NTO含量對(duì)RDX基含鋁炸藥機(jī)械感度及爆速的影響

郭海英，余咸旱，丁　濤，趙　云，楊學(xué)斌

(甘肅銀光化學(xué)工業(yè)集團(tuán)有限公司，甘肅白銀730900)

?

NTO含量對(duì)RDX基含鋁炸藥機(jī)械感度及爆速的影響

郭海英，余咸旱，丁濤，趙云，楊學(xué)斌

(甘肅銀光化學(xué)工業(yè)集團(tuán)有限公司，甘肅白銀730900)

摘要：制備了不同3-硝基-1,2,4-三唑-5-酮(NTO)含量的RDX基含鋁炸藥，用爆炸概率法和電測(cè)法測(cè)試了其機(jī)械感度和爆速，研究了NTO含量對(duì)RDX基含鋁炸藥機(jī)械感度和爆速的影響。結(jié)果表明，隨著NTO含量的增加，含鋁炸藥的機(jī)械感度明顯降低，撞擊感度由34%降至2%，摩擦感度由30%降至2%；在相同密度下，隨著NTO含量的增加，含鋁炸藥的爆速降低，當(dāng)NTO質(zhì)量分?jǐn)?shù)為35%時(shí)，爆速降至7764m/s，與不含NTO的RDX基含鋁炸藥相比，降低了169m/s。

關(guān)鍵詞：物理化學(xué)；RDX；NTO；含鋁炸藥；感度；爆速

引言

含鋁炸藥具有高威力、高爆熱、高爆溫、釋放化學(xué)能時(shí)間較長(zhǎng)、后燃燒效應(yīng)突出等特性，廣泛應(yīng)用于對(duì)空武器、水下武器、空對(duì)地武器等常規(guī)兵器中。但含鋁炸藥的機(jī)械感度一般比非含鋁炸藥的高[1-2]，因此，其安全性引起人們的重視。NTO是一種典型的高能量低感度炸藥，具有熱穩(wěn)定性和對(duì)外刺激的不敏感性、能量與RDX接近、爆速比TATB高6%、安全性與TATB相當(dāng)、與其他材料相容性較好等優(yōu)點(diǎn)，成為不敏感炸藥研究的熱點(diǎn)。國(guó)外對(duì)多種NTO基混合炸藥配方進(jìn)行了研究，并在武器系統(tǒng)中獲得應(yīng)用。法國(guó)EURENCO將NTO加入含鋁炸藥，研制了不敏感含鋁炸藥XP3264及PBXW-126，其性能和不敏感性優(yōu)于常用炸藥H-6，空中爆炸性能明顯高于PBXN-109[3-4]。國(guó)內(nèi)對(duì)含NTO炸藥配方的研究起步較晚[5-6]。左玉芬等[7]制備了3種含NTO的PBX高聚物黏結(jié)炸藥，通過(guò)真空安定性實(shí)驗(yàn)研究了其與鋁、銅、不銹鋼3種金屬的相容性，結(jié)果表明，3種PBX具有較好的安定性，與金屬的相容性較好。高元元等[8]進(jìn)行了NTO包覆HMX的鈍感研究，結(jié)果表明，包覆后HMX的撞擊感度降低66%，摩擦感度從100%降至50%，爆速降低2.8%，基本可以維持HMX爆轟性能不變。目前，關(guān)于NTO含量對(duì)含鋁炸藥的機(jī)械感度及爆速的影響文獻(xiàn)報(bào)道較少。

本研究制備了含NTO的RDX基含鋁炸藥，測(cè)試了其機(jī)械感度和爆速，從理論上研究了NTO含量對(duì)RDX基含鋁炸藥機(jī)械感度和爆速的影響，為含NTO的RDX基含鋁炸藥在低易損性彈藥中的應(yīng)用提供參考。

1實(shí)驗(yàn)

1.1材料與儀器

RDX，粒度0.125～0.30mm，甘肅銀光化學(xué)工業(yè)集團(tuán)有限公司；NTO，平均粒度0.355mm ，甘肅銀光化學(xué)工業(yè)集團(tuán)有限公司；鋁粉，平均粒度50μm，中國(guó)鋁業(yè)西北鋁加工廠；以氟橡膠為主體的復(fù)合黏結(jié)劑(簡(jiǎn)稱黏結(jié)劑A)，自制。

