TATB基PBX配方研究及性能測試

邵 琴，徐文錚，王晶禹，金浩博，張 娜

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TATB基PBX配方研究及性能測試

邵 琴，徐文錚，王晶禹，金浩博，張 娜

（中北大學(xué)化工與環(huán)境學(xué)院，山西太原，030051）

為了提高TATB基PBX的感度，通過噴射細化法對TATB進行細化，采用水懸浮法對原料TATB和納米TATB進行包覆，制得了兩種TATB基PBX樣品，并對兩種TATB基PBX樣品進行形貌表征、熱性能及機械感度測試。結(jié)果表明：細化得到的TATB粒徑在60nm左右；納米TATB的包覆效果較原料TATB更好；PBX中的納米TATB的活化能較原料TATB降低了10.87kJ/mol，表明納米TATB的加入使得PBX整體熱穩(wěn)定性降低；原料TATB基PBX特性落高為101cm而納米TATB基PBX的特性落高為89cm，表明納米TATB的加入使PBX撞擊感度有所提高，使其更容易起爆。

納米TATB；PBX炸藥；撞擊感度；摩擦感度

高聚物粘結(jié)炸藥（PBX）是一類具有較高能量密度、機械性能好和安全性能較高的高能復(fù)合材料。目前國內(nèi)外用于侵徹戰(zhàn)斗部中的傳爆藥多為TATB基壓裝型耐高過載傳爆藥，對TATB基傳爆藥的性能研究也較為深入。M.B Talawar[1]等人將濃硫酸作為溶劑，用重結(jié)晶法對TATB進行了細化，得到2~5μm的TATB，隨后將細化后的TATB的用于PBX配方中（原料TATB和細化后的TATB（9:1）以及10%的粘結(jié)劑）。結(jié)果表明添加了細化TATB的PBX性能明顯優(yōu)于只含原料TATB的PBX。David Price[2]對3種TATB的生產(chǎn)、性能等進行了綜合比較，并主要針對采用不同粒度的TATB制備的PBXN-7的性能進行了測試表征。結(jié)果表明，30~50μm的TATB最有可能用于國防部配方替換，但還需進一步的性能測試。R Hutcheson[3]對比了CH-6、PBXN-5與PBXN-7 3種已定型并使用多年的經(jīng)典傳爆藥的性能。最終得出PBXN-7的綜合性能優(yōu)越、耐高過載能力良好，可以適用于多種侵徹戰(zhàn)斗部用引信的結(jié)論。吳永炎[4]等利用DMSO/堿重結(jié)晶法制備了平均粒徑為60nm的納米級TATB，納米級TATB的鋼凹值和撞擊感度均較原料有所提高，熱穩(wěn)定性較原料有所降低。楊光成[5]等將TATB濃硫酸溶液加入超純水中快速結(jié)晶，制得了粒徑約60nm的球形或橢球形TATB，并對其性能進行了表征。結(jié)果表明，TATB的細化過程沒有改變其晶體結(jié)構(gòu)，呈現(xiàn)典型納米粒子的X射線衍射特征。

目前的研究中針對采用納米級TATB制備出的PBX的性能研究較少。本文采用噴射細化法對TATB進行細化，得到納米TATB；采用水懸浮法對原料TATB和納米TATB進行包覆制得了兩種TATB基PBX樣品。對兩種TATB基PBX樣品進行形貌表征、熱性能及機械感度測試。

1 實驗部分

1.1 原材料及試劑

TATB原料，兵器805廠；RDX原料，兵器805廠；VitonA，美國杜邦公司；二甲基亞砜（DMSO），天津市富宇精細化工有限公司；乙酸乙酯，天津市富宇精細化工有限公司；1-乙基-3-甲基咪唑醋酸鹽（離子液），上海成捷化學(xué)有限公司。以上均為分析純。

1.2 樣品的制備

1.2.1主體炸藥的細化

從細化效果和環(huán)境保護方面考慮，使用離子液/DMSO混合體系，在80℃水浴、超聲攪拌的條件下溶解TATB。采用噴射細化法，利用快速射流所產(chǎn)生的剪切力對混入非溶劑去離子水而析出的TATB進行細化，抽濾及冷凍干燥后最終制得納米TATB。

1.2.2 TATB基PBX的制備

采用水懸浮包覆的方法，將TATB、RDX及粘結(jié)劑VitonA按照60%、35%、5%的比例進行包覆。原料TATB與RDX包覆的PBX樣品為1#樣品，納米TATB與RDX包覆的PBX樣品為2#樣品。

