含AP的浇铸PBX炸药的热安全性

王 琼，丁 黎，张冬梅，刘文亮，常 海,郑朝民

(西安近代化学研究所,陕西 西安 710065)

1 引 言

关于炸药的热安全性研究，国内已经建立了相应的试验方法，如5 s爆发点试验[1]、自发火温度试验[2]，或通过微量试验间接获得热爆炸临界温度、绝热至爆时间等参数[3-6]，但上述试验方法仅适用于炸药粉末或颗粒，不能用于评价炸药装药的热安全性。楚士晋[7-8]和高大元等[9-10]先后采用热爆炸试验研究了几种压装炸药的热爆炸临界温度，并采用多种方式外推了其它尺寸下的热爆炸临界温度，为相应炸药的制备工艺条件和贮存条件的研究提供了依据。含高氯酸铵AP的炸药由于具有较高的爆热，具有广阔的应用前景，但其热安全性研究未见报道，本文研究了含AP的浇铸炸药PBX-A在热刺激下的响应，测定了不同直径的药柱在不同温度下发生燃烧的延滞期，获得了不同直径药柱的热爆炸临界温度以及延滞期与温度的关系，并研究了炸药PBX-A老化前后热性能的变化。

2 实验部分

2.1 样 品

浇铸PBX-A，配方组成RDX，AP，Al和端羟基聚丁二烯(HTPB)，密度1.83 g·cm-3; 药柱直径10，15，20，30 mm和40 mm，长径比1∶1，均为西安近代化学研究所自制。

2.2 实验

热爆炸临界温度通过自研的热爆炸临界温度试验系统[11]测定，系统示意图见图1。试验系统主要由加热系统、控温仪、测温系统、数据(时间、温度)记录系统等组成，加热炉采用空气浴加热，加热范围室温～300 ℃，控温精度±0.5 ℃; 测温传感器，测温精度±0.01 ℃。参照文献[7-10]规定延滞期为10 h，热爆炸特征临界温度(Tcr)为药柱发生爆炸(燃烧)的最低环境温度与未发生爆炸(燃烧)的最高环境温度的算术平均值。

热爆炸临界温度测试条件：实验采用无约束装药，当炉温升高到设定温度并稳定30 min后放入样品，试验过程中样品始终保持在同一位置，药柱上下两端温差不大于0.5 ℃。

热爆炸临界温度试验方法：预设一恒温温度，依据在该温度下炸药的响应程度调整试验温度，同一温度下试验时间最长10 h。具体如下：若在某一温度下炸药燃烧或爆炸，则降低试验温度，稳定后更换样品进行测试，若在该温度下炸药不发生燃烧或爆炸反应，则升高试验温度，稳定后更换样品进行测试，直到发生燃烧或爆炸的环境温度与不发生燃烧或爆炸的环境温度差小于2 ℃结束试验。

5 s爆发点测定[1]：参照国军标GJB772A-1997.606.1爆发点测试方法。

试样老化：老化试验在安全烘箱中进行，老化药柱直径为20 mm，长径比为1∶1，老化温度85 ℃，老化时间70 d。

图1 热爆炸试验装置示意图
1—空气浴，2—样品，3—样品池，4—顶密封盖，5—温度传感器，6—控制系统，7—数据采集系统
Fig.1 Equipment specimen for thermal explosion experiment
1—air bath,2—sample,3—sample cell,4—upper sealed lid,5—temperature sensor,6—control system,7—data recording system,

3 结果与讨论

3.1 不同直径的PBX-A药柱的热爆炸临界温度

采用图1试验系统测定了不同直径的PBX-A炸药药柱在不同温度下的延滞期，并计算获得热爆炸临界温度，结果见表1。

由表1可知，PBX-A炸药在试验过程中只发生燃烧，没有发生爆炸。直径10 mm的药柱在187.43 ℃下1158 min未发生燃烧，直径30 mm的药柱在172.93 ℃下1380 min未发生燃烧，直径40 mm的药柱在168.70 ℃下1380 min未发生燃烧。

采用文献[8,12]报道的关于圆柱体的半径和临界温度的关系式对炸药PBX-A的试验数据进行拟合，此外还采用lnr对T直接线性拟合，结果见表2。

采用表2中三种拟合方程，计算了PBX-A炸药装药直径10～1000 mm药柱(长径比1∶1)的特征临界温度，结果见图2。

图2 采用不同拟合方程预测大尺寸药柱的热爆炸临界温度结果
Fig.2 Results on theTcrof big-diameter cylinders predicted by different fitting equations

由图2可见，对于直径1 m，长径比1∶1的药柱，采用lnr～T直接拟合外推获得的热爆炸特征临界温度为124 ℃，低于采用其余两种方式拟合获得的温度130 ℃。

表1 PBX-A炸药的热爆炸试验结果Table 1 Results of thermal explosion test for PBX-A

表2 PBX-A炸药的Tcr与半径关系的拟合结果Table 2 Fitting results on the relationship between Tcr and radius of PBX-A

3.2 延滞期与温度的关系

采用火炸药热爆炸临界温度试验系统测定了直径20mm长径比为1∶1的PBX-A药柱在不同温度下发生燃烧的延滞期，试验结果见图3。

图3PBX-A的温度与爆炸延滞期关系
Fig.3 Relationship between the temperature and time lag prior to explosion of PBX-A

对图3采用指数形式拟合，获得直径20 mm的PBX-A炸药药柱的延滞期t与温度T的关系为：

R2=0.983

(1)

