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        兩種精密裝配用奧克托金基炸藥的成型及穩(wěn)定性

        2020-06-04 02:00:38李亮亮
        科學(xué)技術(shù)與工程 2020年11期
        關(guān)鍵詞:質(zhì)量

        王 輝, 李亮亮, 沈 飛, 張 皋

        (西安近代化學(xué)研究所,西安 710065)

        高能炸藥是大部分現(xiàn)代武器的動力來源,其通過釋放自身的化學(xué)能對外做功。通常采用圓筒試驗(yàn)可獲得測試炸藥的做功能力大小,但該結(jié)果僅可作該炸藥的縱向比對,無法與其他炸藥進(jìn)行橫向?qū)Ρ?,究其原因,是缺少?biāo)準(zhǔn)炸藥的校核。在實(shí)際使用時,標(biāo)準(zhǔn)炸藥并非成型后立即投入使用,而是經(jīng)過一定時間的儲存(老化)后才進(jìn)行使用。儲存過程中,高能炸藥發(fā)生物理、化學(xué)反應(yīng),引起炸藥/裝藥發(fā)生性能變化,如尺寸穩(wěn)定性、組分穩(wěn)定性及性能穩(wěn)定性(爆速)等發(fā)生改變,引起裝藥無法裝配、圓筒試驗(yàn)數(shù)據(jù)失真。因此研究標(biāo)準(zhǔn)炸藥,必須研究老化對炸藥性能的影響,尤其是炸藥尺寸穩(wěn)定性、組分穩(wěn)定性及性能穩(wěn)定性的影響。

        目前國內(nèi)外所做的老化試驗(yàn)主要分為高溫循環(huán)、低溫循環(huán)、高低溫循環(huán)和高低溫沖擊試驗(yàn)方法。中國在此方面的研究,已取得一些成果,如李鴻賓等[1]、賈林等[2]、張冬梅等[3]、姜凱等[4]分別研究了炸藥在不同溫度循環(huán)條件下的膨脹特性,獲得了一些變化規(guī)律,如在整個老化時間內(nèi),藥柱體積先快速增加,再趨緩最后不再變化,分析認(rèn)為不同的階段出現(xiàn)的原因不同,主要有力學(xué)松弛、黑索金(Hexogen,RDX)和鋁(aluminum,AL)的重排及低熔點(diǎn)組分發(fā)生“滲油”(“趨表性”遷移)、連接和揮發(fā),引起藥柱平均密度減小。張丘等[5]、李玉斌等[6]探討了壓制過程中炸藥的膨脹特性,研究了壓制參數(shù)如熱處理、熱循環(huán)次數(shù)等對成型過程中晶體取向、破碎等的影響,表觀上體現(xiàn)在炸藥密度和尺寸發(fā)生改變。孫杰等[7]從晶體取向角度討論了炸藥柱的膨脹規(guī)律。國外對炸藥膨脹性能的研究較早,早期如Hnmphrey等[8]、Authony[9]、Kolb等[10-11]研究了塑料黏結(jié)炸藥(plastic bonded explosive,PBX)-三氨基三硝基苯(triaminotrinitrobenzene,TATB)藥柱在反復(fù)熱循環(huán)條件下的尺寸穩(wěn)定性,結(jié)果發(fā)現(xiàn)藥柱會產(chǎn)生1.5%~2.0%的永久性體積膨脹。陳科全等[12]研究了HMX基PBX炸藥驅(qū)動不同金屬的圓筒試驗(yàn),但未涉及炸藥的性能,如是否老化。王浩等[13]采用高低溫沖擊試驗(yàn)研究了三硝基甲苯(trinitrotoluene,TNT)等幾種單質(zhì)炸藥的不可逆膨脹特性。

        上述文獻(xiàn)主要從高低溫循環(huán)和壓制條件角度探討了不同條件下炸藥的膨脹問題,但研究比較零散,不夠系統(tǒng),與標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的研制還有一定距離?,F(xiàn)選擇兩種HMX基炸藥,采用71 ℃高溫老化實(shí)驗(yàn)對試樣分別加速老化1、3、5 a,研究不同老化條件下試樣的直徑、質(zhì)量及組分等的變化規(guī)律。

