一种螺旋空心铝纤维储氢复合炸药及其制备方法
阅读说明：本技术 一种螺旋空心铝纤维储氢复合炸药及其制备方法 (Spiral hollow aluminum fiber hydrogen storage composite explosive and preparation method thereof ) 是由 马宏昊 陈继平 沈兆武 王奕鑫 黄亮亮 于 2021-02-05 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种螺旋空心铝纤维储氢复合炸药及其制备方法,其特征在于,高能炸药中预置储存高压氢气的螺旋空心铝纤维,以提高炸药的爆轰性能。将外径1-10mm,壁厚0.2-1mm的空心铝纤维缠绕成螺旋状,螺旋空心铝纤维内径为5-200mm,壁厚1-10mm,层数为1-20层,最外层螺旋空心铝纤维内部填充高能炸药,螺旋空心铝纤维一端使用密封套密封,另一端连接单向阀,待起爆前通过单向阀向空心铝纤维内部填充1-20MPa高压氢气,即制得所述螺旋空心铝纤维储氢复合炸药。本发明所包含的螺旋空心铝纤维和其内部储存的高压氢气均是高能物质,高压氢气提升炸药峰值超压等参数10-30％,螺旋空心铝纤维提升炸药能量输出10-50％,螺旋空心铝纤维储氢复合炸药具有高爆压、高爆热和反应时间长等优点。(The invention discloses a spiral hollow aluminum fiber hydrogen storage composite explosive and a preparation method thereof, which are characterized in that spiral hollow aluminum fibers for storing high-pressure hydrogen are preset in a high-energy explosive so as to improve the detonation performance of the explosive. The spiral hollow aluminum fiber hydrogen storage composite explosive is prepared by winding hollow aluminum fibers with the outer diameter of 1-10mm and the wall thickness of 0.2-1mm into a spiral shape, wherein the inner diameter of each spiral hollow aluminum fiber is 5-200mm, the wall thickness is 1-10mm, the number of layers is 1-20, high-energy explosives are filled in the spiral hollow aluminum fibers at the outermost layer, one end of each spiral hollow aluminum fiber is sealed by a sealing sleeve, the other end of each spiral hollow aluminum fiber is connected with a one-way valve, and 1-20MPa high-pressure hydrogen is filled in the hollow aluminum fibers through the one-way valve before initiation. The spiral hollow aluminum fiber and the high-pressure hydrogen stored in the spiral hollow aluminum fiber are high-energy substances, the high-pressure hydrogen promotes the parameters of the explosive peak overpressure and the like by 10-30%, the spiral hollow aluminum fiber promotes the explosive energy output by 10-50%, and the spiral hollow aluminum fiber hydrogen storage composite explosive has the advantages of high detonation pressure, high detonation heat, long reaction time and the like.)