WL-ⅡB型撞擊感度立式落錘儀，陜西應(yīng)用物理化學(xué)研究所；MGY-I型摩擦感度儀，陜西應(yīng)用物理化學(xué)研究所；MP型不定時(shí)序爆速儀，江西東華計(jì)量研究所。

1.2含NTO的RDX基含鋁炸藥的制備

含NTO的RDX基含鋁炸藥配方(質(zhì)量分?jǐn)?shù))見(jiàn)表1。

表1　含NTO的RDX基含鋁炸藥配方

按表1配方，準(zhǔn)確稱量RDX、NTO、鋁粉和黏結(jié)劑A共300g。將黏結(jié)劑A于廣口瓶中加入一定量的溶劑溶解制成黏結(jié)劑溶液，將RDX、NTO和鋁粉在燒杯中預(yù)混均勻，然后將黏結(jié)劑溶液加入預(yù)混好的物料中攪拌混合5min，將混合物過(guò)篩造粒，經(jīng)干燥、篩選，得到含NTO的RDX基含鋁炸藥樣品。

1.3性能測(cè)試

撞擊感度按照GJB772A-1997 601.1爆炸概率法測(cè)試，藥量50mg，落高25cm，落錘質(zhì)量10kg。

摩擦感度按照GJB772A-1997 602.1 爆炸概率法測(cè)試，藥量30mg，表壓3.92MPa，擺角90°[9]。

爆速按照GJB772A-1997 702.1 電測(cè)法測(cè)試，藥量11.62g，壓力100kN，藥柱尺寸Ф20mm×20mm，密度1.85g/cm3。

2結(jié)果與討論

2.1NTO含量對(duì)RDX基含鋁炸藥感度的影響

不同NTO含量的RDX基含鋁炸藥的撞擊感度和摩擦感度測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。

表2　含NTO的RDX基含鋁炸藥的撞擊感度和

從表2知，NTO含量對(duì)RDX基含鋁炸藥的機(jī)械感度有顯著影響。加入NTO后，含鋁炸藥的機(jī)械感度明顯降低，且隨著NTO含量的增加，撞擊感度和摩擦感度降低。當(dāng)NTO質(zhì)量分?jǐn)?shù)為35%時(shí)，其撞擊感度和摩擦感度降至2%以下。分析原因如下：

(1)由于NTO三唑五元環(huán)中氮原子的孤電子對(duì)參與三唑環(huán)的共軛，同時(shí)，五元環(huán)的共軛使環(huán)內(nèi)的鍵長(zhǎng)和鍵角趨于平均化，從而減小了環(huán)張力，提高了分子的穩(wěn)定性。此外，NTO分子呈平面結(jié)構(gòu)，是一個(gè)很強(qiáng)的共軛體系，增加了整個(gè)分子的穩(wěn)定性，使得NTO分子的C-NO2鍵加強(qiáng)，最不容易斷裂，因此RDX基含鋁炸藥感度降低。

(2)炸藥的感度是炸藥分子結(jié)構(gòu)活性的外在表現(xiàn)。分子結(jié)構(gòu)活性大容易受外界作用而激發(fā)，因而感度高。根據(jù)炸藥分子結(jié)構(gòu)活性指數(shù)的計(jì)算公式[10]，計(jì)算得到NTO分子的活性(3.56)遠(yuǎn)小于RDX分子的活性(14.3)。因此，加入NTO后RDX基含鋁炸藥的感度降低。

(3)與RDX相比，NTO的比熱容較大，當(dāng)其受到機(jī)械作用后，會(huì)從熱點(diǎn)處吸收較多的熱量，使熱點(diǎn)溫度降低，從而導(dǎo)致感度降低[10-11]；NTO的爆熱比RDX小[12-13]，由于爆熱小的炸藥不利于熱點(diǎn)的形成，因此感度降底；與RDX相比，NTO的生成熱較大[14]，因此，其分子的鍵能也較大，不易分解，從而導(dǎo)致感度降低。