        1 材料和方法

        實(shí)驗(yàn)所用的炸藥配方1為奧克托金基炸藥(cgclotetramethy-lenete-tranitramine,HMX)黏合劑/其他,記為H-1炸藥,配方2為HMX/F23-11/其他,記為H-2炸藥。炸藥采用300T壓機(jī)壓制成型。藥柱從模具內(nèi)退出后,采用測高儀測量其直徑d0、高度h0,采用天平測量質(zhì)量m0數(shù)據(jù)。經(jīng)不同的老化實(shí)驗(yàn)后,再次測量其直徑d1、高度h1及質(zhì)量m1等數(shù)據(jù),直徑及高度測量時,每個藥柱選擇4個點(diǎn)進(jìn)行測量,測點(diǎn)的確定為:將圓柱截面4等分,每份90°,形成A、B、C、D 4個測點(diǎn),對所測數(shù)據(jù)進(jìn)行平均,得到各參數(shù)的平均值。

        300T壓機(jī):型號為Y33-3150 kN電控伺服液壓機(jī),淄博群峰機(jī)械制造有限公司生產(chǎn)。

        測高儀:型號為V5-400,適用于各種柔軟材料的測量,測量范圍為0~407 mm,精度為[2.5+L(mm/300)]μm,L為測量樣品的長度,mm。本次直徑測量精度為2.58 μm,瑞士丹青(Dantsin)科技有限公司生產(chǎn)。

        老化條件:參照《火工品試驗(yàn)方法》(GJB 736.8—90)71 ℃試驗(yàn)法,將老化試驗(yàn)用藥柱放在控溫精度為±1 ℃、設(shè)定溫度為71 ℃的試驗(yàn)箱中進(jìn)行加速老化試驗(yàn),恒溫條件下分別連續(xù)老化3、8及13 d即等效老化1、3和5 a。

        AHX-863型安全烘箱:南京理工大學(xué)機(jī)電總廠生產(chǎn);AL204電子天平,精度為0.1 mg,瑞士METTERLER TOLEDO公司生產(chǎn)。

        DSC測量:采用具有高壓差示掃描量熱(differential scanning calorimetry,DSC)池的TA 910S型差示掃描量熱儀進(jìn)行,試樣量小于1 mg,動態(tài)氣氛,氮?dú)饬髁繛?0 mL/min,升溫速率β一般為2、5、10、20 ℃/min,文獻(xiàn)[12]針對HMX進(jìn)行了DSC實(shí)驗(yàn),認(rèn)為HMX是一種典型的“分解熔融”或“熔融分解”型物質(zhì),若β越小,則試樣在低溫下的熱歷程長,放熱曲線偏離基線,因此,實(shí)驗(yàn)取β為10 ℃/min。

        2 結(jié)果與討論

        2.1 老化前后炸藥體系尺寸穩(wěn)定性變化規(guī)律

        最大直徑的變化表明老化前后的藥柱是否可以進(jìn)行裝配,因此尺寸穩(wěn)定性以最大直徑進(jìn)行考核,對兩種炸藥老化前后的最大直徑作圖,如圖1所示。因兩種炸藥的最大直徑隨老化時間的變化規(guī)律類似,此處僅以H-2炸藥舉例說明,其最大直徑dmax隨老化年限的變化規(guī)律如圖2所示,其中,橫坐標(biāo)N表示被測試樣的編號,下述類同。退模后兩種藥柱的端面如圖3所示。

        圖1 藥柱老化前后的最大直徑變化(老化1 a)Fig.1 Max-diameter of explosive before and after aging(aging 1 a)

        圖2 H-2藥柱最大直徑隨老化時間的變化Fig.2 Max-diameter of H-2 explosive VS aging time

        圖3 退模后兩種藥柱的端面Fig.3 The end faces of two explosives after mold with drawal

        2.2 老化前后炸藥質(zhì)量的變化規(guī)律

        藥柱質(zhì)量是影響圓筒試驗(yàn)數(shù)據(jù)的因素之一,因老化后藥柱質(zhì)量變化規(guī)律與1 a類似,因此以1 a老化時的質(zhì)量數(shù)據(jù)進(jìn)行說明,老化前后藥柱質(zhì)量m的變化趨勢如圖4(a)所示,老化前后藥柱質(zhì)量損失率δm的變化趨勢如圖4(b)所示。

        圖4 H-1、H-2老化前后質(zhì)量變化及質(zhì)量損失率Fig.4 Quality change and quality loss-rate for H-1/H-2 explosives

