含AP的澆鑄PBX炸藥的熱安全性

王 瓊，丁 黎，張冬梅，劉文亮，常 海,鄭朝民

(西安近代化學(xué)研究所,陜西 西安 710065)

1 引 言

關(guān)于炸藥的熱安全性研究，國內(nèi)已經(jīng)建立了相應(yīng)的試驗方法，如5 s爆發(fā)點試驗[1]、自發(fā)火溫度試驗[2]，或通過微量試驗間接獲得熱爆炸臨界溫度、絕熱至爆時間等參數(shù)[3-6]，但上述試驗方法僅適用于炸藥粉末或顆粒，不能用于評價炸藥裝藥的熱安全性。楚士晉[7-8]和高大元等[9-10]先后采用熱爆炸試驗研究了幾種壓裝炸藥的熱爆炸臨界溫度，并采用多種方式外推了其它尺寸下的熱爆炸臨界溫度，為相應(yīng)炸藥的制備工藝條件和貯存條件的研究提供了依據(jù)。含高氯酸銨AP的炸藥由于具有較高的爆熱，具有廣闊的應(yīng)用前景，但其熱安全性研究未見報道，本文研究了含AP的澆鑄炸藥PBX-A在熱刺激下的響應(yīng)，測定了不同直徑的藥柱在不同溫度下發(fā)生燃燒的延滯期，獲得了不同直徑藥柱的熱爆炸臨界溫度以及延滯期與溫度的關(guān)系，并研究了炸藥PBX-A老化前后熱性能的變化。

2 實驗部分

2.1 樣 品

澆鑄PBX-A，配方組成RDX，AP，Al和端羥基聚丁二烯(HTPB)，密度1.83 g·cm-3; 藥柱直徑10，15，20，30 mm和40 mm，長徑比1∶1，均為西安近代化學(xué)研究所自制。

2.2 實驗

熱爆炸臨界溫度通過自研的熱爆炸臨界溫度試驗系統(tǒng)[11]測定，系統(tǒng)示意圖見圖1。試驗系統(tǒng)主要由加熱系統(tǒng)、控溫儀、測溫系統(tǒng)、數(shù)據(jù)(時間、溫度)記錄系統(tǒng)等組成，加熱爐采用空氣浴加熱，加熱范圍室溫～300 ℃，控溫精度±0.5 ℃; 測溫傳感器，測溫精度±0.01 ℃。參照文獻(xiàn)[7-10]規(guī)定延滯期為10 h，熱爆炸特征臨界溫度(Tcr)為藥柱發(fā)生爆炸(燃燒)的最低環(huán)境溫度與未發(fā)生爆炸(燃燒)的最高環(huán)境溫度的算術(shù)平均值。

熱爆炸臨界溫度測試條件：實驗采用無約束裝藥，當(dāng)爐溫升高到設(shè)定溫度并穩(wěn)定30 min后放入樣品，試驗過程中樣品始終保持在同一位置，藥柱上下兩端溫差不大于0.5 ℃。

熱爆炸臨界溫度試驗方法：預(yù)設(shè)一恒溫溫度，依據(jù)在該溫度下炸藥的響應(yīng)程度調(diào)整試驗溫度，同一溫度下試驗時間最長10 h。具體如下：若在某一溫度下炸藥燃燒或爆炸，則降低試驗溫度，穩(wěn)定后更換樣品進(jìn)行測試，若在該溫度下炸藥不發(fā)生燃燒或爆炸反應(yīng)，則升高試驗溫度，穩(wěn)定后更換樣品進(jìn)行測試，直到發(fā)生燃燒或爆炸的環(huán)境溫度與不發(fā)生燃燒或爆炸的環(huán)境溫度差小于2 ℃結(jié)束試驗。

5 s爆發(fā)點測定[1]：參照國軍標(biāo)GJB772A-1997.606.1爆發(fā)點測試方法。

試樣老化：老化試驗在安全烘箱中進(jìn)行，老化藥柱直徑為20 mm，長徑比為1∶1，老化溫度85 ℃，老化時間70 d。

圖1 熱爆炸試驗裝置示意圖
1—空氣浴，2—樣品，3—樣品池，4—頂密封蓋，5—溫度傳感器，6—控制系統(tǒng)，7—數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)
Fig.1 Equipment specimen for thermal explosion experiment
1—air bath,2—sample,3—sample cell,4—upper sealed lid,5—temperature sensor,6—control system,7—data recording system,

