压装型TKX-50基通用爆破炸药设计及安全性研究

王书记，王 迪，刘 平，孙晓乐，王小龙，郭学永

(1.北京理工大学 爆炸科学与技术国家重点实验室，北京 100081；2.重庆红宇精密工业有限责任公司，重庆 402760；3.甘肃银光化学工业集团有限公司，甘肃 白银 730900)

引言

通用爆破战斗部作为目前被广泛应用的一类战斗部，主要利用爆炸产生的高速破片与爆炸冲击波对人员目标和轻装甲类目标进行毁伤，在当今局部战争中发挥着重要作用[1-2]。随着作战环境日益复杂和目标防护能力不断增强，如何提高通用爆破战斗部的安全性能和杀伤威力，是武器研制人员要迫切解决的问题[3-4]。

1,1′-二羟基-5,5′-联四唑二羟胺盐(TKX-50)作为新型富氮含能化合物的代表，脱离了传统硝基爆炸基团的限制，其在四唑环上引入氧原子，使分子内和分子间存在大量的氢键，在一定程度上兼顾“高能量、低感度”的特征(密度1.918g/cm3、爆速9698m/s、爆压42.4GPa、撞击感度20J、摩擦感度120N)，能量接近CL-20(密度2.035g/cm3、爆速9455m/s、爆压42GPa)，感度接近RDX(撞击感度7.5J、摩擦感度120N)，是一种具有较好应用前景的高能量密度材料[5]。国内对TKX-50自身的理化特性和改性研究进行了初步探索[6-9]，但有关TKX-50在高能混合炸药领域的研究尚处于起步阶段。杨志剑等[10]以氟橡胶F2314为黏结剂，采用淤浆捏合法制备了典型TKX-50基高爆速炸药配方，并对其爆轰和安全性能进行了测试，并将实测性能与PBX-9501等炸药进行了对比分析。陈树森等[11]以TNT为熔铸载体，TKX-50与HMX为主体炸药，设计制备了4种不同配方的熔铸炸药样品，并对其安全性能和能量性能进行对比研究，结果表明TKX-50基熔铸炸药的安全性能和能量性能均优于HMX基熔铸炸药。邢晓玲等[12]设计制备了95.5%TKX-50/4.5%黏结剂的高爆速混合炸药样品，并对其爆速、爆热、冲击波感度进行了测试，结果表明TKX-50基炸药具有明显的尺寸效应和较低的冲击波感度，但爆热远低于HMX和CL-20基炸药。国内仅在TKX-50基高爆速、高格尼能炸药方面进行了一些基础性研究，而对于TKX-50与可燃剂、氧化剂构成的具有广泛应用前景的通用爆破类炸药的研究尚未开展。因此亟待针对三代含能材料TKX-50在混合炸药中的应用加强基础理论和试验研究，获得具有冲击波和破片联合高效毁伤作用的TKX-50基通用爆破炸药，以满足第三代高能炸药技术发展和通用爆破类战斗部的应用需求。

与其他装药类型相比，压装造型粉炸药具有较好的机械强度和环境适应性，制备、装药工艺简单，且具有可大批量生产及非战时可贮备的优点，压制成型后可方便装填于形状相对规则的战斗部中，也可直接压制到弹体中成型，能广泛应用于大中口径及导弹战斗部装药，可有效提高我国武器装备毁伤能力。国内以TKX-50为主体的混合炸药研究刚刚起步，因而，开展压装型TKX-50基通用爆破炸药技术研究具有重要意义。

1 实 验

1.1 试剂与仪器

TKX-50，甘肃银光化学工业有限公司；高品质ε-CL-20，圆度值≥0.85，辽宁庆阳特种化工有限公司；球形微米铝粉，工业级，鞍钢实业微细铝粉有限公司；高氯酸铵(AP)，粒径范围100～150μm，大连北方氯酸钾有限公司；F2603型氟橡胶，中蓝晨光化工研究设计院有限公司；顺式1，4-聚丁二烯橡胶(BR)，工业级，锦州石化股份有限公司；三元乙丙橡胶(EPDM)，工业级，中国石油天然气股份有限公司吉林石化分公司。

