HMX/黏结剂体系摩擦特性及抗过载性能

2022-09-29任秀秀郭昕牛磊高杰方伟赵省向

科学技术与工程 2022年23期

任秀秀，郭昕，牛磊，高杰，方伟，赵省向

(西安近代化学研究所，西安 710065)

奥克托金(HMX)是目前综合性能最优良的单质炸药之一，能量高、密度高、爆速高，已作为主炸药广泛应用于各类武器装备[1-2]，典型配方如PBX 9501[HMX/黏结剂(BDNPAF+Estane)=95/5][3]和LX-04(HMX/VitonA=85/15)[4]。但同时HMX也存在诸多缺点，撞击感度、摩擦感度及静电感度都很高，导致安全性能差，在生产、科研及运输贮存时易因为外界刺激引发点火或爆炸[5-6]。因此，必须通过技术手段对HMX进行钝感处理，改善其安全性能。

常见的钝感技术包括：晶体优化改性、机械共混、纳米化、表面包覆、共晶等[7-8]。Krober等[9]采用低温条件下重结晶的方法处理HMX，获得内部缺陷少、机械感度低的高品质HMX。张帆等[10]基于溶液-水悬浮法利用4,10-二硝基-2,6,8,12-四氧杂-4,10-二氮杂四环十二烷(TEX)对HMX进行包覆，发现TEX/HMX包覆体系的撞击感度和摩擦感度分别降低了48%和68%，也提高了HMX混合炸药成型药柱的爆速。Niu等[11]的研究表明，配方HMX/还原氧化石墨烯/石墨(98/1/1)的摩擦感度降至0。这是因为还原氧化石墨烯具有高比表面积和良好的导热性，在HMX表面形成致密层并能传导HMX晶体由于摩擦生成的热量。古勇军等[12]采用3,3-双叠氮甲基氧杂环丁烷-四氢呋喃共聚醚(BAMO-THF)作为包覆材料对HMX进行表面包覆，结果表明BAMO-THF与HMX相容性良好，摩擦感度降低了13%以上。通过高聚物充当单质炸药的黏结剂，不仅可以达到钝感HMX的目的，而且高聚物良好的弹塑性也可以改善单质炸药的力学性能。HMX/黏结剂混合体系因为高聚物黏结剂的作用，使得炸药在高速冲击过程中，具有较强可塑性，可以克服摩擦剪切作用，特别是在侵彻过程中能够承受较大的过载而不致炸药破碎或提前点火[13-14]。因此HMX/黏结剂体系配方设计关键的一点就是如何选择合适的黏结剂使得混合炸药具有良好的摩擦性能，从而保证侵彻过程的安定性。

为了能够优选出使得HMX/黏结剂混合体系摩擦性能和抗过载性能优良的高聚物，制备了一系列不同成分不同配比的炸药样品。通过滑移力测量仪和摩擦感度仪获得其摩擦力、摩擦系数及摩擦感度，结合扫描电镜观测包覆样品的微观形貌，最后采用轻气炮考核HMX基混合体系的抗过载能力，为HMX基混合炸药的配方设计提供参考。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

HMX，粒径125 μm，甘肃银光化学工业集团有限公司；氟橡胶，F2603，晨光化工厂；202胶，代号BA，天津染化八厂；顺丁橡胶，BR9000，北京有机化工厂；石蜡，大连石化公司；乙酸乙酯、石油醚，均为分析纯，天津有机厂。

颗粒滑移力测量装置，西安近代化学研究所；Quanta 600FEG场发射扫描电镜，美国FEI公司；TENSOR 27型傅里叶变换红外光谱仪，德国Bruker公司。

1.2 包覆样品的制备

HMX基混合炸药配方体系的黏结剂选用顺丁橡胶(BR)和氟橡胶(F2603)，改变黏结剂的含量(质量分数)共制备8种炸药配方，如表1和表2所示。

采用直接法对HMX进行包覆。将F2603溶于乙酸乙酯，控制水浴温度为60 ℃，搅拌直至完全溶解；顺丁橡胶溶于石油醚，控制水浴温度为70 ℃，搅拌直至完全溶解。在溶解好的黏结剂溶液中加入HMX颗粒并搅拌均匀，等溶剂挥发样品呈膏团状，通过筛网造粒，并烘干。

