Tóm tắt: Bài báo này trình bày một số kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng, kích thước bột nhôm (Al) tới nhiệt lượng nổ của thuốc nổ hỗn hợp chứa Hexogen (RDX), t[r]
(1)NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA BỘT NHÔM ĐẾN NHIỆT LƯỢNG NỔ CỦA THUỐC NỔ HỖN HỢP
Nguyễn Văn Khương1*, Ngô Văn Giao2, Nguyễn Trần Hùng3
Tóm tắt: Bài báo trình bày số kết nghiên cứu ảnh hưởng hàm lượng, kích thước bột nhơm (Al) tới nhiệt lượng nổ thuốc nổ hỗn hợp chứa Hexogen (RDX), trinitro toluen (TNT), bột Al chất hóa đo thiết bị đo nhiệt lượng nổ DCA-5 Kết nghiên cứu cho thấy, nhiệt lượng nổ thuốc nổ tăng tăng hàm lượng Al đồng thời giảm hàm lượng TNT Kích thước hạt Al khác (trung bình 1,0 µm; 5,0 µm; 10,0 µm 30,0 µm) ảnh hưởng khơng đáng kể đến nhiệt lượng nổ thuốc nổ Nhiệt lượng nổ thuốc nổ hỗn hợp thay đổi tỷ lệ thuận với cân oxy (Kb) tỷ lệ Al/O
Từ khóa: Thuốc nổ hỗn hợp; Nhiệt lượng nổ; Hexogen; Trinitro toluen; Nhơm; Chất hóa 1 MỞ ĐẦU
Các loại thuốc nổ RDX, octogen (HMX), pentrit (PETN), thuốc nổ mạnh điển hình, đặc trưng chúng có nhiệt lượng nổ lớn, tốc độ nổ cao, khả sinh công lớn, sức đập vụn cao Tuy nhiên, loại thuốc nổ thường nhạy nổ với xung kích thích, khả chịu nén có khả bị phân hủy trước nóng chảy, nên khơng sử dụng dạng thuốc nổ đơn, mà thường sử dụng dạng hỗn hợp với thuốc nổ có tính cơng nghệ TNT, sử dụng dạng thuốc nổ hóa, v.v
Để cải thiện đặc tính thuốc nổ, bột kim loại thêm vào đóng vai trị chất cháy, tỏa lượng nhiệt lớn cháy, làm cho nhiệt lượng nổ thu lớn nhiệt độ sản phẩm nổ cao Các thuốc nổ thêm kim loại gọi thuốc nổ chứa kim loại, kim loại sử dụng berili (Be), boron (Bo), liti (Li), nhơm (Al), magie (Mg), kẽm (Zn), silic (Si), hợp kim sắt – silic (Fe-Si), nhôm – silic (Al-Si) Mg Zn dễ dàng bị oxy hóa có khả bị oxy hóa bảo quản hỗn hợp chứa chúng nên không sử dụng quân sự, cịn hợp kim với silic khó cháy hiệu Chính thế, bột Al thường sử dụng phổ biến nhờ giá thành rẻ tính hữu ích [1, 2]
Loại thuốc nổ điển hình gồm RDX,TNT Al Nga nghiên cứu sử dụng ký hiệu ТГА-16 có hàm lượng RDX/TNT/Al 24/60/16 %KL Tuy nhiên loại thuốc nổ nhạy với xung va đập, gây an tồn q trình nhồi nạp vào đầu đạn, chúng thường đưa thêm từ %KL đến 8%KL xerezin hỗn hợp D2 (84 %KL paraphin, 14 %KL Nitroxenlulo, %KL Lecitin) đóng vai trị chất hóa để thuốc nổ có độ nhạy phù hợp Một số loại thuốc nổ chứa thành phần sử dụng Nga
ТГАФ-5М (RDX/TNT/Al/Xerezin 59/19/17/5 %KL); thuốc nổ MC
(RDX/TNT/Al/Xerezin 57/19/17/7 %KL); thuốc nổ MC-2 (RDX/TNT/Al/Xerezin 46,8/21/27/5,2 %KL); Mỹ thuốc nổ HBX-1 (RDX/TNT/Al/D2 40/38/17/5 %KL); thuốc nổ HBX-3 (RDX/TNT/Al/D2 31/29/35/5 %KL) [3]
(2)Tùy thuộc vào Kb thuốc nổ mà hướng phản ứng chuyển hóa nổ khác
nhau Nếu Kb thuốc nổ khơng dương, hướng phản ứng chuyển hoá
nổ tuân thủ nguyên tắc nhiệt toả cực đại: sản phẩm nổ chủ yếu sản phẩm
