压装不敏感炸药相关技术最新进展

张为鹏，郭惠丽，邓雅静，黄亚峰，金鹏刚

(西安近代化学研究所，西安 710065)

1 引言

常用的军用混合炸药从工艺来区分，主要包括压装炸药、熔铸炸药和浇注固化炸药。相对而言，其中压装炸药装药质量最高，感度最低，适于高精尖战斗部应用。近年来，随着对弹药易损性的重视，压装不敏感炸药成为压装炸药的重要发展方向。

2 新材料

新型高能量密度材料对性能要求越来越高，如高密度、优异的爆轰性能、低的冲击感度和摩擦感度、较好的热稳定性。

主要以2种形式设计新材料，一种是全新结构的新型高能量密度材料，另外一种是共晶结构新材料。

2.1 新型高能量密度材料

被称为共轭含能材料的一类化合物具有高氮含量，平面共轭结构，同时具有高能低感的性能，是理想的高能量密度材料，平面共轭结构均展示出高密度低感度的性能，比如TATB和和LLM-105。在新一代含能材料研究中，四嗪结构是一种有利于改善爆轰性能及稳定性的结构，并且具有高氮含量。美国爱达荷大学的研究者[1]合成了多种新型四嗪结构化合物，具有较好的综合性能。合成的化合物用NMR、IR、X射线衍射、DSC及元素分析等手段进行了完整地表征。爆轰性能用软件EXPLO 5 (V 6.01) 进行了计算，计算结果表明，合成的一种偶氮四嗪化合物的理论密度达1.99 g/cm3，理论爆速达10 233 m/s1，能量密度非常高；冲击感度为14 J，摩擦感度大于10 N，摩擦感度较高，高于常用的炸药HMX和CL-20。该化合物是否有应用前景，尚需进行深入研究。

尤其应该指出的是，该项研究发现，所有的羟氨盐爆速和密度均高于其中性化合物，而摩擦感度和冲击感度均低于其中性化合物，热稳定性均优于其中性化合物。因此，共轭结构为低感高能材料的设计提供了一个有前景的路径。

此外，还有大量研究者对新型含能材料进行了大量研究，如土耳其研究者Sen等人[2]合成并详细表征了苦味酸与2,3-二氨基甲苯和2,4-二氨基甲苯的盐，合成的材料冲击感度与苦味酸相比降低了80%，但爆速较低，不到8 000 m/s。Dong等[3]制备了一系列低感度新型化合物，这几种化合物虽然较为不敏感，但能量也低，大概只有RDX的水平。美国普渡大学的Gettings等[4]合成了大量含能离子盐、Tang等[5]设计并合成了新型多氮含能材料、Snyder等[6]设计并合成了新型多环N氧化物、Ma等[7]设计并合成了一系列多氮化合物，这几种化合物虽然较为不敏感，但同样存在能量低的问题，大概只有RDX甚至TNT的水平，最多达到HMX的水平。Fei等[8]合成并制备了共晶混合物，其能量和感度水平与TNT类似。

Wang等[9]开创性使用基因组合成方法制备了一系列含能材料，为材料的合成提供了一条新的思路。

2.2 共晶结构新型材料

Zhang等[10]制备了CL-20和CBNT共晶炸药，并用FT-IR，PXRD和拉曼光谱表征了该共晶的结构。该共晶显示出令人惊喜的高密度、出色的爆轰性能和超低感度。实测共晶的密度为2.014 g/cm3，高于β-HMX的密度，接近CL-20的密度。理论爆速比威力最大的晶型β-HMX的高250 m/s。小型跌落试验表明，该共晶的感度远低于CL-20和HMX。CL-20和CBNT共晶综合特性优异，可能具有一定的应用前景。

CL-20是一种相对新型的含能材料，具有密度高、威力高、氧平衡优异等优点，但机械感度高限制了其广泛应用。CBNT具有高密度、低感度的优点，计算爆速为9 399 m/s，综合性能优异。

CL-20、CBNT和CL-20/CBNT共晶的冲击感度(H50)分别为8 cm、40 cm和29 cm，共晶的冲击感度远低于CL-20，甚至低于β-HMX的13.9 cm。CL-20、CBNT和CL-20/CBNT共晶的密度分别为2.038 g/cm3、1.950 g/cm3和2.014 g/cm3，爆速分别为9 385 m/s、8 776 m/s和9 297 m/s1，爆压分别为44.9GPa、37.9 GPa和43.7GPa，均与CL-20类似。因此，综合性能较为优异。这种共晶工艺可能是制备新型含能材料的一个重要研究方向，对含能材料研究者有重要的参考意义。

