氧平衡

氧平衡（英語：Oxygen Balance；缩写：OB^[1]，O_b^[2]）是指含能材料中所含氧的量与所含可燃元素完全氧化所需氧的量的差值，计算时通常以百分数形式表示^[2]。氧平衡与含能材料的燃烧、爆炸性能及做功能力间通常存在密切关联，是含能材料的一个重要参数^[1]。

计算方法

单质含能材料

对于分子式为 ${\rm {C_{a}H_{b}O_{c}N_{d}}}$ ，相对分子质量为 $M$ 的常规单质炸药，其氧平衡计算公式如下：^[1]^[3]

OB=\left[c-(2a+{\frac {1}{2}}b)\right]\times {\frac {16}{M}}\times 100\%

对于含有其他元素的单质含能材料，可以将各元素划分为被氧化与被还原两个部分，其中被氧化的原子数与其化合价之积表示为 $N_{Ri}A_{Vi}$ ，被还原的原子数与其化合价之积表示为 $N_{Oi}A_{Vi}$ ，随后即可根据下式进行氧平衡的近似计算：^[3]

OB=(\sum N_{Oi}A_{Vi}-\sum N_{Ri}A_{Vi})\times {\frac {8}{M}}\times 100\%

混合含能材料

对于含有多种组成成分的混合含能材料，可采用2种方法进行计算，二者计算原理一致，仅中间步骤次序存在区别^[2]^[3]。

第一种方法先计算含能材料的假定化学式，再将假定化学式直接代入上述公式计算。含能材料的假定化学式意为1kg含能材料中所含各元素原子量的整合表达式，通式为 ${\rm {C_{n_{(C)}}H_{n_{(H)}}O_{n_{(O)}}N_{n_{(N)}}Cl_{n_{(Cl)}}Al_{n_{(Al)}}\cdots }}$ ，其中 $n_{(C)}$ 等代表各元素原子的量，单位为mol/kg。对于常规化学式为 ${\rm {C_{n_{C}}H_{n_{H}}O_{n_{O}}N_{n_{N}}Cl_{n_{Cl}}Al_{n_{Al}}\cdots }}$ ，相对分子质量为 $M$ 的含能材料，可通过下列算式计算出其假定化学式的各数值：^[4]

{\begin{cases}n_{(C)}={\frac {n_{C}}{M}}\times 1000\\n_{(H)}={\frac {n_{H}}{M}}\times 1000\\n_{(O)}={\frac {n_{O}}{M}}\times 1000\\n_{(N)}={\frac {n_{N}}{M}}\times 1000\\\cdots \end{cases}}

设各组成成分质量分数为 $w_{i}$ ，则混合含能材料的假定化学式各元素原子量可由下式计算得到：^[5]

{\begin{cases}n_{(C)}=\sum w_{i}\times n_{(C)i}\\n_{(H)}=\sum w_{i}\times n_{(H)i}\\n_{(O)}=\sum w_{i}\times n_{(O)i}\\n_{(N)}=\sum w_{i}\times n_{(N)i}\\\cdots \end{cases}}

将得到的假定化学式直接代入上述单质含能材料氧平衡计算公式即可得到该混合含能材料的氧平衡数值^[3]。

第二种方法先通过单质含能材料氧平衡计算式算出每种组成成分的氧平衡数值 $OB_{i}$ ，代入各组成成分的质量分数 $w_{i}$ ，即可通过下式计算得到混合含能材料的氧平衡：^[2]

OB=\sum (w_{i}\times OB_{i})\times 100\%

分类与意义

依据氧平衡数值与0的关系，可将物质分为正氧平衡、零氧平衡及负氧平衡三类^[6]。

$OB>0$ 为正氧平衡，此时含能材料中的氧剩余，会与氮发生吸热的化合反应，爆热降低并放出有毒的氮氧化物^[6]。

$OB<0$ 为负氧平衡，此时还原性物质剩余，爆热低于燃烧热。产物中可能出现固体碳、一氧化碳及氢气^[6]。

$OB=0$ 为零氧平衡，此时还原性元素和氧化性元素正好完全反应，当不含氧之外的其他氧化性元素时，含能材料的爆热理论上等于其燃烧热。零氧平衡含能材料爆炸不会产生有害气体且能充分利用自身能量，是炸药配方设计时的重要目标。将一定比例的正氧平衡炸药与负氧平衡炸药混合，可使其性质贴近零氧平衡炸药^[6]。