技术领域
本发明属于炸药及其制备的技术领域，具体涉及一种螺旋空心铝纤维储氢复合炸药及其制备方法。
背景技术
炸药作为一种特殊的能源，具有高能量密度和高功率的特点，广泛应用于军事和民用领域。常规的高能炸药作用时间较短，产生的冲击波快速衰减对远距离目标的毁伤效应会大大较低。为了克服理想炸药的这一缺点，通常在基础炸药中添加高能粉末，例如铝、硅、镁、硼等，其中铝来源广泛，无毒性，燃烧特性较为优异，因此在混合炸药中应用最为广泛。铝作为一种高热值含能金属，与炸药爆轰产物或周围环境中的氧发生二次反应释放大量能量，提高了基础炸药的爆热和爆温，另外铝粉二次反应的时间尺度较长，减缓了爆轰产物膨胀过程中压力的降低，改变了炸药的能量释放进程，显著提高了炸药的能量输出能力。
含铝炸药是将一定粒径的铝粉与高能炸药均匀混合，铝粉的含量、粒径和形状等都对含铝炸药的爆轰性能产生影响，通常微米级或纳米级的铝粉才能与炸药的爆轰产物发生二次反应，随着铝粉粒径的降低，铝粉的比表面积增加含铝炸药的能量输出提升更显著，但随着铝粉粒径的降低，也存在着Al2O3的含量增加的问题，因此对于不同的炸药种类和实验条件存在一个最佳粒径范围。
氢能具有高比能量、清洁绿色、来源广泛的优点，因此一直是含能材料领域的研究热点，根据王奕鑫在论文《Detonation Characteristics of Emulsion ExplosivesSensitized by Hydrogen-Storage Glass Microballoons》中指出：将氢气储存在玻璃微球中作为乳化炸药的含能敏化剂，氢气参与了乳化炸药的爆轰反应，提高了乳化炸药的峰值超压并减缓了冲击波的衰减，显著提高了乳化炸药的爆轰性能。
含铝炸药具有高爆热和爆炸作用时间长的特点，但会降低炸药的爆轰参数，如爆压和爆速，目前亟需解决这一矛盾。
发明内容
本发明公开了一种在高能炸药中预置储存高压氢气的螺旋空心铝纤维结构，氢气和空心铝纤维均是高能物质，能够显著提高炸药的爆轰性能。
本发明采用的技术方案为：一种螺旋空心铝纤维储氢复合炸药，包括螺旋空心铝纤维、高能炸药、密封套和单向阀；最外层螺旋空心铝纤维内部填充高能炸药，螺旋空心铝纤维一端通过密封套密封，另一端连接单向阀，螺旋空心铝纤维内部可充1-20MPa氢气。
所述螺旋空心铝纤维的空心铝纤维外径为1-10mm，相应的壁厚为0.2-1mm，螺旋空心铝纤维内径为5-200mm，壁厚为空心铝纤维的外径，即1-10mm，层数为1-20层，高度30-200mm。
所述螺旋空心铝纤维复合炸药可通过调整螺旋空心铝纤维的直径、高度和层数控制螺旋空心铝纤维和高能炸药的质量比例，复合炸药组分的质量百分比：高能炸药40-90％，螺旋空心铝纤维10-60％。
所述高能炸药选自黑索金，奥克托今，梯黑炸药，太安，梯恩梯等高能炸药；
所述单向阀只允许氢气进入空心铝纤维内部，以保证氢气填充后螺旋空心铝纤维的气密性；
待起爆前在螺旋空心铝纤维内部充1-20MPa氢气；
所述螺旋空心铝纤维储氢复合炸药的制备方法如下：将空心铝纤维绕成螺旋状，相邻管壁紧密贴合，螺旋空心铝纤维位于高能炸药内部或外部，螺旋空心铝纤维的层数为1-20层。螺旋空心铝纤维的一端使用密封套密封，另一端连接单向阀，以保证向内部填充高压氢气后的密封性，待起爆前通过单向阀向空心铝纤维内储存1-20MPa氢气，即获得所述螺旋空心铝纤维储氢复合炸药。
所述螺旋空心铝纤维为薄壁中空结构，其内部储存高压氢气以改善炸药的爆轰参数，并且在炸药爆轰过程中高压氢气的释放能够促进铝纤维的破碎。
所述空心铝纤维缠绕成螺旋状后能够保证内部氢气安全连续的储存，同时增大了其与炸药的接触面积，并且当该螺旋空心铝纤维处于最外层时可以作为炸药的外壳结构。
所述位于炸药内部的螺旋空心铝纤维结构可破碎成直径更小的铝粉和铝片，其内部的氢气主要参与炸药的爆轰反应以提高炸药的峰值超压；位于炸药最外部的螺旋空心铝纤维结构，其内部的氢气主要与周围环境中的氧气反应，反应释放的能量弥补爆轰产物膨胀过程中的能量耗散和温度降低，促进螺旋空心铝纤维的破碎，升温和燃烧。