通过拟合方程(1)计算了直径20mm的PBX-A炸药药柱在其它温度下的lnt数据，并对1000/T作图，见图4。由图4可见，对于直径20mm的PBX-A炸药药柱，当温度大于473.15K时，lnt与1/T间存在线性关系，lnt约为常数; 当温度为461.15～452.15K时lnt与1/T之间存在近似的线性关系; 当温度大于461.15K小于473.15K时，lnt与1/T间不存在线性关系。

图4 由拟合方程(1)获得的PBX-A炸药的lnt-1000/T曲线
Fig.4 Relationship between lntand 1000/Tof PBX-A calculated from the fitting equation(1)

3.3 老化前后炸药PBX-A的热安全性

为进一步研究老化前后炸药PBX-A热安全性的变化，分别测定了炸药PBX-A原始样和85 ℃老化70 d的热爆炸临界温度和5 s爆发点，结果见表3。

表3 PBX-A炸药老化前后的热安全性Table 3 Thermal safety of PBX-A explosive before and after aging

Note:Activation energy is calculated from 5s explosion point test data.

由表3可知，PBX-A炸药原始样品与85 ℃老化70 d后样品的热爆炸临界温度相同，但老化后5 s爆发点降低了4.6 ℃。

4 结 论

PBX-A在恒温热刺激下只发生燃烧反应。外推直径1 m，长径比1∶1无约束的PBX-A装药的热爆炸临界温度为124 ℃。PBX-A炸药药柱延滞期的对数lnt与1/T只在有限的温度范围内存在线性关系。直径为20 mm且长径比为1∶1的PBX-A炸药药柱老化前后热爆炸临界温度不变，5 s爆发点降低4.6 ℃。

参考文献:

[1] 国防科学技术工业委员会.GJB 772A-97,606.1爆发点 5s延滞期法[S].北京：国防科工委军标出版社.1997.

[2] 国防科学技术工业委员会.GJB 772A-97,505.1 自发火温度 差热分析和差示扫描量热法[S].北京：国防科工委军标出版社.1997.

[3] 高大元，韦力元，郑培森，等.HMX/TATBA高聚物粘结炸药的热性能研究[J].含能材料,2000,8(3):111-113.

GAO Da-yuan,WEI Li-yuan,ZHENG Pei-sen,et al.Study on thermal properties of polymer bonded HMX/TATB[J].ChineseJournalofEnergeticmaterials(HannengCailiao),2000,8(3):111-113.

[4] 胡荣祖，赵凤起，高红旭,等.用小药量至爆时间试验研究炸药爆发分解反应动力学[J].火炸药学报,2009,32(5):11-13.

HU Rong-zu,ZHAO Feng-qi,GAO Hong-xu,et al.Kinetical study of the explosive decomposition reaction of small-scale explosives using the time- to-explosion experiment [J].ChineseJournalofExplosives&propellants.2009,32(5):11-13.

[5] 李兆娜，马海霞，宋纪蓉,等.NTO的比热容、热力学性质及绝热至爆时间[J].火炸药学报,2008,31(3):25-28.

LI Zhao-na,MA Hai-xia,SONG Ji-rong,et al.Specific heat capacity,thermodynamic properties and adiabatic time-to-explosion of NTO[J].ChineseJournalofExplosives&Propellants,2008,31(3):25-28.

[6] 胡荣祖，高红旭，赵凤起.塑料黏结炸药JH-94和JO-96的热安全性[J].火炸药学报,2008,31(6):28-31.

HU Rong-zu,GAO Hong-xu,ZHAO Feng-qi.Thermal study of plastic bonded explosives JH-94 and JO-96[J].ChineseJournalofExplosives&Propellants,2008,31(6):28-31.

[7] 楚士晋，郭明朝，冯长根,等.非限定性药柱热爆炸研究[J].含能材料,1994,2(1):1-6.

CHU Shi-jin,GUO Ming-chao,FENG Chang-gen,et al.Study on experimental thermal explosion of cylinder PBX charges in unlimited system[J].ChineseJournalofEnergeticMaterials(HannengCailiao),1994,2(1):1-6.

[8] 郭明朝，楚士晋，冯长根，等.高能炸药药柱试验热爆炸的方法和结果[J].爆炸与冲击,1995,15(2):107-114.

GUO Ming-chao,CHU Shi-jin,FENG Chang-gen,et al.Investigation on thermal explosion of some high explosives[J].ExplosionandShockWave,1995,15(2):107-114.

[9] 高大元，张孝仪，韦力元，等.炸药柱非限定性热爆炸实验研究[J].爆炸与冲击,2000,20(3):253-256.

GAO Da-yuan,ZHANG Xiao-yi,WEI Li-yuan,et al.Study on unlimited thermal explosion for explosive cylinder[J].ExplosionandShockWave,2000,20(3):253-256.

[10] 高大元，韦力元，彭强,等.炸药柱限定性热爆炸试验研究[J].爆炸与冲击,2001,21(3):205-209.

GAO Da-yuan,WEI Li-yuan,PENG Qiang,et al.Study on limited thermal explosion experiment for explosive cylinder[J].ExplosionandShockWave,2001,21(3):205-209.

[11] 丁黎，张腊莹，王江宁,等.火炸药热爆炸临界温度试验系统:CN201210051677.9[P].

DING Li,ZHANG La-ying,WANG Jiang-ning,et al.Experiment system of thermal explosion critical temperature of propellants & explosives:CN201210051677.9[P],2012.

[12] 楚士晋.炸药热分析[M].北京:科学出版社,1994:300-304.

CHU Shi-jin.Thermal analysis of explosives[M].Beijing:Science Press,1994:300-304.