DNTF/TNT/HMX 基熔鑄炸藥流變性能研究

李鶴群，安崇偉，郭文建，衛(wèi)彥菊，李海興，王晶禹

(中北大學 化工與環(huán)境學院，山西 太原030051)

0 引 言

隨著武器彈藥越來越趨向于小型化發(fā)展，裝藥工藝面臨著嚴峻的考驗，研究藥漿的流變性能是完善注裝裝藥工藝的前提，其中對推進劑的流變性能研究較為普遍［1-5］，而在彈藥裝藥中對藥漿的流變性能的研究較少. 孫業(yè)斌等詳細論述了梯黑熔融炸藥的流變性能［6］. 李子峰等探究了添加劑對減小B 炸藥懸浮液粘度的作用機理［7］. C.Elds?ter 等闡述了分別以FOX-7 和CL-20 為基的PBX 炸藥的流變性能［8］. J. P. Guillemin 等提出了鈍感炸藥熔鑄過程的流動時間模型，并指出了熔鑄懸浮液粘度與固含量、最大裝填密度和熔鑄載體粘度之間的函數(shù)關(guān)系［9］. 本文為了提高微型溝槽的裝藥質(zhì)量，系統(tǒng)闡述了HTPB/CL-20 澆注炸藥的流變性能，司班80 和卵磷脂對CL-20 基澆注傳爆藥流變性能的影響［10-11］.

在炸藥研究領(lǐng)域，熔鑄炸藥因其具有優(yōu)良的流動特性被廣泛地應(yīng)用于武器系統(tǒng)的彈藥裝藥，然而傳統(tǒng)的以TNT 為載體的熔鑄炸藥并不能滿足高能鈍感炸藥的需求. 王親會將高能量的3，4-二硝基呋咱基氧化呋咱(DNTF)與TNT 混合配制成低共熔載體，加入HMX 作為固相主體炸藥制得了新型熔鑄炸藥［12］. 本文結(jié)合DNTF 的優(yōu)良特性，從研究熔鑄炸藥的流變性能入手，設(shè)計出一種適用于微型溝槽裝藥的熔鑄炸藥(DNTF/TNT/HMX)的配方.

1 實驗材料與儀器

1.1 實驗原料

3 種不同粒度的HMX，中國兵器工業(yè)傳爆藥性能檢測中心自制;DNTF，TNT，西安近代化學研究所.

1.2 實驗儀器

S4800 冷場發(fā)射掃描電子顯微鏡，日本日立公司;Brookfield R/S Plus 流變儀，美國博勒飛流變儀公司;X-4 數(shù)字顯示顯微熔點測定儀，北京泰克儀器有限公司;KQ-300E 型超聲波清洗器，昆山市超聲儀器有限公司.

2 實驗與結(jié)果討論

2.1 熔鑄載體熔點的測定

用熔點儀測試原料DNTF，TNT 和不同配比的DNTF/TNT 熔鑄載體的熔點，測試結(jié)果如表1 所示. 由表1 可知，當DNTF/TNT 的質(zhì)量比為60/40和70/30 時，熔點在74 ～91 ℃之間，在水浴加熱的條件下比較適合做熔鑄載體. 考慮到DNTF 機械感度較高，遂選取DNTF/TNT 的質(zhì)量比6/4 為熔鑄載體的最佳配比.

表1 熔鑄載體的質(zhì)量配比及熔點Tab．1 Mass ratio and melting point of melt-cast carrier

2.2 HMX 顆粒大小與形貌

對3 種不同粒度的HMX 進行電鏡掃描測試(SEM)，掃描照片如圖1 所示.

圖1 不同粒度HMX 的SEM 照片F(xiàn)ig．1 SEM photographs of HMX with different particle size

由圖1 可知，3 種HMX 樣品的粒徑分布分別在170 ～210 μm，10 ～20 μm 和1 ～5 μm 之間.其中粒徑在170 ～210 μm 的HMX 顆粒呈不規(guī)則的多面體結(jié)構(gòu)，表面粗糙，棱角較多，平均粒徑在190 μm 左右;粒徑在10 ～20 μm 的HMX 顆粒表面光滑，顆粒形貌較一致，平均粒徑在15 μm 左右;粒徑在1 ～5 μm 的HMX 顆粒形狀規(guī)整，分布均勻，平均粒徑在2 μm 左右.

2.3 主體炸藥HMX 對熔鑄炸藥粘度的影響

取DNTF/TNT 質(zhì)量比60/40 為熔鑄載體，HMX 為固相主體炸藥，按照一定比例稱取7 種熔鑄炸藥配方置于密封瓶內(nèi). 將密封瓶放入80 ℃的超聲恒溫水浴中分散2 h，形成熔鑄懸浮液;然后通過博勒飛R/S CPS 流變儀中的恒定旋轉(zhuǎn)測量單元塊對7 種熔鑄懸浮液進行流變性能測試，溫度80 ℃，剪切速率2 s-1，測量點數(shù)60 個，測試時間60 s. 測試結(jié)果如圖2 所示.