1.3 性能測試

通過Hitachi SU8020型冷場發(fā)射掃描電子顯微鏡對細化前后的TATB以及兩種TATB基PBX樣品形貌進行表征；采用DX-2700型X射線衍射儀對細化前后的TATB進行XRD圖譜分析，衍射條件為：Cu靶Kα輻射，光管電壓為30kV，電流為50mA，入射狹縫2.0mm，步長為0.03°；采用DSC131型差示掃描量熱儀對TATB基PBX的熱性能進行測量，測試條件為：氮氣流量為30mL·min-1，試樣質(zhì)量為（0.7±0.1）mg，升溫速率分別為5℃·min-1、10℃·min-1、20℃·min-1，參比物為Al2O3；根據(jù)GJB 772-1997方法601.3 12型工具法分別測試兩種TATB基PBX樣品的撞擊感度，環(huán)境溫度為10～35℃，相對濕度不大于80%，落球質(zhì)量為（10±0.005）kg，藥量為（35±1）mg；根據(jù)GJB 772-1997方法602.1 WM-1型摩擦感度儀分別測試兩種TATB基PBX樣品的爆炸概率百分?jǐn)?shù)，環(huán)境溫度為10～35℃，相對濕度不大于80%，表壓為（3.92±0.078）MPa，擺角為（90±1）o，藥量為（20±1）mg。

2 結(jié)果與討論

2.1 形貌分析

對原料TATB、納米TATB、RDX及兩種TATB基PBX樣品進行SEM測試，測試結(jié)果如圖1所示。

圖1 原料TATB、納米TATB、RDX及兩種PBX的SEM圖片

從圖1可以看出，TATB原料形狀不規(guī)則，顆粒不均勻，有明顯的棱角，粒徑大體在10μm左右。細化后納米TATB顆粒比較均勻，呈規(guī)則的球形晶體形狀，粒徑大小在60nm左右。RDX呈橢球狀，粒徑均勻，平均粒徑在1μm左右。原料TATB、納米TATB分別與RDX經(jīng)過超聲攪拌，各相分散均勻后，水懸浮包覆效果如圖1（d）、圖1（e）所示。由圖1（d）、圖1（e）可見兩種TATB基PBX樣品包覆效果較為理想，整體呈球形顆粒。但由于細化后TATB粒徑較RDX微小很多，更易彌補包覆缺陷，所以納米TATB的包覆效果較原料TATB更好。

2.2 XRD圖譜分析

圖2為細化前后的TATB的X衍射圖譜。由圖2可見，原料TATB和納米TATB的衍射角基本一致，但細化后的TATB峰強度明顯變?nèi)?，峰形變寬，說明細化后的TATB粒徑明顯小于原料TATB。

(a) 原料TATB ??????（b） 納米TATB

2.3 熱性能分析

對兩種TATB基PBX的熱分解性能進行測試，DSC曲線如圖3所示。從圖3可以看出，兩種TATB基PBX樣品中的RDX先在205℃附近都有1個吸熱峰，1#樣品在250℃附近第1次出現(xiàn)放熱峰，在390℃第2次出現(xiàn)放熱峰溫。而2#樣品在230℃附近第1次出現(xiàn)放熱峰，在370℃第2次出現(xiàn)放熱峰溫。在不同升溫速率下，2#樣品中RDX的分解峰溫分別前移了10.91℃、11.77℃、15.17℃，TATB的分解峰溫分別前移了8.38℃、7.72℃、8.82℃。這說明TATB的粒度不僅對TATB本身的熱分解性能存在影響，并且對PBX中RDX的熱分解性能同樣存在較大影響。采用Kissinger法[6]和Rogers法[7]分別計算RDX、原料TATB、納米TATB及兩種PBX中RDX與TATB的熱分解表觀活化能、指前因子。計算結(jié)果見表1。

（2）

圖3 原料TATB、納米TATB、RDX以及2種PBX在不同升溫速率下的DSC曲線

表1 原料TATB、納米TATB、RDX以及兩種PBX的熱爆炸臨界溫度

Tab.1 Thermal explosion critical temperature of raw TATB,nano-TATB,RDX and PBXs

從表1可以看出，水懸浮包覆過程對PBX中各組分的表觀活化能影響不大，但相比于使用原料TATB的1#PBX樣品，使用納米TATB的2#PBX樣品中，不僅TATB自身的活化能降低了10.87kJ/mol，與1#PBX樣品品質(zhì)一樣的RDX的活化能也受超細TATB影響而大幅度降低。

