高活性铝镁合金燃料：提升金属化炸药能量释放的有效方法

《Combustion and Flame》：High-activity Al-Mg alloy fuels: An effective approach for enhancing energy release in metallized explosives

　　

摘要

本研究系统探讨了铝镁合金燃料在爆炸剂配方中的应用潜力及其作用机制，旨在显著提升金属化爆炸剂的能量释放特性与整体破坏效率。研究成功制备了镁含量为3%和6%的高活性铝镁合金燃料。所制备的合金燃料呈球形，颗粒尺寸分布均匀，表面还形成了异质复合氧化层。与传统铝粉相比，这种高活性铝镁合金燃料的初始氧化温度更低，氧化增重更高。瞬态高温反应测试结果表明，使用该合金燃料的复合材料的压力上升速率分别比传统铝粉高出约5.82 MPa·s^–1和10.77 MPa·s^–1。结合分子动力学模拟，首次揭示了高活性铝镁合金在瞬态高温条件下产生“微爆炸”现象的微观机制。此外，通过多光谱燃烧诊断与爆轰性能分析发现，这种高活性铝镁合金燃料与氧化剂（如AP、CL-20）之间存在更强的协同反应效应。将其引入金属化爆炸剂体系后，该体系仍能保持良好的储存稳定性。独特的“微爆轰”燃烧行为以及“金属/氧化物组分”之间的协同作用，极大提升了爆轰后期二次燃烧过程的完全性及反应效率。爆炸产生的热量、爆轰速度以及近场（5–9米范围内）的冲击波超压等关键参数也得到了显著提升，其中爆炸热的最大提升幅度可达约250 kJ/kg，爆轰速度则提升了约130 m/s。因此，本研究为下一代高能量金属化爆炸剂的设计与开发提供了重要的材料基础与理论依据。

引言

金属燃料，尤其是铝粉，由于其优异的质量热值和体积热值，已成为提升金属化爆炸剂、推进剂及烟火制品等含能系统能量释放特性的关键功能材料[[1], [2], [3]]。然而，目前广泛使用的微米级铝粉存在点火延迟时间长、燃烧效率低以及能量释放不完全等显著缺陷[[4], [5], [6], [7], [8], [9]]。这些问题共同构成了阻碍金属化爆炸剂实现更高能量释放性能的关键瓶颈。为释放铝基燃料的更高能量潜力，研发高活性金属燃料已成为爆炸领域的研究重点。

在此背景下，铝镁合金燃料因具有独特的“热化学”耦合激活机制而备受关注，这一机制为其带来了明显的功能优势。镁元素的加入能有效降低铝颗粒表面氧化层的熔点与机械强度[10,11]，从而促使氧化层在反应初期发生破裂与剥落。这一现象显著加速了铝核心与周围氧化剂（如AP、CL-20）或环境中的氧气之间的界面反应速率[12,13]。研究表明，此类合金化策略不仅能大幅降低点火温度并缩短点火延迟时间，还能提升燃烧的强度与完全性[[14], [15], [16], [17], [18], [19], [20]]。更重要的是，通过精确调控铝与镁的比例，并运用机械合金化[12,21]和雾化合金化[[22], [23], [24]]等先进材料制备技术，可以制备出超细或纳米结构的铝镁合金颗粒。这类结构能够最大化活性界面的暴露程度，并优化成分分布，从而增强铝镁间的协同效应，显著提升燃烧效率与能量释放速率。

尽管铝镁合金燃料具有巨大潜力，但其在金属化爆炸剂体系中的应用仍处于初级阶段，实际应用仍面临诸多挑战。这类合金极高的反应活性会对爆炸剂的爆轰能量释放特性、长期储存稳定性以及使用安全性产生复杂影响[[25], [26], [27]]。其背后的核心科学问题在于，目前人们对极端爆轰条件下铝镁合金/氧化剂或铝镁合金/爆炸剂基质（如CL-20）体系中的多相反应机制、燃烧行为演变及其对爆轰波传播与能量输出的调控作用了解甚少。缺乏对这些基本规律的认识，直接限制了这类材料在高能量爆炸剂中实现高效能量释放的应用前景。

因此，深入研究高活性铝镁合金燃料在爆炸剂体系中的反应动力学与能量释放行为，不仅对于揭示涉及“成分-微观结构-活性-功能特性”的金属合金燃料的结构-活性关系具有重要的科学意义，还将为下一代高能量、高效率且高安全性的含能材料的创新设计与性能优化提供核心理论基础与关键技术支持。本文旨在系统分析铝镁合金燃料的特性、其在金属化爆炸剂中的应用潜力与面临挑战，同时探索推动此类功能燃料在先进含能材料领域得到进一步研究与更广泛应用的策略。

章节要点

材料与仪器

材料：CL?20（ε-CL?20，工业级VI），纯度≥99.8重量%，D₅₀=100 μm，中国辽宁清阳特种化工有限公司；铝粉，纯度≥99.9重量%，D₅₀=13 μm，中国鞍钢集团铝粉有限公司；镁粉，纯度≥99.8重量%，D₅₀=25 μm，中国唐山伟浩镁粉有限公司；高氯酸铵（AP），纯度≥99.7重量%，D₅₀=80 μm，中国襄樊东方宇兴高铵盐有限公司；羟基封端聚丁二烯（HTPB），平均分子量

形态与成分

图2展示了高活性铝镁合金燃料的典型形态、元素分布及氧化层结构。从图2的(a-d)可以看出，所制备的合金燃料颗粒呈球形，颗粒尺寸分布均匀，表面光滑，颗粒表面的铝和镁元素分布均匀。图2的(e,f)进一步展示了颗粒表面氧化层的厚度及元素组成情况。研究结果表明，氧化层的厚度

结论

本文采用气体雾化法制备了高活性铝镁合金燃料，并研究了其对铝基爆炸剂的强化效果。该合金燃料具有较高的球形度与均匀的颗粒尺寸分布，表面还存在异质复合氧化层。随着镁含量的从3%升高到6%，该合金的初始氧化温度分别降低了约58°C和98°C，氧化增重则分别提升了34.41%和52.39%

创新性与意义

高活性铝基合金燃料被视为替代传统铝粉用于金属化爆炸剂的最具潜力的功能材料之一。其较高的反应活性与燃烧效率有助于优化燃烧后区的能量释放结构。本研究制备了高活性铝镁合金燃料并将其应用于金属化爆炸剂中，以提升其能量释放效率。在本研究中，还阐明了这类燃料的微观反应机制

作者贡献说明

姚杰：撰写——初稿、方法学、数据整理。徐一龙：指导、资源协调、概念构思。刘俊辉：资源提供。王政：实验研究。杨丰友：正式分析。严石：撰写——审阅与编辑、方法学。郭学勇：指导、资源协调。

Jie Yao|Yilong Xu|Junhui Liu|Zheng Wang|Fengyou Yang|Shi Yan|Xueyong Guo