Hitachi S-4700型扫描电子显微镜，日本日立公司；D8 ADVANCE型X射线衍射仪，德国布鲁克公司；ZBL-B型撞击感度仪、BM-B型摩擦感度仪，西安近代化学研究所。

1.2 TKX-50基通用爆破炸药制备

采用水悬浮-捏合造粒工艺制备得到TKX-50基高能通用爆破炸药造型粉颗粒，通过模具压制得到成型药柱。制备工艺流程如图1和图2所示，制备得到的造型粉颗粒及成型药柱如图3所示。

图1 水悬浮工艺流程

图2 捏合造粒工艺流程

图3 造型粉颗粒及成型药柱

1.3 性能测试方法和条件

根据GJB 772A-97《炸药试验方法》及《军用混合炸药试验方法汇编》相关实验方法对所设计的压装型TKX-50基通用爆破炸药的机械感度、爆热、爆速以及不敏感性能进行测试。

根据GJB 772A-97方法601.1《爆炸概率法》对压装型TKX-50基通用爆破炸药的撞击感度进行测试，落锤质量为10kg，落高为25cm，单组实验药量50mg；根据GJB 772A-97方法602.1《爆炸概率法》测试摩擦感度，压力为3.92MPa，摆角90°，单组实验药量20mg。

采用军用混合炸药汇编方法301.2《非理想炸药爆热测试方法》，使用爆热弹测试了炸药的爆热。将被测非理想炸药制成直径40mm、质量(100.0±0.1)g的药柱，装药密度为理论密度的95%～97%；将JH-14传爆药柱压制成直径15mm、质量(4.3±0.1)g的药柱，密度为(1.66±0.01)g/cm3。将被测炸药和传爆药的质量精确称量至0.1mg，将传爆药柱缓慢装入被测炸药试样上端面中心位置。

按照GJB772A-97方法702.1《爆速 电测法》对样品的爆速进行测试，测试样品为Φ40mm×40mm 的药柱，装药密度为1.95g/cm3。

1.4 不敏感性测试

依据《军用混合炸药试验方法汇编》方法701.1“炸药慢速烤燃试验”、方法702.1“炸药快速烤燃试验”、方法704.1“炸药12.7mm子弹撞击试验”和方法705.1“炸药12.7mm破片撞击试验”对压装型TKX-50基通用爆破炸药的不敏感性进行测试。实验所用单个药柱尺寸为Φ60mm×40mm，壳体内径尺寸为Φ60mm×240mm，壳体厚度3mm，材料为45号钢。

2 结果与讨论

2.1 TKX-50基通用爆破炸药配方设计

2.1.1 设计思路

(1)对主体炸药晶体品质进行优化处理并构建“核-壳-壳”结构实现包覆降感；

(2)设计低摩擦系数、高比热容黏结剂体系，实现“形变吸能、相变吸热”，增强不敏感特性；

(3)采用模量可调的复合黏结剂体系，优化复合黏结剂体系的力学性能，改善压药成型性能，提高装药密度，降低药柱膨胀率；

(4)药氧比和铝氧比优化设计，实现破片驱动和冲击波毁伤的联合效应。

2.1.2 能量设计

通用爆破炸药用于杀爆战斗部，以冲击波和破片进行毁伤，要求炸药有合适的爆速和爆热。选择不敏感炸药TKX-50与高能炸药CL-20复配作为主体炸药，实现通用爆破炸药的高爆速；选择Al作为可燃剂、AP作为氧化剂，实现通用爆破炸药的高爆热；通过调节配方的药氧比和燃氧比，优化配方中主体炸药、可燃剂、氧化剂的配比，实现TKX-50基通用爆破炸药高爆速与高爆热的耦合。结合实际经验及TKX-50的不敏感特性，混合体系的黏结剂质量分数设定为6%，采用EXPLO5对不同通用爆破炸药配方的能量参数进行理论计算，计算结果如表1所示。