trình oxy hố hồn tồn ngun tố cháy (CO2, H2O, Al2O3) khí O2, N2
Nếu loại thuốc nổ có Kb âm, phân hủy nổ tuân theo nguyên tắc
Kistiakowky-Wilson (với Kb > -40%), nguyên tắc Kistiakowky-Wilson sửa đổi
nguyên tắc Springall Robert (với Kb < -40%) [2, 8], tạo thành sản phẩm CO, CO2,
C, H2, H2O, N2 Sau Al tham gia vào phản ứng thứ cấp (phản ứng cháy) với sản
phẩm nổ chứa oxy tạo giai đoạn phân hủy (CO2, CO, H2O) sau trình
nổ kết thúc Các phản ứng oxy hóa Al diễn ngồi vùng nổ, Al tham gia phản
ứng với khí CO2 theo phương trình (1):
KCal O
Al CO Al
CO 197
3 2 2 3 (1)
Nhiệt tỏa phản ứng lớn đóng góp vào cân nhiệt nói chung Có nghịch lý thêm Al vào thuốc nổ, làm giảm lượng lớn sản phẩm khí Al tác dụng với khí CO tạo thành chất rắn theo phương trình:
KCal O
Al C Al
CO 321
3 2 3 (2)
Tuy nhiên, áp suất cao nổ, khí CO phân hủy phần thành khí CO2 C Al
phản ứng với khí CO2 theo phương trình (1) nước theo phương trình:
KCal O
Al H Al O
H 2 3 227
3 2 2 2 3 (3)
Ngoài tác dụng với sản phẩm chứa oxy, nhiệt độ cao (trên 840 oC) Al
phản ứng với khí N2 tạo thành nhơm nitride (AlN) theo phương trình:
KCal AlN
Al
N22 2 151 (4)
Nhờ có nhiệt lượng bổ sung từ phản ứng oxy hóa Al nêu mà công giãn nở đoạn nhiệt sản phẩm nổ (công phá hủy) tăng lên kéo dài thời gian tác dụng xung nổ [9], làm cho tác dụng nổ nói chung hệ tăng lên
Như vậy, việc bổ sung Al vào thành phần thuốc nổ lý thuyết làm tăng nhiệt lượng nổ, làm giảm thể tích khí thay đổi thành phần sản phẩm khí q trình nổ Các kết nghiên cứu trình bày báo góp phần đánh giá mức độ ảnh hưởng hàm lượng theo khối lượng (12%KL; 17%KL; 22%KL 27%KL) kích thước bột Al (trung bình 1,0 µm; 5,0 µm, 10,0 µm 30,0 µm) đến nhiệt lượng nổ thuốc nổ hỗn hợp chứa RDX, TNT, bột Al chất hóa Kết hợp với kết nghiên cứu đặc tính nổ cháy khác, thể tích sản phẩm khí, tốc độ nổ, khả sinh cơng, sức nén trụ chì, áp suất nổ tham số cơng nghệ chế tạo định hướng cho việc lựa chọn thành phần điều kiện công nghệ phù hợp sản xuất thuốc nổ hỗn hợp sử dụng ngư lôi CЭT-40У dùng cho lực lượng Hải quân loại bom ФАБ-500M62, ОФАБ-250ШН dùng cho lực lượng Phịng khơng Không quân
2 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Đối tượng nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu nhiệt lượng nổ thuốc nổ hỗn hợp chứa RDX, TNT, bột Al
và chất hóa xerezin (C45H92) Trong đó, hàm lượng RDX giữ cố định 40
%KL, hàm lượng chất hóa giữ cố định %KL Hàm lượng Al thay đổi từ 12 %KL đến 27 %KL, đồng thời hàm lượng TNT thay đổi từ 43 %KL đến 28 %KL để đảm bảo tổng hàm lượng thành phần 100% Al sử dụng có dạng hình cầu với kính
(3)2.2 Phương pháp nghiên cứu
- Phương pháp chế tạo thuốc nổ hỗn hợp: thuốc nổ chế tạo thiết bị trộn có cánh khuấy di chuyển theo nguyên lý hành tinh, gia nhiệt gián tiếp nước nóng tuần hồn Thứ tự phối trộn thành phần sau: cấp thuốc nổ TNT vào thùng trộn