2.4 機械感度測試結(jié)果

對兩種PBX樣品進行撞擊感度測試和摩擦感度測試，測試結(jié)果如表2所示。由表2可見，使用納米TATB制得的2#樣品的撞擊感度明顯高于使用原料TATB制得的1#樣品；兩種PBX的摩擦感度都較低。在撞擊作用下，炸藥發(fā)生爆炸的原因可以由熱點理論解釋，即由撞擊產(chǎn)生的熱點足夠多、熱點尺寸足夠大時，熱點可逐漸發(fā)展，最終使炸藥發(fā)生爆炸。對于2#樣品，由于納米TATB粒度極小，在制備過程中很容易出現(xiàn)團聚、空隙等缺陷，使得在撞擊作用下同相、異相間相互作用加劇，更容易產(chǎn)生和傳播熱點，最終導(dǎo)致2#樣品的撞擊感度明顯高于1#樣品。

表2 兩種PBX機械感度測試結(jié)果

Tab.2 Results of mechanical sensitivity of PBXs

3 結(jié)論

（1）采用噴射細化法制備出粒徑60nm左右的TATB，使用水懸浮包覆法制得兩種TATB基PBX樣品。對PBX熱分析結(jié)果表明，PBX中納米TATB不僅自身的熱分解表觀活化能比原料TATB降低了10.87kJ·mol-1，并且RDX的熱分解表觀活化能降低了50.39kJ·mol-1。這說明，納米TATB的加入，使得PBX整體熱穩(wěn)定性降低。

（2）TATB的粒度對TATB基PBX機械感度有較大影響，使用納米TATB提高了TATB基PBX整體的撞擊感度，可以使極為鈍感的TATB基炸藥更符合當(dāng)代軍事的低能起爆的要求，擁有更為良好的應(yīng)用前景。

[1] M.B Talawar,A.P Agarwal,et al.Method for preparation of fine TATB(2-5μm) and its evaluation in plastic bonded explosive (PBX) formulations[J].Journal of Hazardous of Materials,2006, B(B7) :1 848-1 852.

[2] David Price. Improved energetic materials as fuze ingredients: TATB[R].BAE Systems/HSAAP,2010.

[3] R.Hutcheson.MK80 MOD 0 fuze booster:an insensitive munitions(IM) replacement for the MK44 MOD 1 Fuze Booster [C]//49th Annual Fuze Conference. Seattle: Indian Head Division NAVSEA Surface Warfare Center,2005.

[4] 吳永炎,李勇力,王晶禹,等.納米TATB的制備和研究[J].火工品,2013(2):44-46.

[5] 楊光成,聶福德,黃輝,等.納米TATB制備和表征[J].含能材料,2005,13(5):354.

[6] Kissinger H E. Reaction kinetics in differential thermal analysis[J].Analytical Chemistry,1957,29(11):1 702-1 706.

[7] Roger R N,Dauh G W. Scanning calorimetric determination of vapor-phase kinetics data[J]. Analytical Chemistry,1973, 45 (3): 596-600.

Formulation Research and Performance Test of TATB-based PBX

SHAO Qin，XU Wen-zheng，WANG Jing-yu，JIN Hao-bo，ZHANG Na

（College of Chemical Engineering and Environment, North University of China,Taiyuan，030051）

In order to improve the sensitivity of TATB-based PBX, nano-TATB powders were prepared by the recrystallization method, and two kinds of PBX formulations based on coarse and fine TATB were studied. The characteristic properties of the two kinds of PBXs thus obtained have been confirmed by SEM, XRD,DSC, and the mechanical sensitivity was measured. It was observed that the particle size of refine TATB is around 60 nm. The activation energy()of nano TATB in the PBX is decreased by 10.87kJ/mol than the raw TATB,and the drop height(50)of the nano-TATB based PBX reduced either,so it conclude that properties like mechanical strength were improved for nano-TATB, in comparison with coarse TATB alone in high explosive formulations, and the thermal stability is decreased due to the nano-TATB, which can be detonated easier.

Nano-TATB；PBX；Impact sensitivity；Friction sensitivity

1003-1480（2015）05-0046-04

TQ564

A

2015-06-09

邵琴（1988 -），女，在讀碩士研究生，主要從事傳爆藥性能及其安全研究。