王靜波， 王保國

(中北大學 地下目標毀傷技術國防重點學科實驗室， 山西 太原 030051)

一種鈍感高能撓性炸藥的制備與性能測試

王靜波， 王保國

(中北大學 地下目標毀傷技術國防重點學科實驗室， 山西 太原 030051)

為滿足XX反應裝甲對撓性炸藥高能、 低感度的要求,本文在研究炸藥實現(xiàn)鈍感、 高能和撓性的基礎上， 以超細奧克托今為主體炸藥、 石蠟為鈍感劑、 Estane-5703為粘結劑、 DOS為增塑劑， 設計了一系列滿足能量要求的撓性炸藥配方， 采用直接法制備出了撓性炸藥. 以撞擊感度和摩擦感度為判據(jù)， 確定了滿足機械感度要求的撓性炸藥配方： HMX∶Estan-5703∶石蠟∶DOS=91.5%∶3%∶3.5%∶2%， 并對該撓性炸藥的撓性和爆速進行了測試. 結果表明： 該撓性炸藥的撞擊感度為8%， 摩擦感度為12%； 在密度為1.40 g/cm3時撓性炸藥具有一定的彈性， 爆速為7 108 m/s， 滿足其技術要求.

反應裝甲； 撓性炸藥； 撞擊感度； 摩擦感度； 爆速

0 引 言

撓性炸藥通過壓制成型后耐水性良好， 可以彎曲、 折疊， 其爆轟性能和機械性能可通過配方調節(jié)[1]， 這些特點使其可以在反應裝甲上得到充分的應用.

撓性炸藥的研究始于20世紀50年代， 20世紀70年代是撓性炸藥迅速發(fā)展時期， 形成了很多撓性炸藥配方[2]. 劉曉波等[3]以敏化處理的太安(PETN)為基設計了一種用于爆炸邏輯網(wǎng)絡的撓性炸藥， 它的熱安定性、 相容性和安全性均較好， 撞擊感度為36%， 摩擦感度為94%； 劉瑤等[4]以PETN為基， 以硅橡膠為粘結劑設計了一種用于平面波發(fā)生器的薄片狀撓性炸藥， 它的撞擊感度為32%， 摩擦感度為36%， 裝藥密度為1.50 g/cm3時， 爆速為6 850 m/s. 駱兵等[1]研制了一種以黑索今(RDX)為基的撓性橡膠炸藥， 撞擊感度為24%. 李玉斌等[5]以奧克托今(HMX)為基研制了一種用于武器系統(tǒng)的低感高能撓性炸藥， 藥柱密度為1.835 g/cm3時， 爆速為8 700 m/s， 撞擊感度為36%. 上述撓性炸藥均不滿足XX反應裝甲對撓性炸藥高能(密度為1.40 g/cm3時爆速不低于7 000 m/s)、 低感度(撞擊感度≤20%； 摩擦感度≤24%)的要求.

為滿足XX反應裝甲對撓性炸藥的特殊要求， 在分析炸藥實現(xiàn)高能、 鈍感、 撓性途徑的基礎上， 以超細HMX為主體炸藥， 石蠟為鈍感劑， Estane-5703為粘結劑， 癸二酸二辛酯(DOS)為增塑劑， 設計了一系列滿足爆速要求的撓性炸藥配方， 采用直接法制備出了該撓性炸藥， 以撞擊感度和摩擦感度為判據(jù)， 確定了滿足機械感度要求的撓性炸藥配方并對撓性炸藥的爆速和撓性進行了測試， 為用于反應裝甲的撓性炸藥提供了技術支持.

1 實 驗

1.1 主體炸藥的選擇

目前， 常用做高聚物粘結炸藥的主體炸藥有PETN, RDX以及HMX. PETN的能量低且機械感度高， 不滿足撓性炸藥鈍感高能的要求. RDX的機械感度相對HMX較低， 但HMX的爆速比RDX高， 它們的基本性能如表 1 所示.

