微納米R(shí)DX顆粒級(jí)配對(duì)壓裝PBX性能影響

肖 磊, 劉 杰, 郝嘎子, 柯 香, 高 寒, 戎園波, 劉巧娥, 姜 煒

(1. 南京理工大學(xué)國(guó)家特種超細(xì)粉體工程技術(shù)研究中心, 江蘇 南京 210094;2. 甘肅銀光化學(xué)工業(yè)集團(tuán)有限公司科研所, 甘肅 白銀 730900)

1 引 言

黑索金(RDX)和奧克托今(HMX)基高聚物粘結(jié)炸藥(PBX)能量高,感度低,廣泛應(yīng)用于多種武器的彈丸及導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部的裝藥[1-5],其中的RDX、HMX粒徑均為普通工業(yè)微米級(jí),顆粒為不規(guī)則的多面體結(jié)構(gòu),粒度大小不均勻,晶體缺陷多,機(jī)械感度高[6-11],故使用中要求對(duì)PBX進(jìn)行降感。通常降感的方法是增加炸藥體系中粘結(jié)劑的含量,而這種方法在降低感度的同時(shí)會(huì)導(dǎo)致爆炸性能的降低。

目前關(guān)于PBX性能改善的研究較多,主要集中在降低PBX機(jī)械感度方面。王保國(guó)等[12]采用水懸浮法制備出了三氨基三硝基苯(TATB)/HMX基PBX,用正交試驗(yàn)法確定了撞擊感度和沖擊波感度均較低的新型炸藥配方;高元元等[13]采用溶液重結(jié)晶法,以3-硝基-1,2,4-三唑-5酮(NTO)包覆HMX,機(jī)械感度有所降低,爆速基本不變;梁華瓊等[14]研究了兩種配方的RDX基PBX在壓制過(guò)程中的損傷形成規(guī)律,發(fā)現(xiàn)用丙烯腈丙烯酸酯作粘結(jié)劑比氟橡膠的粘附性能好,產(chǎn)品缺陷少。

為了綜合改善RDX基PBX機(jī)械感度、力學(xué)性能以及爆炸性能,基于已有的關(guān)于RDX納米化成果[15-22],本研究采用溶液-水懸浮法,利用課題組自制的類球形納米R(shí)DX[23-24]與工業(yè)微米級(jí)RDX級(jí)配后,調(diào)整料液比、溫度、攪拌速度等工藝條件,制備出合格的納米R(shí)DX基PBX,并研究不同納米R(shí)DX的含量對(duì)PBX各性能的影響情況,為納米含能材料在混合炸藥中的大規(guī)模應(yīng)用提供參考。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 原料及樣品制備

原料RDX,平均粒度為100 μm,甘肅銀光化學(xué)工業(yè)基團(tuán)有限公司生產(chǎn); 納米R(shí)DX,平均粒度為100 nm,由課題組采用機(jī)械球磨法制備[22]; 乙酸乙酯,分析純,國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司生產(chǎn)。

本試驗(yàn)采用溶液-水懸浮法[23]制備RDX基PBX,采用的配方各組分質(zhì)量比分別為RDX∶粘結(jié)劑∶鈍感劑=94.5∶5∶0.5,其中改變主體炸藥RDX中納/微米R(shí)DX的不同配比(見(jiàn)表1),制得4種PBX樣品。

制備過(guò)程如下: 準(zhǔn)確稱取一定量的微米R(shí)DX和納米R(shí)DX,混合加入到反應(yīng)釜中,再加入一定量的去離子水,控制水浴溫度為65 ℃,轉(zhuǎn)速調(diào)整為600 r·min-1,邊加熱邊攪拌一段時(shí)間,待RDX在水中分散均勻,再緩慢滴加事先溶解在乙酸乙酯中的粘結(jié)劑溶液,待滴加完全后恒溫?cái)嚢枰欢螘r(shí)間,顆粒逐漸成型,然后緩慢升溫至80 ℃,驅(qū)除乙酸乙酯溶劑,待溶劑完全揮發(fā)干凈,再加入稱量的鈍感劑,繼續(xù)攪拌15 min,待顆粒完全成型,過(guò)濾,真空烘箱60 ℃下干燥,最終得到RDX基PBX的造型粉樣品,用于機(jī)械感度測(cè)試。然后將制備的PBX造型粉壓制成Φ20 mm×20 mm和Φ20 mm×30 mm規(guī)格的藥柱,用于力學(xué)性能和爆速測(cè)試。

表1 含不同微納米R(shí)DX顆粒級(jí)配的PBXs配方

Table 1 Formulations of PBX with differentmicrometer/nano-RDXs particle gradations %

2.2 試驗(yàn)方法

撞擊感度試驗(yàn)參照GJB772A-1997 方法601.1“爆炸概率”法。WL-1型撞擊感度測(cè)試儀,測(cè)試溫度為(20±2) ℃,相對(duì)濕度為(60±5)%,落錘質(zhì)量為10 kg,落高為25 cm,每發(fā)藥量為(50±1) mg,每組試樣25發(fā),計(jì)算其爆炸百分?jǐn)?shù)。

