HMX颗粒特性对PBX炸药包覆及成型的影响

詹春红，屈延阳，王 军，徐瑞娟

HMX颗粒特性对PBX炸药包覆及成型的影响

詹春红，屈延阳，王 军，徐瑞娟

（中国工程物理研究院化工材料研究所，四川 绵阳，621900）

选取有代表性形貌和粒度的4种普通HMX，通过水悬浮法得到不同造型粉，并将造型粉在SANS材料试验机上压制成型。对HMX包覆前后进行XPS测试，并对HMX压制前后进行电镜扫描及对造型粉压制成型进行压力——密度曲线分析。研究表明HMX晶体颗粒的大小及形貌对同种粘结剂的包覆度影响较大，其中细颗粒以及颗粒级配的HMX基PBX包覆度较好；粗颗粒HMX晶体或有粒度级配时造型粉可压性较好。

HMX；包覆；PBX；成型性

高聚物粘结炸药（Polymer Bonded Explosive，PBX）是通过一定的制作工艺使单质炸药颗粒包覆上高聚物粘结剂而形成的复合材料颗粒，也称作塑料粘结炸药[1]。PBX炸药既保持了高能炸药的爆炸性能，又可以利用高聚物材料易于成型和加工的优势，按照使用要求压制成特殊功能的炸药件，且聚合物对炸药颗粒的包覆降感作用有效提高了混合炸药的安全性能、力学性能和成型性能，因此广泛应用于发射药、推进剂和混合炸药中[2]。PBX炸药性能主要受主体炸药及粘结剂的影响，其中主体炸药的颗粒特性是影响PBX炸药包覆及成型性能的主要因素。

梁华琼等[3]研究了PBX压制成型的基本规律，指出压制成型药柱内部炸药颗粒破碎产生的缺陷将会对其安全性能造成影响。刘佳辉等人[4]研究了3种不同粒径的高品质HMX炸药在压制后微结构和粒度分布的变化，研究表明随着颗粒粒径的增大，炸药的包覆效果和力学强度降低，导致压制PBX中更多晶体的破碎。目前虽然报道了用压缩刚度法评价不同HMX颗粒的可压性，但是对不同HMX颗粒特性与成型性之间的相互规律尚没有清晰的认识[5]。为了进一步研究主体炸药HMX的颗粒特性与PBX炸药包覆度以及PBX成型性能的相互规律，本文选取有代表性形貌和粒度的4种普通HMX，研究粒度、形貌及缺陷对其PBX炸药包覆及成型的影响规律。

1 试验

1.1 原材料及主要实验设备

HMX：工业级，甘肃银光化工公司；氟橡胶F2311：工业品，晨光化工研究院；乙酸乙酯：分析纯，天津化学试剂有限公司。HMX颗粒特性见表1。

表1 不同HMX颗粒特性

Tab.1 Different HMX particle characteristics

注：晶体内部孔隙率=（理论值-实测值）/理论值×100%，其中理论值=1.905g/cm3。

主要实验设备包含：KYKY2800扫描电子显微镜，0~30kV；英国ESCALAB250 X-射线光电子能谱仪；英国EDAX能谱仪；SANS材料试验机。

1.2 样品制备

按照HMX/F2311=95/5配比，采用水悬浮法制备造型粉颗粒，编号与主体炸药编号相对应，然后采用模压法进行不同颗粒状态HMX基PBX压制成型实验，压制成Ф20mm×20mm药柱。

2 结果讨论

2.1 粒度和形貌对包覆的影响

PBX造型粉的包覆效果一般用包覆度来表征，指单质炸药颗粒中，被包覆的表面积与其总表面积之比[6]。其原理是基于只存在于单质炸药中的氮或其它元素的XPS强度(或峰面积)，通过式（1）[6]计算得到：

=（N0-Nx）/N0×100% （1）

式（1）中：为包覆度；N0为未包覆炸药颗粒表面N原子质量百分数；Nx为造型粉颗粒表面N原子质量百分数。N原子的质量百分数通过其相应的XPS峰强度(或峰面积)得到。

对炸药HMX及包覆后的PBX造型粉进行XPS测试，XPS对比谱图如图1所示。根据图1可得到各样品表面部分的原子量分数，包覆度计算结果见表2。

图1 HMX与PBX造型粉XPS谱图

从表2可知，这4种PBX造型粉的包覆度从大到小依次为PBX-3、PBX-4、PBX-2、 PBX-1。

表2 样品表面原子质量分数及包覆度 (%)

Tab.2 Results of sample surface atomic mass fraction and coating degree

对比表1~2结果可见包覆效果与颗粒特性密切相关，HMX颗粒的表面越规整，对应的PBX造型粉表面的含氮量越高，包覆效果就越差；另外，随着HMX粒度增大或颗粒偏粗，包覆效果都相对差一些；PBX-2的包覆效果介于PBX-4与PBX-1之间，表明粒度级配可以改善粘结剂对炸药晶体的包覆效果。刘佳辉等人也研究了高品质HMX晶体在不同粒径分布下的包覆效果，与本文实验结果吻合，随着高品质HMX平均粒径的增大，粘结剂对HMX颗粒的包覆效果递减[4]。总体而言，HMX颗粒形貌破碎不规整，以及适量细颗粒包覆效果更好。