所述螺旋空心铝纤维内部的铝呈连续状，氧化铝只存在于铝纤维表面，铝的质量占比大于铝粉中铝的质量占比。
螺旋空心铝纤维在高温高压爆轰波、爆轰产物和内部高压氢气的作用下，拉伸、剪切破碎成数十至数百微米的铝粉和铝片，增大了铝纤维与爆轰产物的反应面积，氧化铝熔点(2328K)高于铝的熔点(933K)，铝粉和铝片表面暴露出的新鲜铝表面与爆轰产物反应，不会受到氧化铝的阻碍，使铝的燃烧反应温度显著降低。
高能炸药起爆后螺旋空心铝纤维内部释放的氢气参与了炸药的爆轰反应，提高了炸药的峰值超压；铝纤维破碎形成的铝粉和铝片在炸药爆轰反应过程中为惰性物质，吸收反应释放的能量，未反应的氢气在爆轰产物膨胀过程中继续与周围环境中的氧气反应，一方面，释放的能量弥补了该部分能量的损失，增加了爆轰产物的湍流度，促进了爆轰产物加热铝粉和铝片的速率，另一方面，氢气的燃烧产物增加了与铝纤维反应的氧化性气体的含量，当达到铝的反应温度后与铝粉和铝片发生燃烧反应。螺旋空心铝纤维储氢复合炸药具有高爆压、高爆热和反应时间长等优点，两种含能材料的加入共同提高了基础炸药的峰值超压和能量输出。
所述螺旋空心铝纤维在炸药爆轰作用下能形成环向聚能射流，提高对周围介质的侵彻能力。
与传统含铝炸药相比，其内部储存的氢气弥补了螺旋空心铝纤维对炸药峰值超压的削峰作用，对峰值超压和冲量等爆轰参数提升10-30％，螺旋空心铝纤维主要在炸药爆轰后与爆轰产物反应，对炸药爆轰作用影响较小，对炸药能量输出提升10-50％，在民用和军事领域具有良好的应用前景。
附图说明
下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简要描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1为实施例1、2中螺旋空心铝纤维储氢复合炸药结构示意图；
图2为实施例3中螺旋空心铝纤维储氢复合炸药爆炸后钢板表面结果；
图3为实施例3中对照组炸药爆炸后钢板表面结果；
图4为实施例4中螺旋空心铝纤维储氢复合炸药结构剖面图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明公开了一种在高能炸药中预置储存高压氢气的螺旋空心铝纤维结构，氢气和空心铝纤维均是高能物质，螺旋空心铝纤维储氢复合炸药在具有高爆热、高爆温和反应时间长等优点的同时，提升炸药峰值超压等爆轰参数，在民用和军事领域具有良好的应用前景。
参阅图1和图4，本发明将空心铝纤维缠绕成螺旋空心铝纤维01，螺旋空心铝纤维可为多层，图4中为三层螺旋空心铝纤维，在螺旋空心铝纤维内部填充高能炸药02，螺旋空心铝纤维一端通过密封套03密封，另一端连接单向阀04，待起爆前在螺旋空心铝纤维内部充1-20MPa氢气05，即制得螺旋空心铝纤维储氢复合炸药。
所述空心铝纤维的外径为1-10mm，相应的壁厚为0.2-1mm，螺旋状空心铝纤维内01径为5-200mm，壁厚为空心铝纤维的外径，即1-10mm，高度30-200mm。
所述螺旋空心铝纤维复合炸药可通过调整螺旋空心铝纤维01的直径、高度和层数控制螺旋空心铝纤维和高能炸药02的质量比例，复合炸药组分的质量百分比：高能炸药40-90％，螺旋空心铝纤维10-60％。
所述高能炸药02选自黑索金，奥克托今，梯黑炸药，太安，梯恩梯等高能炸药。
所述单向阀04只允许氢气05进入空心铝纤维内部，以保证氢气填充后螺旋空心铝纤维的气密性。
螺旋空心铝纤维01在高温高压爆轰波、爆轰产物和内部高压氢气的作用下，拉伸、剪切破碎成数十至数百微米的铝粉和铝片并与高能炸药02的爆轰产物反应，提高炸药的能量输出。氢气参与炸药的爆轰反应，提高了炸药的峰值超压，剩余未反应的氢气与周围环境中的氧气反应，释放的能量减缓了炸药爆轰产物的能量衰减，促进螺旋空心铝纤维的破碎、燃烧。
下面以具体实例介绍螺旋空心铝纤维储氢复合炸药：
实施例1
本实施例中空心铝纤维材质为工业纯铝，外径6mm，壁厚0.65mm，梯黑炸药质量组成：黑索金50％，梯恩梯50％，浇铸的梯黑炸药质量为24.5g。
螺旋空心铝纤维储氢复合炸药具体制备方法如下：
空心铝纤维绕成螺旋状，相邻管壁紧密贴合，螺旋空心铝纤维内径为25mm，壁厚为空心铝纤维直径(6mm)，高度为35mm，空心铝纤维置于最外层，在其内部浇铸梯黑炸药24.5g。空心铝纤维的一端密封，另一端连接单向阀，以保证向内部填充高压氢气后的密封性，待起爆前通过单向阀向空心铝纤维内储存5MPa氢气，即获得所述螺旋空心铝纤维储氢复合炸药。
