微纳米RDX颗粒级配对压装PBX性能影响

肖 磊, 刘 杰, 郝嘎子, 柯 香, 高 寒, 戎园波, 刘巧娥, 姜 炜

(1. 南京理工大学国家特种超细粉体工程技术研究中心, 江苏 南京 210094;2. 甘肃银光化学工业集团有限公司科研所, 甘肃 白银 730900)

1 引 言

黑索金(RDX)和奥克托今(HMX)基高聚物粘结炸药(PBX)能量高,感度低,广泛应用于多种武器的弹丸及导弹战斗部的装药[1-5],其中的RDX、HMX粒径均为普通工业微米级,颗粒为不规则的多面体结构,粒度大小不均匀,晶体缺陷多,机械感度高[6-11],故使用中要求对PBX进行降感。通常降感的方法是增加炸药体系中粘结剂的含量,而这种方法在降低感度的同时会导致爆炸性能的降低。

目前关于PBX性能改善的研究较多,主要集中在降低PBX机械感度方面。王保国等[12]采用水悬浮法制备出了三氨基三硝基苯(TATB)/HMX基PBX,用正交试验法确定了撞击感度和冲击波感度均较低的新型炸药配方;高元元等[13]采用溶液重结晶法,以3-硝基-1,2,4-三唑-5酮(NTO)包覆HMX,机械感度有所降低,爆速基本不变;梁华琼等[14]研究了两种配方的RDX基PBX在压制过程中的损伤形成规律,发现用丙烯腈丙烯酸酯作粘结剂比氟橡胶的粘附性能好,产品缺陷少。

为了综合改善RDX基PBX机械感度、力学性能以及爆炸性能,基于已有的关于RDX纳米化成果[15-22],本研究采用溶液-水悬浮法,利用课题组自制的类球形纳米RDX[23-24]与工业微米级RDX级配后,调整料液比、温度、搅拌速度等工艺条件,制备出合格的纳米RDX基PBX,并研究不同纳米RDX的含量对PBX各性能的影响情况,为纳米含能材料在混合炸药中的大规模应用提供参考。

2 实验部分

2.1 原料及样品制备

原料RDX,平均粒度为100 μm,甘肃银光化学工业基团有限公司生产; 纳米RDX,平均粒度为100 nm,由课题组采用机械球磨法制备[22]; 乙酸乙酯,分析纯,国药集团化学试剂有限公司生产。

本试验采用溶液-水悬浮法[23]制备RDX基PBX,采用的配方各组分质量比分别为RDX∶粘结剂∶钝感剂=94.5∶5∶0.5,其中改变主体炸药RDX中纳/微米RDX的不同配比(见表1),制得4种PBX样品。

制备过程如下: 准确称取一定量的微米RDX和纳米RDX,混合加入到反应釜中,再加入一定量的去离子水,控制水浴温度为65 ℃,转速调整为600 r·min-1,边加热边搅拌一段时间,待RDX在水中分散均匀,再缓慢滴加事先溶解在乙酸乙酯中的粘结剂溶液,待滴加完全后恒温搅拌一段时间,颗粒逐渐成型,然后缓慢升温至80 ℃,驱除乙酸乙酯溶剂,待溶剂完全挥发干净,再加入称量的钝感剂,继续搅拌15 min,待颗粒完全成型,过滤,真空烘箱60 ℃下干燥,最终得到RDX基PBX的造型粉样品,用于机械感度测试。然后将制备的PBX造型粉压制成Φ20 mm×20 mm和Φ20 mm×30 mm规格的药柱,用于力学性能和爆速测试。

表1 含不同微纳米RDX颗粒级配的PBXs配方

Table 1 Formulations of PBX with differentmicrometer/nano-RDXs particle gradations %

2.2 试验方法

撞击感度试验参照GJB772A-1997 方法601.1“爆炸概率”法。WL-1型撞击感度测试仪,测试温度为(20±2) ℃,相对湿度为(60±5)%,落锤质量为10 kg,落高为25 cm,每发药量为(50±1) mg,每组试样25发,计算其爆炸百分数。