表1 HMX/顺丁橡胶体系样品配方Table 1 HMX/Butadiene rubber system sample formulations

表2 HMX/氟橡胶体系样品配方Table 2 HMX/fluororubber system sample formulations

1.3 实验测定及原理

采用扫描电子显微镜对不同包覆样品的微观形貌进行表征。

采用炸药颗粒滑移力装置对样品进行摩擦测试。实验参数：转速10 r/min，加压砝码质量5 kg，砝码所在档位7档，摩擦柱规格Ф8 mm，室温。

采用WM-1型摩擦感度仪器，根据GJB 772A—97方法602.1进行摩擦感度实验。实验参数：表压3.92 MPa，摆角90°，药量20 mg。

炸药抗过载性能压缩载荷模拟实验按照所企标Q/AY 581—2013进行，装置如图1所示。测试方法如下：一级轻气炮作为加载源使用，口径130 mm，可发射圆柱形金属弹丸；圆柱形金属弹丸铝制，质量约2 kg，可被一级轻气炮加速至300～900 m/s；实验样弹：包含上击柱(Ф40 mm×115 mm)，下击柱(Ф40 mm×40 mm)，厚壁套筒(外径75 mm，内径40 mm，高度为145 mm)，材料均为T10钢；聚四氟乙烯套：外径40 mm，内径30 mm，高度为30 mm；将炸药试样制备成尺寸为Ф40 mm×30 mm圆柱形，表面无宏观缺陷，将试样放入聚四氟乙烯套筒内，使两者配合完好；应力传感器量程0～1.5 GPa；数据采集响应时间小于0.1 μs量级；将实验样弹的套筒水平放置，依次在套筒内塞入下击柱、装有炸药试样的聚四氟乙烯套筒和上击柱，使三者之间无空气隙，实验样弹装配完毕；将压力传感器放入一级轻气炮回收腔内的支撑底座上，并引出数据采集线，连接于数据采集设备上。将装配好的实验样弹放入一级轻气炮回收腔内的支撑底座上，使之垂直于支撑底座；闭合一级轻气炮的回收腔体，上紧固定螺栓；在一级轻气炮高压气室端部安装铝制金属弹丸；在高压气室内部充入高压氮气至预定值，气室压力达到预设值后，关闭充气阀门，撤出高压氮气瓶，接通电源，打开工作电脑，打开测量软件。将控制轻气炮高压气室的电磁开关打开，使高压气体加速铝制金属弹丸撞击至实验样弹，在试样上产生压缩载荷。打开轻气炮回收腔，观察炸药试样的宏观反应，如燃烧、爆炸或不燃不爆等情况。

1为高压气室(内充氮气)；2为铝制金属弹丸；3为轻气炮加速段；4为轻气炮回收腔；5为实验样弹上击柱；6为实验样弹套筒；7为聚四氟乙烯套；8为圆柱形炸药试样；9为实验样弹下击柱；10为压力传感器；11为支撑底座;12为轻气炮高压气室电磁开关图1 压缩载荷模拟实验装置示意图Fig.1 Schematic diagramof compression load simulation experiment device

2 结果与讨论

2.1 微观形貌分析

图2所示为HMX原材料的扫描电镜图，图3和图4分别为不同质量配比的HMX/BR、HMX/F2603样品的扫描电镜图。可以看出，HMX经顺丁橡胶和氟橡胶包覆后，HMX颗粒边缘棱角被黏结剂裹覆，表面变粗糙，颗粒之间由于黏连而发生团聚。HMX小颗粒或碎粒由于黏结剂的黏连性而聚集在大颗粒缺陷处，并填充了HMX颗粒间的空隙。黏结剂的包覆使得HMX颗粒之间相互接触摩擦的概率减小。随着黏结剂含量从2%提高到7%，暴露在外的HMX棱角越来越少。比较两组样品的SEM图，发现顺丁橡胶对HMX的包覆效果更好一些，分析原因为顺丁橡胶的临界表面张力偏低，更易粘结在HMX颗粒表面[15]。图3中，顺丁橡胶包覆的HMX颗粒电镜图明显可见胶黏状物质，表现出“拉丝”现象，使得附有黏结剂的HMX小颗粒又相互粘连成较大的颗粒，从而参与内摩擦的破碎细粒以及犁削滑移表面的磨粒变少[16]。