được gia nhiệt (95-96) oC, khuấy trộn đến TNT nóng chảy hồn tồn, cấp
RDX bột Al, vừa cấp liệu vừa khuấy trộn, cuối cấp chất hóa Duy trì nhiệt độ khuấy trộn liên tục, hỗn hợp đồng giảm nhiệt độ đến nhiệt độ thực nghiệm thấp mà TNT chất hóa dạng lỏng, dừng khuấy tiến hành đúc thuốc nổ
- Tính tốn cơng thức phân tử giả định thuốc nổ hỗn hợp: giả sử chất nổ tạo thành
từ k cấu tử, công thức phân tử cấu tử có dạng: Ca1Hb1Oc1Nd1Ale1 cấu tử
thứ nhất, Ca2Hb2Oc2Nd2Ale2 - cấu tử thứ hai v.v… Hàm lượng phần trăm (theo khối
lượng) cấu tử hệ là: 1, 2, 3, …, k
Coi số cấu tử hệ (ví dụ, cấu tử thứ nhất) chất bản, ta đặt số mol
của hệ N1 = Khi đó, số mol cấu tử khác Ni (i = 2,3,…,k)
được tính sở mol chất hệ tính theo cơng thức:
trong đó: Mi – phân tử khối cấu tử thứ i
Các hệ số a, b, c, d, e công thức phân tử giả định chất nổ đa cấu tử tính theo cơng thức sau:
; / 1 k i k i i i
iN N
a a (6) ; / 1 k i k i i i
iN N
b b (7) ; / 1 k i k i i i
iN N
c c (8) ; / 1 k i k i i i
iN N
d d (9) ; / 1 k i k i i i
iN N
e
e (10)
Phân tử khối giả định (M) hệ đa cấu tử tính theo cơng thức:
k i i i M M 100 (11)
Sau tính hệ số a, b, c, d, e M, Kb tính theo cơng thức sau:
% 100 16 ) 2 ( M e b a c Kb (12)
Trong a, b, c, d, e số nguyên tử gam cacbon, hidro, oxy, nitơ Al tương ứng mol chất
(4)- Phương pháp tạo mẫu đo nhiệt lượng nổ: mẫu thuốc nổ nghiền sàng rây phịng có độ ẩm 65 %RH, mẫu có kích thước sàng 0,3 mm sấy chân khơng
ở (50±2) oC khoảng giờ, đặt bình hút ẩm khoảng 30 phút trước xác định
khối lượng cho công đoạn nén Khối lượng mẫu thử nghiệm (25,00 ± 0,01) g
nén ép vào ống hình trụ đồng Ø30 ± 0,5 mm mật độ (1,2 ± 0,1) g/cm3
- Phương pháp đo nhiệt lượng nổ: nhiệt lượng nổ thuốc nổ xác định dựa biến đổi nhiệt độ nước bom nhiệt lượng trước sau nổ khối thuốc nổ Quá trình thử nghiệm tiến hành thiết bị đo nhiệt lượng nổ chun dụng (ký hiệu DCA-5) mơi trường khí nitơ (ở 25±1 bar) Bộ mơn Thuốc phóng Thuốc nổ/ Khoa Vũ Khí/ Học viện Kỹ thuật Quân (Sơ đồ thiết bị DCA-5 thể hình 1) Khối lượng mẫu thuốc nổ lần thử nghiệm 25,0 g Sử dụng kíp nổ điện vi sai hầm lị vỏ đồng số để kích nổ khối thuốc
2.3 Vật tư, hóa chất
Thuốc nổ TNT dạng vảy màu vàng, đồng nhất, có nhiệt độ đông đặc 80,2 oC,
mua từ Nhà máy X; thuốc nổ RDX hạng hạt màu trắng, có nhiệt độ nóng chảy 202,6 oC,
được mua từ nhà máy Y; bột nhơm hình cầu, độ tinh khiết khơng nhỏ 99,5% (Mỹ) có kích thước hạt trung bình 1,0 µm; 5,0 µm; 10,0 µm 30,0 µm; xerezin (Trung Quốc)
có nhiệt độ nóng chảy khoảng 80 oC
2.4 Thiết bị dụng cụ
Thiết bị chính: thiết bị có cánh khuấy di chuyển theo nguyên lý hành tinh, gia nhiệt tuần hồn nước nóng dùng để chế tạo thuốc nổ Viện Thuốc phóng Thuốc nổ (được chế tạo Việt Nam); Thiết bị đo nhiệt lượng nổ DCA-5 Học Viện Kỹ thuật Quân (hãng OZM - Cộng hịa SEC) kèm bình khí nitơ
Thiết bị, dụng cụ phụ trợ:
Trong đó:
1 Bom nhiệt lượng DCA-5; 2 Bàn đo chậu đo nhiệt lượng; 3 Tay máy;
4 Hệ thống điều khiển, giám sát.
Hình 1. Thiết bị đo nhiệt lượng nổ DCA-5
- Sàng đồng: kích thước danh nghĩa mắt sàng 0,3 mm
3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
Tính tốn cơng thức phân tử giả định, Kb tỷ lệ Al/O cho đơn thuốc nổ hỗn hợp
nghiên cứu trình bày bảng Kết bảng cho thấy, tăng hàm lượng Al (từ 12 %KL đến 27 %KL), giữ nguyên hàm lượng RDX (40 %KL) chất hóa (5 %KL), đồng thời giảm hàm lượng TNT (từ 43 %KL 28 %KL) dẫn đến tăng tỷ lệ
Al/O Kb
1
2
(5)Bảng 1. Công thức phân tử giả định thuốc nổ hỗn hợp chứa Al
Đơn số
Hàm lượng, %KL
Kb Al/O
Công thức phân tử giả định RDX TNT Al Xerezin
1 40 28 27 -81,49 0,453 C14,1H19,3O14,5N11,5Al7,9
2 40 33 22 -86,74 0,412 C13,0H17,1O13,2N10,2Al5,5
3 40 38 17 -91,97 0,298 C12,2H15,5O12,3N9,3Al3,7
4 40 43 12 -97,18 0,198 C11,6H14,3O11,6N8,6Al2,3
Thuốc nổ RDX có đặc trưng lượng nổ cháy mạnh so với thuốc nổ TNT, nên mẫu nghiên cứu thiết kế giữ nguyên hàm lượng RDX, thay đổi hàm lượng Al TNT đảm bảo phù hợp với điều kiện công nghệ chế tạo, hỗn hợp thuốc nổ có độ nhớt thích hợp đúc rót, đồng thời đảm bảo tiêu nổ cháy khác
Kết thử nghiệm xác định nhiệt lượng nổ mẫu thay đổi hàm lượng Al kích thước bột Al, trình bày bảng
Bảng 2. Ảnh hưởng hàm lượng kích thước Al đến nhiệt lượng nổ
Đơn số Nhiệt lượng nổ, Kcal/kg
Al 1,0 µm Al 5,0 µm Al 10,0 µm Al 30,0 µm
1 1518,4 1512,5 1536,3 1494,7
2 1385,1 1389,9 1411,6 1381,6
3 1258,4 1247,1 1269,3 1245,8
4 1102,2 1085,4 1091,4 1064,7
Từ kết thử nghiệm bảng biểu diễn dạng đồ thị phụ thuộc nhiệt lượng nổ theo hàm lượng kích thước bột Al hình hình
Kết nghiên cứu cho thấy, tăng hàm lượng Al đồng thời giảm hàm lượng
TNT (tương ứng với tăng tỷ lệ Al/O Kb) làm tăng nhiệt lượng nổ thuốc nổ
Điều lý giải Al tham gia phản ứng thứ cấp với sản phẩm nổ CO2,
CO, H2O N2 theo phương trình phản ứng 2, 3, Lượng nhiệt tỏa
phản ứng phụ thuộc vào lượng Al có hệ, nhiệt lượng phản ứng oxy hóa Al lớn so với nhiệt lượng phần thuốc nổ TNT bị thay sinh ra, lượng nhiệt đóng góp chung nhiệt lượng hệ làm cho nhiệt lượng nổ hệ tăng lên Như vậy, nhiệt lượng nổ thuốc nổ hỗn hợp thay đổi tỷ lệ thuận với tỷ
lệ Al/O Kb
Kết nghiên cứu cho thấy, bột Al có kích thước hạt trung bình khác gây ảnh hưởng không đáng kể đến nhiệt lượng nổ thuốc nổ Trong số đó, bột Al 10,0 µm cho giá trị nhiệt lượng nổ lớn so với loại Al cịn lại, đặc biệt Al 30,0 µm Có thể điều kiện nhiệt độ cao áp suất cao nổ, phần Al nhận nhiệt từ phản ứng phân hủy thứ bị nóng chảy, chí bay phân tán khí nổ, chúng tham gia phản ứng oxy hóa với sản phẩm khí nổ
CO2, CO, H2O N2
(6)ít phần Al dạng rắn nhiều so với Al kích thước hạt mịn, so với Al lỏng phần Al rắn khó tham gia phản ứng oxy hóa hơn, từ làm cho phần Al thực tế tham gia phản ứng thứ cấp hạt Al thơ hạt Al mịn
Hình 2. Sự phụ thuộc nhiệt lượng nổ vào hàm lượng bột Al