        由圖4(a)可以看出:H-1炸藥藥柱老化前質(zhì)量為22.019~22.145 g,老化后的質(zhì)量變化范圍為22.074 g~22.133 g;而H-2炸藥藥柱老化前為22.285~22.382 g,老化后為22.252~22.351 g,可見,相同的壓裝條件及老化條件,老化前后H-2炸藥的質(zhì)量均高于H-1,同時H-1炸藥藥柱的質(zhì)量分布范圍大于H-2炸藥。圖4(b)表明:H-1炸藥藥柱的質(zhì)量損失比例約為0.051%;而H-2炸藥藥柱的質(zhì)量損失比例約為0.150%,H-2炸藥藥柱的質(zhì)量損失率高于H-1炸藥。分析原因可能為:H-2炸藥組分內(nèi)的小分子含量高于H-1炸藥,在老化過程中,H-2炸藥體系內(nèi)應(yīng)力的釋放伴隨著黏結(jié)劑的伸展及組分內(nèi)的小分子添加劑等物質(zhì)的液化/熔化而遷移、升華作用,H-2炸藥藥柱的質(zhì)量損失大于H-1。雖然質(zhì)量損失率H-2大于H-1炸藥,但仍然處于較小的損失范圍,且主要成分基本穩(wěn)定,這方面可通過DSC檢測進(jìn)行詳細(xì)分析。

        2.3 老化前后炸藥組分變化規(guī)律

        對兩種炸藥進(jìn)行DSC表征,因曲線類似,故以H-2炸藥的DSC曲線進(jìn)行論述,H-1、H-2炸藥不同老化時間后的熱分解特征量如表1所示。為便于敘述,除原始曲線外,將DSC圖上老化1、3和5 a的縱坐標(biāo)數(shù)據(jù),分別增加10、20、30個單位,結(jié)果如圖5所示。

        表1 不同老化時間后H-1、H-2炸藥的熱分解特征量Table 1 Thermal decomposition parameters VS aging time for H-1/H-2 explosives

        圖5 H-2炸藥老化前后炸藥的DSC曲線Fig.5 DSC curves of H-2 explosive system before and after aging

        由表1和圖5可知,老化前后,譜圖上僅有兩個峰溫,在200 ℃附近存在一個小的吸熱峰(記為T1),在280 ℃附近有一個陡峭的尖峰(放熱峰,記為T2)。老化前后,H-1的T1峰溫基本不變,老化前后T2峰值最大誤差為(284.2~283.5)/283.5×100%≈0.25%,和H-2炸藥的兩個參數(shù)變化類似。T2為HMX/F23-11炸藥體系主要組分HMX的熱分解峰溫(純HMX的分解峰溫為285.3 ℃,此實(shí)驗(yàn)中分解峰溫稍有下降與組分中的微量RDX分解產(chǎn)物有關(guān)),老化前后的峰溫值變化不大,變化范圍為0~0.39%,T1可能是主要組分HMX的晶型轉(zhuǎn)變[14](β-HMX晶型向α-HMX晶型的轉(zhuǎn)變溫度:193.2~195.1 ℃)及HMX晶體中夾雜的RDX在升溫過程中出現(xiàn)的熔融和升華(HMX中常有少量的RDX與其共存,RDX的熔融和升華過程在191.3~216.2 ℃范圍內(nèi)出現(xiàn))作用導(dǎo)致,老化5 a后的T1=215.6 ℃,較老化前滯后15 ℃,可能是因?yàn)榻?jīng)過長時間的老化后,組分內(nèi)低熔點(diǎn)的小分子物質(zhì)含量減少等原因?qū)е?。兩個峰的峰溫基本一致,且除了這兩個峰,再無新物質(zhì)產(chǎn)生的峰,說明體系成分穩(wěn)定,無新物質(zhì)產(chǎn)生。

        3 結(jié)論

        通過以上不同老化條件下藥柱的最大直徑、組分及爆速等參數(shù)研究,可獲得如下結(jié)論。

        (1)H-1炸藥和H-2炸藥成型后,其最大直徑均比較穩(wěn)定,但前者的最大直徑老化前后均超過標(biāo)準(zhǔn)銅管內(nèi)徑,不能裝配,后者老化前后均小于標(biāo)準(zhǔn)銅管內(nèi)徑,可以順利裝配。

        (2)老化前后H-1炸藥的質(zhì)量損失率小于H-2炸藥。

        (3)老化前后兩種炸藥的熱分解參數(shù)值均比較穩(wěn)定,組分含量穩(wěn)定。

        (4)老化前后兩種炸藥的性能均比較穩(wěn)定,但H-1炸藥的最大直徑大于標(biāo)準(zhǔn)銅管內(nèi)徑,不符合標(biāo)準(zhǔn)炸藥的要求,而H-2炸藥符合要求。

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