10＃－159炸藥耐熱性能的試驗(yàn)研究

黃亞峰， 王曉峰， 田 軒， 馮曉軍， 趙東奎

（西安近代化學(xué)研究所，陜西 西安 710065）

引 言

10＃－159炸藥是武器彈藥中常用的一種HMX基高能塑料黏結(jié)炸藥，主要組成為奧克托今、梯恩梯、硝化棉和復(fù)合鈍感黏結(jié)劑。由于該炸藥具有高爆速、高爆壓、感度低等特點(diǎn)，被廣泛地應(yīng)用到穿甲彈、破甲彈等武器彈藥的裝藥中。隨著穿甲彈、破甲彈戰(zhàn)斗部退役年限即將到期，大量的10＃－159炸藥急需處理。如采用銷毀方式處理廢舊的10＃－159炸藥，不僅浪費(fèi)資源，而且炸藥不完全燃燒產(chǎn)生的氣體會(huì)污染環(huán)境。軍用火炸藥對(duì)質(zhì)量有嚴(yán)格的要求，廢舊火炸藥不能再次用于軍用武器彈藥。為充分挖掘利用廢舊10＃－159炸藥中高價(jià)值的奧克托今，將其回收制備成油氣田深孔彈用耐熱炸藥是一種可行的途徑。耐熱炸藥［1］在滿足耐熱性能的同時(shí)只有炸藥體積不發(fā)生明顯變化，才能滿足油氣田射孔彈的安全使用要求。因此，廢舊10＃－159炸藥回收制備成耐熱炸藥需對(duì)其耐熱性能進(jìn)行研究。已有研究結(jié)果表明，TNT在溫度超過(guò)80℃時(shí)即出現(xiàn)融化，由固態(tài)變成液態(tài)，密度減小，體積變大，使混合炸藥藥柱變形；硝化棉燃點(diǎn)為160℃～170℃，在180℃的環(huán)境下發(fā)生分解放熱，可能產(chǎn)生熱爆炸。由于10＃－159炸藥中含有TNT和硝化棉等對(duì)熱刺激較為敏感的含能材料，對(duì)炸藥的耐熱性能會(huì)產(chǎn)生影響。國(guó)內(nèi)對(duì)炸藥耐熱性能的研究主要針對(duì)混合炸藥本身的耐熱性能［2－7］，試驗(yàn)結(jié)果是炸藥各組分耐熱性能的綜合體現(xiàn)，不能反映單個(gè)組分對(duì)炸藥耐熱性能的影響。

本研究采用將10＃－159炸藥中的熱敏感性含能材料用熱性能相對(duì)穩(wěn)定的有機(jī)高分子材料逐一替換的方法，利用西安近代化學(xué)研究所自己研制的火炸藥藥柱熱爆炸試驗(yàn)系統(tǒng)，研究10＃－159炸藥中熱敏感性材料對(duì)炸藥耐熱性能的影響，為將10＃－159炸藥回收制備油氣田射孔彈用耐熱炸藥提供技術(shù)支撐。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原材料準(zhǔn)備

根據(jù)10＃－159炸藥的組成特點(diǎn)，將炸藥中對(duì)熱刺激較為敏感的組分硝化棉、TNT逐一換成相同質(zhì)量含量的對(duì)熱刺激不敏感的氟橡膠黏結(jié)劑，制備炸藥造型粉，炸藥組成及編號(hào)見(jiàn)第11頁(yè)表1。將炸藥造型粉壓制成規(guī)格為Ф40mm×40mm的藥柱。

表1 炸藥編號(hào)及組成

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

本次10＃－159炸藥熱終止試驗(yàn)采用火炸藥藥柱熱爆炸試驗(yàn)系統(tǒng)裝置，該系統(tǒng)裝置主要部件是防爆加熱箱體、加熱元件、控溫儀、記錄儀、控溫和測(cè)溫?zé)犭娕嫉?，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示?；鹫ㄋ幩幹鶡岜ㄔ囼?yàn)系統(tǒng)可以承受200g TNT當(dāng)量的爆炸沖擊，采用精度等級(jí)為A級(jí)的K型熱電偶和控溫精度為±0.2℃／min控調(diào)節(jié)器的溫度測(cè)控系統(tǒng)，可以保證加熱箱體內(nèi)的溫度場(chǎng)各處的溫度差不大于0.5℃。