表1 不同配方能量参数计算结果

由表1可以看出，当TKX-50、CL-20、Al、AP、黏结剂的质量比为33∶30∶27∶4∶6时，其理论密度为2.021g/cm3、爆速为8054m/s，爆热为8967kJ/kg，所设计的混合炸药综合能量性能较为优异。

2.1.3 不敏感性能设计

炸药装药作为弹药的核心，其不敏感性直接影响弹药甚至武器系统的安全性和战场生存能力，因此需要进行不敏感性能设计。不敏感性能设计技术途径主要有炸药晶体优化、包覆降感以及复合钝感黏结剂载体设计3种方式[13]。炸药晶体经过优化处理，晶体形貌及品质得到提升，感度一定程度上有所降低，不敏感性能提升；同时通过包覆降感以及复合钝感黏结剂载体设计，能够有效降低混合炸药体系在意外激元刺激下的响应程度和反应等级，大幅提升体系在热、机械等刺激下的安全性。

(1)炸药晶体优化

通过对单质炸药原材料结晶过程的控制，去除晶体表面棱角、消除炸药颗粒内部缺陷，使颗粒圆滑化，得到高品质炸药晶体，提高本质安全性。重结晶前后TKX-50与CL-20晶体形貌如图4所示。

图4 重结晶前后TKX-50和CL-20晶体形貌

由图4可以看出，经过重结晶处理，炸药晶形均有明显的改善，晶体表面棱角减少，可以有效降低炸药晶体的机械感度，重结晶前后炸药部分性能参数测试结果如表2和表3所示。

表2 重结晶前后TKX-50晶体性能对比

表3 重结晶前后ε-CL-20晶体性能对比

由测试结果可看出，重结晶后TKX-50和CL-20各项性能均优于重结晶前，说明炸药晶体经过重结晶处理，其本质安全性得到一定程度的提高。

(2)主体炸药包覆降感

为进一步降低主体炸药的机械感度，根据降感机理研究，基于阻止热点产生和传播的思想方法，采用水悬浮方法，通过工艺参数控制，优选包覆材料对主体炸药进行核-壳结构包覆降感。

采用Materials Studio软件对不同条件下TKX-50/黏结剂、CL-20/黏结剂体系的结合能和内聚能密度进行计算，结果如表4所示。

表4 不同黏结剂材料与TKX-50的结合能及内聚能密度

由理论计算结果结合实际情况，优选F2603作为包覆降感材料，采用水悬浮工艺分别对TKX-50、CL-20进行包覆，并对包覆后样品的感度进行测试。包覆后样品如图5所示。

图5 包覆后炸药样品

包覆前后TKX-50、CL-20的感度如表5所示。

表5 主体炸药包覆前后机械感度测试结果

由测试结果可以看出，主体炸药经一定比例的黏结剂包覆处理后，其机械感度显著降低，安全性得到进一步提升。

(3)复合钝感黏结剂载体设计

黏结剂体系是压装混合炸药的关键技术，不仅影响炸药的安全性能、成型药柱的力学性能，对于压药成型性和装药密度也有非常重要的影响。此外，黏结剂的性能和含量还会影响爆炸性能、长贮安定性及制备工艺性。而单一的黏结剂无法满足炸药在能量、装药及安全性等方面的综合性能要求，综合考虑不同类型黏结剂的性能，选择聚合高分子材料作为复合钝感黏结剂组分。

设计A、B、C、D共4组不同复合钝感黏结剂，制备出的黏结剂胶片如图6所示，表6为几种常见橡胶的性能参数，表7为不同类型复合钝感黏结剂的力学性能，表8为不同样品的机械感度及药柱成型膨胀率。

表6 几种常见橡胶性能参数

图6 不同种类黏结剂胶片

表7 不同黏结剂力学性能参数对比

表8 不同炸药样品感度及药柱膨胀率(6%黏结剂)

