微/纳米HMX粒度级配对TNT基熔铸炸药性能的影响

戎园波，肖　磊，王庆华，刘　杰，靳承苏，乔　羽，杨琰鹏，刘巧娥，徐子帅，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. 山西江阳化工有限公司军代室，山西 太原 030000；3.甘肃银光化学工业集团有限公司科研所，甘肃 白银 730900)

引　言

随着武器弹药发展对装药要求的不断提高，高能、安全、低易损性已成为混合炸药的潜在性能要求。传统的TNT基熔铸炸药中所加入的高能固相炸药(如HMX)通常为粗颗粒，在装药过程中容易产生收缩、沉降等现象，导致密度均一性差、力学性能差、感度高等，已不能满足新型混合炸药高能、钝感、低易损性的要求。目前国内外研究者都在探索能够改善TNT基熔铸炸药综合性能的方法[1-3]。王亲会[4]用DNTF替代部分TNT，得到的低共熔混合炸药DNTF/TNT/HMX/AL的能量比替代前有所提高；Duncan S. Watt 等[5]对TNAZ的熔铸性能进行研究，研制出具有高爆速的ARX-4007熔铸炸药；Steven N等[6]研发了一系列以DNAN为基的PAX熔铸炸药，成本和感度均较低；贺传兰等[7]将不同聚合物添加到TNT基熔铸炸药中，显著改善了其力学性能；Vande Kieft等[8]在熔铸炸药配方中加入石墨纤维素等增强填料，也显著改善了其弹性模量。然而惰性添加剂的引入会降低含能组分的含量，进而引起熔铸炸药能量降低。

纳米HMX具有小尺寸效应及较大的比表面积，与于粗颗粒HMX相比，具有爆轰反应速率快、能量释放完全、爆轰稳定性好等性能优势[9-16]，因此可将纳米HMX应用于TNT基熔铸炸药的改性。采用粒度级配可以实现炸药粒度分布的优化，使炸药粒子的堆积密实度提高[17]。肖磊等[18]研究了微/纳米RDX颗粒级配对压装PBX性能的影响，结果表明粒度级配后的PBX感度低，力学性能和爆炸性能均得到提高。

本研究采用纳米、微米、粗颗粒3种粒度的HMX进行粒度级配，作为高能固相添加物加入到熔融态TNT中制备得到系列药柱，研究微/纳米级配对TNT基熔铸炸药性能的影响，为纳米HMX在TNT基熔铸炸药中的应用和TNT基熔铸炸药性能的提高提供参考。

1　实　验

1.1　材料及仪器

粗颗粒HMX(平均粒径100μm)，甘肃银光化学工业集团；微米级HMX(平均粒径5μm)，南京理工大学国家特种超细粉体工程技术研究中心；纳米级HMX(平均粒径100nm)，南京理工大学国家特种超细粉体工程技术研究中心；TNT，甘肃银光化学工业集团；石蜡，国药集团化学试剂有限公司。

S-4800场发射扫描电镜，日本Hitachi公司；CTM8050微机控制电子万能材料试验机，上海协强仪器制造有限公司。

1.2　TNT基熔铸炸药药柱的制备

设计了6个熔铸炸药配方，配方组成(质量分数)为：40% TNT、60% HMX和0.5% 石蜡，其中不同粒度级配的HMX组成如表1所示。

表1　HMX粒度级配设计

称取一定量的TNT加入混合釜内，控制TNT熔化温度90～94℃；待TNT完全熔化，开始搅拌(转速约200r/min)，加入少量石蜡混合，在90～94℃保温30min；在TNT与石蜡混合熔融结束后，缓慢加入不同粒度级配的HMX样品，保持搅拌混合1h使其充分混合分散；搅拌结束后，将TNT/HMX熔融体浇注入模具内，得到熔铸炸药药柱。