圖2 HMX 對熔鑄炸藥粘度的影響Fig．2 Influence of HMX on the viscosity of melt-cast explosive

由 圖 2 (a) 可 知，當 HMX 的 粒 徑 在170 ～210 μm 之間時，該熔鑄炸藥的粘度隨著HMX 在熔鑄懸浮體系的百分含量的增加而增大;當HMX 的含量在20% ～30% 時，懸浮體系的粘度較小，均在1 000 Pa·s 以下;當HMX 的含量大于40%時，隨著HMX 百分含量的增加，懸浮體系粘度增大的幅度加大;當HMX 含量在40% ～50%時，懸浮體系粘度為3 000 Pa·s 左右;當HMX 含量達到60% 時，懸浮體系粘度猛增至6 000 Pa·s以上. 因此，在設(shè)計可用于注裝的的熔鑄配方時，主體炸藥HMX 含量應(yīng)控制在40%～50%之間，在此范圍內(nèi)，熔鑄懸浮體系粘度適中，適用于注裝裝藥. 從圖2(b)可以看出，在主體炸藥HMX 的含量在40%時，熔鑄炸藥的粘度隨著HMX 粒徑的減小而增大. 這是因為在形成懸浮液的過程中，每個HMX 粒子表面都均勻地吸附著一層DNTF/TNT 液膜，在相同質(zhì)量HMX 的情況下，HMX 的顆粒數(shù)目隨著顆粒粒徑的減小而增多，這使得游離的DNTF/TNT 減少，同時顆粒間的相互作用強度增強，降低了體系的流動性. 然而，在HMX 平均粒徑為190 μm，15 μm 和2 μm時，懸浮體系的粘度均在3 000 Pa·s 左右，粘度變化幅度較小. 分析其原因，與平均粒徑在190 μm 的HMX 顆粒相比，平均粒徑在15 μm 和2 μm的HMX 顆粒表面光滑，棱角較少，這就使得顆粒之間的相對摩擦減小，懸浮體系粘度增大緩慢.

2.4 溫度對熔鑄炸藥流變性能的影響

通過博勒飛R/S CPS 流變儀中的旋轉(zhuǎn)斜坡測量單元塊對DNTF/TNT 質(zhì)量比為60/40，添加40% 2 μm HMX 的熔鑄樣品進行了流變性能測試.溫度85 ℃，90 ℃和95 ℃，剪切速率0.06 ～10 s-1，測量點數(shù)60 個，測試時間60 s. 測試結(jié)果如圖3 所示.

圖3 溫度對熔鑄炸藥粘度的影響Fig．3 Influence of temperature on the viscosity of melt-cast explosive

從圖3 可以看出，隨著溫度的升高，懸浮體系的粘度下降;同時，在固定的溫度下，懸浮體系的粘度隨著剪切速率的增大而降低. 這就說明該熔鑄炸藥懸浮體系是一種非牛頓流體，適當攪拌可以降低懸浮體系的粘度. 根據(jù)Ostwald-de Wale冪律經(jīng)驗方程［6］

可得非牛頓流體的粘度表達式

式中:τ 為剪切應(yīng)力;γ 為剪切速率;K 為稠度系數(shù);n 為流動指數(shù);η 為粘度.

對公式(2)兩邊取對數(shù)，線性擬合計算流動指數(shù)n.

圖4 不同溫度下式(3)的線性擬合曲線Fig．4 Linear fitting of equation (3)with different temperatures

根據(jù)圖4 的線性擬合，可計算出熔鑄炸藥懸浮體系在85 ℃，90 ℃和95 ℃的流動指數(shù)n 分別為0.093 61，-0.262 02 和-0.196 75，稠度系數(shù)K 分別為1 ×103.60907，1 ×103.26810和1 ×102.65493.在不同溫度下的流動指數(shù)n 均小于1，說明該熔鑄炸藥懸浮體系在剪切速率為0.06 ～10 s-1之間呈現(xiàn)假塑性，這與傳統(tǒng)的熔融梯黑懸浮體系的流動指數(shù)n 大于1 不同. 分析其原因，傳統(tǒng)的熔鑄炸藥所用的主體炸藥顆粒粒徑都在幾十或者幾百微米，而該熔鑄炸藥懸浮體系所用的是2 μm 左右的超細HMX 顆粒，超細顆粒的加入有利于懸浮體系向著假塑性流體轉(zhuǎn)變. 同時，超細HMX 的機械感度比粗顆粒要低，能量輸出性能較好，因此應(yīng)選取超細HMX 作為固相主體炸藥. 從擬合數(shù)據(jù)還可以看出，隨著溫度從85 ℃升高到90 ℃，流動指數(shù)和稠度系數(shù)逐漸減小，說明該熔鑄炸藥懸浮體系對溫度敏感，隨著溫度的升高偏離牛頓型流體的程度加大，體系的粘稠性變小. 但是，當溫度從90℃升高到95 ℃時，流動指數(shù)增大. 這是因為溫度過高會導致固相和液相分離嚴重，所以在微型溝槽裝藥過程中應(yīng)將溫度控制在85 ～90 ℃為宜.