圖1 火炸藥藥柱熱爆炸試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)圖

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

將已經(jīng)分別替換了硝化棉、TNT以及硝化棉和TNT的 3 種炸藥 10＃－159－1、10＃－159－2、10＃－159－3，在火炸藥藥柱熱爆炸試驗(yàn)裝置中進(jìn)行180℃下的混合炸藥熱終止試驗(yàn)。具體試驗(yàn)過(guò)程為：試驗(yàn)前，用萬(wàn)分之一的分析天平精確稱量試驗(yàn)藥柱的質(zhì)量，用游標(biāo)卡尺測(cè)量藥柱的高度和直徑；將45＃鋼加工的厚度為3mm的裝藥容器一端用帶螺紋的45＃鋼密封蓋密封，一端敞開，然后將規(guī)格為Ф40mm×40mm的試驗(yàn)藥柱裝入容器中，用熱電偶測(cè)量藥柱中心的溫度；設(shè)定試驗(yàn)條件：升溫速率1℃／min，終止溫度180℃，保持180℃恒定4h后停止試驗(yàn)。第2d藥柱溫度降至室溫后取出藥柱，對(duì)其質(zhì)量、體積進(jìn)行測(cè)量和分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 替代后炸藥180℃下恒溫4h的熱終止試驗(yàn)

3種炸藥的熱終止試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理得到圖2。由圖2所示可知，3種替代后的炸藥在180℃下的恒溫試驗(yàn)中，在升溫階段，3種炸藥內(nèi)部的溫度隨著環(huán)境溫度按照1℃／min的升溫速率呈直線狀升高。當(dāng)環(huán)境溫度升高到180℃時(shí)，加熱系統(tǒng)停止升溫加熱，保持環(huán)境溫度為180℃。而此時(shí)，炸藥內(nèi)部溫度卻出現(xiàn)了明顯的溫度下降的吸熱峰。這主要是因?yàn)?，混合炸藥中的奧克托今（HMX）在180℃下出現(xiàn)晶型轉(zhuǎn)變，迅速吸收熱量，由于環(huán)境溫度向炸藥內(nèi)部進(jìn)行的熱量傳遞速度較炸藥吸熱速度慢，不能補(bǔ)償奧克托今因轉(zhuǎn)晶吸熱而引起的溫度下降，所以才出現(xiàn)溫度下降的吸熱峰。對(duì)比10＃－159－1、10＃－159－2、10＃－159－3炸藥的180℃熱終止試驗(yàn)圖可知，10＃－159－2炸藥（含有硝化棉）出現(xiàn)溫度下降的吸熱峰前的最高溫度較10＃－159－1（含 TNT）炸藥和10＃－159－3（不含硝化棉和 TNT）炸藥的最高溫度要高出將近3℃。這是因?yàn)椋?0＃－159－2炸藥中含有的少量硝化棉在溫度高于170℃時(shí)就出現(xiàn)緩慢分解放熱的緣故。因此，當(dāng)環(huán)境溫度達(dá)到設(shè)定的180℃時(shí)，雖然藥柱熱爆炸試驗(yàn)系統(tǒng)的加熱裝置停止加熱，但由于硝化棉分解放出的熱量促使藥柱內(nèi)部的溫度繼續(xù)上升，所以硝化棉分解完全時(shí)，炸藥內(nèi)部溫度達(dá)到最大。

圖2 3種炸藥180℃熱終止試驗(yàn)

由圖2可知，10＃－159－2炸藥（含有硝化棉）在經(jīng)歷4h的恒溫后，沒(méi)有發(fā)生熱爆炸，說(shuō)明10＃－159－2炸藥中的硝化棉雖在180℃下分解放熱，但因其含量較少，放出的熱量不足以使炸藥發(fā)生熱爆炸。