2.2NTO含量對(duì)RDX基含鋁炸藥爆速的影響

不同NTO含量的RDX基含鋁炸藥的爆速測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3。

表3　NTO含量對(duì)RDX基含鋁炸藥爆速的影響

注：RDX基含鋁炸藥的裝藥密度均為1.85g/cm3。

從表3可知，NTO含量會(huì)影響RDX基含鋁炸藥的爆轟性能。相同藥柱密度下，隨著NTO含量的增加，RDX基含鋁炸藥的爆速降低。當(dāng)NTO質(zhì)量分?jǐn)?shù)增至35%時(shí)，其爆速較不含NTO時(shí)降低了169m/s。這是因?yàn)楹X炸藥爆轟時(shí)，首先是RDX及NTO發(fā)生爆轟反應(yīng)，然后其分解產(chǎn)物(CO2和H2O)與鋁粉發(fā)生如下二次反應(yīng)：

二次反應(yīng)的速度較慢，大部分反應(yīng)在C-J面后進(jìn)行，釋放出的能量來(lái)不及補(bǔ)充到?jīng)_擊波陣面上，支持沖擊波并決定其傳播速度主要是第一階段的反應(yīng)，即RDX和NTO的爆轟反應(yīng)。根據(jù)爆轟氣體動(dòng)力學(xué)理論，炸藥爆速的計(jì)算公式為：

(2)

由式(2)可知，爆速與裝藥密度及爆熱的平方根成正比，爆速隨爆熱和比容的增加而增大，爆熱和比容越大時(shí)，其反應(yīng)區(qū)的壓力和溫度就越高，爆速也就越大。NTO的爆熱比RDX的小，當(dāng)用NTO替代部分RDX后，RDX基含鋁炸藥的總爆熱減小，其反應(yīng)區(qū)的壓力和溫度就會(huì)降低，因此其爆速也相應(yīng)降低。

進(jìn)一步從理論上分析NTO含量對(duì)RDX基含鋁炸藥爆速的影響，運(yùn)用尤里扎公式和國(guó)內(nèi)經(jīng)驗(yàn)公式[15]計(jì)算爆速：

Dmax=∑(DiVi)

(3)

(4)

為了直觀地比較NTO含量對(duì)RDX基含鋁炸藥爆速的影響，繪制RDX基含鋁炸藥的爆速計(jì)算值和實(shí)測(cè)值與NTO含量關(guān)系曲線，結(jié)果見(jiàn)圖1。

由圖1可看出， NTO含量會(huì)影響RDX基含鋁炸藥的爆轟性能。相同藥柱密度下，隨著NTO含量的增加，含鋁炸藥爆速降低。當(dāng)NTO質(zhì)量分?jǐn)?shù)增至35%時(shí)，其爆速(理論計(jì)算值)降低210m/s?？梢钥闯?，RDX基含鋁炸藥爆速理論的計(jì)算值和實(shí)驗(yàn)值接近。

圖1　RDX基含鋁炸藥爆速與NTO含量的關(guān)系曲線Fig.1　Relationship curves between detonation velocity ofRDX based aluminized explosive and NTO content

3結(jié)論

(1)在RDX基含鋁炸藥中加入NTO可以降低其機(jī)械感度。隨著NTO含量的增加，其撞擊感度和摩擦感度大幅降低。用NTO全部或部分代替RDX，可研制出安全性優(yōu)越的新型含鋁炸藥。

(2)含NTO的RDX基含鋁炸藥爆速的理論計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值比較接近。在相同藥柱密度下，隨著NTO加入量的增加，含鋁炸藥爆速降低，但降低幅度不大。因此，通過(guò)改變NTO的加入量可以調(diào)節(jié)含鋁炸藥的能量輸出結(jié)構(gòu)，在兼顧炸藥易損性的情況下，使能量損失較小。

參考文獻(xiàn)：

[1]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，1995：364-403.

[2]任務(wù)正，王澤山，楊紅梅. 火炸藥理論與實(shí)踐[M].北京：中國(guó)北方化學(xué)工業(yè)公司，2001.

[3]Nouguez B，Mahé B. Achieving STANAG 4439 IM Shaped Charge Requirements on155mm Shells: An Update[C]∥Insensitive Munitions and Energetic Materials Technology Symposium (IMEMTS2010). Munich:[s.n.], 2010: 11-14.

