含CL-20的改性双基推进剂冲击波感度

张 超，杨建刚，陈俊波，李军强，袁志锋，杨立波，武宗凯

(西安近代化学研究所, 陕西 西安 710065)

引 言

现代战场环境要求作为武器装备动力源的推进剂不仅要有足够高的能量, 还必须具有良好的安全性[1]。六硝基六氮杂异伍兹烷 (CL-20) 是迄今为止能量密度和爆速最高的单质含能材料之一，因此通过添加CL-20来提高推进剂的能量和燃速研究受到广泛关注[2-9],然而由于CL-20具有较高的感度[10]，将对推进剂的安全性能带来影响。

国内对含CL-20推进剂的安全性能研究主要集中在机械感度及老化性能方面，赵凤起等[11]研究发现，含CL-20 改性双基推进剂比已定型的HMX-CMDB 推进剂的撞击感度和摩擦感度都高。曹荣等[12]在研究含CL-20/HMX的GAP高能推进剂高温加速老化过程中，发现不含 CL-20 的 GAP 高能推进剂老化后初始模量稍有下降，加入质量分数10% CL-20 的推进剂老化13周后，模量增幅超过300%; 抗拉强度和伸长率均呈下降趋势，且随 CL-20 含量增加，抗拉强度和伸长率下降速率加快。

除了机械感度与老化性能外，推进剂的冲击波感度是评价推进剂安全性能的主要参量,是评价推进剂危险等级的重要指标[13]，对评价其安全性也具有十分重要的意义。美国长期以来一直使用隔板试验(NOLLSGT)测试推进剂冲击波感度，并以70片厚度为0.254mm(0.01in)的隔板作为区分1.1级(有整体爆轰危险)推进剂和1.3级(仅产生剧烈燃烧)推进剂的一项重要试验[14]。用冲击波感度来反映推进剂是否具有良好战地生存能力具有十分重要的意义[15]。

为了掌握含CL-20改性双基推进剂冲击波感度响应规律，提高该类推进剂在制造与使用过程中的安全性，本研究借鉴文献[15]中冲击波感度研究方法，分析了CL-20的含量、粒度及粒度级配对改性双基推进剂冲击波感度的影响。

1 实 验

1.1 主要原材料

NC(氮含量12.0%)，泸州北方硝化棉公司；NG (纯度>99.5%)，西安近代化学研究所;ε-CL-20(纯度>99.4%，d50=25.12μm)，辽宁庆阳特种化工有限公司；CL-20(d50=230nm),由d50=25.12μm机械粉碎获得；惰性芳香族的铅盐和铜盐(C-Pb和C-Cu)、炭黑(CB)、催化剂均为市售。

1.2 推进剂配方及样品制备

推进剂配方如表1所示，催化剂采用内加法加入。为了对比催化剂对推进剂机械感度的影响，配方L-6在吸收中未加入催化剂。配方中的原材料经过吸收-熟化-驱水-压延-压伸工序制成外径36.0mm、长度35.0mm的药柱。

表1 推进剂的配方

1.3 隔板试验装置与方法

冲击波感度测试采用隔板试验法。隔板厚度采用中值靠近方法,即取爆与不爆隔板厚度中间值,如此反复直到爆与不爆隔板值相差1mm,取此时中间值作为被试样品的冲击波感度。如果在一次试验中见证板出现与试样管尺寸相当的圆孔，结果判为“爆”，否则判为“不爆”。

隔板试验装置示意图见图1，施主药柱、隔板、试样管同轴。试样管规格：外径45mm，内径36mm,长度140.0mm。施主药柱规格：TNT与PETN质量比1∶1，Φ50mm×50mm；密度为1.58g/mm3。采用8号工业电雷管起爆。隔板采用聚甲基丙烯酸(有机玻璃)，规格：Φ50.0mm×0.19mm，验证板为150.0mm×150.0mm×10.0mm的45号钢板。

图1 隔板试验装置示意图Fig.1 Schematic diagram gap test device

2 结果与讨论

2.1 样品中含能组分的冲击波感度

NG和NC具有较高的冲击波感度[16]，ε-CL-20的粒度由普通变为亚微米级，其冲击波感度试验中的隔板厚度由19.19mm降至7.98mm,降低了58.6%,两种CL-20的密度均为90%最大理论密度[17]；本研究样品配方中含能组分的冲击波感度由大到小依次为：NG>NC>CL-20(粗)>CL-20(亚微米)。