通过改变黏结剂体系中各组分的配比，调节复合钝感黏结剂的模量，系统研究复合钝感黏结剂含量对混合炸药体系机械感度、药柱成型性能的影响规律，发挥黏结剂在热作用下“相变吸热”、机械作用下“形变吸能”的效果，优化混合炸药体系中黏结剂的最佳含量，实现通用爆破炸药高能量与低感度的统一。

综合考虑力学性能、机械感度、成型性，压装型TKX-50基通用爆破炸药配方采用C型三元乙丙基复合钝感黏结剂。

2.2 压装型TKX-50基高能通用爆破炸药性能

测得TCL-5的撞击感度为12%，摩擦感度为8%。当ρ为1.95g/cm3时，TCL-5的爆热为8567kJ/kg。

爆速计算公式如下：

(1)

式中：Di为爆轰波传播速度；ΔLi为探针距离；Δti为时间。

采用式(1)，3次测试计算得到TCL-5的平均爆速为7895m/s。

2.3 压装型TKX-50基通用爆破炸药不敏感性能

2.3.1 慢速烤燃

将装有TCL-5炸药的模拟弹置于慢烤试验箱中，以升温速率3.3℃/h缓慢升高环境温度，直至样品发生爆炸或温度达到400℃，根据试样发生反应的剧烈程度，评定其慢速烤燃反应等级。慢烤结束后模拟弹壳体及试验箱如图7所示。

图7 慢烤试验后壳体及试验箱

综合评定，判定装有TCL-5炸药的弹体在慢速烤燃试验中的反应等级为燃烧反应。

2.3.2 快速烤燃

将装有TCL-5炸药的模拟弹固定在底部为燃料槽的支架上，通过引燃燃料(航空煤油)使模拟弹置于高温火焰源中，采用光测和电测手段，记录试样发生反应的剧烈程度，评定其快速烤燃性能。快烤结束后模拟弹壳体及装药如图8所示。

图8 快烤试验后壳体及装药

综合评定，判定装有TCL-5炸药的弹体在快速烤燃试验中的反应等级为燃烧反应。

2.3.3 子弹撞击

用12.7mm标准穿甲燃烧弹进行试验。在穿甲燃烧弹的高速撞击和摩擦以及后续爆燃过程等作用下，炸药受热可能发生分解甚至点火、燃烧或爆炸反应。通过观察试验现象、回收样品残骸和测量冲击波超压等方式综合判断炸药在12.7mm穿甲燃烧弹撞击作用下的响应类型的等级和响应程度。子弹撞击后的壳体照片如图9所示。

图9 子弹撞击后试验壳体

综合评定，判定装有TCL-5炸药的弹体在子弹撞击试验中的反应等级为燃烧反应。

2.3.4 破片撞击

用30mm火炮或其他发射装置发射破片，使破片速度保持在(1830±60)m/s。通过观察试验现象、回收样品残骸和测量冲击波超压等方式综合判断炸药在12.7mm破片撞击作用下的响应类型的等级和响应程度。破片撞击后的壳体照片如图10所示。

图10 破片撞击后试验壳体

综合评定，判定装有TCL-5炸药的弹体在破片撞击试验中的反应等级为燃烧反应。

3 结 论

(1)采用水悬浮-捏合造粒工艺制备了TKX-50基通用爆破炸药，主体炸药经过重结晶与“核-壳”结构包覆降感处理，并采用钝感组分通过捏合工艺构建“核-壳-壳”结构造型粉颗粒，实现包覆钝感，可以显著降低混合炸药的敏感性。

(2)通过改变黏结剂组分的配比，设计模量可调的复合钝感黏结剂体系，实现“形变吸能、相变吸热”，有效改善了装药的机械性能，同时混合炸药体系的不敏感特性增强。

(3)多技术途径的综合应用，实现了TKX-50基通用爆破炸药高能量、不敏感的有机耦合，获得的TCL-5炸药装药密度达到1.95g/cm3、爆速7895m/s、爆热8567kJ/kg，可以通过快速烤燃、慢速烤燃、子弹撞击和破片撞击4项不敏感试验考核，具有较好的不敏感特性。