图2 未包覆HMX扫描电镜图Fig.2 SEM images of raw HMX

图3 HMX/BR包覆样品的扫描电镜图Fig.3 SEM images of HMX/BR coated Samples

图4 HMX/F2603包覆样品的扫描电镜图Fig.4 SEM images of HMX/F2603 coated Samples

2.2 摩擦特性分析

HMX/BR、HMX/F2603包覆体系的摩擦力通过炸药颗粒滑移力测量装置获得，并根据文献[17]中式(3)计算出动摩擦系数μ。动摩擦系数(μ)和摩擦感度(P)如表3所示，可以得出HMX/BR和HMX/F2603体系摩擦系数随黏结剂含量w的变化折线图，如图5所示。

表3 包覆样品的摩擦系数与摩擦感度Table 3 Friction coefficient and friction sensitivity of coated samples

图5 HMX/BR和HMX/F2603体系摩擦系数随黏结剂含量的变化折线Fig.5 Curve of friction coefficient of HMX/BR and HMX/F2603 system with the change of binder content

由文献[15]得，β-HMX的表面能为53.09 mJ/m2，而氟橡胶和顺丁橡胶的表面能分别为30.15 mJ/m2和22.37 mJ/m2。由于黏结剂的表面能低于HMX，因此这两类黏结剂都对HMX有良好的润湿性。由图5可以看出，HMX/BR体系包覆样品的动摩擦系数在黏结剂BR含量从2%提高到3%时没有明显下降，但在黏结剂BR含量提高至5%时动摩擦系数下降幅度很大，而进一步增至7%时动摩擦系数又上升至黏结剂含量2%～3%时的大小。HMX/F2603体系包覆样品在黏结剂含量从2%增至5%时，动摩擦系数呈下降趋势，在5%增至7%时，动摩擦系数变化较小。因此黏结剂含量控制在5%左右时，混合体系动摩擦系数比HMX的动摩擦系数0.124[18]低一些，且顺丁橡胶减摩效果更好。分析原因认为：顺丁橡胶的表面能更低，更易粘结在HMX表面，保证在摩擦过程中黏结剂与HMX不易发生“脱黏”；且顺丁橡胶为碳氢链高分子聚合物，弹性模量低、柔顺性好、可以承受较大的变形。因此较少含量的顺丁橡胶就可以对HMX起到较好的包覆效果，而氟橡胶则需要更高含量才可以起到良好的包覆作用。动摩擦系数先降再增，可能是因为高聚物作为“杂质”和“润滑”的这两种作用在互相竞争。顺丁橡胶在低含量时“润滑”的作用强于“杂质”，而氟橡胶则在高含量时“润滑”的作用强于“杂质”。另一方面，因为顺丁橡胶的韧性强于氟橡胶，制备过程中发现顺丁橡胶包覆的HMX颗粒不容易强制过筛，顺丁含量越多这种现象越明显，因此顺丁橡胶占比越多混合炸药体系造粒越困难，所以顺丁橡胶的用量应控制在合理范围内，便于制备加工。

由表3可知，HMX颗粒经黏结剂包覆后摩擦感度降低。根据热点理论[19]，这是由于黏结剂承受了一部分本应作用在炸药上的外部刺激作用，缓解了冲击应力，且隔绝了HMX颗粒之间的内摩擦，使得HMX炸药内部热量形成的概率大大降低，从而达到有效钝感的目的。相比氟橡胶，顺丁橡胶钝感效果更好的原因与减摩效果的作用机理一致。

2.3 HMX基配方炸药的抗过载性能试验分析

设计3种HMX基炸药配方，如表4所示。3种高聚物粘结炸药的抗过载性能压缩载荷模拟实验(轻气炮试验)结果如表5所示。从试验结果可以看到，分别使用F2603和BA胶作为黏结剂的炸药，无法通过抗过载实验，炸药燃烧或爆炸以后发生了样弹弹体破裂的情况；而使用顺丁橡胶作黏结剂的炸药，炸药弹体完好未发生破裂，完全通过了抗过载实验考核，所以在配方中选择顺丁橡胶作为高聚物黏结炸药的黏结剂，这也验证了前面分析中顺丁橡胶的减摩与钝感效果更好的研究结论。