其他作者也制备了一些共晶材料，这些材料也体现出各自的优点和缺陷。但综合性能比CL-20/CBNT共晶稍差，不再详细介绍。

总之，CL-20/CBNT共晶具有较好的综合性能，如果成本合适，有望用作CL-20和HMX的有吸引力的候选材料。

3 新工艺

含能材料的感度是其重要特性。将含能材料感度降低到合适水平，是决定其能否应用的重要因素。常用的降感方法包括共晶、重结晶以控制其粒度和形态及加入钝感剂。相对而言，含能材料的表面包覆降感技术是最便利、最有效的。由于钝感剂的加入会降低含能材料的能量，其与含能材料的弱界面作用也会降低钝感效果，因此，低包覆含量及适度的界面作用是含能材料降感的重要标准。

原位聚合作为制备核壳结构的方法广泛应用。脲醛树脂(UF)是常用的包覆材料，具有优良的机械强度和粘合力。Zhang等[11]用脲醛树脂与HMX、CL-20原位聚合制备核壳结构复合材料，机械感度显著降低。

伊朗研究者[12]通过正交设计方法(正交表，34)，优选了溶剂/非溶剂SNS技术包覆PETN的工艺参数。该作者研究成果在3个方面具有一定启发意义：① TX-114对降低炸药PETN的冲击感度效果显著；② 作者对CB的降感机理进行了合理的解释；③ 正交试验可以大幅度降低试验量，却可以得到与大量样本基本一致的结果。

瑞典科学家[13]研究了用PE包覆炸药的一种方法，尽管使用的惰性材料较少，但该塑料包覆炸药的撞击感度明显低于传统蜡包覆炸药。用1%聚乙烯(PE)包覆的HMX在落锤试验中的特性落高是含7%蜡的标准配方的2倍。该产品自由流动，易于处理，温暖条件下保存也不会渗出。实现路径是用表面带正电荷的乳液包覆含能晶体。包覆层光滑，粘附紧密，无需溶剂，室温实现。制备的混合炸药包覆层均匀，并与炸药晶体的粘附紧密。

包覆的样品干燥后，流动性好，易于处理，有点类似于细砂糖。当压制药柱时，药柱的压制密度也较高，比用蜡的造型粉压制出的药柱密度要高0.02～0.04 g/cm3。

对样品通过落锤试验测试器冲击感度，并与蜡包覆的样品进行比较，即便PE用量仅为蜡用量的约五分之一，样品的冲击感度却远小于对比样品。可见，PE的钝感效果要远远优于蜡的钝感效果。研究结果对压装炸药研究者具有重要参考价值。

Yan 等[14]通过悬浮喷洒技术包覆Estane 5703制备了不敏感RDX(e-RDX)，并与其它工艺制备的RDX进行了性能比较。

原材料RDX粒度范围为5～100 μm；r-RDX粒度范围为1～3 μm，粒度显著降低；el-RDX粒度范围为2～10 μm，呈球形，部分颗粒表面有一些孔洞；e-RDX表面有白色的包覆层，并且粒度较一致，表面光滑，没有缺陷。

测试结果显示，四种样品特性落高数据顺序依次为：e-RDX >el-RDX>r-RDX>RDX原材料，说明喷雾干燥处理后，冲击感度均比原材料有所降低；el-RDX由于粒度较大，且表面有孔洞，其冲击感度高于e-RDX。

4 性能

与不敏感压装炸药技术相关的文献较多，仅介绍有重要参考价值的内容。

印度研究者[16]用NTO代替浇注固化炸药中的部分RDX，试验结果显示，用NTO代替浇注固化炸药中的部分RDX，不敏感性能显著提高。遗憾的是，爆速和爆压均有所降低。

美国洛斯阿拉莫斯国家实验室的研究者[17]DAAF和NTO的混合炸药，以Kel-F作为粘结剂。不敏感性能测试结果较优。几种配方的机械感度均较低。

Short等[18]研究了不敏感炸药9502弧状爆轰的特点，研究显示，试验结果与模型预测结果较为一致。

韩国Lee等[19]研究了颗粒级配对压装炸药冲击波感度的影响。研究结果显示，3种颗粒级配的炸药，冲击波感度显著降低。

Lyu等[20]研究了TATB/HMX压装炸药的慢烤反应。试验设计了6种配方，炸药样品压制成φ60 mm×60 mm的药柱，每个测试样品装配两发药柱。每种样品测试两发。加热速率为3 ℃/min。超压传感器距离测试样品2 m。测试结果显示，随配方中TATB含量增加，发生反应的时间延长，温度增加。无TATB的配方，反应程度为爆轰；TATB含量低于10%时，药柱反应为爆炸；TATB含量高于75%时，药柱反应为燃烧。以上现象均说明，TATB可显著降低HMX炸药的慢烤感度。

法国科学家Lefrancois等[21]研究了基于纳米RDX和纳米RDX/Al的纳米结构高能炸药。

根据前期试验，采用的纳米粒子粒径为100～200 nm。当用80%的纳米AP代替AP后，冷冻法制备的纳米P/NP(7/3)F炸药冲击感度降低了50%，燃烧速率增加了3倍，冲击波感度也降低了50%。测试的样品组成为RDX/Al/粘结剂=64/20/16，直径为15 mm，长度不定。用圆盘冲击试验得到炸药的爆速，用六波长高温计测试爆轰产物的爆速，用多普勒激光干涉仪测试表面速率。试验结果显示，就纳米冷冻凝胶而言，与含RDX的对比样品相比，该样品爆速降低了10.6%，界面速度则类似。而对于配方而言，爆速则降低了16%；由于后燃烧效应，冲击波前沿爆炸产物温度增加。

