湿法研磨制备改性HMX及其机械感度研究

肖 春，祝 青，谢 虓，郑保辉，李尚斌

(中国工程物理研究院化工材料研究所,四川 绵阳 621900)

湿法研磨制备改性HMX及其机械感度研究

肖 春，祝 青，谢 虓，郑保辉，李尚斌

(中国工程物理研究院化工材料研究所,四川 绵阳 621900)

通过湿法研磨制备出不同粒度的改性HMX晶体，采用折光匹配法对其形貌进行表征，并测试了改性HMX的机械感度。讨论了研磨速率对HMX粒径的影响，以及改性前后HMX的机械感度，分析了湿法研磨对HMX机械感度的影响机理。结果表明，研磨速率为0.524m/s时得到的HMX粒度最小，为43.1μm，改性后的HMX摩擦感度降低60%，撞击感度降低68%，且研磨晶体粒度越小，晶体特性落高数值越大。晶体粒度及内部缺陷对机械感度的影响机制主要是研磨后晶体粒度减小且晶体内部缺陷减少，受到外力作用时，晶体内部热点产生和传播的概率降低。

湿法研磨；晶体粒度；内部缺陷；机械感度

引 言

炸药的机械感度与晶体的物理力学特性紧密相关，提高晶体品质、控制粒径大小是降低炸药感度的两种基本方法。HMX是目前综合性能最优的高能炸药，其机械感度与颗粒粒径和晶体形貌存在紧密联系[1-3]。F.Schedlbauer[4]研究发现，HMX粒径增大，其撞击感度升高，这可能是随着炸药粒径改变，其内部缺陷也随之改变，故不同粒径的炸药表现出不同的撞击感度，但未对粒径与撞击感度的相关影响规律进行深入探讨。汪波等[5]研究发现，HMX的撞击感度随粒径的减小而降低，且两者存在显著的线性关系，但其研究样品仅通过筛分得到，各样品的晶体形貌和内部缺陷没有变化，研究因素单一。宋小兰等[6]通过3种制备方法得到不同形貌的亚微米级HMX，研究发现粒径较小的样品其撞击感度降低，且相同粒径的类球形样品比针状样品的感度低。

为研究HMX晶体粒径和内部缺陷对其机械感度的影响规律，以球形化奥克托今(Q-HMX)为原料，采用湿法研磨方法对其进行改性，对不同粒径的样品进行机械感度测试，使用折光匹配法对样品进行了缺陷表征，探讨了晶体粒径与晶体内部缺陷对其机械感度的影响机理。

1 实 验

1.1 材料及仪器

Q-HMX，甘肃银光化学工业集团有限公司，平均粒径446.9μm。

LS13320激光粒度仪，美国贝克曼公司；BA310光学显微镜，香港麦克奥迪公司；D8 advance X射线衍射仪，德国布鲁克公司。

1.2 改性HMX的制备

将长50mm的磁子置于500mL烧杯底部(底部直径为70mm)，加入300mL去离子水，称取6g Q-HMX置于水中，在磁力搅拌器上对其进行湿法研磨，研磨速率分别为0.262、0.524、0.786、1.048、1.310和1.572m/s，研磨时间均为8h，得到的样品分别标记为样品1～样品6。

1.3 感度测试

采用WM-1型摩擦仪，根据GJB772A-1997标准602.1实验方法测定摩擦感度，测试条件：摆角90°，摆锤质量1.5kg，表压3.92MPa，每发药量(30±1)mg，每组试样25发，环境温度10～35℃，相对湿度小于70%。

采用WL-1落锤仪，根据GJB772A-1997标准601.1实验方法测定撞击感度，测试条件：落锤质量10kg，落高25cm，每发药量(50±1)mg，每组试样25发，环境温度10～35℃，相对湿度小于70%。

采用WL-1落锤仪，根据GJB772A-1997标准601.2实验方法测定撞击感度，测试条件为：落锤质量2kg，每发药量(30±1)mg，每组试样25发，环境温度10～35℃，相对湿度小于70%。

