摘要
利用20 L爆炸装置开展了含微/纳米铝粉燃料空气炸药爆炸特性研究。试验结果表明:微米铝粉中加入5%和10%纳米铝粉后,混合铝粉爆炸压力峰值增幅分别为24.4%和58.5%,最大压力上升速率增幅达到80.6%和103.4%,纳米铝粉含量大于10%对于爆炸效应增加没有明显作用;固液比为30/70的燃料空气炸药,点火能从11.83 J增加到28 J,其爆炸压力从0.28 MPa增大到0.52 MPa,爆炸温度从834 ℃增大到1118 ℃,表明增大点火能可以提高燃料空气炸药爆炸参数;提高微/纳米铝粉含量,能够有效提高固液型燃料空气炸药爆炸压力和爆炸温度。
图文摘要
The effect of nano‑aluminum powder on the explosive characteristics of fuel air explosive, including explosion pressure and explosion temperature, was studied by using 20 L explosive apparatus.
随着技术的发展,燃料空气炸药(Fuel‑Air Explosive, FAE)燃料从最初的低沸点可爆性有机液体,发展到了目前固液混合类
已报道的关于含铝FAE燃料的相关文
实验材料:纳米铝粉(nano‑Al),活性铝含量85%,d50为100 nm,形貌见

a. nano‑aluminum powders

b. micro‑aluminum flakes
图1 铝粉形貌
Fig.1 Morphology of aluminum powders
实验在容积为20 L的圆柱形云雾爆炸装置中进行,实验装置如

图2 实验装置示意图
Fig.2 Schematic diagram of the experimental device
1─压力表,2─点火电极,3─储料盒,4─电磁阀,5─单向阀,6─同步控制,7─高压气罐,8─压力测试,9─温度测试,
;10─充气管
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
在宏观浓度为500 g·
从
对于纳米铝粉的促进作用,其原因可能是微米片状铝粉活性铝含量高,拥有更高的总氧化燃烧热值,但由于粒度较大,反应敏感性或反应速度相对较低,氧化反应时间会延长,释放的高能量不会全部引起爆炸超压峰值的提高。高活性纳米铝粉虽然活性铝含量较低,但粒度小,比表面积大,反应敏感性和氧化反应速率高,释放的能量大部分能够引起爆炸压力峰值的提高。加入纳米铝粉,能够在保证能量不降低的前提下,对体系进行敏化,提高混合铝粉整体氧化反应速率。当高活性纳米铝含量超过一定程度,体系总热值的降低对爆炸压力输出的影响开始显现,随着纳米铝含量的提高,体系爆炸压力峰值开始降低。因此,在平衡反应敏感性和能量输出性能之间,高活性纳米铝含量有一个最佳比例范围。
以含10%纳米铝粉的铝粉混合物为固体组分,以40/60的液体混合燃料为液体组分,利用20 L爆炸实验装置,在宏观浓度为500 g·

a. solid/liquid ratio 30/70

b. solid/liquid ratio 50/50

c. solid/liquid ratio 60/40
图3 不同点火能量下不同固/液比燃料空气炸药爆炸超压
Fig.3 Overpressure of fuel‑air explosive with different solid/liquid ratio in varying ignition energies

a. solid/liquid ratio 30/70

b. solid/liquid ratio 50/50

c. solid/liquid ratio 60/40
图4 不同点火能量下不同固液比燃料空气炸药的爆炸温度
Fig.4 Explosion temperature of fuel‑air explosive with different solid/liquid ratio in varying ignition energies
由
不同点火能量下,各种固/液比燃料空气炸药的最大爆炸压力和最大爆炸温度数据见
分析认为,燃料空气炸药通过电极放电点火的过程属于热刺激爆炸,燃料组分在热作用下发生热分解、氧化反应快速放出气体产物和热量,使爆炸罐内的压力和温度快速上升。点火能量越高,组分原子瞬间吸收的热量越多,缩短了达到活化温度所需时间,使爆炸反应的时间提前,爆炸弛豫时间变短;同时,点火能的提高增加了点火瞬间参加反应的原子数量,从而增大爆炸反应区能量释放效率,有更多的能量维持爆炸波的传播,爆炸强度和剧烈程度得到增强。
通过对

图5 不同固液比燃料空气炸药爆炸超压
Fig.5 Overpressure of fuel‑air explosive with different solid/liquid ratio

图6 不同固液比燃料空气炸药爆炸温度
Fig.6 Explosion temperature of fuel‑air explosive with different solid/liquid ratio
由
分析认为,相对于液体组分,铝粉颗粒的燃烧热较高,因此云雾爆炸参数(压力、温度)随着铝粉比例增加而增大。但铝粉为固体颗粒相,相对于液雾,其粒径分布较大,反应活性及反应速率较小,即最大爆炸压力上升速率较小。液体组分中加入铝粉后,体系兼具液雾的高反应性和铝粉的高热值特点,爆炸时液滴先反应,放出的热量促进铝粉反应,铝粉释放出更高的能量进一步加速爆炸反应,使爆炸压力、温度,以及剧烈程度均得到提高。
(1)20 L密闭爆炸罐试验条件下,微米铝粉中加入5%和10%纳米铝粉,体系爆炸压力峰值增幅分别为24.4%和58.5%,最大压力上升速率增幅达到80.6%和103.4%,云爆剂体系纳米铝粉最佳含量约为10%,纳米铝粉含量大于10%对于爆炸效应增加没有明显作用。
(2)本研究条件下,固液比为30/70的燃料空气炸药,点火能从11.83 J增加到28 J,其爆炸压力从0.28 MPa增大到0.52 MPa,爆炸温度从834 ℃增大到1118 ℃,随着点火能的增大,固/液比为50/50和60/40燃料空气炸药的爆炸压力和温度同样明显增大。表明增大点火能有利于提高液固型燃料空气炸药爆炸参数。
(3)本研究条件下,与30%铝粉含量的燃料空气炸药相比,铝粉含量增加到50%和60%,体系最大爆炸压力分别增大了57.7%和107.7%,最大爆炸温度分别增大了16.1%和34.2%,表明增大微/纳米铝粉含量,能够有效提高燃料空气炸药爆炸压力和爆炸温度。
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