表 1 幾種單質炸藥的性能[6]

相關研究表明， HMX超細化后， 機械感度明顯降低[7]， 粒徑小于2 μm時與RDX的機械感度接近[8]， 同時其能量輸出提高[9-10]， 以它為基的高聚物粘結炸藥既能滿足混合炸藥的能量要求， 又有利于降低混合炸藥的機械感度[7]. 因此， 選擇超細HMX作為撓性炸藥的主體炸藥.

1.2 鈍感劑的選擇

由于超細HMX不能滿足撓性炸藥機械感度的需求， 因此添加鈍感劑來降低撓性炸藥的感度. 常用的鈍感劑有蠟類、 高聚物及活性鈍感劑3類. 相對于蠟類和高聚物類鈍感劑， 活性鈍感劑的鈍感效果較差[11]， 蠟類鈍感劑與高聚物類鈍感劑相比， 它的綜合性能較好， 在高聚物粘結炸藥中， 它不但起到吸熱和隔熱的作用， 還能起到緩沖與潤滑的作用[12]. 石蠟是蠟類中比較常見一種鈍感劑， 具有較好的物理和化學安定性并與HMX及常見的化學試劑有良好的相容性[5]. 結合XX反應裝甲使用的溫度(-40～50 ℃)， 選擇石蠟作為撓性炸藥的鈍感劑.

1.3 粘結劑的選擇

粘結劑在高聚物混合炸藥中作為粘結組分， 主要起粘結和包覆炸藥的作用. 在高聚物粘結炸藥中， 粘結劑可分為活性粘結劑和非爆炸粘結劑. 其中活性粘結劑有利于提高炸藥的能量， 但它的缺點是安全性較差[11]. 在非爆炸粘結劑中， 碳氫高分子聚合物有利于降低混合炸藥的感度[13]， Estane-5703是一種碳氫高分子聚合物， 其玻璃態(tài)轉變溫度比較低， 在 -30 ℃ 時仍保持良好的彈性、 柔順性和其它物理性能， 它作為炸藥粘結劑具有良好的粘彈性能和靜態(tài)拉伸、 壓縮等力學性能[14]. 對于HMX， Estane-5703的粘結性、 包覆性和相容性較好， 并能起到一定降低感度的效果[15]， 因此， 以Estane-5703做為撓性炸藥的粘結劑.

1.4 增塑劑的選擇

由于Estane-5703的玻璃化溫度較高(-30 ℃)不能滿足反應裝甲的低溫要求(-40 ℃)， 因此需要加入增塑劑. 常用于高聚物粘結炸藥的增塑劑可分為活性增塑劑和酯類增塑劑[11]. 含能增塑劑由于感度較高不利于降低撓性炸藥的機械感度， 所以不能用于該撓性炸藥； 癸二酸二辛脂(DOS)無色無毒揮發(fā)性低， 是優(yōu)良的耐寒增塑劑， 它加入高聚物粘結炸藥后可以降低高聚物粘結炸藥的玻璃化溫度， 賦予混合藥劑柔軟性和彈性[7]， 滿足反應裝甲的低溫要求. 因此， 選擇DOS作為撓性炸藥的增塑劑.

1.5 原料與儀器

實驗原料： 超細 HMX粒度大小及分布如圖 1 所示， 平均粒徑為587.3 nm， 符合超細炸藥的要求， 由山西省超細粉體工程研究中心提供； Estan-5703由東莞山明橡塑膠有限公司提供； 癸二酸二辛酯， 化學純， 由安徽仕佰化工有限公司提供； 醫(yī)用切片石蠟， 由濟寧華凱樹脂有限公司提供； 乙酸乙酯， 由山西三維集團股份有限公司提供.