总之，纳米粒子可造成样品爆速降低，而爆炸产物温度升高。以上结果说明由于原材料粒度改变，造成爆炸产物不同的相态平衡，质量和热交换更快。

(4)工作原理：该温度计的测温原理基于帕米尔效应[当受热物体中的电子(空穴)，因随着温度梯度由高温区往低温区移动时，所产生电流或电荷堆积的一种现象。而这个效应的大小，则是用称为Q(thermopowe)的参数来测量]，根据热电效应的表达式Q=E/-dT(E为因电荷堆积产生的电场，dT则是温度梯度)即可对温度变化进行定量计算。而热敏电阻的电阻温度系数较普通金属大10倍，α(电阻值的溫度系数)≈-2.4～-6%/C。

5 不敏感压装炸药新型评估方法

试验型的新型评估方法非常少，大部分新评估方法均采用数值模拟模型和理论模型。

Bai等[22]用数值模拟方法研究了多组分不敏感PBX炸药的冲击引发，并发展了MC-DZK模型。研究结果显示，模型与试验测试结果较为一致，模型可以较好的预测炸药组分比例及粒子尺寸与多组分不敏感PBX炸药的冲击引发的关系。炸药粒子越小，爆轰前沿化学反应速率越快。

Bondarchuk[23]发展了一种方法，用于预估炸药的撞击感度(H50)。然后归纳出复合感度函数，据此计算H50，计算结果的相关系数R2=0.83，具有一定的参考意义。

Tian等[24]研究了含能材料晶体结构与冲击感度的关系。研究结果显示，易于剪切滑移的晶体结构一般冲击感度较低，分子稳定性较高。

6 后处理技术

目前常用的不敏感炸药包括NQ、NTO和DNAN等。相对而言，不敏感炸药在水中的溶解度更高些。这些工业废水中含有大量炸药，当然也含有大量N元素。这些废水的排放需要相关的法规许可，并且排放前需要进行预处理。传统的废水处理一般通过化学处理，不仅极其耗费金钱，并且会产生大量副产物。例如，文献研究表明，DNAN的粒状活性炭(granular actived carbon，GAC)技术可以吸收废水中99%的DNAN，但处理后的活性炭只能作为废物掩埋，成本昂贵。生物处理技术目前并不成功。例如，DNAN的流体床细菌处理技术会产生大量有毒有害的副产物。文献虽然也报道了其它一些细菌也可处理这些含炸药的废水，但这些方案要么复杂得难以置信，要么条件苛刻得难以实施，很难进行规模化处理。

美国的科学家[25]研究了工业废水中的不敏感炸药的香根草处理方案。香根草广泛用于处理污染土壤和水源，文献报道其有177 kg/公顷·半年-354 kg/公顷·半年的处理能力，这种植物被USDA分类为非入侵植物，该植物无法通过种子繁殖和传播。香根草拥有密实的根系，但是根很细，平均直径0.5～1.0 mm。

研究表明，香根草对各种常见炸药如TNT、RDX、HMX、DNAN、NQ、总氮都有较好的清除作用，可能会成为炸药生产工业废水一种较有前途的处理方式。该方向值得进一步深入研究。

此外，乌克兰研究者Sviatenko等[26]用量子化学方法研究了DNAN、NTO和NQ的降解反应特点及顺序。美国研究者Madeira等[27]研究了微生物对NTO的降解反应。加拿大研究者Halasz等[28]研究了IMX-101配方中DNAN、NQ、NTO等的光化学降解。美国研究者Authur等[29]研究了IMX-101和IMX-104对土壤的污染情况。英国研究者Temple等[30-31]研究了NTO等炸药对土壤的污染。美国研究者Madeira等[32]还研究了NTO及其还原产物ATO的生物毒性。

可见，不敏感弹药的降解研究已然成为新的研究热点。

7 结论

1) 从合成的角度，新材料的出现层出不穷，但绝大多数新材料要么能量低，感度也低，要么能量高，但感度也高得难以接受。真正适合应用的非常少。这也与含能材料的发展趋势类似：从第一代的TNT，到第二代的RDX和HMX，再到所谓的第三代的CL-20、DNTF、NTO、DNAN、HATO等，均需要数十年的发展和淘汰筛选，最后形成公认的、综合性能优异的材料。

2) 某些共晶炸药具有非常优异的综合性能，可能会成为重要的发展方向。

3) 新工艺的文献相对较少，但有些新工艺、辅助材料的使用可以较好的改善混合炸药的性能，有较大的参考价值。

4) 热门的不敏感弹药的后处理过程复杂，需要深入研究。