氧平衡

氧平衡（英語：Oxygen Balance；縮寫：OB^[1]，O_b^[2]）是指含能材料中所含氧的量與所含可燃元素完全氧化所需氧的量的差值，計算時通常以百分數形式表示^[2]。氧平衡與含能材料的燃燒、爆炸性能及做功能力間通常存在密切關聯，是含能材料的一個重要參數^[1]。

計算方法

單質含能材料

對於分子式為 ${\rm {C_{a}H_{b}O_{c}N_{d}}}$ ，相對分子質量為 $M$ 的常規單質炸藥，其氧平衡計算公式如下：^[1]^[3]

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

對於含有其他元素的單質含能材料，可以將各元素劃分為被氧化與被還原兩個部分，其中被氧化的原子數與其化合價之積表示為 $N_{Ri}A_{Vi}$ ，被還原的原子數與其化合價之積表示為 $N_{Oi}A_{Vi}$ ，隨後即可根據下式進行氧平衡的近似計算：^[3]

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

混合含能材料

對於含有多種組成成分的混合含能材料，可採用2種方法進行計算，二者計算原理一致，僅中間步驟次序存在區別^[2]^[3]。

第一種方法先計算含能材料的假定化學式，再將假定化學式直接代入上述公式計算。含能材料的假定化學式意為1kg含能材料中所含各元素原子量的整合表達式，通式為 ${\rm {C_{n_{(C)}}H_{n_{(H)}}O_{n_{(O)}}N_{n_{(N)}}Cl_{n_{(Cl)}}Al_{n_{(Al)}}\cdots }}$ ，其中 $n_{(C)}$ 等代表各元素原子的量，單位為mol/kg。對於常規化學式為 ${\rm {C_{n_{C}}H_{n_{H}}O_{n_{O}}N_{n_{N}}Cl_{n_{Cl}}Al_{n_{Al}}\cdots }}$ ，相對分子質量為 $M$ 的含能材料，可通過下列算式計算出其假定化學式的各數值：^[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}}

設各組成成分質量分數為 $w_{i}$ ，則混合含能材料的假定化學式各元素原子量可由下式計算得到：^[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}}

將得到的假定化學式直接代入上述單質含能材料氧平衡計算公式即可得到該混合含能材料的氧平衡數值^[3]。

第二種方法先通過單質含能材料氧平衡計算式算出每種組成成分的氧平衡數值 $OB_{i}$ ，代入各組成成分的質量分數 $w_{i}$ ，即可通過下式計算得到混合含能材料的氧平衡：^[2]

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

分類與意義

依據氧平衡數值與0的關係，可將物質分為正氧平衡、零氧平衡及負氧平衡三類^[6]。

$OB>0$ 為正氧平衡，此時含能材料中的氧剩餘，會與氮發生吸熱的化合反應，爆熱降低並放出有毒的氮氧化物^[6]。

$OB<0$ 為負氧平衡，此時還原性物質剩餘，爆熱低於燃燒熱。產物中可能出現固體碳、一氧化碳及氫氣^[6]。

$OB=0$ 為零氧平衡，此時還原性元素和氧化性元素正好完全反應，當不含氧之外的其他氧化性元素時，含能材料的爆熱理論上等於其燃燒熱。零氧平衡含能材料爆炸不會產生有害氣體且能充分利用自身能量，是炸藥配方設計時的重要目標。將一定比例的正氧平衡炸藥與負氧平衡炸藥混合，可使其性質貼近零氧平衡炸藥^[6]。

部分含能材料氧平衡數據

名稱	代號	CAS號	分子式	相對分子質量（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
史蒂芬酸	TNR	82-71-3	C₆H₃N₃O₈	245.10	-35.90
苦味酸	PA	88-89-1	C₆H₃N₃O₇	229.106	-45.39
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
特屈兒	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
奧克托今	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
硝酸銨	AN	6484-52-2	H₄N₂O₃	80.043	+19.99
高氯酸銨	AP	7790-98-9	H₄NO₄Cl	117.489	+34.04
疊氮化鉛	LA	13424-46-9	PbN₆	291.24	-5.49
史蒂芬酸鉛	LTNR	15245-44-0	C₆H₃N₃O₉Pb	468.305	-18.79
六硝基茋	HNS	20062-22-0	C₁₄H₆N₆O₁₂	450.235	-67.52
1,3,5-三疊氮-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
六硝基六氮雜異伍茲烷	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
註：本表默認按照CAS號進行排序。數據來源：^[7]^[8]

參考文獻

^ ^1.0 ^1.1 ^1.2 歐育湘 2014，第31頁.
^ ^2.0 ^2.1 ^2.2 ^2.3 劉繼華 1997，第32-34頁.
^ ^3.0 ^3.1 ^3.2 ^3.3 孫業斌; 惠君明; 曹欣茂 1995，第71-73頁.
^ 劉繼華 1997，第27-28頁.
^ 孫業斌; 惠君明; 曹欣茂 1995，第67-68頁.
^ ^6.0 ^6.1 ^6.2 ^6.3 俞衛博; 陳麗 2022，第9-11頁.
^ Koch, Ernst-Christian. High Explosives, Propellants, Pyrotechnics 1st English Edition. Berlin/Boston: Walter de Gruyter GmbH. 2021. ISBN 978-3-11-066052-4 （英語）.
^ 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 （英語）.

參考書籍

俞衛博; 陳麗. 火炸药学. 西安: 西北工業大學出版社. 2022. ISBN 978-7-5612-8146-8 （中文（簡體））.
歐育湘. 炸药学. 北京: 北京理工大學出版社. 2014. ISBN 978-7-5640-8621-3 （中文（簡體））.
劉繼華. 火药物理化学性能. 北京: 北京理工大學出版社. 1997. ISBN 7-81045-287-8 （中文（簡體））.
孫業斌; 惠君明; 曹欣茂. 军用混合炸药. 北京: 兵器工業出版社. 1995. ISBN 7-80038-876-X （中文（簡體））.

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

[FOOTNOTE刘继华_199732-34-2] 2.0 ^2.1 ^2.2 ^2.3 劉繼華 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 孫業斌; 惠君明; 曹欣茂 1995，第71-73頁.

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

[FOOTNOTE孙业斌;_惠君明;_曹欣茂_199567-68-5] 孫業斌; 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 俞衛博; 陳麗 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 （英語）.

[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 （英語）.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]