固体云爆剂热分解性能研究

石腾飞，陈明华，樊义伟, 刘海涛

（1.军械工程学院 弹药工程系，石家庄 050003；2.军械技术研究所，石家庄 050000；3.晋西工业集团江阳公司，太原 030041）

固体云爆剂热分解性能研究

石腾飞1，陈明华2，樊义伟3, 刘海涛2

（1.军械工程学院 弹药工程系，石家庄 050003；2.军械技术研究所，石家庄 050000；3.晋西工业集团江阳公司，太原 030041）

目的 研究固体云爆剂的热分解特性。方法 利用差示扫描量热（DSC）和热重分析（TG）测定该固体云爆剂的热分解过程。分别得到固体云爆剂在不同温度下的DSC和TG曲线，以及同一温度下云爆剂不同组分的DSC和TG曲线。结合线性回归分析的方法，利用Ozawa法、Starink法以及Kissinger法计算了反应活化能。结果 其表观活化能为208 kJ/mol左右。结论 该固体云爆剂的热分解是一个连续的过程，具有良好的安定性。

固体云爆剂；热分解；反应活化能

云爆弹是常规弹药的重大发展[1]。云爆弹又称为温压弹，是在燃料空气炸弹的基础上发展起来的[2]，已有30年的发展历史。引爆后产生温压场，向四周辐射大量热量并产生冲击波[3]，利用高温高压获得大面积杀伤和破坏效果[4—5]。云爆弹在长期的储存过程中，弹药受温度、湿度等因素影响，质量会有所下降，特别是长期储存过程中会发生缓慢的热分解，导致在使用过程中出现不可预见的危险[6—7]。因此，研究该固体云爆剂的热分解性能具有十分重要的意义。

对于炸药安定性的研究，目前国内外普遍采用差热分析(DTA)或差示扫描量热仪(DSC)等方法[8—10]。文中采用热重分析（Thermo gravimetric analysis,TG）和差示扫描量热（Differential Scanning Calorimetric,DSC）分析技术研究了该固体云爆剂的热分解特性，并采用多种热分析动力学方法计算了其热分解的反应参数，为了解其热分解性能提供了重要依据。

1 实验

样品为固体云爆剂，仪器为美国 PerkinElmer DSC 8000和美国PerkinElmer TG。实验条件：氮气（99.999%）气氛，流速为20.0 mL/min，气压为0.3 MPa，升温速率分别为5，10，15，20 /min℃ ，实验样品质量为2 mg左右。

2 分析与讨论

2.1 实验结果

1）DSC实验。对该固体云爆剂及其各组分进行同一温度下的 DSC热分解实验，得到的曲线如图 1所示。

图1 云爆剂及其成分DSC曲线

由图1可以看出，云爆剂在205 ℃和244 ℃各出现一个吸热峰，213 ℃出现放热峰；RDX在201 ℃出现吸热峰，243 ℃出现放热峰；高氯酸铵在 240～248 ℃出现吸热峰，这是由于高氯酸铵低温晶型转变引起的[11—12]，产生NH3和HClO4，它们吸附在高氯酸铵表面[13]；复合蜡与橡胶未出峰。分析可知，云爆剂的两个吸热峰为云爆剂中RDX热熔和高氯酸铵的晶型转变，放热峰为云爆剂中RDX的热分解。云爆剂中的其他成分对RDX的热熔有抑制作用，但是热熔过程变得迅速而剧烈，对RDX的热分解具有促进作用，使得其分解温度降低并且迅速分解，对高氯酸铵的晶型转变具有强烈的抑制作用。