3 結(jié)果與討論

3.1 不同直徑的PBX-A藥柱的熱爆炸臨界溫度

采用圖1試驗系統(tǒng)測定了不同直徑的PBX-A炸藥藥柱在不同溫度下的延滯期，并計算獲得熱爆炸臨界溫度，結(jié)果見表1。

由表1可知，PBX-A炸藥在試驗過程中只發(fā)生燃燒，沒有發(fā)生爆炸。直徑10 mm的藥柱在187.43 ℃下1158 min未發(fā)生燃燒，直徑30 mm的藥柱在172.93 ℃下1380 min未發(fā)生燃燒，直徑40 mm的藥柱在168.70 ℃下1380 min未發(fā)生燃燒。

采用文獻(xiàn)[8,12]報道的關(guān)于圓柱體的半徑和臨界溫度的關(guān)系式對炸藥PBX-A的試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，此外還采用lnr對T直接線性擬合，結(jié)果見表2。

采用表2中三種擬合方程，計算了PBX-A炸藥裝藥直徑10～1000 mm藥柱(長徑比1∶1)的特征臨界溫度，結(jié)果見圖2。

圖2 采用不同擬合方程預(yù)測大尺寸藥柱的熱爆炸臨界溫度結(jié)果
Fig.2 Results on theTcrof big-diameter cylinders predicted by different fitting equations

由圖2可見，對于直徑1 m，長徑比1∶1的藥柱，采用lnr～T直接擬合外推獲得的熱爆炸特征臨界溫度為124 ℃，低于采用其余兩種方式擬合獲得的溫度130 ℃。

表1 PBX-A炸藥的熱爆炸試驗結(jié)果Table 1 Results of thermal explosion test for PBX-A

表2 PBX-A炸藥的Tcr與半徑關(guān)系的擬合結(jié)果Table 2 Fitting results on the relationship between Tcr and radius of PBX-A

3.2 延滯期與溫度的關(guān)系

采用火炸藥熱爆炸臨界溫度試驗系統(tǒng)測定了直徑20mm長徑比為1∶1的PBX-A藥柱在不同溫度下發(fā)生燃燒的延滯期，試驗結(jié)果見圖3。

圖3PBX-A的溫度與爆炸延滯期關(guān)系
Fig.3 Relationship between the temperature and time lag prior to explosion of PBX-A

對圖3采用指數(shù)形式擬合，獲得直徑20 mm的PBX-A炸藥藥柱的延滯期t與溫度T的關(guān)系為：

R2=0.983

(1)

通過擬合方程(1)計算了直徑20mm的PBX-A炸藥藥柱在其它溫度下的lnt數(shù)據(jù)，并對1000/T作圖，見圖4。由圖4可見，對于直徑20mm的PBX-A炸藥藥柱，當(dāng)溫度大于473.15K時，lnt與1/T間存在線性關(guān)系，lnt約為常數(shù); 當(dāng)溫度為461.15～452.15K時lnt與1/T之間存在近似的線性關(guān)系; 當(dāng)溫度大于461.15K小于473.15K時，lnt與1/T間不存在線性關(guān)系。

圖4 由擬合方程(1)獲得的PBX-A炸藥的lnt-1000/T曲線
Fig.4 Relationship between lntand 1000/Tof PBX-A calculated from the fitting equation(1)

3.3 老化前后炸藥PBX-A的熱安全性

為進(jìn)一步研究老化前后炸藥PBX-A熱安全性的變化，分別測定了炸藥PBX-A原始樣和85 ℃老化70 d的熱爆炸臨界溫度和5 s爆發(fā)點，結(jié)果見表3。

表3 PBX-A炸藥老化前后的熱安全性Table 3 Thermal safety of PBX-A explosive before and after aging

Note:Activation energy is calculated from 5s explosion point test data.

由表3可知，PBX-A炸藥原始樣品與85 ℃老化70 d后樣品的熱爆炸臨界溫度相同，但老化后5 s爆發(fā)點降低了4.6 ℃。

4 結(jié) 論

PBX-A在恒溫?zé)岽碳は轮话l(fā)生燃燒反應(yīng)。外推直徑1 m，長徑比1∶1無約束的PBX-A裝藥的熱爆炸臨界溫度為124 ℃。PBX-A炸藥藥柱延滯期的對數(shù)lnt與1/T只在有限的溫度范圍內(nèi)存在線性關(guān)系。直徑為20 mm且長徑比為1∶1的PBX-A炸藥藥柱老化前后熱爆炸臨界溫度不變，5 s爆發(fā)點降低4.6 ℃。

參考文獻(xiàn):

[1] 國防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會.GJB 772A-97,606.1爆發(fā)點 5s延滯期法[S].北京：國防科工委軍標(biāo)出版社.1997.