2.2 CL-20含量对推进剂冲击波感度的影响

CL-20质量分数由0增至30%时，推进剂的冲击波感度测试结果及冲击波系数见表2，每一个测试结果是3发平行试验的平均值。 以不含高能炸药的样品L-1的冲击波感度为基数1,其他样品的冲击波感度与其进行比较,得到的相对系数,即为冲击波系数(λ)。

从表2可以看出，当CL-20质量分数小于30%时，随着CL-20含量的增加，冲击波感度呈现先减小后增大的趋势。当CL-20质量分数由0增加到25%时，隔板厚度由38.57mm降至34.96mm；CL-20质量分数继续增加至30%时，隔板厚度相对于CL-20质量分数25%样品升高0.57mm,说明CL-20质量分数大于30%后，推进剂的冲击波感度随着CL-20含量增加而增加，但仍低于不含CL-20的样品。这是因为试验样品中的NG和NC具有较高的冲击波感度， L-1～L-5样品，随着配方中NG和NC逐步被CL-20所取代，即配方中高冲击波感度组分含量减少，所以推进剂的冲击波感度也减小。当CL-20质量分数大于30%后，NG和NC便失去了对推进剂样品冲击波感度影响的主导作用，逐渐增多的CL-20成为影响推进剂冲击波感度的主要组分。

表2 CL-20含量对推进剂冲击波感度的影响

2.3 CL-20粒度对冲击波感度的影响

含不同粒度CL-20推进剂样品的冲击波感度测试结果见表3。

表3 CL-20粒度对推进剂冲击波感度的影响

由表3可知，CL-20粒度对冲击波感度有明显影响。当CL-20的粒度降至亚微米级后，含等量亚微米级CL-20推进剂冲击波感度较含普通CL-20推进剂低35.8%。分析原因可能是因为不同粒径颗粒的界面传递应力的能力不同。在相同的外界载荷冲击下，外径越大，其界面对应力的传递能力越强，使得大颗粒比小颗粒更易从NC+NG基体中脱湿，更有利于冲击波在推进剂中的传播。

2.4 CL-20粒度级配对冲击波感度的影响

将d50为25.12μm的CL-20与d50为230nm的CL-20按质量比为1∶1、2∶1、3∶1、4∶1级配得到的推进剂样品L-12、L-13、L-14、L-15的冲击波感度如表4所示。

表4 CL-20粒度级配对推进剂冲击波感度的影响

从表4可见，粗细颗粒级配不同，其隔板厚度也不同，当粗细颗粒质量比为3∶1时，隔板厚度达到最小值25.46mm；粗细颗粒质量比为4∶1时，隔板厚度又增至34.01mm,冲击波感度增大，说明粗细颗粒质量比为3∶1时，细颗粒对粗颗粒的填充最佳，推进剂的冲击波感度也最低。

2.5 催化剂对含CL-20推进剂冲击波感度的影响

催化剂对含质量分数30%粗颗粒CL-20推进剂冲击波感度的影响结果见表5。

表5 催化剂对CL-20-CMDB推进剂冲击波感度的影响

由表5可以看出，加入催化剂后，推进剂的冲击波感度有所减低，隔板厚度由37.14mm降至35.53mm。这可能是因为一方面所加的催化剂为惰性物质，本身具有很低的冲击波感度；另一方面由于催化剂中所含的炭黑具有良好的导热性，炭黑能够及时将热点周围的热量传递出去，使热点迅速降温消失，从而降低推进剂的冲击波感度。

3 结 论

(1) CL-20质量分数小于30%的推进剂，其冲击波感度随CL-20含量的增加呈先降低后升高的趋势，但相对于不含CL-20的推进剂整体呈降低趋势；这是因为实验样品中的NG和NC逐步被CL-20取代，即配方中高冲击波感度组分含量减少。当CL-20质量分数大于30%后，NG和NC便失去了对推进剂样品冲击波感度影响的主导作用，逐渐增多的CL-20成为影响推进剂冲击波感度的主要组分，由于CL-20的冲击波感度小于NG和NC,因此，推进剂样品的冲击波感度总体呈降低趋势。

(2) CL-20粒度及级配也是影响推进剂冲击波感度的主要因素，含细颗粒CL-20推进剂冲击波感度小于含等量粗颗粒CL-20的。在本研究尺寸范围内，粗细颗粒质量比为3∶1时，推进剂的冲击波感度最低，隔板厚度由29.26mm降至25.46mm。

(3)惰性铅盐/铜盐/炭黑催化剂可以降低CL-20改性双基推进剂的冲击波感度，质量分数3%的催化剂可以使隔板厚度降低1.61mm。