從而增大爆炸反應(yīng)區(qū)能量釋放效率，有更多的能量維持爆炸波的傳播，爆炸強(qiáng)度和劇烈程度得到增強(qiáng)。

3.3 鋁粉含量對燃料空氣炸藥爆炸參數(shù)的影響

通過對表2 數(shù)據(jù)作圖，能非常直觀地反映出鋁粉（Nano-Al/Micro-Al=10/90 混合鋁粉）含量對燃料空氣炸藥爆炸最大超壓和最高溫度的影響趨勢，結(jié)果見圖5 和圖6。

圖5 不同固液比燃料空氣炸藥爆炸超壓Fig.5 Overpressure of fuel-air explosive with different solid/liquid ratio

圖6 不同固液比燃料空氣炸藥爆炸溫度Fig.6 Explosion temperature of fuel-air explosive with different solid/liquid ratio

由圖5 和圖6 可見，在相同的點(diǎn)火能等條件下，隨著鋁粉含量的增加，燃料空氣炸藥的最大超壓和最高溫度均呈明顯增大趨勢。譬如，在28 J點(diǎn)火能條件下，固液比30/70燃料空氣炸藥最大爆炸壓力為0.52 MPa，最大爆溫為1118 ℃，鋁粉含量提高到50%和60%后，最大超壓分別增大到0.82 MPa 和1.08 MPa，最高反應(yīng)溫度分別增大到1298 ℃和1500 ℃，爆炸壓力增幅分別達(dá)到57.7% 和107.7%，最高溫度增幅分別16.1%和34.2%，表明提高鋁粉含量能夠顯著增大燃料空氣炸藥爆炸參數(shù)。

分析認(rèn)為，相對于液體組分，鋁粉顆粒的燃燒熱較高，因此云霧爆炸參數(shù)（壓力、溫度）隨著鋁粉比例增加而增大。但鋁粉為固體顆粒相，相對于液霧，其粒徑分布較大，反應(yīng)活性及反應(yīng)速率較小，即最大爆炸壓力上升速率較小。液體組分中加入鋁粉后，體系兼具液霧的高反應(yīng)性和鋁粉的高熱值特點(diǎn)，爆炸時(shí)液滴先反應(yīng)，放出的熱量促進(jìn)鋁粉反應(yīng)，鋁粉釋放出更高的能量進(jìn)一步加速爆炸反應(yīng)，使爆炸壓力、溫度，以及劇烈程度均得到提高。

4 結(jié)論

（1）20 L 密閉爆炸罐試驗(yàn)條件下，微米鋁粉中加入5%和10%納米鋁粉，體系爆炸壓力峰值增幅分別為24.4%和58.5%，最大壓力上升速率增幅達(dá)到80.6%和103.4%，云爆劑體系納米鋁粉最佳含量約為10%，納米鋁粉含量大于10%對于爆炸效應(yīng)增加沒有明顯作用。

（2）本研究條件下，固液比為30/70 的燃料空氣炸藥，點(diǎn)火能從11.83 J 增加到28 J，其爆炸壓力從0.28 MPa 增大到0.52 MPa，爆炸溫度從834 ℃增大到1118 ℃，隨著點(diǎn)火能的增大，固/液比為50/50 和60/40 燃料空氣炸藥的爆炸壓力和溫度同樣明顯增大。表明增大點(diǎn)火能有利于提高液固型燃料空氣炸藥爆炸參數(shù)。

（3）本研究條件下，與30%鋁粉含量的燃料空氣炸藥相比，鋁粉含量增加到50%和60%，體系最大爆炸壓力分別增大了57.7%和107.7%，最大爆炸溫度分別增大了16.1%和34.2%，表明增大微/納米鋁粉含量，能夠有效提高燃料空氣炸藥爆炸壓力和爆炸溫度。