1.3　性能测试

将药柱横断截开，取内部一小块进行扫描电镜分析，观察其内部剖面结构。

根据阿基米德原理，采用排水法测试炸药药柱密度。每个配方制备5个Φ20mm×70mm的初始药柱，然后将初始药柱按上、中、下的结构，截成3段Φ20mm×20mm的标准药柱用于密度测试。

采用万能材料试验机测试力学性能，环境温度为(20±5)℃，药柱尺寸均为Φ20mm×20mm，药柱在室内恒温4h以上，每种配方的药柱各进行5次试验。

抗压强度按GJB 772-97方法416.1抗压强度压缩法进行测试；抗拉强度按GJB 772-97方法602.2劈裂法进行测试。

撞击感度按GJB 772A-97方法601.2撞击感度特性落高法进行测试。落锤质量5kg，炸药质量(50±1)mg，测试环境温度(20±2)℃，相对湿度(60±5)%，试验步长0.05，每组25发，试验4组。

摩擦感度按GJB 772A-97 方法602.1 摩擦感度爆炸概率法进行测试。压强3.92MPa，落锤摆角90°，炸药质量(30±1)mg，测试环境温度(20±2)℃，相对湿度(60±5)%，每组25发，试验4组。

根据GJB-772A-97 方法702.1 爆速-电测法测试爆炸性能。传爆药柱为90%TMD聚黑-14药柱，测试试样尺寸为Φ20mm×20mm，探针为Φ0.1mm漆包铜线。

2　结果与讨论

2.1　微观结构分析

将药柱沿中线对半截开，药柱内部形貌结构如图1所示。

从图1可知，只含有粗颗粒HMX的TNT基药柱(配方 1)，在药柱截面的中间部分有明显的凸起和凹陷，说明其内部结构不牢固，靠近药柱中心的部位冷却凝固过程中形成缩孔。而由HMX粒度级配后得到的TNT基药柱(配方 2)，药柱截面平整光滑，无凹陷或凸起，这是因为微/纳米HMX填补到了粗颗粒HMX之间，增强了粗颗粒HMX之间的整体联系，并使粗颗粒HMX在冷却凝固过程中的自然沉降过程放缓，所以得到的药柱内部结构更加紧实。

采用扫描电镜观测TNT基熔铸炸药药柱内部界面的微观结构，结果如图2所示。

由图2可知，只含有粗颗粒HMX的药柱(配方1)，表面可以看见较深的孔，有明显的分界线，表明药柱的结构不完整，各区域之间的联系不紧密。加入少量微/纳米HMX颗粒级配后的药柱(配方2)，不同界面之间存在裂缝及少量的微缩孔。配方3的电镜图中只有极少的微孔，不存在界面之间的裂纹。配方 4、5、6的表面平整光滑，无微孔及裂纹，这是因为微/纳米HMX的加入能够填补粗颗粒HMX之间存在的空隙，让更多的TNT能够游离在整个体系中，从而得到的TNT基熔铸炸药药柱内部的缩孔和裂纹等缺陷减少，微观表面更加光滑。

2.2　密度分析

采用排水法测得不同配方TNT基熔铸炸药药柱的密度，结果如表2所示。

表2　各配方药柱的密度测试结果

注：TNT/HMX(质量比为40∶60)药柱的理论密度为1.7699g/cm3；相对密度为实际密度与理论密度的比值。

由表2可知，含粗颗粒HMX的TNT基熔铸炸药药柱(配方 1)上、中、下3部分密度的差异很大，这是由于重力的存在导致粗颗粒HMX在冷却凝固过程中存在严重的沉降现象，使HMX在整个药柱的分布呈现上少下多的不均匀现象。而采用微/纳米HMX级配后(配方 2、3、4、5)整个药柱的上、下密度差逐渐减小，配方 6的上、下密度差几乎为0。这是因为微米HMX和纳米HMX的尺寸小，形状规则，表面光滑且缺陷少，在引入微/纳米HMX后，微/纳米HMX在TNT熔融体系中的分散性较好，不易沉降，同时微/纳米HMX能够吸附在粗颗粒HMX的表面，加强粗颗粒HMX之间的联系，减小粗颗粒HMX在重力作用下的自然沉降效应。所以加入微/纳米HMX进行级配的TNT基熔铸炸药药柱的密度均一性得到改善。

