一种钝感高能挠性炸药的制备与性能测试

王静波， 王保国

(中北大学 地下目标毁伤技术国防重点学科实验室， 山西 太原 030051)

一种钝感高能挠性炸药的制备与性能测试

王静波， 王保国

(中北大学 地下目标毁伤技术国防重点学科实验室， 山西 太原 030051)

为满足XX反应装甲对挠性炸药高能、 低感度的要求,本文在研究炸药实现钝感、 高能和挠性的基础上， 以超细奥克托今为主体炸药、 石蜡为钝感剂、 Estane-5703为粘结剂、 DOS为增塑剂， 设计了一系列满足能量要求的挠性炸药配方， 采用直接法制备出了挠性炸药. 以撞击感度和摩擦感度为判据， 确定了满足机械感度要求的挠性炸药配方： HMX∶Estan-5703∶石蜡∶DOS=91.5%∶3%∶3.5%∶2%， 并对该挠性炸药的挠性和爆速进行了测试. 结果表明： 该挠性炸药的撞击感度为8%， 摩擦感度为12%； 在密度为1.40 g/cm3时挠性炸药具有一定的弹性， 爆速为7 108 m/s， 满足其技术要求.

反应装甲； 挠性炸药； 撞击感度； 摩擦感度； 爆速

0 引 言

挠性炸药通过压制成型后耐水性良好， 可以弯曲、 折叠， 其爆轰性能和机械性能可通过配方调节[1]， 这些特点使其可以在反应装甲上得到充分的应用.

挠性炸药的研究始于20世纪50年代， 20世纪70年代是挠性炸药迅速发展时期， 形成了很多挠性炸药配方[2]. 刘晓波等[3]以敏化处理的太安(PETN)为基设计了一种用于爆炸逻辑网络的挠性炸药， 它的热安定性、 相容性和安全性均较好， 撞击感度为36%， 摩擦感度为94%； 刘瑶等[4]以PETN为基， 以硅橡胶为粘结剂设计了一种用于平面波发生器的薄片状挠性炸药， 它的撞击感度为32%， 摩擦感度为36%， 装药密度为1.50 g/cm3时， 爆速为6 850 m/s. 骆兵等[1]研制了一种以黑索今(RDX)为基的挠性橡胶炸药， 撞击感度为24%. 李玉斌等[5]以奥克托今(HMX)为基研制了一种用于武器系统的低感高能挠性炸药， 药柱密度为1.835 g/cm3时， 爆速为8 700 m/s， 撞击感度为36%. 上述挠性炸药均不满足XX反应装甲对挠性炸药高能(密度为1.40 g/cm3时爆速不低于7 000 m/s)、 低感度(撞击感度≤20%； 摩擦感度≤24%)的要求.

为满足XX反应装甲对挠性炸药的特殊要求， 在分析炸药实现高能、 钝感、 挠性途径的基础上， 以超细HMX为主体炸药， 石蜡为钝感剂， Estane-5703为粘结剂， 癸二酸二辛酯(DOS)为增塑剂， 设计了一系列满足爆速要求的挠性炸药配方， 采用直接法制备出了该挠性炸药， 以撞击感度和摩擦感度为判据， 确定了满足机械感度要求的挠性炸药配方并对挠性炸药的爆速和挠性进行了测试， 为用于反应装甲的挠性炸药提供了技术支持.

1 实 验

1.1 主体炸药的选择

目前， 常用做高聚物粘结炸药的主体炸药有PETN, RDX以及HMX. PETN的能量低且机械感度高， 不满足挠性炸药钝感高能的要求. RDX的机械感度相对HMX较低， 但HMX的爆速比RDX高， 它们的基本性能如表 1 所示.

表 1 几种单质炸药的性能[6]

相关研究表明， HMX超细化后， 机械感度明显降低[7]， 粒径小于2 μm时与RDX的机械感度接近[8]， 同时其能量输出提高[9-10]， 以它为基的高聚物粘结炸药既能满足混合炸药的能量要求， 又有利于降低混合炸药的机械感度[7]. 因此， 选择超细HMX作为挠性炸药的主体炸药.

1.2 钝感剂的选择

由于超细HMX不能满足挠性炸药机械感度的需求， 因此添加钝感剂来降低挠性炸药的感度. 常用的钝感剂有蜡类、 高聚物及活性钝感剂3类. 相对于蜡类和高聚物类钝感剂， 活性钝感剂的钝感效果较差[11]， 蜡类钝感剂与高聚物类钝感剂相比， 它的综合性能较好， 在高聚物粘结炸药中， 它不但起到吸热和隔热的作用， 还能起到缓冲与润滑的作用[12]. 石蜡是蜡类中比较常见一种钝感剂， 具有较好的物理和化学安定性并与HMX及常见的化学试剂有良好的相容性[5]. 结合XX反应装甲使用的温度(-40～50 ℃)， 选择石蜡作为挠性炸药的钝感剂.