[4]Bécuwe A, Delclos A, Isler J.EIDS High Explosives for 1. 6 Munitions[C]∥International Symposium on Energetic Materials Technology. Arizona：American Defense Preparedness Association, 1996: 119-124.

[5]王小軍，魯志艷，尚風(fēng)琴，等.NTO炸藥研究進(jìn)展[J].現(xiàn)代化工，2013，33(2)：38-42.

WANG Xiao-jun，LU Zhi-yan，SHANG Feng-qin，et al. Review on development explosive of 3-nitro -1，2，4-triazol-5-one[J].Modern Chemical Industry，2013，33(2)：38-42.

[7]左玉芬，聶福德，郁衛(wèi)飛，等. NTO基PBX熱行為及其與金屬的相容性[J]. 含能材料，2009，17(1)：55-58.

ZUO Yu-fen，NIE Fu-de，YU Wei-fei，et al. Thermal behaviors of NTO-based PBXs and their compatibilities with metals[J]. Chinese Journal of Energetic Materials，2009，17(1)：55-58.

[8]高元元，朱順官，陳鵬源. NTO包覆HMX的鈍感研究[J].火炸藥學(xué)報(bào)，2014，37(1)：61-65.

GAO Yuan-yuan，ZHU Shun-guan，CHEN Peng-yuan. Research on insensitivity of HMX coated with NTO [J]. Chinese Journal of Explosives and Propellants，2014，37(1)：61-65.

[9]GJB772A-1997 炸藥試驗(yàn)方法[S].北京：國(guó)防科工委軍標(biāo)出版發(fā)行部，1997：184-211.

[10]歐育湘.炸藥學(xué)[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2014：66-67.

[11]李兆娜，馬海霞，宋紀(jì)蓉，等. NTO的比熱容、熱力學(xué)性質(zhì)及絕熱至爆時(shí)間[J].火炸藥學(xué)報(bào)，2008，31(3)：52.

LI Zhao-na ，MA Hai-xia ，SONG Ji-rong ，et al. Specific heat capacity, thermodynamic properties and adiabatic time-to-explosion of NTO[J]. Chinese Journal of Explosives and Propellants ，2008，31(3)：52.

[12]惠君明，陳天云.炸藥爆炸理論[M]. 南京：江蘇科學(xué)技術(shù)出版社，1995：203-214.

[13]董海山，胡榮祖，姚樸，等.含能材料熱譜集[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社，2002：103-193.

[14]鐘一鵬，胡雅達(dá)，江宏志.國(guó)外炸藥性能手冊(cè)[M].北京：兵器工業(yè)出版社，1990：76.

[15]孫國(guó)祥.高分子混合炸藥[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1985：.322-324.

Effect of the NTO Content on the Mechanical Sensitivities and Detonation Velocity of RDX Based Aluminized Explosives

GUO Hai-ying, YU Xian-han, DING Tao, ZHAO Yun, YANG Xue-bin

(Gansu Yinguang Chemical Industries Group Co. Ltd., Baiyin Gansu 730900, China)

Abstract:The RDX-based aluminized explosives with different contents of 3-nitro-1,2,4-triazol-5-one(NTO) were prepared. The sensitivities and detonation velocity of the RDX-based aluminized explosives were tested by the explosion probability method and the electrometric methods. Effect of the NTO content on the mechanical sensitivities and detonation velocity of RDX-based aluminized explosive was studied. The results show that with increasing the NTO content，the mechanical sensitivities of aluminized explosive decrease obviously，the impact sensitivity decreased from 34% to 2%，the friction sensitivity decreased from 30% to 2%; the detonation velocity decreases with increasing the NTO content at the same density. When the mass fraction of NTO is 35%, the detonation velocity decreased to 7764m/s, which decreased by 169m/s compared with the RDX-based aluminized explosive without NTO.

Keywords:physical chemistry; RDX; NTO; aluminized explosive; sensitivity; detonation velocity

作者簡(jiǎn)介:郭海英(1966- )，女，研究員，從事混合炸藥配方和制造工藝研究。

收稿日期:2015-03-04；修回日期:2015-07-07

中圖分類(lèi)號(hào)：TJ55; O64

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1007-7812(2015)05-0060-03

DOI：10.14077/j.issn.1007-7812.2015.05.012