部分含能材料氧平衡数据

名称	代号	CAS号	分子式	相对分子质量（g/mol）	氧平衡（%）
硝酸甘油	NG	55-63-0	C₃H₅N₃O₉	227.087	+3.52
季戊四醇四硝酸酯	PETN	78-11-5	C₅H₈N₄O₁₂	316.138	-10.12
斯蒂芬酸	TNR	82-71-3	C₆H₃N₃O₈	245.10	-35.90
苦味酸	PA	88-89-1	C₆H₃N₃O₇	229.106	-45.39
1,3,5-三硝基苯	s-TNB	99-35-4	C₆H₃N₃O₆	213.106	-56.31
1,3-二硝基苯	m-DNB	99-65-0	C₆H₄N₂O₄	168.109	-95.17
三硝基甲苯	TNT	118-96-7	C₇H₅N₃O₆	227.133	-73.96
黑索金	RDX	121-82-4	C₃H₆N₆O₆	222.117	-21.61
特屈儿	CE	479-45-8	C₇H₅N₅O₈	287.145	-47.36
硝基胍	NQ	556-88-7	CH₄N₄O₂	104.068	-30.75
雷酸汞	MF	628-86-4	C₂N₂O₂Hg	284.624	-16.86
3-硝基-1,2,4-三唑-5-酮	NTO	932-64-9	C₂H₂N₄O₃	130.063	-24.6
1,3-二氨基-2,4,6-三硝基苯	DATB	1630-08-6	C₆H₅N₅O₆	243.136	-55.93
奥克托今	HMX	2691-41-0	C₄H₈N₈O₈	296.456	-21.61
1,3,5-三氨基-2,4,6-三硝基苯	TATB	3058-38-6	C₆H₆N₆O₆	258.15	-55.78
二硝基重氮酚	DDNP	4682-03-5	C₆H₂N₄O₅	210.106	-60.92
硝酸铵	AN	6484-52-2	H₄N₂O₃	80.043	+19.99
高氯酸铵	AP	7790-98-9	H₄NO₄Cl	117.489	+34.04
叠氮化铅	LA	13424-46-9	PbN₆	291.24	-5.49
斯蒂芬酸铅	LTNR	15245-44-0	C₆H₃N₃O₉Pb	468.305	-18.79
六硝基茋	HNS	20062-22-0	C₁₄H₆N₆O₁₂	450.235	-67.52
1,3,5-三叠氮-2,4,6-三硝基苯	TATNB	29306-57-8	C₆N₁₂O₆	336.14	-28.56
四氮烯	T4	31330-63-9	C₂H₈N₁₀O	188.152	-59.52
2,6-二苦氨基-3,5-二硝基吡啶	PYX	38082-89-2	C₁₇H₇N₁₁O₁₆	621.307	-55.37
八硝基立方烷	ONC	99393-63-2	C₈N₈O₁₆	464.132	0
六硝基六氮杂异伍兹烷	CL-20	135285-90-4	C₆H₆N₁₂O₁₂	438.188	-10.95
二氨基二硝基乙烯	FOX-7	145250-81-3	C₂H₄N₄O₄	148.08	-21.61
注：本表默认按照CAS号进行排序。数据来源：^[7]^[8]

参考文献

^ ^1.0 ^1.1 ^1.2 欧育湘 2014，第31頁.
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^ Meyer, Rudolf; Köhler, Josef; Homburg, Axel. Explosives 7th, completely revised and updated Edition. Weinheim: WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA. 2015. ISBN 978-3-527-33776-7 （英语）.

参考书籍

俞卫博; 陈丽. 火炸药学. 西安: 西北工业大学出版社. 2022. ISBN 978-7-5612-8146-8 （中文（简体））.
欧育湘. 炸药学. 北京: 北京理工大学出版社. 2014. ISBN 978-7-5640-8621-3 （中文（简体））.
刘继华. 火药物理化学性能. 北京: 北京理工大学出版社. 1997. ISBN 7-81045-287-8 （中文（简体））.
孙业斌; 惠君明; 曹欣茂. 军用混合炸药. 北京: 兵器工业出版社. 1995. ISBN 7-80038-876-X （中文（简体））.

[FOOTNOTE欧育湘_201431-1] 1.0 ^1.1 ^1.2 欧育湘 2014，第31頁.

[FOOTNOTE刘继华_199732-34-2] 2.0 ^2.1 ^2.2 ^2.3 刘继华 1997，第32-34頁.

[FOOTNOTE孙业斌;_惠君明;_曹欣茂_199571-73-3] 3.0 ^3.1 ^3.2 ^3.3 孙业斌; 惠君明; 曹欣茂 1995，第71-73頁.

[FOOTNOTE刘继华_199727-28-4] 刘继华 1997，第27-28頁.

[FOOTNOTE孙业斌;_惠君明;_曹欣茂_199567-68-5] 孙业斌; 惠君明; 曹欣茂 1995，第67-68頁.

[FOOTNOTE俞卫博;_陈丽_20229-11-6] 6.0 ^6.1 ^6.2 ^6.3 俞卫博; 陈丽 2022，第9-11頁.

[7] Koch, Ernst-Christian. High Explosives, Propellants, Pyrotechnics 1st English Edition. Berlin/Boston: Walter de Gruyter GmbH. 2021. ISBN 978-3-11-066052-4 （英语）.

[8] Meyer, Rudolf; Köhler, Josef; Homburg, Axel. Explosives 7th, completely revised and updated Edition. Weinheim: WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA. 2015. ISBN 978-3-527-33776-7 （英语）.

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