1.3 粘结剂的选择

粘结剂在高聚物混合炸药中作为粘结组分， 主要起粘结和包覆炸药的作用. 在高聚物粘结炸药中， 粘结剂可分为活性粘结剂和非爆炸粘结剂. 其中活性粘结剂有利于提高炸药的能量， 但它的缺点是安全性较差[11]. 在非爆炸粘结剂中， 碳氢高分子聚合物有利于降低混合炸药的感度[13]， Estane-5703是一种碳氢高分子聚合物， 其玻璃态转变温度比较低， 在 -30 ℃ 时仍保持良好的弹性、 柔顺性和其它物理性能， 它作为炸药粘结剂具有良好的粘弹性能和静态拉伸、 压缩等力学性能[14]. 对于HMX， Estane-5703的粘结性、 包覆性和相容性较好， 并能起到一定降低感度的效果[15]， 因此， 以Estane-5703做为挠性炸药的粘结剂.

1.4 增塑剂的选择

由于Estane-5703的玻璃化温度较高(-30 ℃)不能满足反应装甲的低温要求(-40 ℃)， 因此需要加入增塑剂. 常用于高聚物粘结炸药的增塑剂可分为活性增塑剂和酯类增塑剂[11]. 含能增塑剂由于感度较高不利于降低挠性炸药的机械感度， 所以不能用于该挠性炸药； 癸二酸二辛脂(DOS)无色无毒挥发性低， 是优良的耐寒增塑剂， 它加入高聚物粘结炸药后可以降低高聚物粘结炸药的玻璃化温度， 赋予混合药剂柔软性和弹性[7]， 满足反应装甲的低温要求. 因此， 选择DOS作为挠性炸药的增塑剂.

1.5 原料与仪器

实验原料： 超细 HMX粒度大小及分布如图 1 所示， 平均粒径为587.3 nm， 符合超细炸药的要求， 由山西省超细粉体工程研究中心提供； Estan-5703由东莞山明橡塑胶有限公司提供； 癸二酸二辛酯， 化学纯， 由安徽仕佰化工有限公司提供； 医用切片石蜡， 由济宁华凯树脂有限公司提供； 乙酸乙酯， 由山西三维集团股份有限公司提供.

图 1 超细HMX的粒度大小及分布Fig.1 Particle size and size distribution of ultra-fine HMX

仪器： 电子天平， 0～600 g， 干量0. 01 g， 浙江省凯丰集团有限公司出品； 分析天平， 0～100 g， 干量0.000 1 g， 北京光学仪器厂出品； 50 mL烧杯， 深圳市鼎鑫宜实验设备有限公司出品； 恒温磁力搅拌器， 0～100 ℃， 精确度 ±1 ℃， 江苏省金坛市大地自动化仪器厂出品； 标准检验筛， 边长0.5 mm， 浙江省上虞市第一筛具厂出品； AHX-871安全型烘箱， 0～100 ℃， 精确度 ±1 ℃， 南京理工大学机电总厂出品.

1.6 制备过程

采用直接法制备钝感高能挠性炸药， 其工艺流程如图 2 所示.

制备过程如下： ① 将一定质量的Estane-5703加入到乙酸乙酯中， 得到Estane-5703质量百分浓度为2.5%的乙酸乙酯溶液； ② 向6.00 g 含Estane-5703的乙酸乙酯溶液中加入0.1 g DOS溶液， 得到一定浓度的钝感剂和粘结剂的混合溶液； ③ 称取0.175 g石蜡加入混合溶液， 温度控制在55～65 ℃， 在磁力搅拌器上不断搅拌待石蜡融化后， 称取4.575 g超细HMX加入烧杯中， 搅拌均匀形成超细HMX, DOS悬浮液； ④ 控制温度和搅拌速度， 使乙酸乙酯以一定的速度蒸发， 得到具有塑性的膏团物， 通过手工使膏团物通过一定孔径筛孔的标准筛进入接收器， 将其置于安全箱中进行干燥得到干燥产品.

图 2 “直接法”制备工艺流程图Fig.2 Process flow chart of “direct method”

1.7 配方设计

主体炸药、 钝感剂、 粘接剂和增塑剂之间的配比关系会直接影响高聚物粘结炸药的能量、 感度以及压制成型后的挠性. 依据国内外挠性炸药的配方， 主体炸药含量为80%～90%[2,5]， 根据反应装甲对爆速和装药密度的要求， 初步选择主体炸药含量为90%以上. 考虑增塑剂用量对药柱密度及抗压强度的影响， 增塑剂含量为2%并与粘接剂以2： 3的比例加入配方中[11]， 以上述比例对挠性炸药的配方进行初步设计， 如表 2 所示.