2）TG实验。对该固体云爆剂及其各组分进行同一温度下的TG热分解实验，得到的曲线如图2所示。

从图2中可以看出，在云爆剂TG曲线上有三个质量损失台阶，第一个台阶大致出现在160～230 ℃的范围内，230 ℃左右时云爆剂的质量损失达到40%左右；第二个质量损失台阶大致出现在230～300 ℃的范围内，300 ℃左右时质量损失达到 7%左右；第三个台阶为 300 ℃之后的范围，最后剩余残渣约为42%。RDX在170～276 ℃之间进行热解，无残渣；复合蜡在180～330 ℃之间发生热解，有大约3%的残渣；高氯酸铵在290～450 ℃之间进行热分解，无残渣；橡胶在350～550 ℃之间进行热分解，无残渣。由实验结果可得，云爆剂的第一个质量损失台阶为RDX的热分解，产生气体并发生质量损失，与RDX含量基本相当；第二个质量损失台阶为复合蜡和少量高氯酸铵的热分解；第三个质量损失台阶为高氯酸铵在晶型转变之后的低温分解和高温分解[14]及橡胶的热分解，最后剩余Al粉、石墨及反应残渣。

图2 云爆剂及其成分TG曲线

2.2 动力学参数计算

文中采用线性等转化率方法[14—15]求解样品的活化能。

1）TG计算。对该固体云爆剂进行TG热分解实验后得到的固体云爆剂TG曲线如图3所示。

图3 云爆剂的TG曲线

积分法选用Ozawa法[16]求解，其积分式为：

式中：G(α)为机理函数，α为反应深度；T为反应温度，K；A为指前因子；R为摩尔气体常数，R=8.314 J/(mol·K)；β为升温速率， /min℃ ；E为反应活化能，kJ/mol。

微分法选用Starink法[16]求解，其方程式为：

式中：Cs为常数，其他参数与式（1）含义相同。

用以上两种方法计算不同反应深度的反应活化能E，结果见表1。

表1 固体云爆剂不同反应深度的活化能(TG)

2）DSC计算。对该固体云爆剂进行DSC热分解实验后得到的固体云爆剂DSC曲线如图4所示。

图4 固体云爆剂的DSC曲线

积分法仍然选用Ozawa法[16]求解。式（1）中T为峰温。微分法选用Kissinger法[16]求解，其方程式为：

用以上两种方法计算不同反应深度的反应活化能E，积分法的结果为 205.372 kJ/mol，微分法为206.751 kJ/mol。

3 结论

1）与单质RDX相比，固体云爆剂中的RDX的热熔受到抑制，但是其过程变得迅速而剧烈；热分解受到促进，分解温度降低，并迅速分解。

2）与单质高氯酸铵相比，固体云爆剂中的高氯酸铵的晶型转变温度没有改变，但是转变程度下降，导致其在云爆剂中的失重较单质的失重发生滞后。

3）通过计算得到固体云爆剂的活化能大约在208 kJ·mol-1左右，通过DSC实验的计算结果比TG实验的计算结果稍小，但基本相同。

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Thermal Decomposition Performance of SE-FAE

SHI Teng-fei1,CHEN Ming-hua2,FAN Yi-wei3, LIU Hai-tao2
(1. Ammunition Engineering Department of Ordnance Engineering College, Shijiazhuang 050000, China; 2.Ordnance Technology Research Institute, Shijiazhuang 050000, China; 3.Jiangyang Company, Jinxi Industrial Group, Taiyuan 030041, China)

Objective To research thermal decomposition characteristics of SE-FAE. Methods The thermal decomposition process of SE-FAE was analyzed by Differential Scanning Calorimetry (DSC) and Thermo Gravimetric (TG) analysis. DSC and TG curves of SE-FAE at different temperature as well as DSC and TG curves of different components at the same temperature were obtained. The reaction activation energy was calculated through Ozawa, Starink and Kissinger methods in combination with linear-regression analysis. Results Its apparent activation energy was about 208 kJ·mol-1. Conclusion Thermal decomposition of SE-FAE is a continuous process of good stability.

SE-FAE; thermal decomposition; reaction activation energy

10.7643/ issn.1672-9242.2016.06.005

TJ206

A

1672-9242(2017)01-0018-03

2016-07-21；

2016-08-29

石腾飞（1993—），男，河北衡水人，硕士研究生，主要研究方向为含能材料的分离回收。