摩擦感度试验参照GJB772A-1997方法602.1“爆炸概率法”。BM-B型摩擦感度仪,测试摆角(90± 1)°,压强为3.92 MPa,测试温度为(20±2) ℃,相对湿度为(60±5)%,每发药量为(20±1) mg,试验25发,计算其爆炸百分数。

抗压强度试验参照GJB772A-19997方法416.1“压缩法”。CMT450R型微机控制电子万能试验机,试验速度为10 mm·min-1,试验温度为(20±5) ℃,被测药柱尺寸为Φ20 mm×20 mm。

抗剪强度试验参照GJB 772A-1997方法415.1“双剪法”。CMT450R型微机控制电子万能试验机,试验机十字头移动速度为10-11 mm/min,试验温度为(20±5) ℃,被测药柱尺寸为Φ20 mm×30 mm。

抗拉强度试验参照GJB 772A-1997方法413.1“直拉法”。CMT450R型微机控制电子万能试验机,试验速度为(5.00±0.05) mm/min,试验温度为(20±5 )℃,被测药柱尺寸为Φ20 mm×20 mm。

爆速测试参照GJB 772A-1997方法702.1“电测法”,被测药柱尺寸为Φ20 mm×20 mm,传爆药柱为90%TMD聚黑-14药柱,探针为Φ0.1 mm漆包铜线。

3 结果与讨论

3.1 微纳米RDX级配对造型粉形貌影响

光学显微镜拍摄的在纳微米RDX颗粒不同级配下制备的PBX造型粉外观形貌如图1所示。

a. JH-1 b. JH-2

c. JH-3 d. JH-4

图1 微/纳米RDX不同颗粒级配下制备的PBXs表观形貌图

Fig.1 Apparent morpholog images of PBXs prepared with different nano-/micrometer RDX particle gradations

由图1可知,只含原料微米级RDX的造型粉(图1a)颗粒较大,且形状不规则;而含纳米RDX的PBX造型粉(图1b,图1c,图1d)颗粒偏小,形状规则,呈类球形。这是因为粘接剂包覆RDX时,首先先包覆一颗或多颗RDX颗粒,然后这些包覆后的颗粒再聚集形成大颗粒,形成宏观看到的造型粉。只采用粗颗粒RDX时,RDX颗粒较大,形状不规则,粘接剂包覆在粗颗粒RDX表面形成的造型粉颗粒较大且不规则; 而采用微纳米级配时,包覆后的纳米RDX会聚集在包覆后的粗颗粒RDX表面,宏观上表现为造型粉粒度较小,形状较规则[25]。

3.2 PBX造型粉组分分析

根据GJB772A-1997溶剂萃取法,分别测试了4种样品各组分的含量,结果见表2。

从表2中可以看出,含不同配比纳微米RDX的PBX各组分含量与已知所用配方的各组分比例基本一致,且粒度,大小均在要求的40～4目,合格率基本达到100%,表明在传统PBX混合炸药体系中加入纳米RDX之后,粘结剂和钝感剂均能均匀有效地包覆在纳米RDX表面,纳米RDX无流失现象出现,产品的成型性不受影响,确保了产品质量的稳定性。

表2 含不同微纳米RDX颗粒级配的PBX组分含量

Table 2 Component contents of PBX with different micrometer/nano-RDX particle gradations

