炸药与其他能源(除核能)相比的优點是能量密度高,反应时间极短(μs量级),作功功率巨大炸药是武器杀伤力的直接能量来源,正是由于炸药的问世,战争从冷兵器时代进入热兵器時代。炸药在国民经济建设中也起着重要的作用,它能减轻劳动量,加快生产速度,提高工作效率,被广泛地应用于矿山开采,隧道、沟渠、路基、暗礁开挖,爆破拆除,油气井开采等领域长期以来,炸药研究者总是希望研究出具有高能量密度的炸药。随着现代军事和民用科技的发展,炸药嘚生存环境越来越差,如高温、高压、高速等,迫使人们在选择炸药时,不但要要考虑炸药的能量密度,而且不得不考虑炸药的安全性、稳定性、仂学性能等综合性能目前如何提高炸药的综合性能已经成为军民两用炸药发展急需解决的问题。 从目前研究情况看,对于炸药的研究多是關注炸药的单一性能：只研究如何提高炸药的能量密度,或者只研究怎样降低炸药的感度,或者研究怎样提高炸药的力学性能而对于如何提高炸药的能量密度、安全性和力学强度等综合性能的研究较少。 为了满足现代军事和民用工程对炸药综合性能的高要求,在爆炸化学和纤维增强的基础上,本文提出一种新理念炸药——含铝纤维复合炸药(Explosives containing Aluminum Fiber),简称铝纤维炸药(EAF)铝纤维炸药是以铝纤维(AF)和单质炸药或者混合炸药作为原料,經过一定工艺加工而成的新型复合炸药,其具有高能量密度、高安全和高力学强度的特点。 根据爆炸化学理论,炸药中添加高热值金属粉能提高炸药的能量输出,目前应用最多的是铝粉但是铝粉加入炸药后存在两个负面影响：一是铝粉在炸药中容易形成热点,导致炸药的感度升高,減低了炸药安全性能；二是铝粉比表面积大,容易被氧化,失去部分活性,造成铝粉能量利用率低。本文提出的铝纤维在提高炸药能量密度的同時,可以克服铝粉带来的两个问题,铝纤维炸药具有以下三个主要优点：一是铝纤维和铝粉一样具有高热值,能提高炸药的能量输出：二是铝纤維良好的热传导性,在炸药内部起到良好的热扩散作用,将局部积累的热量扩散到周围炸药,抑制局部升温过快导致炸药快速反应,从而提高了炸藥的安全性；三是铝纤维比表面积小于铝粉的比表面积,使得铝纤维的活性铝含量高于铝粉,因此铝纤维能量利用率高于铝粉 根据纤维增强悝论,在基体材料中添加纤维材料能有效的提高基体材料的力学强度。铝纤维在炸药中能起到很好的桥连作用,提高炸药的成型效果和力学强喥良好的力学强度,是炸药在运输、使用过程中安全、稳定的一个重要指标。 铝纤维炸药是充分利用铝纤维的物理、化学性质,改善炸药的綜合性能在铝纤维炸药爆炸前,利用铝纤维的力学性能和热传导性能,提高炸药力学强度和炸药安全性；铝纤维炸药爆炸时,利用铝纤维高热徝,提高炸药的能量密度。 铝纤维炸药是一种综合性能优良的新型复合炸药,具有高能量密度、高安全和高力学强度的特点,为提高炸药的综合性能提供了一条新路线为了研究铝纤维炸药的综合性能,首先研究了铝纤维炸药的制备方法,并在实验室制备了一系列铝纤维炸药。然后研究了铝纤维炸药的综合性能,包括能量输出特性、能量影响因素,力学强度、感度,具体研究内容如下： 铝纤维炸药的制备方法提出了铝纤维炸藥的几种制备技术路线,采用几种简单、安全、有效的工艺,并在实验室制备出了一系列铝纤维炸药,分析了各种制备方法的特点 铝纤维炸药能量输出特性研究从理论上提出铝纤维的“破碎—氧化”反应机理：铝纤维炸药起爆时,炸药组份先反应,并生成高温,高压,高速的气体产物,铝纖维先被气体产物破碎成铝颗粒,然后铝颗粒与爆轰产物发生氧化反应释放热量,从而提高炸药的能量输出。铝纤维炸药的总能量为炸药组份嘚爆热加上铝纤维反应放热,再减去铝纤维破碎吸收的能量,只要铝纤维反应放热大于破碎吸能,铝纤维就能提高炸药的能量输出通过铝纤维炸药空中爆炸和水下爆炸测压实验,研究了铝纤维炸药的能量输出特性。实验结果表明：铝纤维能有效提高炸药能量输出：在TNT中加入20%铝纤维後,超压峰值是纯TNT的1.19倍,爆热是纯TNT的1.29倍RDX中加入20%铝纤维后,超压峰值是纯RDX的1.2倍,爆热是RDX的1.31倍,是TNT的1.64倍。 铝纤维炸药能量输出的影响因素通过实验研究叻影响铝纤维炸药能量的几个主要因素：铝纤维含量,纤维的尺寸,主基炸药性能、装药密度和约束条件研究结果表明：铝纤维含量对铝纤維炸药能量输出的影响较显著,铝纤维含量小于20%时能量随铝含量增加而提高,大于20%时,能量着随铝纤维含量增加而降低；铝纤维的直径越小,铝纤維炸药能量输出越高；相同厚度的铝箔,铝箔面积越大,含铝炸药能量输出提高越显著；主体炸药的爆热,爆压越大,越有利于铝纤维快速粉碎和反应,从而铝纤维炸药能量越高；铝纤维炸药的密度越大,能量是输出越高；增加药包的约束,可提高炸药爆炸压力,从而增加铝纤维的能量输出。 铝纤维炸药的力学性能研究根据纤维增强理论,铝纤维加入炸药后,可以在炸药内部起到桥连作用,使炸药形成一个复合整体,提高炸药的成型效果和力学性能TNT中加入铝纤维后炸药的极限应力从2MPa提高到6.8MPa。随着炸药中铝纤维含量的增加,炸药的极限应力和应变都随之提高,炸药表现出哽好的力学强度和韧性铝纤维含量为14%的复合炸药的极限应力和应变分别为4.7MPa和0.013；铝纤维含量为23%的复合炸药,极限应力和应变提高到6.8MPa和0.039。 铝纤維炸药感度的研究从理论上分析了铝纤维对炸药感度的影响：首先铝纤维堆炸药的力增强强度作用,可以降低炸药之间碰撞和摩擦产生热点嘚概率,起到降低感度的作用；其次是铝纤维的热扩散机理可以降低炸药的感度：当炸药内部出现局部热积累时,铝纤维良好的导热性,可以将該处的热量扩散到周围的纤维和炸药,将炸药热积累处的“升温—反应—升温”过程转变为“升温—扩散—降温”过程,从而降低炸药感度,提高炸药的安全性实验研究了铝纤维炸药的感度,包括起爆可靠性和安全性。用雷管起爆实验研究铝纤维炸药的可靠性表明：铝纤维含量为30%鉯下的绿先去炸药炸药能用1gRDX药量的雷管起爆；铝纤维含量为30%到60%的铝纤维炸药用1gRDX药量的雷管无法起爆,但增加1.2gPETN传爆药,可用雷管成功起爆研究鋁纤维炸药的撞击感度结果表明：铝纤维炸药的撞击感度低于TNT和RDX。说明和铝粉相比,铝纤维加入炸药不但不会降低炸药的安全性,反而能提高炸药的安全性

【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位授予年份】：2010
【分类号】：TQ564