含LLM-105的改性雙基推進劑的機械感度

張 超，張曉宏，楊立波，孫志剛，曹 鵬，王明星

（西安近代化學研究所，陜西 西安，710065）

武器的安全性問題已受到人們的極大關(guān)注，鈍感彈藥或不敏感彈藥(Insensitive Munitions縮寫成IM)的研究也受到了世界各國的高度重視[1]。法國火炸藥公司( SNPE) 在研究以硝酸酯（如硝化甘油NG和1,2,4-丁三醇三硝酸酯 BTTN）為增塑劑，添加大量硝胺炸藥（黑索今 RDX 或奧克托今 HMX）的交聯(lián)改性雙基（XLDB）推進劑的安全性能時發(fā)現(xiàn)，該推進劑在高速獵槍試驗中，槍擊速度為480m/s 時出現(xiàn)了延遲轉(zhuǎn)爆現(xiàn)象( XDT)；當子彈撞擊有中心孔腔的該類推進劑藥柱時，在20℃肉厚50mm處或在60℃肉厚45mm處即出現(xiàn)了XDT[2-3]。因此，解決硝胺推進劑發(fā)生爆轟反應問題的關(guān)鍵是降低該類推進劑的撞擊和殉爆感度，最有效的技術(shù)途徑是選用不敏感的增塑劑替代NG，用感度較低的高能量密度材料部分取代RDX 或HMX 氧化劑[4]。國內(nèi)對 NC、TMETN 和少量2，6-二氨基-3，5-二硝基吡嗪-1-氧化物( LLM-105)取代RDX 構(gòu)成的微煙推進劑已進行了初步研究[5]，研究表明該類推進劑撞擊感度有顯著降低。LLM-105是目前合成的鈍感耐熱炸藥中能量最高的化合物[6]，國外學者對LLM-105的報道主要集中在合成、配方性能和理論模擬計算上[7-8]；國內(nèi)對LLM-105的合成、性能測試和在炸藥配方的應用報道較多[9-10]，而對其應用于改性雙基推進劑中的安全性能報道很少。為了進一步研究含LLM-105改性雙基推進劑的鈍感性能，本文研究了LLM-105的含量和粒度對改性雙基推進劑機械感度的影響，并將其結(jié)果分別與含DNTF(3, 4-二硝基呋咱基氧化呋咱)、CL-20(六硝基六氮雜異戊茲烷)、HMX改性雙基推進劑的機械感度進行比較，說明含LLM-105的改性雙基推進劑實際應用中的安全性能。

1 實驗部分

1.1 推進劑配方設(shè)計

設(shè)計思路:選擇低感度的三羥甲基乙烷三硝酸酯(TMETN)作為增塑劑，3#硝化棉作為粘合劑，用LLM-105逐漸取代改性雙基推進劑配方中的RDX，且在取代過程中，NC和TMETN比例不變，實驗所用LLM-105為西安近代化學研究所合成。

本實驗所用推進劑的配方如表1所示，配方中的其它助劑包括DEP (鄰苯二甲酸二乙酯)、二號中定劑和凡士林，且這3種原料在各試樣中的含量相同。配方中的C-Pb和C-Cu分別為惰性芳香族的鉛鹽和銅鹽，CB為炭黑，配方中的原材料經(jīng)過吸收-熟化-驅(qū)水-壓延工序制成推進劑試樣。催化劑采用內(nèi)加法加入，為了考察催化劑對推進劑機械感度的影響，配方IMC-6中未加入催化劑。

表1 推進劑配方Tab.1 Composition of propellants

文獻[9]報道, LLM-105單質(zhì)的粒度和形貌對其機械感度有很大影響。為了對比不同粒度LLM-105對推進劑機械感度的影響，配方IMC-7中選擇了平均粒徑D50為2.750μm的LLM-105，其它配方中LLM-105的平均粒徑D50約12μm。

1.2 摩擦感度測定

采用 GJB 772A-1997 方法 602. 1 規(guī)定的試驗方法進行摩擦感度試驗，溫度 15～35℃，樣品用量﹙0. 020±0. 001﹚g， 表壓﹙ 2. 45±0. 05﹚MPa，擺角（66±0.5）°。