对照组：24.5g梯黑炸药，外部不缠绕螺旋空心铝纤维。
将两组实验样品进行相同实验条件的水下爆炸实验。水下爆炸罐直径和高度均为5m，药包与PCB压力传感器距离置于水下3.0m，传感器距药包中心1.0m，实验通过示波器获得水下爆炸冲击波压力曲线。
表1为实施例1中水下爆炸实验的结果，从实验数据可以看出氢气参与了乳化炸药的爆轰反应，使螺旋空心铝纤维储氢复合炸药的峰值超压和冲量分别提高了4.13％和23.51％，并且氢气和螺旋空心铝纤维与爆轰产物的反应显著提高了冲击波能和气泡能，分别增长了29.17％和35.96％。
表1
梯黑炸药
螺旋空心铝纤维储氢复合炸药
峰值超压/MPa
11.870
12.360
冲量/(Pa·s)
499.600
617.036
冲击波能/MJ
0.0195
0.0252
气泡能/MJ
0.0762
0.0710
实施例2
本实施例中空心铝纤维材质为工业纯铝，外径6mm，壁厚0.6mm，梯黑炸药质量组成：黑索金50％，梯恩梯50％，梯黑炸药质量为30g。
螺旋空心铝纤维储氢复合炸药具体制备方法如下：
空心铝纤维绕成螺旋状，相邻管壁紧密贴合，螺旋空心铝纤维内径为25mm，壁厚为空心铝纤维直径(6mm)，高度为35mm，在螺旋空心铝纤维内部浇铸梯黑炸药30g，浇铸高度与螺旋空心铝纤维高度基本保持一致。空心铝纤维的一端密封，另一端连接单向阀，以保证向内部填充高压氢气后的密封性，待起爆前通过单向阀向空心铝纤维内储存5MPa氢气，即获得所述螺旋空心铝纤维储氢复合炸药。
对照组：30g梯黑炸药，外部不缠绕螺旋空心铝纤维。
将两组实验样品进行空中爆炸实验。圆柱形空中爆炸罐直径2.4m，长约5m，药包置于空中爆炸罐中心，离地高度1.2m，压力传感器距药包中心1.0m，实验通过示波器获得水下爆炸冲击波压力曲线。
表2为实施例2空中爆炸实验数据，螺旋空心铝纤维内部的氢气参与炸药的爆轰反应，使螺旋空心铝纤维储氢复合炸药相比于纯梯黑炸药在峰值超压和冲量分别提高了8.45％和11.67％，同时氢气可与周围空气中的氧气反应，为螺旋空心铝纤维的破碎和升温提供能量，促进破碎后的铝粉和铝片燃烧得更加充分，释放更多的能量。
表2
梯黑炸药
螺旋空心铝纤维储氢复合炸药
峰值超压/MPa
0.0686
0.0744
冲量/(Pa·s)
18.237
20.366
实施例3
本实施例中空心铝纤维材质为工业纯铝，外径6mm，壁厚0.6mm，炸药组分质量比：黑索金80％，乳化基质20％，炸药质量为30g。
螺旋空心铝纤维储氢复合炸药具体制备方法如下：
空心铝纤维绕成螺旋状，相邻管壁紧密贴合，螺旋空心铝纤维内径为25mm，壁厚为空心铝纤维直径(6mm)，高度为30mm，在螺旋空心铝纤维内部填充混合均匀的30g炸药，炸药高度与螺旋空心铝纤维高度基本保持一致。空心铝纤维的一端密封，另一端连接单向阀，以保证向内部填充高压氢气后的密封性，待起爆前通过单向阀向空心铝纤维内储存5MPa氢气，即获得所述螺旋空心铝纤维储氢复合炸药。
对照组：30g上述炸药外围包裹内部未储氢的螺旋空心铝纤维
将两组实验样品固定在钢板表面进行空中爆炸实验。圆柱形空中爆炸罐直径2.4m，长约5m，药包置于空中爆炸罐中心，观察钢板表面爆炸前后变化。
螺旋空心铝纤维储氢复合炸药和对照组炸药爆炸后钢板表面变化情况分别如图2和图3所示，螺旋空心铝纤维储氢复合炸药爆炸后钢板表面凹痕更明显且钢板表面没有未反应的铝膜和铝片，说明氢气提高了炸药的爆轰性能，同时促进了螺旋铝纤维的破碎和燃烧反应。
实施例4
本实施例中空心铝纤维外径4mm，壁厚0.2mm，梯黑炸药组分占比：黑索金50％，梯恩梯50％。
双层螺旋空心铝纤维储氢复合炸药具体制备方法如下：
空心铝纤维绕成螺旋状，相邻管壁紧密贴合，螺旋空心铝纤维为三层结构，三层螺旋空心铝纤维内径分别4mm、20mm、36mm，壁厚为4mm，高度为82mm，在最外层螺旋空心铝纤维内部浇铸梯黑炸药，浇铸高度与螺旋空心铝纤维高度一致。空心铝纤维的一端密封，另一端连接单向阀，以保证向内部填充高压氢气后的密封性，待起爆前通过单向阀向空心铝纤维内储存8MPa氢气，即获得所述三层螺旋空心铝纤维储氢复合炸药。
本实施例中内层螺旋空心铝纤维结构被炸药充分包围，其内部的氢气主要参与炸药的爆轰反应，相比于置于外部的氢气参与炸药爆轰反应的程度更高，螺旋空心铝纤维的破碎形成的铝粉和铝片直径更小。最外层螺旋空心铝纤维结构包裹在炸药外部，其内部的氢气主要与周围环境中的氧气反应，维持爆轰的高温环境，促进铝纤维的破碎、升温和燃烧。