两种精密装配用奥克托金基炸药的成型及稳定性

2020-06-04李亮亮

科学技术与工程 2020年11期

王辉，李亮亮，沈飞，张皋

(西安近代化学研究所，西安 710065)

高能炸药是大部分现代武器的动力来源，其通过释放自身的化学能对外做功。通常采用圆筒试验可获得测试炸药的做功能力大小，但该结果仅可作该炸药的纵向比对，无法与其他炸药进行横向对比，究其原因，是缺少标准炸药的校核。在实际使用时，标准炸药并非成型后立即投入使用，而是经过一定时间的储存(老化)后才进行使用。储存过程中，高能炸药发生物理、化学反应，引起炸药/装药发生性能变化，如尺寸稳定性、组分稳定性及性能稳定性(爆速)等发生改变，引起装药无法装配、圆筒试验数据失真。因此研究标准炸药，必须研究老化对炸药性能的影响，尤其是炸药尺寸稳定性、组分稳定性及性能稳定性的影响。

目前国内外所做的老化试验主要分为高温循环、低温循环、高低温循环和高低温冲击试验方法。中国在此方面的研究，已取得一些成果，如李鸿宾等[1]、贾林等[2]、张冬梅等[3]、姜凯等[4]分别研究了炸药在不同温度循环条件下的膨胀特性，获得了一些变化规律，如在整个老化时间内，药柱体积先快速增加，再趋缓最后不再变化，分析认为不同的阶段出现的原因不同，主要有力学松弛、黑索金(Hexogen，RDX)和铝(aluminum，AL)的重排及低熔点组分发生“渗油”(“趋表性”迁移)、连接和挥发，引起药柱平均密度减小。张丘等[5]、李玉斌等[6]探讨了压制过程中炸药的膨胀特性，研究了压制参数如热处理、热循环次数等对成型过程中晶体取向、破碎等的影响，表观上体现在炸药密度和尺寸发生改变。孙杰等[7]从晶体取向角度讨论了炸药柱的膨胀规律。国外对炸药膨胀性能的研究较早，早期如Hnmphrey等[8]、Authony[9]、Kolb等[10-11]研究了塑料黏结炸药(plastic bonded explosive，PBX)-三氨基三硝基苯(triaminotrinitrobenzene，TATB)药柱在反复热循环条件下的尺寸稳定性，结果发现药柱会产生1.5%～2.0%的永久性体积膨胀。陈科全等[12]研究了HMX基PBX炸药驱动不同金属的圆筒试验，但未涉及炸药的性能，如是否老化。王浩等[13]采用高低温冲击试验研究了三硝基甲苯(trinitrotoluene，TNT)等几种单质炸药的不可逆膨胀特性。

上述文献主要从高低温循环和压制条件角度探讨了不同条件下炸药的膨胀问题，但研究比较零散，不够系统，与标准物质的研制还有一定距离。现选择两种HMX基炸药，采用71 ℃高温老化实验对试样分别加速老化1、3、5 a，研究不同老化条件下试样的直径、质量及组分等的变化规律。

1 材料和方法

实验所用的炸药配方1为奥克托金基炸药(cgclotetramethy-lenete-tranitramine,HMX)黏合剂/其他，记为H-1炸药，配方2为HMX/F23-11/其他，记为H-2炸药。炸药采用300T压机压制成型。药柱从模具内退出后，采用测高仪测量其直径d0、高度h0，采用天平测量质量m0数据。经不同的老化实验后，再次测量其直径d1、高度h1及质量m1等数据，直径及高度测量时，每个药柱选择4个点进行测量，测点的确定为：将圆柱截面4等分，每份90°，形成A、B、C、D 4个测点，对所测数据进行平均，得到各参数的平均值。

300T压机：型号为Y33-3150 kN电控伺服液压机，淄博群峰机械制造有限公司生产。

测高仪：型号为V5-400，适用于各种柔软材料的测量，测量范围为0～407 mm，精度为[2.5+L(mm/300)]μm，L为测量样品的长度，mm。本次直径测量精度为2.58 μm，瑞士丹青(Dantsin)科技有限公司生产。

老化条件：参照《火工品试验方法》(GJB 736.8—90)71 ℃试验法，将老化试验用药柱放在控温精度为±1 ℃、设定温度为71 ℃的试验箱中进行加速老化试验，恒温条件下分别连续老化3、8及13 d即等效老化1、3和5 a。