摩擦感度試驗(yàn)參照GJB772A-1997方法602.1“爆炸概率法”。BM-B型摩擦感度儀,測(cè)試擺角(90± 1)°,壓強(qiáng)為3.92 MPa,測(cè)試溫度為(20±2) ℃,相對(duì)濕度為(60±5)%,每發(fā)藥量為(20±1) mg,試驗(yàn)25發(fā),計(jì)算其爆炸百分?jǐn)?shù)。

抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)參照GJB772A-19997方法416.1“壓縮法”。CMT450R型微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī),試驗(yàn)速度為10 mm·min-1,試驗(yàn)溫度為(20±5) ℃,被測(cè)藥柱尺寸為Φ20 mm×20 mm。

抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)參照GJB 772A-1997方法415.1“雙剪法”。CMT450R型微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī),試驗(yàn)機(jī)十字頭移動(dòng)速度為10-11 mm/min,試驗(yàn)溫度為(20±5) ℃,被測(cè)藥柱尺寸為Φ20 mm×30 mm。

抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)參照GJB 772A-1997方法413.1“直拉法”。CMT450R型微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī),試驗(yàn)速度為(5.00±0.05) mm/min,試驗(yàn)溫度為(20±5 )℃,被測(cè)藥柱尺寸為Φ20 mm×20 mm。

爆速測(cè)試參照GJB 772A-1997方法702.1“電測(cè)法”,被測(cè)藥柱尺寸為Φ20 mm×20 mm,傳爆藥柱為90%TMD聚黑-14藥柱,探針為Φ0.1 mm漆包銅線。

3 結(jié)果與討論

3.1 微納米R(shí)DX級(jí)配對(duì)造型粉形貌影響

光學(xué)顯微鏡拍攝的在納微米R(shí)DX顆粒不同級(jí)配下制備的PBX造型粉外觀形貌如圖1所示。

a. JH-1 b. JH-2

c. JH-3 d. JH-4

圖1 微/納米R(shí)DX不同顆粒級(jí)配下制備的PBXs表觀形貌圖

Fig.1 Apparent morpholog images of PBXs prepared with different nano-/micrometer RDX particle gradations

由圖1可知,只含原料微米級(jí)RDX的造型粉(圖1a)顆粒較大,且形狀不規(guī)則;而含納米R(shí)DX的PBX造型粉(圖1b,圖1c,圖1d)顆粒偏小,形狀規(guī)則,呈類球形。這是因?yàn)檎辰觿┌睷DX時(shí),首先先包覆一顆或多顆RDX顆粒,然后這些包覆后的顆粒再聚集形成大顆粒,形成宏觀看到的造型粉。只采用粗顆粒RDX時(shí),RDX顆粒較大,形狀不規(guī)則,粘接劑包覆在粗顆粒RDX表面形成的造型粉顆粒較大且不規(guī)則; 而采用微納米級(jí)配時(shí),包覆后的納米R(shí)DX會(huì)聚集在包覆后的粗顆粒RDX表面,宏觀上表現(xiàn)為造型粉粒度較小,形狀較規(guī)則[25]。

3.2 PBX造型粉組分分析

根據(jù)GJB772A-1997溶劑萃取法,分別測(cè)試了4種樣品各組分的含量,結(jié)果見(jiàn)表2。

從表2中可以看出,含不同配比納微米R(shí)DX的PBX各組分含量與已知所用配方的各組分比例基本一致,且粒度,大小均在要求的40～4目,合格率基本達(dá)到100%,表明在傳統(tǒng)PBX混合炸藥體系中加入納米R(shí)DX之后,粘結(jié)劑和鈍感劑均能均勻有效地包覆在納米R(shí)DX表面,納米R(shí)DX無(wú)流失現(xiàn)象出現(xiàn),產(chǎn)品的成型性不受影響,確保了產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性。

表2 含不同微納米R(shí)DX顆粒級(jí)配的PBX組分含量

Table 2 Component contents of PBX with different micrometer/nano-RDX particle gradations

%

3.3 機(jī)械感度

參照GJB772A-1997 方法601.1“爆炸概率”法和602.1“爆炸概率法”,測(cè)試4種樣品的撞擊感度和摩擦感度,結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 含不同微納米R(shí)DX顆粒級(jí)配的PBXs的機(jī)械感度