2 结果与讨论

2.1 研磨速率对改性HMX粒径的影响

用激光粒度仪测试6种改性HMX样品的粒度分布，结果如图1所示，样品平均粒径与研磨速率的关系如图2所示。

由图1可见，研磨速率在0.262～0.786m/s得到的样品其粒径分布更窄，研磨速率提高后样品的粒径分布变宽，说明研磨速率过高并不利于形成粒径分布均匀的颗粒样品。

图1 不同改性HMX样品的粒度分布曲线Fig.1 Size distribution diagrams of different modified HMX samples

图2 研磨速率对改性HMX平均粒径的影响Fig.2 Effect of milling speed on the mean particle diameters of modified HMX

由图2可见，研磨速率为0.262m/s时，可使Q-HMX破碎为粒径52.57μm的晶体；当研磨速率增加到0.524m/s时，改性HMX的平均粒径减小为43.1μm。这是因为随着研磨速率的提高，研磨强度增加，磁子对接触的晶体产生的剪切力增大，可将Q-HMX研磨得更细；但当研磨速率从0.524m/s增至1.310m/s，晶体的平均粒径反而呈线性增大，这是由于研磨速率继续增加后，磁子在水中的搅拌力提高，形成涡流，使悬浮在水中的HMX晶体增加，不能与磁子充分接触，导致粒径增大，分布变宽；当研磨速率从1.310m/s增加到1.572m/s时，改性HMX的平均粒径基本不变，说明此时水中晶体与磁子的接触概率达到平衡，粒径不再变化。

2.2 改性HMX样品的形貌及XRD表征

采用折光匹配法，用光学显微镜对Q-HMX及改性HMX样品进行观察，结果如图3所示。由于样品6与样品5的粒径及分布相似，因此后面仅对样品5进行表征。

由图3可见，Q-HMX晶体的边缘较为光滑，但晶体内部及表面存在大量的黑斑和阴影，表明晶体缺陷较多。经过湿法研磨后的HMX晶体粒径大大减小，但颗粒的均匀性有较大差别，样品2粒径最小，且颗粒粒径分布均匀；样品1和3的粒径较样品2稍大，但颗粒均匀程度相当；样品4和样品5的粒径分布较前3种样品明显变宽，尤其是样品5出现较多粒径大于100μm的大颗粒。总之，湿法研磨得到的改性HMX的透明度更高，表明其内部缺陷减少。用排水法测得Q-HMX和样品2的密度分别为1.9005g/cm3和1.9010g/cm3，湿法研磨得到的改性HMX密度稍有提高，这是因为研磨后晶体的内部缺陷减少。

图3 Q-HMX及改性HMX的显微镜照片Fig.3 Microscope images of Q-HMX and modified HMX

图4为Q-HMX和改性HMX的XRD图谱。由图4可见，改性前后HMX在2θ处的特征峰不变，均为β-HMX (JCPDS 42-1768)，说明湿法研磨不会对HMX的晶型产生影响。

图4 Q-HMX及改性HMX的XRD图谱Fig.4 XRD patterns of the Q-HMX and modified HMX

2.3 改性前后HMX的机械感度

选取Q-HMX与粒径较小、均匀性最佳的样品2，采用爆炸概率法分别测试其摩擦感度和撞击感度，结果如表1所示。由表1可知，与Q-HMX相比，样品2的摩擦感度和撞击感度分别降低60%和68%，说明湿法研磨后HMX的机械感度得到明显降低。

表1 Q-HMX与样品2的机械感度

为了进一步研究晶体粒径对HMX机械感度的影响规律，分别测试样品1～5的特性落高(H50)，结果如表2所示。由表2可知，改性HMX的特性落高随着晶体粒径的减小明显增大，与粒径最大的样品5相比，粒径最小的样品2的H50提高3.5倍，说明晶体粒径对HMX的机械感度影响显著。