表 2 挠性炸药的配方

2 测试方法

2.1 撞击感度

按照GJB772A-97炸药试验方法： 方法601.1 撞击感度 爆炸概率法， 对配方制得的挠性炸药进行试验[16]， 试验条件： 落锤质量为(10.000±0.010) kg， 药量为(50±1) mg， 试验温度为室温， 相对湿度不大于80%.

2.2 摩擦感度

按照GJB772A-97 炸药试验方法： 方法602.1摩擦感度 爆炸概率法， 对配方制得的挠性炸药进行实验[16]， 试验条件： 表压3.92 MPa， 摆角90±1°， 药量(30±1) mg. 试验温度为室温， 相对湿度不大于80%.

2.3 爆速测试

按照GJB772A-97 炸药试验方法 方法702.1爆速 电测法， 对配方制得的挠性炸药的爆速进行测试[16]. 试验条件： 药柱尺寸： Φ10×10 mm； 药柱数量： 10个； 药柱密度： 1.400 g/cm3； 爆速仪精度≤10～8 ns.

2.4 挠性测试

由于炸药的挠性测试没有标准的方法， 本文对所制得的挠性炸药只进行初步的挠性测试. 试验条件： 药片尺寸： Φ10×2 mm； 药片数量： 5个； 药片密度： 1.40 g/cm3. 用玻璃棒等对药片进行按压， 检验挠性炸药是否可压以及按压后的回弹情况.

3 结果与讨论

3.1 配方优化

3.1.1 摩擦感度测试

4组配方制得的挠性炸药和超细HMX的摩擦感度测试结果如表 3 所示.

表 3 摩擦感度测试结果

可以看出： ① 挠性炸药的摩擦感度相对于超细HMX的摩擦感度有了很大程度的降低. 分析认为： 其它组分包覆炸药后， 弥补了炸药表面的缺陷， 使挠性炸药的摩擦系数降低 ， 使其在摩擦过程中产生的摩擦力减小， 由摩擦产生的热量也相应减少； 其它组分的比热容大于主体炸药的比热容[17]， 使得挠性炸药的比热容增大， 在质量和热量一定的情况下， 挠性炸药的温升减小， 不利于热点的产生； 由于钝感剂石蜡的熔点较低， 摩擦过程中产生的热能首先会被它的相变吸收， 使得实际作用于炸药的热量减少， 减小了热点产生的可能性， 上述原因导致挠性炸药摩擦感度降低. ② 配方1,2,3,4的摩擦感度依次降低， 分析认为： 配方1,2,3,4中的钝感剂石蜡的质量分数的不同(1%， 2%， 3.5%， 5%)导致它们的摩擦感度不一样； 石蜡含量的不同使得炸药的摩擦系数减小程度不一样， 进而使摩擦力减小程度有差异， 导致摩擦产生的热的减少量有差异； 石蜡添加量的不同使得相变吸收的热量有差异， 在其它条件相同的情况下， 热点产生概率不一样， 所以挠性炸药的摩擦感度降低程度不同.

3.1.2 撞击感度测试

把符合摩擦感度的第3， 4组配方和超细HMX进行撞击感度测试， 测试结果如表 4 所示.

表 4 撞击感度测试结果

可以看出： ① 挠性炸药的撞击感度比超细HMX的撞击感度有了很大程度的降低. 分析认为： 粘结剂Estane-5703包覆炸药后， 弥补了炸药表面的缺陷， 提高了炸药的流散性， 使撞击过程中产生的热量下降； 另外， 用DOS增塑的Estane-5703的粘结作用使挠性炸药具有了较大的韧性和弹性， 在受撞击的瞬间， 挠性炸药被压缩变形并吸收部分撞击能,导致实际作用到炸药的撞击能减少， 有利于撞击感度的降低； 石蜡使挠性炸药的摩擦系数降低， 在撞击过程中炸药间的摩擦力减小， 进而产生的热量下降， 另外， 石蜡在相变过程中还可以吸收部分撞击产生的热能， 使挠性炸药不易形成热点. 它们的综合作用使挠性炸药的撞击感度有了很大程度的降低. ② 试样3,4的撞击感度依次降低， 分析认为： 试样3,4中的钝感剂石蜡的质量分数的不同(3.5%， 5%)导致它们的撞击感度不一样； 钝感剂石蜡含量增加使得挠性炸药的摩擦系数进一步减小， 使得炸药在撞击过程中产生的摩擦力减小， 进而摩擦产生的热量减小； 石蜡添加量的增加使得石蜡融化过程中吸收的热量也相应增加， 实际作用在炸药的热量减少， 在其它条件相同的情况下， 热点产生概率进一步降低， 所以4号试样的撞击感度最低.