从表2中看出，加入微/纳米HMX的TNT基熔铸炸药药柱的相对密度均比只加入粗颗粒HMX制备得到的药柱更接近于理论密度，这是因为级配后的微/纳米HMX与粗颗粒HMX之间粒度存在明显的分级，微/纳米HMX能够有效填充到粗颗粒HMX间的空隙中，使HMX的堆积密度得到提高，因而提高了TNT基熔铸炸药药柱的整体装药密度，与理论密度更接近。

2.3　力学性能分析

不同熔铸炸药药柱的力学性能测试结果如表3所示。

表3　各配方药柱的力学性能测试结果

由表3可知，在微/纳米HMX级配后得到的TNT基熔铸炸药药柱与只含有粗颗粒HMX的药柱(配方 1)相比，抗压强度(σ)和抗拉强度(τ)均有提高。其中配方6力学性能最好，抗压强度较配方1提高200%，抗拉强度提高128%。这是因为只含有粗颗粒HMX的TNT基熔铸炸药药柱，在粗颗粒HMX之间容易形成空隙，药柱内部结构不紧实，力学性能差。而级配后微/纳米HMX能够吸附到粗颗粒HMX的表面，减少粗颗粒之间的空隙率，使整个药柱更加密实。由于纳米级HMX具有形貌规则、呈类球形和比表面积大的特点，纳米级HMX能够自由地分布在整个体系中，增强HMX与HMX、TNT与HMX之间的作用，因此加入微/纳米HMX级配的TNT基熔铸炸药药柱的力学性能得到较大提高。

2.4　机械感度分析

分别对不同熔铸炸药药柱进行撞击感度和摩擦感度测试，结果如表4所示。

表4　各配方药柱的机械感度测试结果

由表4可知，加入微/纳米HMX级配后得到的TNT基熔铸炸药药柱的机械感度均低于只有粗颗粒HMX的熔铸炸药药柱。这是因为微/纳米HMX形貌规则，缺陷少，尤其是纳米HMX呈类球形，具有较大的比表面积。当受到外界机械刺激时散热快，不易形成热点，所以机械感度比只含有粗颗粒HMX制备得到的药柱低。随着微/纳米HMX含量的增加，药柱的机械感度逐渐降低，配方6药柱的撞击感度比配方1的降低45.5%，摩擦感度降低46%。

2.5　爆炸性能分析

不同配方熔铸炸药药柱的爆速测试结果见表5。

表5　各配方药柱的密度与爆速测试结果

由表5可知，加入微/纳米HMX级配后得到的药柱密度和爆速均比只含有粗颗粒HMX的药柱高，其中爆速提高最多达32m/s(配方6)。这是因为微/纳米HMX粒度级配后，微/纳米HMX能够填补到粗颗粒HMX之间的空隙，HMX的堆积密度提高，从而使TNT基熔铸炸药整体装药密度和单位体积能量提高。另外，纳米HMX具有的小尺寸效应和大比表面积效应，使得纳米HMX具有能量释放速率快、爆轰反应快的特点，提高了药柱的爆速。因此，将微/纳米HMX应用于TNT基熔铸炸药，可提高其装药密度，进而提高其爆速。

3　结　论

(1)加入微/纳米粒度级配的HMX得到的TNT基熔铸炸药内部缩孔减少，内部结构密实。

(2)当纳米级HMX、微米级HMX、粗颗粒HMX的质量比为15∶15∶70时，药柱的密度均一性好，与采用粗颗粒HMX所制备的TNT基熔铸炸药相比，抗压强度提高200%，抗拉强度提高128%，撞击感度降低45.5%，摩擦感度降低46%，爆速增加32m/s，综合性能得到明显提高。

(3)通过对TNT基熔铸炸药中的主体炸药HMX的粒度进行微/纳米级配，可以改善炸药的综合性能。

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