CL-20 基压装型温压炸药的设计及性能研究❋

张 磊 吴成成 王正宏 李世伟 王 硕 郭学永

①西安现代控制技术研究所(陕西西安，710065)

②北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室(北京，100081)

③辽宁庆阳特种化工有限公司(辽宁辽阳，111000)

引言

温压炸药通常是以高能炸药、氧化剂、可燃剂为主体，并配以黏结剂和添加剂组成的一种非理想炸药[1]。为了实现温压炸药的高能量密度化、能量输出可控化，提高对爆炸环境中氧的利用率，国内外学者主要从降低燃料的点火阈值、提高燃料的反应完全性、改善燃料粒子与环境中氧的混合度、提高燃料燃烧反应速率等方面进行综合设计，多维度地研究了温压炸药爆炸能量输出结构的时空演化规律，但多集中在以黑索今(RDX)、奥克托今(HMX)等二代含能材料为基的温压炸药[2-4]。随着高能量密度材料、高活性功能材料、复合装药形式等的发展，如何将其有机融合在温压炸药体系中逐渐成为当前高能炸药发展的热点和趋势。

六硝基六氮杂异伍兹烷(CL-20)由Nielsen等于1987年首次合成[5]，是一种具有笼型结构的多晶型高能量密度化合物(HEDC)[6]。在常温、常压下，CL-20存在4种晶型(α、β、γ、ε)，其中，ε-CL-20的密度最大、热稳定性最好、感度最低[7-8]。ε-CL-20 是当今综合性能最好的第三代单质炸药之一，能量输出比HMX 高约14%[9]；但是，ε-CL-20 较高的机械感度、容易发生晶型转变等问题严重阻碍了它在高能炸药中的应用[10-11]。随着CL-20 工程化制造的实现，美国已成功研制了CL-20 基高能炸药:LX-19、PAX-12、PAX-11、PAX-29、DLE-C038 和PBXW-16等[12-17]，而且正不断地探索性能更优的配方。但目前未见报道CL-20 基温压炸药配方。

本文中，针对地面目标毁伤特性，通过分析温压炸药爆炸反应历程，制定了CL-20 基压装型温压炸药设计途径，通过多种试验手段和方法对其爆轰性能和安全性能进行了综合测量与分析评价，以突破高能量密度材料CL-20 在温压炸药中的应用难点。

1 试验部分

1.1 试剂与仪器

CL-20，工业级，辽宁庆阳特种化工有限公司；特细球形微米铝粉，FLQT2[D50为(24 ± 3) μm]、FLQT4[D50为(6.0 ±1.5)μm]、FLQT5(D50为1～4 μm)，工业级，鞍钢实业微细铝粉有限公司；高氯酸铵(AP)，粒度范围100～150 μm，大连北方氯酸钾有限公司；F2603 型氟橡胶，工业级，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；80 号微晶蜡，工业级，抚顺骏达蜡业有限公司；石墨，微米级，上海一帆石墨有限公司；乙酸乙酯、石油醚，分析纯，国药集团化学试剂有限公司。

Hitachi S-4700 型扫描电子显微镜，日本日立公司；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 试验过程

1)三元乙丙基复合钝感黏结剂溶液制备。将一定质量比的溶剂、黏结剂和钝感剂投入溶解釜，并开动搅拌。溶解釜的夹套中通入热水，夹套温度55～60 ℃为宜，待全部溶解并混合均匀，即为配制好的复合钝感黏结剂溶液。

2)捏合。将配制好的钝感黏结剂按一定比例加入到捏合机中，再加入CL-20 捏合10 min 后，加入铝粉、AP 捏合60 min。在一定的搅拌转速下，用真空浓缩系统抽出多余的溶剂，扭矩达到一定数值后停止真空浓缩操作，将捏合物料送至造条机加料槽内。