2.2 HMX颗粒对成型的影响

炸药压制成型过程中随着致密化的增加，破碎变得更广泛，其程度也加深。通常压力越大，颗粒的破碎现象越严重[7]。McDowell等指出，颗粒破碎跟自身粒径有关，同时也与相邻颗粒数目和大小有关[8]。由于颗粒中存在缺陷（裂隙、空隙等），颗粒破碎强度随颗粒粒径变化而变化，既随着颗粒粒径减小，破碎强度增大。潘丽萍等[5]报道过普通HMX和高品质HMX不同颗粒及颗粒级配对HMX基PBX成型性能的影响。本文使用SANS材料试验机，对HMX基的PBX造型粉在不同压力（200MPa，250MPa，300MPa，350MPa，400MPa）下压制成Ф20mm×20mm药柱，获得压力——密度曲线，见图2。

图 2 PBX药柱压力——密度曲线图

实验结果表明，通过比较不同HMX颗粒状态的PBX压力——密度曲线，发现随着压力增高，由于HMX颗粒破碎，不同颗粒HMX基PBX的药柱密度接近，但是在低压力时(300MPa)，颗粒晶型规整的粗颗粒HMX-1基PBX所得压制密度最高，可压性最好；随着压力增高，350MPa以上时，由于HMX颗粒破碎，不同颗粒HMX基PBX的药柱密度接近，但是颗粒级配HMX由于凝聚强度低，其PBX的密度不断升高，颗粒级配HMX-3基PBX-3的密度最高。HMX压制前后的形貌如图3所示，在图3（b）中HMX-1颗粒有破碎，但晶型仍清晰，HMX-2颗粒破碎较多，HMX-3颗粒基本破碎，HMX-4颗粒压制前后形貌差异不大。因此，炸药HMX晶体的颗粒尺寸对压制成型性有一定的影响，颗粒级配或越小在压制成型过程中越不易破碎，如图3（b）中HMX-1及HMX-4。

图3 400MPa压制前后HMX形貌

其原因可能是细颗粒HMX包覆较好，外部压力被黏结剂吸收，晶体损伤减少，另外，粒度级配也可以改善PBX炸药的包覆效果，从而减少晶体在压制过程中发生断裂损伤。随着晶体粒径的增大，HMX基PBX造型粉在压制过程中，晶体表面出现裂纹，颗粒尖端和棱角发生破碎，如图3（b）中HMX-1。其原因是由于黏结剂对大颗粒的HMX包覆效果相对较差，PBX-1的包覆度仅为28.35%，细颗粒的HMX-4和适当级配的HMX-3分别为36.44%和54.93%。

3 结论

炸药晶体颗粒的大小及形貌对同种粘结剂的包覆度影响较大，其中细颗粒以及颗粒级配的HMX基PBX包覆度较好。HMX晶体的颗粒、形貌与黏结剂的包覆协同作用共同影响PBX造型粉压制过程中的成型性。粗颗粒HMX晶体或有粒度级配时，可压性较好，通过PBX压力——密度曲线比较可得PBX-1和PBX-2压制密度更高，颗粒在压制过程中损伤较少，有助于成型性。另外，HMX-3与HMX-2同样含有适量细颗粒，但是HMX-3颗粒破碎不规整，更有利于压制过程中颗粒的原位级配过程，因此，PBX-3相比于PBX-2的压制密度更高。

[1] 孙业斌,惠君明,曹欣茂.军用混合炸药[M].北京：兵器工业出版社,1995．

[2] 董海山,周芬芬.高能炸药及相关物性能[M].北京:科学出版社,1989．

[3] 梁华琼,韩超,雍炼,陈学平,兰琼.高聚物黏结炸药的压制成型性[J].火炸药学报,2010(33):44-48.

[4] 刘佳辉,刘世俊,黄明,李洪珍,聂福德.钢模压制下高品质HMX晶体的损伤规律[J].火炸药学报,2012(35):42-46.

[5] 潘丽萍,刘世俊,林聪妹,刘家辉.HMX颗粒特性对HMX基PBX成型性能的影响[C]//重庆市（四川省）兵工学会含能材料专委会2011年学术交流会论文集,2011.

[6] 宋华杰,董海山,郝莹.对用XPS技术评价塑料粘结炸药造型粉包覆度的几点看法[J].兵工学报,2002(23):132-135.

[7] 梁华琼,周旭辉,唐常良,杨永林.HMX钢模压制的微观结构演变研究[J].含能材料,2008(16):188-190.

[8] McDowell, G. R. On the yielding and plastic compression of sand [J]. Soil and Foundations, 2002(42):139-145.

Effect of HMX Particle Characteristics on PBX Explosive Coating and Molding

ZHAN Chun-hong，QU Yan-yang，WANG Jun, XU Rui-juan

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

In this paper, four kinds of ordinary HMX with representative morphology and particle size were selected, then different modeling powders were obtained by water suspension method, and the modeling powders were pressed into shape on the SANS material test machine. XPS of HMX before and after coating was tested, and HMX samples were characterized before and after pressing by electron microscope scanning, as well as the pressuredensity curve analysis was carried out for modeling powder. The study show that the particle size and morphology of the HMX crystals has obvious effect on the coating degree for the same binder, the coating degree of the HMX based PBX with fine and grading particles is good, the compressibility of modeling powder is better for coarse HMX crystal or particle size grading of HMX.

HMX；Coating；PBX；Formability

TQ564

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2019.03.015

1003-1480（2019）03-0058-03

2019-01-22

詹春红（1974 -），女，硕士，主要从事复合含能材料工艺研究。