10＃－159炸藥與H781炸藥的耐熱性能研究

田 軒， 趙東奎， 馮曉軍， 黃亞峰， 徐洪濤， 張 哲

（1.西安近代化學研究所，陜西 西安 710065；2.中國北方化學工業(yè)集團有限公司，北京 100089）

1 概述

在廢舊彈藥處理技術方面，國內主要以露天燃燒法為主，這種方法不僅污染環(huán)境，而且造成了大量資源浪費［1］。相比之下，國外發(fā)展了多種綠色銷毀技術。其中，廢舊火炸藥的無公害畜力與回收利用技術取得突破，其廢舊彈藥中的火炸藥材料可改制成其他能源材料［2－3］，如用廢舊火炸藥再次制造軍用或民用炸藥。美國國防部于2003年組織NSWC、TPL、LANL和ATK公司對幾千公斤的HMX基軍用彈藥進行回收處理，并對不同炸藥、推進劑的HMX回收產(chǎn)品進行性能鑒定。研究發(fā)現(xiàn)，使用回收HMX制備的PBX－135能夠滿足新武器系統(tǒng)的性能規(guī)范。

10＃－159炸藥是一種HMX基高能塑料黏結炸藥。由于該炸藥具有高爆速、高爆壓、低感度等特點，曾被廣泛應用于破甲彈裝藥，目前這類廢舊彈藥大批需要進行處理。在民用炸藥領域，H781炸藥以HMX為主，作為一種耐高溫混合炸藥，該炸藥大量用于耐高溫石油射孔彈裝藥［4－5］。

廢舊軍用炸藥民用化的主要技術問題在于環(huán)境適應性，即因使用環(huán)境要求的不同可能影響其使用。以H781炸藥為例，該型炸藥的主要應用環(huán)境為高溫（180℃）、高壓，而我國軍用彈藥的環(huán)境適應性試驗溫度為－54℃～71℃。因此，需對這2種炸藥的耐熱性、高溫對使用性能的影響開展相關研究。

2 試驗部分

2.1 試驗原理及裝置

在高溫環(huán)境下炸藥發(fā)生熱分解反應，由于反應放熱或反應產(chǎn)物的積累，促進反應自動加速為爆炸反應。

試驗裝置（如第23頁圖1）主要由加熱爐、控溫熱電偶、測溫熱電偶、溫度顯示儀和記錄儀等組成。試驗最大藥量為200g TNT當量。加熱爐采用防爆加熱體結構，具有良好的保溫性和抗爆安全性。通過控溫熱電偶控制加熱爐溫度，控溫范圍為0℃～800℃，升溫速率為1℃／min～10℃／min可調，升溫速率控制精度誤差±0.5℃／min。該裝置可自動實時記錄溫度值。

2.2 試樣制備

試驗所用的炸藥10＃－159和H781炸藥均由西安近代化學研究所（204所）生產(chǎn)，成型以壓裝工藝為主。

圖1 慢烤試驗裝置組成示意圖

2.3 試驗方案

1）熱爆炸試驗：以Φ40mm×40mm炸藥裝藥為研究對象，試樣置于鋼制殼體中，上端開口，在試樣內部插入測溫熱電偶，以監(jiān)測試樣內部中心溫度，外部加熱速率為1℃／min。該試驗可獲取炸藥發(fā)生熱爆炸反應的臨界溫度以及裝藥的熱歷程。

2）高溫對裝藥性能的影響：選擇低于熱爆炸臨界溫度的高溫環(huán)境進行長時間加載，通過對比試樣在試驗加載前后的性能變化來研究高溫對其性能產(chǎn)生的影響。

3 結果與討論

3.1 熱爆炸試驗結果

試驗結果見圖2。由圖2可知，隨著環(huán)境溫度的持續(xù)升高，2種炸藥裝藥在一定溫度下均出現(xiàn)平臺區(qū)，但平臺出現(xiàn)時的裝藥和環(huán)境溫度明顯不同。以圖2中10＃－159炸藥為例，當10＃－159炸藥裝藥達到170℃時升溫加快，并于179.4℃時率先進入平臺區(qū)，平臺區(qū)持續(xù)時間為10min，此后的持續(xù)升溫速率比初始升溫速度快；當裝藥到達220℃時，裝藥再次快速升溫至248.6℃，之后，整個裝藥發(fā)生熱爆炸反應。相比之下，H781炸藥的升溫過程顯得簡單，該炸藥達到180.3℃后進入平臺區(qū)，平臺區(qū)持續(xù)時間為15.8min，當炸藥達到218.3℃時裝藥開始熱爆炸反應。