Table 3 Mechanical sensitivity of PBXs with different micrometer/nano-RDX particle gradations

sampleimpactsensitivity/%frictionsensitivity/%JH-14424JH-2124JH-3208JH-44020

由表3可看出,納米R(shí)DX添加到傳統(tǒng)PBX中可以有效降低其撞擊感度和摩擦感度,其中以JH-2配方的納米R(shí)DX基PBX降感效果最佳,撞擊感度降低了72.7%,摩擦感度降低了83.3%,然后隨著納米R(shí)DX含量的增加,感度降低趨勢(shì)減緩。這主要是因?yàn)榧{米R(shí)DX粒度小,形狀規(guī)則,易于填充在粗RDX顆粒間的縫隙中,在撞擊、摩擦作用下形成熱點(diǎn)幾率小,機(jī)械感度降低; 而納米R(shí)DX易于團(tuán)聚,隨著納米含量增加,在水溶液中部分團(tuán)聚,成無(wú)規(guī)則大顆粒,熱點(diǎn)形成概率提高,導(dǎo)致PBX感度降幅減小。

3.4 力學(xué)性能

參照GJB772A-19997方法416.1“壓縮法”、415.1“雙剪法”和413.1“直拉法”,測(cè)試4種樣品抗壓、抗拉、抗剪強(qiáng)度測(cè)試,結(jié)果見(jiàn)表4。

由表4可看出,納米R(shí)DX與普通微米級(jí)RDX級(jí)配后制備的PBX力學(xué)性能明顯有所提高,且以JH-2配方的PBX的力學(xué)性能最佳,與不含納米R(shí)DX的PBX (JH-1)相比,抗壓強(qiáng)度提高了18.0%,抗拉強(qiáng)度提高了16.7%,抗剪強(qiáng)度提高了11.4%。這是因?yàn)樵谑褂脗鹘y(tǒng)微米級(jí)RDX制備PBX混合炸藥時(shí),RDX粗顆粒結(jié)構(gòu)無(wú)規(guī)則,呈棱角分明的多面體結(jié)構(gòu),形成的造型粉顆粒大小不均,形狀不一,在壓裝成型時(shí)PBX體系內(nèi)部容易產(chǎn)生孔隙,缺陷等,受到外力作用時(shí)在有孔隙、缺陷處容易塌陷,破裂等,導(dǎo)致力學(xué)性能變差。而加入納米R(shí)DX后制備的造型粉粒徑較小,結(jié)構(gòu)規(guī)則,呈類球形,壓裝成型時(shí)容易填充于顆粒間形成的孔隙中,提高了PBX體系的密實(shí)性,減少缺陷的形成,從而使得壓裝藥柱的力學(xué)性能得到增強(qiáng)。

表4 含不同微納米R(shí)DX顆粒級(jí)配的PBXs的力學(xué)性能

Table 4 Mechanical properties of PBXs with different micrometer/nano-RDX particle gradations MPa

3.5 爆炸性能

測(cè)試4種藥柱的裝藥密度及爆速,結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 含不同微納米R(shí)DX顆粒級(jí)配的PBXs的爆速

Table 5 Detonation velocity of PBXs with different micrometer/nano-RDX particle gradations

sampledetonationvelocity/m·s-1density/g·cm-3JH-180331.691JH-281861.698JH-381781.698JH-481311.698

參照GJB 772A-1997方法702.1“電測(cè)法測(cè)試4種PBX的爆速,由表5可見(jiàn),納米R(shí)DX與普通微米級(jí)RDX級(jí)配后制備的PBX藥柱密度和爆速均有所提高,尤其以JH-2的效果最好,與不含納米R(shí)DX的PBX (JH-1)相比,JH-2爆速增加了153 m·s-1,藥柱密度提高了0.4%。這主要是因?yàn)閷?duì)RDX進(jìn)行粒度級(jí)配后,納米R(shí)DX顆?？梢杂行畛溆诖箢w粒之間,使得炸藥顆粒間排列緊密,宏觀上表現(xiàn)為PBX體系的裝填密度有所增加,另外由于納米R(shí)DX本身具有的表面效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)等特性,反應(yīng)速率提高,可以有效提高炸藥體系的能量釋放性,改善混合炸藥的爆轟性能。

4 結(jié) 論

(1) 用溶液-水懸浮法成功制備出含不同微納米R(shí)DX顆粒級(jí)配的PBX,其表面光滑,結(jié)構(gòu)規(guī)則,形狀呈類球形,粘結(jié)劑和鈍感劑在體系中分散均勻,納米R(shí)DX不易流失,產(chǎn)品成型性良好。

(2) 與普通微米R(shí)DX基PBX相比,加入納米R(shí)DX后的PBX性能更好,以微納米R(shí)DX顆粒級(jí)配為95/5時(shí)最優(yōu),撞擊感度降低了72.7%,摩擦感度降低了83.3%; 抗壓強(qiáng)度提高了18.0%,抗拉強(qiáng)度提高了16.7%,抗剪強(qiáng)度提高了11.4%; 爆速增加了153 m·s-1,藥柱密度提高了0.4%。

(3) 研究表明,PBX中加入納米R(shí)DX后能有效降低體系機(jī)械感度,提高其力學(xué)性能及爆炸性能,這可為PBX中主體炸藥粒度級(jí)配選擇提供數(shù)據(jù)支持,同時(shí)為納米化硝胺炸藥在混合炸藥中規(guī)?；瘧?yīng)用奠定基礎(chǔ)。

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