Hình 3. Sự phụ thuộc nhiệt lượng nổ vào kích thước bột Al
4 KẾT LUẬN
Trong thuốc nổ hỗn hợp (chứa RDX, TNT, bột Al chất hóa), hàm lượng bột Al ảnh hưởng rõ rệt đến nhiệt lượng nổ thuốc nổ, tăng hàm lượng Al đồng thời giảm hàm lượng TNT làm tăng đáng kể nhiệt lượng nổ thuốc nổ hỗn hợp Ở hàm lượng nhau, kích thước bột Al ảnh hưởng khơng đáng kể đến nhiệt lượng nổ thuốc nổ Nhiệt lượng nổ thuốc nổ hỗn hợp
trên thay đổi tỷ lệ thuận với tỷ lệ Al/O Kb Kết nghiên cứu có ý
(7)TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Urbanski, "Chemistry and Technology of Explosives", vol III: Pwn - polish
scietific publishers warszawa, (1964), pp 266-272
[2] J Akhavan, "The chemistry of Explosives" RSC Publishing, (2015), pp 77-80
[3] "Пиросправка, Справочник по взрывчатым веществам, порохам и
пиротехническим составам", ed.: Москва, (2012), p 175
[4] N J Zhou ZQ, Qin JF, et al, "Numerical simulations on effects of Al/O ratio on performance of aluminized explosives", Explosives Shock Wave, vol 35, pp 513–519, (2015)
[5] J N Qian Zhao, Qiushi Wang, Zhengqing Zhou and Qingjie Jiao, "Numerical and
experimental study on cyclotrimethylenetrinitramine aluminum explosives in underwater explosions", Advances in Mechanical Engineering, vol 8, pp 1-10, (2016) [6] J F.Moxnes, et al., "Energetic measures of effectiveness of aluminized explosive",
Advanced Studies in Theoretical Physics, vol 7, pp 1051 - 1069, (2013)
[7] S C Waldemar A Trzcin´ski, Leszek Szyman´czyk, "Studies of Detonation
Characteristics of Aluminum Enriched RDX Compositions", Propellants, Explosives, Pyrotechnics 32, vol 5, pp 392-400, (2007)
[8] T M Klapötke, "Chemistry of High Energy Materials", (2001), pp 108-109
[9] К Д Алферов, "Взрывчатые Вещества, Часть II, Инициирующие и
Бризантные ВВ": Пенза, (1965), pp 103-108
ABSTRACT
THE EFFECT OF CONTENTS AND PARTICLE SIZES OF ALUMINIUM POWDER TO THE EXPLOSION CHARACTERISATIONS OF COMPOSITE EXPLOSIVES
This research reports investigation results carried out on Detonation calorimeter (DCA-5) about the effect of the content and particle size of aluminium powder (Al) to the heat of explosion of composite explosive containing Al, hexogen (RDX), trinitrotoluene (TNT) and phlegmatizers While increasing Al content and decreasing TNT content causes a significant increase in heat of the explosion The average particle size of Al which varies from 1.0 µm, 5.0 µm, 10.0 µm and 30.0 µm seems to affect to the heat of explosion unnoticeably In addition, the heat of explosion is proportional to oxygen balance (Kb) as well as Al/O ratios
Keywords: Composite explosive; Heat of detonation; Hexogen; Trinitro toluene; Aluminium: Phlegmatizers
Nhận ngày 25 tháng 12 năm 2018 Hoàn thiện ngày 10 tháng 01 năm 2019 Chấp nhận đăng ngày 16 tháng năm 2019
Địa chỉ: 1 Viện Thuốc phóng Thuốc nổ/Tổng cục CNQP; Cục Khoa học Quân sự/Bộ Quốc phòng ;