3)造条。真空驱溶的混合物料转入造条机中，经桨叶与孔板挤压后，物料通过造粒筛板得到药条，而后进行预烘干。

4)断粒。预烘干后的药条经振动筛振动断粒，得到一定长度的造型粉。

5)光泽。断粒后的造型粉进入光泽机中，加入一定量的石墨进行滚光。

6)烘干。将光泽后的造型粉经烘干工序烘除药粒中少量溶剂，干燥温度为40～45 ℃。

1.3 测试方法和条件

1.3.1 装药密度

装药密度按GJB 772A—1997 方法401.2 药柱(块)密度-液体静力称量法测试。根据已知质量的试样所排开专用浸液的体积，求出试样的密度。

1.3.2 爆轰性能

爆热测试按《军用混合炸药配方评审适用试验方法汇编》301.2 非理想炸药爆热测试方法进行。药柱直径40 mm，药柱质量(100.0 ±0.1)g。

爆速测试按GJB 772A—1997 方法702.1 爆速-电测法进行，药柱尺寸∅40 mm×40 mm。

1.3.3 安全性能

撞击感度测试按GJB 772A—1997 方法601.1撞击感度-爆炸概率法进行。样品质量(50 ±1)mg，落锤质量10 kg，落高25 cm。

摩擦感度测试按照GJB 772A—1997 方法602.1 摩擦感度-爆炸概率法进行。样品质量(20 ±1)mg，表压3.92 MPa，摆角90°。

低易损性试验:慢速烤燃试验按照《军用混合炸药配方评审适用试验方法汇编》方法701.1 炸药慢速烤燃试验进行；快速烤燃试验按《军用混合炸药配方评审适用试验方法汇编》方法702.1 炸药快速烤燃试验进行；12.7 mm子弹撞击试验按《军用混合炸药配方评审适用试验方法汇编》方法704.1 炸药12.7 mm 子弹撞击试验进行。3 项试验中，壳体内腔尺寸∅60 mm ×240 mm，药柱尺寸∅60 mm ×60 mm，壳体厚度3 mm。

2 结果与讨论

2.1 CL-20 基压装型温压炸药的配方设计

温压炸药爆炸反应过程涉及3 个阶段:最初的无氧爆炸反应、爆炸后的无氧燃烧反应和爆炸后的有氧燃烧反应，如图1 所示。

根据二次反应理论[18]，铝粉在最初的无氧爆炸反应时没有参加C-J 面的反应或在C-J 面远未反应完全。在爆炸后的无氧燃烧反应阶段，铝粉与爆轰产物、氧化剂的分解产物反应，因而铝氧比R是温压炸药能量设计的一个重要参数，计算公式为:

式中:R为铝氧物质的量的比(铝氧比)；n(Al)为1 kg 混合炸药中铝元素的物质的量；n(O)为1 kg 混合炸药中氧元素的物质的量。

一般设计Al2O3的化学当量比为0.67 左右。为了确定CL-20 基压装型温压炸药的组成结构，通过EXPLO5 计算了不同炸药配方的能量参数，计算结果如表1 所示。

表1 CL-20 基压装型温压炸药配方及能量参数Tab.1 Formulation and energy parameters of CL-20 based pressed thermobaric explosive

一般而言，铝粉颗粒粒径越小，颗粒比表面积越大，反应活性越高，具体表现为超压的上升速率越快。在配方铝粉粒度选择上，采用特细球形铝粉FLQT5、FLQT4、FLQT2 三级级配，以添加FLQT2、FLQT4 增强后燃效应为主，添加FLQT5 提高反应活性为辅[3]。故具体的粒度级配方案为m(FLQT5)∶m(FLQT4)∶m(FLQT2)=1∶2∶2。

在保证有一定破片驱动特性(爆速≥7 800 m/s)的前提下，综合考虑爆热这一关键指标，确定CL-20基压装型温压炸药的配方组成(质量分数)为:52%CL-20、32%铝粉、10%AP、6%黏结剂。

2.2 AP 的钝感包覆处理

为了克服应用于混合炸药中的氧化剂AP 存在吸湿这一缺点，需要对AP 进行包覆处理，同时降低AP 的机械感度。蜡类物质具有熔点低、比热容高、导热率低、硬度小兼具润滑作用等特点。选用微晶蜡作为钝感剂，通过机械混合-蒸发溶剂法包覆处理AP。包覆后的AP 扫描电镜照片如图2 所示。机械感度和吸湿性测试结果如表2 所示。