圖2 2種炸藥的熱歷程曲線

根據(jù)《含能材料熱分析》中對HMX炸藥特性的描述，其DSC試驗發(fā)現(xiàn)，該炸藥在190℃存在β－HMX到δ－HMX的晶型轉變吸熱峰，這是熱歷程曲線中裝藥出現(xiàn)平臺的主要原因。但平臺出現(xiàn)時間和持續(xù)時間的不同表明，10＃－159中存在較強的自熱反應，它縮短了整體裝藥的吸熱時間。

3.2 高溫加載試驗

通過對比高溫加載前、后試樣的質量、尺寸變化，研究了高溫加載對炸藥裝藥的影響。其中，炸藥裝藥尺寸均為Φ40mm×40mm；高溫加載試驗條件為：180℃／（4h），約束條件為鋼制柱形殼體，藥柱上表面與空氣接觸。試驗完畢，待樣品降至室溫后，對其質量和尺寸進行測量。

1）試樣參數(shù)變化。

表1為2種炸藥裝藥試驗實驗前、后的質量比和體積比，根據(jù)其比值得到了高溫給試樣密度帶來的變化。其中，樣品尺寸采用五點平均法得到。

表1 試驗前、后的樣品狀態(tài)變化

由表1可知，長時間180℃恒溫試驗后，兩樣品均出現(xiàn)失重情況。與H781炸藥相比，10＃－159試樣藥柱失重率高達1.56%。另外，高溫會給藥柱尺寸帶來一定的影響。尤其是降至室溫后樣品的體積比表明，高溫對10＃－159試樣尺寸的影響更大。在密度方面，H781炸藥試驗后密度是初始狀態(tài)的97%，而10＃－159則低至94%。

2）高溫對試樣的熱損傷

由于射孔彈的穿深性能直接與裝藥的爆速性能相關，而炸藥的爆速性能與炸藥密度呈正比關系，因此，10＃－159在高溫下的使用性能僅為常溫狀態(tài)下的94%。該值還未考慮材料組分變化對爆速性能的影響。

試驗前、后的試樣見第24頁圖3。由圖3可知，相比之下，試驗后10＃－159試樣表面出現(xiàn)明顯黑跡，表明樣品在較長時間的高溫產(chǎn)生明顯的炭化，這可能是10＃－159炸藥中某些組分提前發(fā)生反應的緣故。降溫后試樣尺寸仍然明顯增大，表明高溫對試樣的不可逆膨脹性能影響增強，這不僅與HMX的晶型轉變有關，而且可能與某些炸藥組分的相變有關。

上述試驗均為常溫條件和半密閉條件，那么可以想象，在真實的高溫及密閉約束條件下，10＃－159炸藥的熱脹作用更加顯著，但密閉殼體對炸藥裝藥的限位作用始終存在，這將導致在裝藥內部形成巨大的內應力，進而擠壓藥型罩影響射流方向。

圖3 試驗前、后樣品圖

4 結論

1）熱爆炸試驗表明，10＃－159炸藥的熱安全性低于H781炸藥。

2）高溫加載試驗表明，與H781炸藥相比，10＃－159炸藥經(jīng)歷長時間高溫加載后產(chǎn)生明顯失重，這改變了裝藥密度，直接導致炸藥的高溫使用性能降低。同時，高溫給裝藥帶來的體積變化可能在裝藥內部形成內應力，并通過擠壓藥型罩影響射流方向。

綜上所述，由于10＃－159炸藥在耐熱性、高溫使用性能方面均低于H781炸藥，因此直接將其用于高溫射孔裝藥尚存困難，尚需通過深入研究找出主要影響因素，以期為后續(xù)配方及工藝改進指明方向。

［1］ 黃鵬波，張懷智，謝全民，等.廢棄常規(guī)彈藥銷毀技術綜述［J］.工程爆破，2013，19（6）：53－56.

［2］ 儀建華，趙鳳起，李尚文，等.美俄廢棄火箭發(fā)動機裝藥綠色銷毀與回收技術研究進展［D］.2006年火炸藥新技術研討會論文集.西安：西安近代化學研究所，2006：685－689.

［3］ 李靜海.廢棄導彈火工品中火炸藥的處理與回收再利用探討［J］.國防技術基礎，2007（6）：49－52.

［4］ 白錫忠，常熹.油氣井射孔彈及其應用［M］.北京：石油工業(yè)出版社，1992：79.

［5］ 馮長根.熱爆炸理論［M］.北京：科學出版社，1988：192－226.