冲击作用下含铝炸药爆轰特性及铝粉反应机理研究

The process of initiation and detonation of aluminized explosives under shock waves is the core issue of the charge safety and energy output, which is an international academic focus now. The aluminized RDX explosives will be investigated in this project. The reaction mechanism of aluminum powder during the ignition to detonation and the detonation properties of aluminized explosives will be investigated from the microscopic analysis of ignition and the reaction law of aluminum powder in detonation products. The effects of different mesostructures of aluminized explosives on shock ignition and detonation growth process will be explored and the variation of ignition and detonation growth process with the content of aluminum powder and particle size will be gained. The reaction rate model which can be reflect microstructure features of aluminized explosives will be setup by associating the mesoscopic physical structure of aluminized explosives with shock ignition and initiation processed. The reaction characteristics of aluminum powder in detonation products will be studied by the molecular dynamic, and the equation of state of aluminized explosives will be setup by comparing the results of aluminized explosives driving flyer and LiF explosives. The detonation reaction characteristics of aluminized explosives and the reaction mechanism of aluminum powder will be gained by combining with numerical simulation. The results of this project can provide theoretical guidance for formulations of aluminized explosives and the charge design and safety assessment.

含铝炸药在冲击作用下起爆以及爆轰的过程是含铝炸药装药安全性和能量输出特性的核心问题，已成为国内外研究的前沿热点问题。本项目以RDX基含铝炸药为研究对象，重点从冲击载荷作用下含铝炸药点火起爆细观分析和铝粉在爆轰产物中的反应规律这两个方面研究铝粉在炸药起爆到爆轰整个过程中的反应机理和含铝炸药的爆轰特性。探索含铝炸药不同细观结构对冲击点火以及爆轰成长过程的影响规律，掌握点火及爆轰成长过程随铝粉含量和颗粒度的变化规律。将含铝炸药细观物理结构与冲击点火起爆过程进行关联，建立能反映含铝炸药细观结构特征的反应速率模型。通过比较含铝炸药和含氟化锂炸药爆轰驱动飞片实验结果，从分子动力学角度研究铝粉在爆轰产物中的反应特征，建立含铝炸药爆轰产物状态方程。结合数值模拟探索含铝炸药爆轰反应特征以及铝粉的反应机理。研究成果将为含铝炸药配方设计、战斗部装药设计及安全评价提供理论支撑。

为研究铝粉特性对含铝炸药冲击起爆的影响以及细观反应速率模型，建立了含铝炸药一维拉格朗日冲击起爆实验系统，对不同铝粉尺寸的RDX基含铝炸药的冲击起爆过程进行了实验研究。实验发现炸药配方中的铝粉尺寸越小，其前导冲击波阵面的传播速度越快，在每个拉格朗日位置产生更高的峰值压力。另外，同一拉格朗日位置的前导冲击波与峰值压力之间的时间间隔较短，峰值压力可以更快地赶上前导冲击波阵面。5 μm、16 μm、40 μm和100 μm铝粉含铝炸药的爆轰时间和到爆轰距离分别为8.32073 μs、8.43052 μs、8.45338 μs、8.48656 μs和4.02011 mm、4.74441 mm、4.78782 mm、4.81386 mm，较小颗粒尺寸的铝组分可以提高含铝炸药的反应速率和冲击感度。. 基于冲击作用下多组分粘弹塑性炸药的孔隙塌缩热点模型提出了含大尺寸铝粉炸药的冲击起爆细观反应速率模型Ⅰ；基于考虑了铝粉与粘结剂组成的混合物以及铝粉在基炸药分解产物中反应机理的孔隙塌缩热点模型，提出了含小尺寸铝粉炸药的冲击起爆反应速率模型模型II。通过RDX基含铝炸药的冲击起爆实验对建立的两种反应速率模型进行了验证，结果表明模型I适用于描述铝粉颗粒度较大的炸药冲击起爆过程；而模型II适用于含较小尺寸铝粉的炸药冲击起爆。基于模型Ⅰ和II，获得了不同颗粒尺寸含铝炸药的铝粉在CJ面前的反应度。. 除研究含铝炸药中铝粉在爆轰反应区内的反应外，还分析了铝粉在爆轰反应区外与爆轰产物二次反应机理。针对爆轰产物JWL-Miller状态方程的不足，把铝粉气化反应速率方程与传统爆轰产物的JWL方程相结合，提出了新的含铝炸药爆轰产物状态方程。气化反应模型能够准确描述高温、高压和强流动性环境下铝粉的反应规律。利用实验结果，证实铝粉在爆轰产物中的反应规律，应用两种状态方程对含铝炸药爆炸驱动飞片实验进行数值模拟。结果表明，新的状态方程能够揭示铝粉与爆轰产物的反应机理，并且可以解释不同铝粉颗粒含铝炸药的做功能力的不同。