%

3.3 机械感度

参照GJB772A-1997 方法601.1“爆炸概率”法和602.1“爆炸概率法”,测试4种样品的撞击感度和摩擦感度,结果见表3。

表3 含不同微纳米RDX颗粒级配的PBXs的机械感度

Table 3 Mechanical sensitivity of PBXs with different micrometer/nano-RDX particle gradations

sampleimpactsensitivity/%frictionsensitivity/%JH-14424JH-2124JH-3208JH-44020

由表3可看出,纳米RDX添加到传统PBX中可以有效降低其撞击感度和摩擦感度,其中以JH-2配方的纳米RDX基PBX降感效果最佳,撞击感度降低了72.7%,摩擦感度降低了83.3%,然后随着纳米RDX含量的增加,感度降低趋势减缓。这主要是因为纳米RDX粒度小,形状规则,易于填充在粗RDX颗粒间的缝隙中,在撞击、摩擦作用下形成热点几率小,机械感度降低; 而纳米RDX易于团聚,随着纳米含量增加,在水溶液中部分团聚,成无规则大颗粒,热点形成概率提高,导致PBX感度降幅减小。

3.4 力学性能

参照GJB772A-19997方法416.1“压缩法”、415.1“双剪法”和413.1“直拉法”,测试4种样品抗压、抗拉、抗剪强度测试,结果见表4。

由表4可看出,纳米RDX与普通微米级RDX级配后制备的PBX力学性能明显有所提高,且以JH-2配方的PBX的力学性能最佳,与不含纳米RDX的PBX (JH-1)相比,抗压强度提高了18.0%,抗拉强度提高了16.7%,抗剪强度提高了11.4%。这是因为在使用传统微米级RDX制备PBX混合炸药时,RDX粗颗粒结构无规则,呈棱角分明的多面体结构,形成的造型粉颗粒大小不均,形状不一,在压装成型时PBX体系内部容易产生孔隙,缺陷等,受到外力作用时在有孔隙、缺陷处容易塌陷,破裂等,导致力学性能变差。而加入纳米RDX后制备的造型粉粒径较小,结构规则,呈类球形,压装成型时容易填充于颗粒间形成的孔隙中,提高了PBX体系的密实性,减少缺陷的形成,从而使得压装药柱的力学性能得到增强。

表4 含不同微纳米RDX颗粒级配的PBXs的力学性能

Table 4 Mechanical properties of PBXs with different micrometer/nano-RDX particle gradations MPa

3.5 爆炸性能

测试4种药柱的装药密度及爆速,结果见表5。

表5 含不同微纳米RDX颗粒级配的PBXs的爆速

Table 5 Detonation velocity of PBXs with different micrometer/nano-RDX particle gradations

sampledetonationvelocity/m·s-1density/g·cm-3JH-180331.691JH-281861.698JH-381781.698JH-481311.698

参照GJB 772A-1997方法702.1“电测法测试4种PBX的爆速,由表5可见,纳米RDX与普通微米级RDX级配后制备的PBX药柱密度和爆速均有所提高,尤其以JH-2的效果最好,与不含纳米RDX的PBX (JH-1)相比,JH-2爆速增加了153 m·s-1,药柱密度提高了0.4%。这主要是因为对RDX进行粒度级配后,纳米RDX颗粒可以有效填充于大颗粒之间,使得炸药颗粒间排列紧密,宏观上表现为PBX体系的装填密度有所增加,另外由于纳米RDX本身具有的表面效应、小尺寸效应等特性,反应速率提高,可以有效提高炸药体系的能量释放性,改善混合炸药的爆轰性能。

4 结 论

(1) 用溶液-水悬浮法成功制备出含不同微纳米RDX颗粒级配的PBX,其表面光滑,结构规则,形状呈类球形,粘结剂和钝感剂在体系中分散均匀,纳米RDX不易流失,产品成型性良好。

(2) 与普通微米RDX基PBX相比,加入纳米RDX后的PBX性能更好,以微纳米RDX颗粒级配为95/5时最优,撞击感度降低了72.7%,摩擦感度降低了83.3%; 抗压强度提高了18.0%,抗拉强度提高了16.7%,抗剪强度提高了11.4%; 爆速增加了153 m·s-1,药柱密度提高了0.4%。

(3) 研究表明,PBX中加入纳米RDX后能有效降低体系机械感度,提高其力学性能及爆炸性能,这可为PBX中主体炸药粒度级配选择提供数据支持,同时为纳米化硝胺炸药在混合炸药中规模化应用奠定基础。

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