表2 不同粒径样品的特性落高

2.4 湿法研磨对HMX机械感度的影响

HMX在晶粒长大过程中通常会由于包裹气泡、溶剂或其他杂质而形成结构不完善的晶体。Q-HMX虽然表面经过球形化处理，棱角较少，但其内部仍然存在较多缺陷，湿法研磨HMX的破碎过程如图5所示，研磨过程中晶体受到挤压、剪切等作用力，在内部缺陷处形成应力集中并首先出现裂纹，然后崩裂破碎，形成粒度减小且内部缺陷较少的颗粒。

图5 湿法研磨HMX的破碎过程示意图Fig.5 Schematic diagram of wet milling process for the HMX particles

根据炸药热点起爆理论[7],在外界机械作用力下,炸药反应发生爆炸的总概率取决于热点产生和热点传播两个阶段[8]，热点的产生与炸药颗粒之间的孔穴大小和孔隙率以及晶体的内部缺陷有关，孔穴越大，受到绝热压缩时产生热点的可能性越高，孔隙率越高，在相同外力作用下产生的热点越多，晶体内部缺陷越多，活性中心越多，受到外力作用时形成热点的概率增加；热点传播阶段的主要影响因素是炸药的比表面积，比表面积越大，能量耗散越快，热点传播的概率越小。通过搅拌研磨得到的改性HMX，一方面颗粒粒度减小，颗粒之间的孔穴及孔隙率减小，在外力作用下形成的热点源也减少；另一方面颗粒内部缺陷减少，在外界作用下晶体内部的活性中心也减少，大大降低了热点产生的概率。另外，晶体粒度减小使得颗粒的比表面积增大，外力作用沿晶粒表面迅速传递,减少了能量累积，减缓了热点增大以及燃烧速率的增大，降低了产生爆轰的概率。因此，与Q-HMX相比改性HMX的感度降低，且粒度越小，感度越低。

3 结 论

(1)通过湿法研磨可将粒径为446.9μm的Q-HMX晶体破碎为粒径为43.1μm的晶体，且颗粒分布均匀，晶体内部缺陷较少。

(2)与Q-HMX相比，粒径为43.1μm的改性HMX晶体的摩擦感度和撞击感度分别下降60%和68%，特性落高为77cm；对于不同粒径的改性HMX，特性落高随粒径的减小而增大，粒径减小40%，特性落高提高3.5倍。

(3)改性HMX晶体机械感度降低的原因主要在于晶体粒径减小和晶体内部缺陷减少，受到外力作用时，晶体内部热点产生和传播的概率降低。

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Modification of HMX Particles by Wet Milling and Study on Its Mechanical Sensitivities

XIAO Chun,ZHU Qing,XIE Xiao,ZHENG Bao-hui,LI Shang-bin

(Institute of Chemical Materials,China Academy of Engineering Physics,Mianyang Sichuan 621900,China)

The modified HMX crystals with different sizes were obtained by wet milling modification.Their morphologies were characterized by a refractive index matching method and the mechanical sensitivities were measured.The effect of milling speed on the particle diameter of HMX was discussed.The mechanical sensitivities of HMX before and after modification were analyzed and the effect of wet milling on mechanical sensitivities of HMX was also analyzed.The results show that when the milling speed is 0.524m/s,the particles size of HMX is the smallest of 43.1μm,the friction sensitivity of modified HMX decreases by 60%,and impact sensitivity decreases by 68%.And the smaller the size of milled crystal,the higher the characteristic drop height.The influencing mechanism of the particle sizes and internal defects on the mechanical sensitivities is mainly that crystal size decreases and internal defects reduce after milling,the probability of generation and propagation of hot spots in the crystal is decreased when subjected to external forces.

wet milling; crystal sizes; internal defects; mechanical sensitivities

10.14077/j.issn.1007-7812.2017.01.004

2016-08-15；

2016-11-22

中国工程物理研究院化工材料研究所科技创新基金(KJCX2014-01)；中国工程物理研究院院长基金(Y2015010)

肖春(1990-)，男，硕士，从事炸药精密成型技术研究。E-mail: xiaochun1990@caep.cn

祝青(1985-)，女，博士，从事炸药精密成型技术研究。E-mail: zhuqing@caep.cn

TJ55;TQ560

A

1007-7812(2017)01-0021-04