圖 1 超細HMX的粒度大小及分布Fig.1 Particle size and size distribution of ultra-fine HMX

儀器： 電子天平， 0～600 g， 干量0. 01 g， 浙江省凱豐集團有限公司出品； 分析天平， 0～100 g， 干量0.000 1 g， 北京光學儀器廠出品； 50 mL燒杯， 深圳市鼎鑫宜實驗設備有限公司出品； 恒溫磁力攪拌器， 0～100 ℃， 精確度 ±1 ℃， 江蘇省金壇市大地自動化儀器廠出品； 標準檢驗篩， 邊長0.5 mm， 浙江省上虞市第一篩具廠出品； AHX-871安全型烘箱， 0～100 ℃， 精確度 ±1 ℃， 南京理工大學機電總廠出品.

1.6 制備過程

采用直接法制備鈍感高能撓性炸藥， 其工藝流程如圖 2 所示.

制備過程如下： ① 將一定質量的Estane-5703加入到乙酸乙酯中， 得到Estane-5703質量百分濃度為2.5%的乙酸乙酯溶液； ② 向6.00 g 含Estane-5703的乙酸乙酯溶液中加入0.1 g DOS溶液， 得到一定濃度的鈍感劑和粘結劑的混合溶液； ③ 稱取0.175 g石蠟加入混合溶液， 溫度控制在55～65 ℃， 在磁力攪拌器上不斷攪拌待石蠟融化后， 稱取4.575 g超細HMX加入燒杯中， 攪拌均勻形成超細HMX, DOS懸浮液； ④ 控制溫度和攪拌速度， 使乙酸乙酯以一定的速度蒸發(fā)， 得到具有塑性的膏團物， 通過手工使膏團物通過一定孔徑篩孔的標準篩進入接收器， 將其置于安全箱中進行干燥得到干燥產(chǎn)品.

圖 2 “直接法”制備工藝流程圖Fig.2 Process flow chart of “direct method”

1.7 配方設計

主體炸藥、 鈍感劑、 粘接劑和增塑劑之間的配比關系會直接影響高聚物粘結炸藥的能量、 感度以及壓制成型后的撓性. 依據(jù)國內(nèi)外撓性炸藥的配方， 主體炸藥含量為80%～90%[2,5]， 根據(jù)反應裝甲對爆速和裝藥密度的要求， 初步選擇主體炸藥含量為90%以上. 考慮增塑劑用量對藥柱密度及抗壓強度的影響， 增塑劑含量為2%并與粘接劑以2： 3的比例加入配方中[11]， 以上述比例對撓性炸藥的配方進行初步設計， 如表 2 所示.

表 2 撓性炸藥的配方

2 測試方法

2.1 撞擊感度

按照GJB772A-97炸藥試驗方法： 方法601.1 撞擊感度 爆炸概率法， 對配方制得的撓性炸藥進行試驗[16]， 試驗條件： 落錘質量為(10.000±0.010) kg， 藥量為(50±1) mg， 試驗溫度為室溫， 相對濕度不大于80%.

2.2 摩擦感度

按照GJB772A-97 炸藥試驗方法： 方法602.1摩擦感度 爆炸概率法， 對配方制得的撓性炸藥進行實驗[16]， 試驗條件： 表壓3.92 MPa， 擺角90±1°， 藥量(30±1) mg. 試驗溫度為室溫， 相對濕度不大于80%.

2.3 爆速測試

按照GJB772A-97 炸藥試驗方法 方法702.1爆速 電測法， 對配方制得的撓性炸藥的爆速進行測試[16]. 試驗條件： 藥柱尺寸： Φ10×10 mm； 藥柱數(shù)量： 10個； 藥柱密度： 1.400 g/cm3； 爆速儀精度≤10～8 ns.

2.4 撓性測試

由于炸藥的撓性測試沒有標準的方法， 本文對所制得的撓性炸藥只進行初步的撓性測試. 試驗條件： 藥片尺寸： Φ10×2 mm； 藥片數(shù)量： 5個； 藥片密度： 1.40 g/cm3. 用玻璃棒等對藥片進行按壓， 檢驗撓性炸藥是否可壓以及按壓后的回彈情況.

3 結果與討論

3.1 配方優(yōu)化

3.1.1 摩擦感度測試

4組配方制得的撓性炸藥和超細HMX的摩擦感度測試結果如表 3 所示.