3 結(jié) 論

1)對比不同配比的DNTF/TNT 熔鑄載體的熔點，隨著DNTF 含量的增加，熔鑄載體的熔點逐漸升高，當DNTF/TNT 的質(zhì)量比為60/40 時為最佳配比，其熔點在74 ～79 ℃之間.

2)隨著HMX 含量的增大，熔鑄懸浮體系的粘度逐漸增大;同時隨著HMX 粒徑的減小，熔鑄懸浮體系的粘度也逐漸增大. 通過對比和分析，選取40% ～50% 2 μm 超細HMX 為高能固相主體炸藥的熔鑄配方具有良好的流變性能.

3)分析了不同溫度對熔鑄炸藥流變性能的影響，隨著溫度的升高，熔鑄懸浮體系粘度、流動指數(shù)和稠度系數(shù)逐步降低.

綜上所述，通過對熔鑄炸藥的流變性能測試，得到了一種適用于微型溝槽裝藥的熔鑄炸藥，以質(zhì)量比為60/40 的DNTF/TNT 作為熔鑄液相載體，加入40% ～50% 2 μm 超細HMX 高能固相主體炸藥，在裝藥過程中熔鑄炸藥的溫度應(yīng)控制在85 ～90 ℃，同時加以攪拌來降低熔鑄懸浮體系的粘度，以達到更好的裝藥工藝性能.

［1］Buswell H J. Solie propellent rheology［J］. Rheologica Acta，1970(9):577-584.

［2］Vuga S M. Effects of liquid burn rate catalysts on rheological properties of high-energy composite propellants［J］.Propellants，Explosives，Pyrotechnics，1991，16(6):393-298.

［3］Iqbal M M，Raza Ch S，Wang Liang，et al. Investigating the effect of solid fillers on mechanical and rheological Properties of composite propellants［J］. International Journal of Energetic Materials and Chemical Propulsion，2013，12(1):75-86.

［4］Iqbal M M，Wang Liang. A new approach to optimizing the mechanical and rheological properties of composite propellants［J］. Journal of Solid Rocket Technology，2006，29(4):274-278.

［5］Mahanta A K，Dharmsaktu I，Pattnayak P K. Rheological behaviour of HTPB-based composite propellant:effect of temperature and pot life on casting rate［J］. Defence Science Journal，2007，57(4):435-442.

［6］孫業(yè)斌，惠君明，曹欣茂. 軍用混合炸藥［M］. 北京:兵器工業(yè)出版社，1995.

［7］李子鋒，徐軍培，宋正剛. 添加劑對B 炸藥流變學性質(zhì)的影響［J］. 火工品，2001(4):29-31.Li Zifeng，Xu Junpei，Song Zhenggang. Effect of additives on rheology property of COMP B［J］. Initiators ＆Pyrotechnics，2001(4):29-31.(in Chinese)

［8］Elds?ter C，Yen N H，Wanhatalo M，et al. A method of determining process behaviour of plastic bounded propellants and explosives［J］. Annual Transactions of the Noroic Rheology Society，2004(12):245-249.

［9］Guillemin J P，Brunet L，Bonnefoy O，et al. A flow time model for melt-cast insensitive explosive process［J］. Propellants，Explosives，Pyrotechnics，2007，32(3):261-266.

［10］Li Haixing，Wang Jingyu，An Chongwei. Study on rheological properties of CL-20/HTPB casting explosive［J］.Central European Journal of Energetic Materials，2014，11(2):237-255.

［11］李海興，王晶禹，安崇偉. 表面活性劑對CL-20 基澆注傳爆藥流變性能的影響［J］. 火工品，2013(6):27-31.Li Haixing，Wang Jingyu，An Chongwei. Effect of surface-active agents on the rheological properties of CL-20 based on casting booster［J］. Initiators ＆ Pyrotechnics，2013(6):27-31.(in Chinese)

［12］王親會. 一種新型熔鑄炸藥研究［J］. 含能材料，2004，12(1):46-47，55.Wang Qinhui. A new melt-cast explosive formulation［J］. Energetic Materials，2004，12(1):46-47，55.(in Chinese)