[2] 國防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會.GJB 772A-97,505.1 自發(fā)火溫度 差熱分析和差示掃描量熱法[S].北京：國防科工委軍標(biāo)出版社.1997.

[3] 高大元，韋力元，鄭培森，等.HMX/TATBA高聚物粘結(jié)炸藥的熱性能研究[J].含能材料,2000,8(3):111-113.

GAO Da-yuan,WEI Li-yuan,ZHENG Pei-sen,et al.Study on thermal properties of polymer bonded HMX/TATB[J].ChineseJournalofEnergeticmaterials(HannengCailiao),2000,8(3):111-113.

[4] 胡榮祖，趙鳳起，高紅旭,等.用小藥量至爆時間試驗研究炸藥爆發(fā)分解反應(yīng)動力學(xué)[J].火炸藥學(xué)報,2009,32(5):11-13.

HU Rong-zu,ZHAO Feng-qi,GAO Hong-xu,et al.Kinetical study of the explosive decomposition reaction of small-scale explosives using the time- to-explosion experiment [J].ChineseJournalofExplosives&propellants.2009,32(5):11-13.

[5] 李兆娜，馬海霞，宋紀(jì)蓉,等.NTO的比熱容、熱力學(xué)性質(zhì)及絕熱至爆時間[J].火炸藥學(xué)報,2008,31(3):25-28.

LI Zhao-na,MA Hai-xia,SONG Ji-rong,et al.Specific heat capacity,thermodynamic properties and adiabatic time-to-explosion of NTO[J].ChineseJournalofExplosives&Propellants,2008,31(3):25-28.

[6] 胡榮祖，高紅旭，趙鳳起.塑料黏結(jié)炸藥JH-94和JO-96的熱安全性[J].火炸藥學(xué)報,2008,31(6):28-31.

HU Rong-zu,GAO Hong-xu,ZHAO Feng-qi.Thermal study of plastic bonded explosives JH-94 and JO-96[J].ChineseJournalofExplosives&Propellants,2008,31(6):28-31.

[7] 楚士晉，郭明朝，馮長根,等.非限定性藥柱熱爆炸研究[J].含能材料,1994,2(1):1-6.

CHU Shi-jin,GUO Ming-chao,FENG Chang-gen,et al.Study on experimental thermal explosion of cylinder PBX charges in unlimited system[J].ChineseJournalofEnergeticMaterials(HannengCailiao),1994,2(1):1-6.

[8] 郭明朝，楚士晉，馮長根，等.高能炸藥藥柱試驗熱爆炸的方法和結(jié)果[J].爆炸與沖擊,1995,15(2):107-114.

GUO Ming-chao,CHU Shi-jin,FENG Chang-gen,et al.Investigation on thermal explosion of some high explosives[J].ExplosionandShockWave,1995,15(2):107-114.

[9] 高大元，張孝儀，韋力元，等.炸藥柱非限定性熱爆炸實驗研究[J].爆炸與沖擊,2000,20(3):253-256.

GAO Da-yuan,ZHANG Xiao-yi,WEI Li-yuan,et al.Study on unlimited thermal explosion for explosive cylinder[J].ExplosionandShockWave,2000,20(3):253-256.

[10] 高大元，韋力元，彭強(qiáng),等.炸藥柱限定性熱爆炸試驗研究[J].爆炸與沖擊,2001,21(3):205-209.

GAO Da-yuan,WEI Li-yuan,PENG Qiang,et al.Study on limited thermal explosion experiment for explosive cylinder[J].ExplosionandShockWave,2001,21(3):205-209.

[11] 丁黎，張臘瑩，王江寧,等.火炸藥熱爆炸臨界溫度試驗系統(tǒng):CN201210051677.9[P].

DING Li,ZHANG La-ying,WANG Jiang-ning,et al.Experiment system of thermal explosion critical temperature of propellants & explosives:CN201210051677.9[P],2012.

[12] 楚士晉.炸藥熱分析[M].北京:科學(xué)出版社,1994:300-304.

CHU Shi-jin.Thermal analysis of explosives[M].Beijing:Science Press,1994:300-304.