表 3 摩擦感度測試結果

可以看出： ① 撓性炸藥的摩擦感度相對于超細HMX的摩擦感度有了很大程度的降低. 分析認為： 其它組分包覆炸藥后， 彌補了炸藥表面的缺陷， 使撓性炸藥的摩擦系數(shù)降低 ， 使其在摩擦過程中產(chǎn)生的摩擦力減小， 由摩擦產(chǎn)生的熱量也相應減少； 其它組分的比熱容大于主體炸藥的比熱容[17]， 使得撓性炸藥的比熱容增大， 在質量和熱量一定的情況下， 撓性炸藥的溫升減小， 不利于熱點的產(chǎn)生； 由于鈍感劑石蠟的熔點較低， 摩擦過程中產(chǎn)生的熱能首先會被它的相變吸收， 使得實際作用于炸藥的熱量減少， 減小了熱點產(chǎn)生的可能性， 上述原因導致?lián)闲哉ㄋ幠Σ粮卸冉档? ② 配方1,2,3,4的摩擦感度依次降低， 分析認為： 配方1,2,3,4中的鈍感劑石蠟的質量分數(shù)的不同(1%， 2%， 3.5%， 5%)導致它們的摩擦感度不一樣； 石蠟含量的不同使得炸藥的摩擦系數(shù)減小程度不一樣， 進而使摩擦力減小程度有差異， 導致摩擦產(chǎn)生的熱的減少量有差異； 石蠟添加量的不同使得相變吸收的熱量有差異， 在其它條件相同的情況下， 熱點產(chǎn)生概率不一樣， 所以撓性炸藥的摩擦感度降低程度不同.

3.1.2 撞擊感度測試

把符合摩擦感度的第3， 4組配方和超細HMX進行撞擊感度測試， 測試結果如表 4 所示.

表 4 撞擊感度測試結果

可以看出： ① 撓性炸藥的撞擊感度比超細HMX的撞擊感度有了很大程度的降低. 分析認為： 粘結劑Estane-5703包覆炸藥后， 彌補了炸藥表面的缺陷， 提高了炸藥的流散性， 使撞擊過程中產(chǎn)生的熱量下降； 另外， 用DOS增塑的Estane-5703的粘結作用使撓性炸藥具有了較大的韌性和彈性， 在受撞擊的瞬間， 撓性炸藥被壓縮變形并吸收部分撞擊能,導致實際作用到炸藥的撞擊能減少， 有利于撞擊感度的降低； 石蠟使撓性炸藥的摩擦系數(shù)降低， 在撞擊過程中炸藥間的摩擦力減小， 進而產(chǎn)生的熱量下降， 另外， 石蠟在相變過程中還可以吸收部分撞擊產(chǎn)生的熱能， 使撓性炸藥不易形成熱點. 它們的綜合作用使撓性炸藥的撞擊感度有了很大程度的降低. ② 試樣3,4的撞擊感度依次降低， 分析認為： 試樣3,4中的鈍感劑石蠟的質量分數(shù)的不同(3.5%， 5%)導致它們的撞擊感度不一樣； 鈍感劑石蠟含量增加使得撓性炸藥的摩擦系數(shù)進一步減小， 使得炸藥在撞擊過程中產(chǎn)生的摩擦力減小， 進而摩擦產(chǎn)生的熱量減??； 石蠟添加量的增加使得石蠟融化過程中吸收的熱量也相應增加， 實際作用在炸藥的熱量減少， 在其它條件相同的情況下， 熱點產(chǎn)生概率進一步降低， 所以4號試樣的撞擊感度最低.

3號、 4號試樣均滿足反應裝甲對撓性炸藥撞擊感度的要求， 考慮到能量要求， 所以選擇3號試樣的配方為最佳配方： HMX∶Estan-5703∶石蠟∶DOS=91.5%∶3%∶3.5%∶2%.