摩擦感度用爆炸百分數(shù)P表示。

1.3 撞擊感度測定

采用 GJB 772A-1997 方法 601. 1 規(guī)定的試驗方法進行撞擊感度試驗，溫度 15～35℃，樣品用量﹙0.03±0.001﹚g， 錘重﹙ 2 000±2﹚g。撞擊感度用50%爆炸率的特性落高值H50表示。

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 實驗結(jié)果

采用上述兩種固體推進劑感度的測試方法，測試了表1中各配方的撞擊感度和摩擦感度，結(jié)果見表2。

表2 不同配方推進劑撞擊及摩擦感度測試結(jié)果Tab.2 Testing result of impact and friction sensitivity of propellants

2.2 LLM-105含量對推進劑機械感度的影響

從表2中IMC-1和IMC-2對比結(jié)果可以看出：當用10%的LLM-105取代10%的RDX后，推進劑的機械感度明顯降低，特性落高H50由23.4cm增加至30.7cm，摩擦感度由21%降至15%，這充分說明用感度較低的高能量密度材料取代RDX 或 HMX 來降低固體推進劑感度的途徑是非常有效的。隨著LLM-105在配方中含量的逐漸增加，RDX被取代，推進劑的機械感度不斷降低，當RDX被LLM-105完全取代時，IMC-5配方的H50增加至39.3cm，與IMC-1配方相比，H50高出67.9%。說明LLM-105是可選用的含能鈍感劑。

LLM-105在推進劑中具有如此明顯的降感作用與它的分子結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。其原因是LLM-105與TATB相同，分子的對稱性較高，硝基的位置比較分散，形成的氫鍵較多，且吡嗪環(huán)是一個超共軛體系,使分子中C-NO2的鍵級和鍵能都比較大，這樣C-NO2斷裂所需要的外界刺激能量就較大，因而不易產(chǎn)生熱點[11]。另一個原因是LLM-105的H50＞117 cm ，大于RDX的H50（42.5cm），RDX的分解溫度點低（205℃）,LLM-105分解溫度( DSC)≥354℃，RDX較LLM-105更敏感。

2.3 LLM-105粒度對推進劑機械感度的影響

對比表2中配方IMC-5與IMC-7的實驗結(jié)果可知，細顆粒LLM-105對推進劑降感效果更優(yōu)，特性落高H50由39.3cm增加至41.9cm，摩擦感度的變化更大，爆炸概率由9%降至6%，降低33.3%?？梢姼吣芰棵芏炔牧系牧６纫彩怯绊懲七M劑感度的主要因素，細顆粒的感度優(yōu)于大顆粒。

含細顆粒LLM-105推進劑的機械感度均有所降低，這是由于細顆粒LLM-105具有較高的表面能以及更好的導熱性和分散性[9]，不易形成熱點。另外，可能由于細顆粒LLM-105無棱角，在推進劑中的堆積更加密實，減少了顆粒間的空隙率，推進劑內(nèi)所包含的空氣雜質(zhì)就減少了，推進劑在猛烈撞擊下會因為裹挾的空氣雜質(zhì)發(fā)生絕熱壓縮而形成熱點，從而起到較好的降感作用。文獻[12]研究認為影響熱點放熱的主要因素是熱點半徑，半徑越大，放熱量越大，越易達到臨界爆炸溫度，表現(xiàn)為大顆粒機械感度敏感。

2.4 催化劑對感度的影響

趙鳳起等人[1]的研究結(jié)果表明Pb-Cu-CB三元催化劑對以NC和TMETN為基的微煙推進劑有一定的降感作用，文獻[1]認為惰性催化劑在機械作用時一方面能吸收一定的能量，使推進劑的敏感部分吸收的能量減少， 另一方面催化劑的加入也起到分散敏感組分的作用，即“摻混作用”，使其產(chǎn)生熱點的概率和傳播概率均降低。文獻[13]認為含CB的推進劑在受撞擊產(chǎn)生熱點時，熱點處產(chǎn)生的熱量會在CB良好的導熱作用下較迅速地傳導給周圍介質(zhì)，使熱點快速消失，從而降低推進劑的撞擊感度。

對比表2配方IMC-5 和IMC-6實驗結(jié)果，可見不含催化劑的IMC-6配方機械感度高于相同條件下的含催化劑配方IMC-5，與文獻報道結(jié)論一致，但因配方中催化劑含量較少，僅3%左右，因此催化劑對推進劑的機械感度影響有限。