AHX-863型安全烘箱：南京理工大学机电总厂生产；AL204电子天平，精度为0.1 mg，瑞士METTERLER TOLEDO公司生产。

DSC测量：采用具有高压差示扫描量热(differential scanning calorimetry,DSC)池的TA 910S型差示扫描量热仪进行，试样量小于1 mg，动态气氛，氮气流量为60 mL/min，升温速率β一般为2、5、10、20 ℃/min，文献[12]针对HMX进行了DSC实验，认为HMX是一种典型的“分解熔融”或“熔融分解”型物质，若β越小，则试样在低温下的热历程长，放热曲线偏离基线，因此，实验取β为10 ℃/min。

2 结果与讨论

2.1 老化前后炸药体系尺寸稳定性变化规律

最大直径的变化表明老化前后的药柱是否可以进行装配，因此尺寸稳定性以最大直径进行考核，对两种炸药老化前后的最大直径作图，如图1所示。因两种炸药的最大直径随老化时间的变化规律类似，此处仅以H-2炸药举例说明，其最大直径dmax随老化年限的变化规律如图2所示，其中，横坐标N表示被测试样的编号，下述类同。退模后两种药柱的端面如图3所示。

图1 药柱老化前后的最大直径变化(老化1 a)Fig.1 Max-diameter of explosive before and after aging(aging 1 a)

图2 H-2药柱最大直径随老化时间的变化Fig.2 Max-diameter of H-2 explosive VS aging time

图3 退模后两种药柱的端面Fig.3 The end faces of two explosives after mold with drawal

2.2 老化前后炸药质量的变化规律

药柱质量是影响圆筒试验数据的因素之一，因老化后药柱质量变化规律与1 a类似，因此以1 a老化时的质量数据进行说明，老化前后药柱质量m的变化趋势如图4(a)所示，老化前后药柱质量损失率δm的变化趋势如图4(b)所示。

图4 H-1、H-2老化前后质量变化及质量损失率Fig.4 Quality change and quality loss-rate for H-1/H-2 explosives

由图4(a)可以看出：H-1炸药药柱老化前质量为22.019～22.145 g，老化后的质量变化范围为22.074 g～22.133 g；而H-2炸药药柱老化前为22.285～22.382 g，老化后为22.252～22.351 g，可见，相同的压装条件及老化条件，老化前后H-2炸药的质量均高于H-1，同时H-1炸药药柱的质量分布范围大于H-2炸药。图4(b)表明：H-1炸药药柱的质量损失比例约为0.051%；而H-2炸药药柱的质量损失比例约为0.150%，H-2炸药药柱的质量损失率高于H-1炸药。分析原因可能为：H-2炸药组分内的小分子含量高于H-1炸药，在老化过程中，H-2炸药体系内应力的释放伴随着黏结剂的伸展及组分内的小分子添加剂等物质的液化/熔化而迁移、升华作用，H-2炸药药柱的质量损失大于H-1。虽然质量损失率H-2大于H-1炸药，但仍然处于较小的损失范围，且主要成分基本稳定，这方面可通过DSC检测进行详细分析。

2.3 老化前后炸药组分变化规律

对两种炸药进行DSC表征，因曲线类似，故以H-2炸药的DSC曲线进行论述，H-1、H-2炸药不同老化时间后的热分解特征量如表1所示。为便于叙述，除原始曲线外，将DSC图上老化1、3和5 a的纵坐标数据，分别增加10、20、30个单位，结果如图5所示。

表1 不同老化时间后H-1、H-2炸药的热分解特征量Table 1 Thermal decomposition parameters VS aging time for H-1/H-2 explosives

图5 H-2炸药老化前后炸药的DSC曲线Fig.5 DSC curves of H-2 explosive system before and after aging

由表1和图5可知，老化前后，谱图上仅有两个峰温，在200 ℃附近存在一个小的吸热峰(记为T1)，在280 ℃附近有一个陡峭的尖峰(放热峰，记为T2)。老化前后，H-1的T1峰温基本不变，老化前后T2峰值最大误差为(284.2～283.5)/283.5×100%≈0.25%，和H-2炸药的两个参数变化类似。T2为HMX/F23-11炸药体系主要组分HMX的热分解峰温(纯HMX的分解峰温为285.3 ℃，此实验中分解峰温稍有下降与组分中的微量RDX分解产物有关)，老化前后的峰温值变化不大，变化范围为0～0.39%，T1可能是主要组分HMX的晶型转变[14](β-HMX晶型向α-HMX晶型的转变温度：193.2～195.1 ℃)及HMX晶体中夹杂的RDX在升温过程中出现的熔融和升华(HMX中常有少量的RDX与其共存，RDX的熔融和升华过程在191.3～216.2 ℃范围内出现)作用导致，老化5 a后的T1=215.6 ℃，较老化前滞后15 ℃，可能是因为经过长时间的老化后，组分内低熔点的小分子物质含量减少等原因导致。两个峰的峰温基本一致，且除了这两个峰，再无新物质产生的峰，说明体系成分稳定，无新物质产生。