3.2 性能測試

3.2.1 爆速測試

經(jīng)測定， 10發(fā)撓性炸藥藥柱的平均密度為1.400 g/cm3， 平均爆速值為7 108 m/s(標準差為27 m/s)， 滿足反應裝甲對撓性炸藥爆速的要求. 分析認為： ① HMX作為撓性炸藥的主體炸藥， 它的爆速較高； ② HMX細化后， 根據(jù)爆轟理論， 炸藥粒度減小， 使其比表面積迅速增大， 進而使得炸藥的體積反應速率增大， 使HMX的爆速進一步升高； ③ 配方中選用的粘結劑、 增塑劑和鈍感劑， 使主體炸藥HMX的質量百分含量高于其它撓性炸藥中主體炸藥[2]. 綜上原因， 使得撓性炸藥的爆速較高.

3.2.2 撓性測試

測試表明， 5個撓性炸藥片均可壓縮， 且在受壓一段時間后均有一定程度的回彈， 說明該撓性炸藥具有一定的撓性. 分析認為： ① 選用的粘結劑Estane-5703在常溫下具有良好的粘彈性能和靜態(tài)拉伸、 壓縮等力學性能[14]； Estane-5703對HMX的粘結效果較好[15]， 使撓性炸藥具有了一定的力學性能(彈性、 壓縮、 拉伸). ② 增塑劑DOS可插入到粘結劑Estane-5703的分子鏈之間， 削弱其分子間的作用力， 增大分子鏈之間的距離和活動空間， 使得撓性炸藥的塑性進一步增加， 同時賦予撓性炸藥良好的柔軟性和彈性.

4 結 論

1) 為滿足某反應裝甲對撓性炸藥高能、 低感度的要求， 本文在理論分析的基礎上， 初步確定以超細HMX為主體炸藥， Estan-5703為粘結劑， DOS為增塑劑， 石蠟為鈍感劑， 設計了滿足爆速要求的4個配方， 采用直接法制得撓性炸藥.

2) 以撓性炸藥的摩擦感度和撞擊感度為判據(jù)， 初步確定了滿足機械感度要求的撓性炸藥配方為HMX∶Estan-5703∶石蠟∶DOS=91.5%∶3%∶3.5%∶2%， 結果表明， 其撞擊感度為8%， 摩擦感度為12%， 滿足反應裝甲對撓性炸藥機械感度的要求.

3) 在密度為1.40 g/cm3時， 撓性炸藥具有一定的撓性， 爆速為7 108 m/s， 滿足反應裝甲對撓性炸藥爆速的要求.

由于時間所限， 炸藥的制備工藝以及其它性能還待進一步的研究.

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Study on Preparation and Performance Test of the Flexible Explosive with Higher Energy, Lower Sensitivity

WANG Jingbo, WANG Baoguo

(National Defense Key Laboratory of Deep Buried Target Damage, North University of China, Taiyuan 030051, China)

In order to meet the XX explosive reactive armor’s demands for higher energy and lower sensitivity, and based on the study of how to cause the mixture explosive to achieve higher energy, insensitive, flexible ultra-fine HMX, paraffin wax, Estane-5703 and DOSwere selected as the main explosive, blunt agent, binder and plasticizer respectively. A series of flexible explosive formulations which met its energy requirement were designed, the explosive were prepared by direct method. The formula of the flexible explosive was determined by friction sensitivity and impact sensitivity, it was shown as follows: HMX∶Estan-5703∶paraffin∶DOS=91.5%∶3%∶3.5%∶62%. At the same time the flexibility and detonation velocity were tested. Test results show that The impact sensitivity of this explosive is 8%, its friction sensitivity is 12%. It has certain flexibility and its detonation velocity, which is 7 108 m/s,when its density is 1.40 g/cm3. All the data shows that this formula meets the demands of the flexible explosive.

reactive armor; flexible explosives; impact sensitivity; friction sensitivity; detonation velocity

1671-7449(2017)01-0076-07

2016-07-06

王靜波(1989-)， 男， 碩士生， 主要從事超細含能材料制備和改性技術的研究.

TJ410.6

A

10.3969/j.issn.1671-7449.2017.01.013