2.5 與其它幾種推進劑機械感度的比較

由配方IMC-8（含30% CL-20）、IMC-9（含30%DNTF）、IMC-10（含30%HMX）的試驗結(jié)果可知，其機械感度由低往高依次為：LLM-105-CMDB，DNTF-CMDB，CL-20-CMDB，HMX-CMDB，RDXCMDB，含LLM-105的改性雙基推進劑機械感度最低，含RDX和HMX的改性雙基推進劑機械感度相當，都較其它高能量密度材料高，這樣的結(jié)果是由于其單質(zhì)的撞擊感度和摩擦感度決定的。

DNTF-CMDB推進劑表現(xiàn)了較好的機械感度，除了與其自身有較低的感度外，還可能由于DNTF(液態(tài)部分)對硝化棉有增塑作用[14]，硝化棉在DNTF的增塑作用下，更好地包覆于DNTF晶體表面，在受到外界刺激時起到了很好的緩沖層作用。

3 結(jié) 論

（1）采取用感度較低的高能量密度材料部分或全部取代RDX 或 HMX 高能炸藥是降低雙基系推進劑機械感度的重要途徑。LLM-105是可選用的含能鈍感劑，RDX被LLM-105逐步取代后推進劑的機械感度也隨之降低。

（2）高能量密度材料的粒型也是影響機械感度的主要因素，配方設(shè)計中應盡量選取細顆粒球型高能量密度材料。

（3）惰性催化劑在推進劑受到外界刺激時，可以吸收部分撞擊能，并對敏感組分有分散效果，因而可以降低推進劑機械感度。

（4）改性雙基推進劑的機械感度主要取決于其高能量密度材料單質(zhì)的撞擊感度和摩擦感度，在滿足其能量要求的前提下，應盡量選取機械感度低的高能量密度材料。

[1]趙鳳起,楊棟,李上文,等.NC和TMETN 為基的微煙推進劑機械感度研究[J].火炸藥學報,1999(4):5-8.

[2]Charles E H. An insensitive nitrocellulose base high performance minimum smoke propellant [C]//Proc．of Insen sitive Munitions Technology Symposium. ADPA，Williamsburg,VA:1994．

[3]Mierille Leroy，et al．SNPE methodology for insensitive rocket motors development[C]//Proc.of Insensitive Munitions Technology Symposium.ADPA,Williamsburg,VA:1994．

[4]趙鳳起,高紅旭,徐司雨,等.含 LLM-105 的鈍感微煙推進劑能量參數(shù)和燃燒特性[J].固體火箭技術(shù),2011,34(4):497-500.

[5]高紅旭.新型鈍感低特征信號CMDB推進劑研究[D]. 北京:中國兵器科學研究院,2009．

[6]王振宇.國外近年研制的新型不敏感單質(zhì)炸藥[J].含能材料,2003,11( 4) : 227-230．

[7]Tarver,Urtiew,Tran,etal.SensitivityofLLM-105[J].Energetic Materials,2005,23(2):183-203.

[8]Weese R K,Burham A K,Turner H C,et al. Physical characterization of RX-55-AE-5 a formulation of 97.5%LLM-105 and 2.5% Viton A [C]//Proceeding of 33rd Annual Confence of NATA.CA:NATA,2005.

[9]王友兵,葛忠學,王伯周,細顆粒LLM-105的制備及其熱性能[J].含能材料,2011,19(5):523-526.

[10]徐文新,李必紅,李萬全,等.以 LLM-105 為基的耐熱混合炸藥的應用研究[J].火工品,2012(4):40-43.

[11]李玉斌,黃輝,李金山.一種含 LM-105的 HMX 基低感高能PBX炸藥[J],火炸藥學報,2008(5):1-4.

[12]解瑞珍,盧斌,趙久宏,等.超細 HNIW 機械感度的研究[J].火工品,2006(5):24-26.

[13]徐司雨,趙鳳起,李上文. 含CL-20的改性雙基推進劑的機械感度[J].推進技術(shù),2006, 27(2): 182-185.

[14]王江寧,李亮亮,劉子如. DNTF-CMDB推進劑的力學性能[J].火炸藥學報,2010,33(4): 23-27.