3号、 4号试样均满足反应装甲对挠性炸药撞击感度的要求， 考虑到能量要求， 所以选择3号试样的配方为最佳配方： HMX∶Estan-5703∶石蜡∶DOS=91.5%∶3%∶3.5%∶2%.

3.2 性能测试

3.2.1 爆速测试

经测定， 10发挠性炸药药柱的平均密度为1.400 g/cm3， 平均爆速值为7 108 m/s(标准差为27 m/s)， 满足反应装甲对挠性炸药爆速的要求. 分析认为： ① HMX作为挠性炸药的主体炸药， 它的爆速较高； ② HMX细化后， 根据爆轰理论， 炸药粒度减小， 使其比表面积迅速增大， 进而使得炸药的体积反应速率增大， 使HMX的爆速进一步升高； ③ 配方中选用的粘结剂、 增塑剂和钝感剂， 使主体炸药HMX的质量百分含量高于其它挠性炸药中主体炸药[2]. 综上原因， 使得挠性炸药的爆速较高.

3.2.2 挠性测试

测试表明， 5个挠性炸药片均可压缩， 且在受压一段时间后均有一定程度的回弹， 说明该挠性炸药具有一定的挠性. 分析认为： ① 选用的粘结剂Estane-5703在常温下具有良好的粘弹性能和静态拉伸、 压缩等力学性能[14]； Estane-5703对HMX的粘结效果较好[15]， 使挠性炸药具有了一定的力学性能(弹性、 压缩、 拉伸). ② 增塑剂DOS可插入到粘结剂Estane-5703的分子链之间， 削弱其分子间的作用力， 增大分子链之间的距离和活动空间， 使得挠性炸药的塑性进一步增加， 同时赋予挠性炸药良好的柔软性和弹性.

4 结 论

1) 为满足某反应装甲对挠性炸药高能、 低感度的要求， 本文在理论分析的基础上， 初步确定以超细HMX为主体炸药， Estan-5703为粘结剂， DOS为增塑剂， 石蜡为钝感剂， 设计了满足爆速要求的4个配方， 采用直接法制得挠性炸药.

2) 以挠性炸药的摩擦感度和撞击感度为判据， 初步确定了满足机械感度要求的挠性炸药配方为HMX∶Estan-5703∶石蜡∶DOS=91.5%∶3%∶3.5%∶2%， 结果表明， 其撞击感度为8%， 摩擦感度为12%， 满足反应装甲对挠性炸药机械感度的要求.

3) 在密度为1.40 g/cm3时， 挠性炸药具有一定的挠性， 爆速为7 108 m/s， 满足反应装甲对挠性炸药爆速的要求.

由于时间所限， 炸药的制备工艺以及其它性能还待进一步的研究.

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Study on Preparation and Performance Test of the Flexible Explosive with Higher Energy, Lower Sensitivity

WANG Jingbo, WANG Baoguo

(National Defense Key Laboratory of Deep Buried Target Damage, North University of China, Taiyuan 030051, China)

In order to meet the XX explosive reactive armor’s demands for higher energy and lower sensitivity, and based on the study of how to cause the mixture explosive to achieve higher energy, insensitive, flexible ultra-fine HMX, paraffin wax, Estane-5703 and DOSwere selected as the main explosive, blunt agent, binder and plasticizer respectively. A series of flexible explosive formulations which met its energy requirement were designed, the explosive were prepared by direct method. The formula of the flexible explosive was determined by friction sensitivity and impact sensitivity, it was shown as follows: HMX∶Estan-5703∶paraffin∶DOS=91.5%∶3%∶3.5%∶62%. At the same time the flexibility and detonation velocity were tested. Test results show that The impact sensitivity of this explosive is 8%, its friction sensitivity is 12%. It has certain flexibility and its detonation velocity, which is 7 108 m/s,when its density is 1.40 g/cm3. All the data shows that this formula meets the demands of the flexible explosive.

reactive armor; flexible explosives; impact sensitivity; friction sensitivity; detonation velocity

1671-7449(2017)01-0076-07

2016-07-06

王静波(1989-)， 男， 硕士生， 主要从事超细含能材料制备和改性技术的研究.

TJ410.6

A

10.3969/j.issn.1671-7449.2017.01.013