2.2 3種炸藥熱終止試驗(yàn)后的質(zhì)量、體積變化

對(duì)3種炸藥熱終止試驗(yàn)前、后的質(zhì)量進(jìn)行稱重，測(cè)量藥柱試驗(yàn)前、后的高度以及上、中、下3個(gè)不同部位的直徑，計(jì)算藥柱的體積，數(shù)據(jù)見(jiàn)第12頁(yè)表2。由表2中數(shù)據(jù)可知，10＃－159－3炸藥的質(zhì)量減少量只有10＃－159－1炸藥的二分之一，10＃－159－2炸藥的四分之一。這是因?yàn)椋?0＃－159－3炸藥只含有主炸藥奧克托今和熱性能較穩(wěn)定的高分子有機(jī)化合物，在180℃下恒溫4h對(duì)其影響不明顯。對(duì)比10＃－159－1炸藥（含TNT）與10＃－159－2炸藥（含硝化棉）的質(zhì)量和密度變化率數(shù)據(jù)可知，10＃－159炸藥中TNT的含量較硝化棉含量高，在熱終止試驗(yàn)后，10＃－159－1炸藥（含 TNT）的質(zhì)量減少率相當(dāng)于10＃－159－2炸藥（含硝化棉）減小率的一半，但是其密度變化率卻比10＃－159－2炸藥高出18.5%。出現(xiàn)此種現(xiàn)象的原因是，180℃下熱終止試驗(yàn)中，TNT由固態(tài)變成液態(tài)，繼而有少部分從藥柱中揮發(fā)出去，但是大部分以液態(tài)增塑劑的形式與有機(jī)高分子形成有機(jī)體，而硝化棉在此溫度下基本完全分解，所以含硝化棉的10＃－159－2炸藥質(zhì)量減少明顯；當(dāng)TNT由固態(tài)變成液態(tài)時(shí)，其密度由1.6g·cm－3降低到1.4g·cm－3，體積明顯增大，致使藥柱體積明顯變大，而硝化棉在熱分解時(shí)，其體積沒(méi)有明顯發(fā)生變化。所以，含硝化棉的10＃－159－2炸藥密度變化率反而比含TNT的10＃－159－1炸藥小。

表2 3種炸藥熱終止試驗(yàn)后的質(zhì)量、體積變化

耐熱炸藥中如含有硝化棉，高溫時(shí)，硝化棉分解使炸藥質(zhì)量減少，密實(shí)性降低，導(dǎo)致密度下降，炸藥的爆速降低，影響深孔彈的穿深；耐熱炸藥中如含有TNT，高溫時(shí)，炸藥體積變大，密度下降，炸藥爆速降低，影響深孔彈的穿深。同時(shí)，由于炸藥體積變大，炸藥擠壓射孔彈殼體，存在安全隱患。

3 結(jié)論

對(duì)10＃－159炸藥中不同含能組分取代后的3種炸藥進(jìn)行了180℃下恒溫4h的熱終止試驗(yàn)，得到以下結(jié)論：

1）溫度在180℃以上時(shí)，雖然硝化棉發(fā)生分解放熱反應(yīng)，但由于其含量較少，10＃－159炸藥不存在熱爆炸現(xiàn)象。

2）高溫時(shí)，TNT由固態(tài)變成液態(tài)，體積明顯增加，TNT對(duì)10＃－159炸藥的體積變化的影響較大。

在將10＃－159炸藥回收制備成油氣田射孔彈用耐熱炸藥時(shí)，為了射孔彈的安全使用，必須除去炸藥中的TNT；為了提高射孔彈的穿深，必須去除炸藥中的硝化棉。

［1］ 黃亞峰，王曉峰，馮曉軍，等.高溫耐熱炸藥的研究現(xiàn)狀與發(fā)展［J］.爆破器材，2012，41（6）：1－4.

［2］ 王曉峰，戴蓉蘭，涂健.傳爆藥的烤燃試驗(yàn)［J］.火工品，2001（2）：5－7.

［3］ 馮曉軍，王曉峰，韓助龍.炸藥裝藥尺寸對(duì)慢速烤燃響應(yīng)的研究［J］.爆炸與沖擊，2005，25（3）：285－288.

［4］ 孫國(guó)祥，梁永貞，黨蘭.油氣井射孔彈用炸藥［J］.測(cè)井技術(shù)，1996，20（4）：297－302.

［5］ 孫國(guó)祥，王曉峰，孫富根，等.油氣井射孔器用炸藥及其安全性［J］.爆破器材，2002，31（2）：4－7.

［6］ 楊朝卿，馮國(guó)富，戴蓉蘭.射孔彈用炸藥藥柱耐熱試驗(yàn)研究［J］.爆破器材，1992（3）：8－11.

［7］ 馮曉軍.火炸藥藥柱熱爆炸試驗(yàn)系統(tǒng)研制報(bào)告［R］.西安：二○四所檔案館，2006.