表2 包覆前、后AP 的机械感度和吸湿性测试结果Tab.2 Test results of mechanical sensitivity and hygroscopicity of AP before and after coating

试验结果表明:AP 表面被一层钝感剂微晶蜡均匀地覆盖；包覆后，AP 的机械感度和吸湿性得到明显降低。

2.3 CL-20 基压装型温压炸药的爆轰性能

按照GJB 772—1997《炸药试验方法》和《军用混合炸药配方评审适用试验方法汇编》中的测试方法，对CL-20 基压装型温压炸药的装药密度、爆热、爆速进行了测试，结果如表3 所示。

表3 CL-20 基压装型温压炸药的装药密度和爆轰性能Tab.3 Charge density and detonation performance of CL-20 based pressed thermobaric explosive

加入一定量的氧化剂AP 可以改善炸药体系的氧平衡，使铝粉充分反应。CL-20 基压装型温压炸药能量密度不小于2.5 倍TNT 当量，具有较高的能量水平。

为了衡量CL-20 基压装型温压炸药的综合毁伤威力，测试了静态条件下30 kg 炸药爆炸时距爆心不同距离处(4、8、12 m)的冲击波超压，以研究其在空爆状态下的超压场规律，如表4 所示。

表4 30 kg 药量静爆威力试验的冲击波超压Tab.4 Overpressure of 30 kg CL-20 based pressed thermobaric explosive in static explosion power test

由于空爆温压炸药的主要作战任务是对地面有生目标进行毁伤，同时考虑破片和超压对暴露人员目标的毁伤作用，认为冲击波超压超过0.05 MPa 即可对人员达到中度以上的毁伤[19]。静爆威力试验数据表明:冲击波超压随着传播距离的增加呈指数衰减；但在远场12 m 处，冲击波超压仍然超过了0.05 MPa，一定程度上添加大颗粒铝粉强化了爆炸后的有氧燃烧反应阶段。

2.4 CL-20 基压装型温压炸药的安全性能

按照GJB 772—1997 测试方法，对CL-20 基压装型温压炸药的撞击感度、摩擦感度进行了测试。撞击感度(落锤10 kg，落高25 cm)为8%；摩擦感度(摆角90°，表压3.92 MPa)为24%。CL-20 基压装型温压炸药机械感度较低，满足压制成型时对机械感度的要求。

按照《军用混合炸药配方评审适用试验方法汇编》对CL-20 基压装型温压炸药3 项低易损性试验进行了测试。慢速烤燃、快速烤燃、12.7 mm 子弹撞击试验照片如图3～图4 所示。

在慢速烤燃和快速烤燃试验中，端盖被冲开，弹体无变形。根据测试结果评价标准，慢速烤燃和快速烤燃试验的响应等级均为燃烧反应。

当12.7 mm穿甲燃烧弹径向撞击弹体后，弹体中心穿孔破裂，但端盖完整，样品发生明显燃烧现象；12.7 mm 子弹轴向撞击弹体后，弹体端盖穿孔，弹体周身破裂，现场大量残余炸药，样品发生明显的燃烧反应。根据测试标准，12.7 mm 子弹撞击试验的响应等级为燃烧反应。

3 结论

1)设计并确定了CL-20 基压装型温压炸药的配方组成(质量分数)为:52% CL-20、32% 铝粉、10%AP、6%黏结剂。为兼顾后燃效应和反应活性，铝粉粒度级配方案为m(FLQT5)∶m(FLQT4)∶m(FLQT2)=1∶2∶2。

2)选用微晶蜡作为钝感剂，通过机械混合-蒸发溶剂法包覆处理AP。包覆后，AP 的机械感度和吸湿性得到明显下降。

3)CL-20 基压装型温压炸药的装药密度2.015 g/cm3、爆热8 361 kJ/kg、爆速7 815 m/s，30 kg 炸药爆炸时在远场12 m 处的冲击波超压可对人员达到中度以上的毁伤；撞击感度8%，摩擦感度24%；在慢速烤燃、快速烤燃、12.7 mm 子弹撞击试验中，炸药的响应等级均为燃烧反应，爆轰性能和安全性能优异。