2,4-二硝基茴香醚基含鋁熔鑄炸藥爆轟臨界直徑的實(shí)驗(yàn)研究

張偉， 周霖， 張向榮， 楊琰鵬， 曹同堂

(1.北京理工大學(xué) 機(jī)電學(xué)院, 北京 100081; 2.國營第805廠， 甘肅 白銀 730900)

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2,4-二硝基茴香醚基含鋁熔鑄炸藥爆轟臨界直徑的實(shí)驗(yàn)研究

張偉1， 周霖1， 張向榮1， 楊琰鵬2， 曹同堂1

(1.北京理工大學(xué) 機(jī)電學(xué)院, 北京 100081; 2.國營第805廠， 甘肅 白銀 730900)

為了揭示2,4-二硝基茴香醚(DNAN)基高能鈍感熔鑄炸藥的爆轟傳播特性，加快DNAN基熔鑄炸藥的工程化應(yīng)用，采用連續(xù)導(dǎo)線法測量了DNAN基含鋁熔鑄炸藥的臨界直徑。結(jié)果表明：Al含量(質(zhì)量百分比0～30%)增大、Al粒度d50(分別為6 μm、12 μm、31 μm)減小均會降低爆轟傳播的臨界直徑；黑索今(RDX)的粒度d50(分別為19 μm、147 μm、751 μm)增大、RDX品質(zhì)提高會增大爆轟傳播的臨界直徑。研究結(jié)果為DNAN基含鋁熔鑄炸藥的配方和戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)的技術(shù)參數(shù)。

兵器科學(xué)與技術(shù)； 2，4-二硝基茴香醚基熔鑄炸藥； 爆轟臨界直徑； 連續(xù)導(dǎo)線法； 鋁粉； 黑索今； 粒度； 品質(zhì)

0 引言

長久以來，熔鑄型炸藥是國內(nèi)外使用最廣泛的混合炸藥，約占軍用混合炸藥的80%左右。熔鑄炸藥成本低廉，適用于裝填中大口徑異形結(jié)構(gòu)的戰(zhàn)斗部，在軍用混合炸藥中處于不可替代的位置。傳統(tǒng)的熔鑄炸藥的載體為梯恩梯(TNT)，典型代表為B炸藥(TNT/黑索今(RDX)為40/60)。由于TNT基的熔鑄炸藥存在滲油、長貯性差、力學(xué)性能差，以及凝固過程收縮大，裝藥易出現(xiàn)裂紋等缺點(diǎn)，因此，難以滿足當(dāng)今高能鈍感戰(zhàn)斗部的技術(shù)要求[1-3]。2,4-二硝基茴香醚(DNAN)由于其低感度、低黏度以及優(yōu)良的力學(xué)性能，具有廣闊的應(yīng)用前景。

炸藥的臨界直徑是描述炸藥爆轟傳播動力學(xué)的精確參數(shù)之一，在炸藥性能研究和戰(zhàn)斗部設(shè)計(jì)中都具有十分重要的意義。國內(nèi)對爆轟臨界直徑的測量采用一系列不同直徑藥柱，測量藥柱穩(wěn)定爆轟的爆速和不穩(wěn)定爆轟的爆速，兩類藥柱直徑平均值即為爆轟臨界直徑。此種測量方法每組實(shí)驗(yàn)需要使用大量的藥柱，測試過程復(fù)雜，而且無法得到爆轟傳播的連續(xù)過程。本文則采用連續(xù)導(dǎo)線法[4-5]測量含鋁DNAN/RDX熔鑄炸藥的臨界直徑，研究了鋁粉含量及粒度、RDX粒度及品質(zhì)等對該炸藥的臨界直徑的影響規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

為了研究DNAN基熔鑄炸藥組分和含量的變化對臨界直徑的影響，本文設(shè)計(jì)了如表1所示的9種炸藥配方，其中C和H分別代表普通品質(zhì)RDX和高品質(zhì)RDX。方案1～方案4是為了研究Al含量(0、10%、20%和30%)對DNAN/RDX熔鑄炸藥臨界直徑的影響；方案4～方案6是為了研究Al粒度(FLQT3、FLQT1和FLQT4)對臨界直徑的影響；方案4、方案7、和方案8是為了研究RDX粒度(C1、C2和C3)對臨界直徑的影響；方案7和方案9是為了對比不同的RDX品質(zhì)(C2和H1)對臨界直徑的影響。

表1 DNAN基待測炸藥組分和配比

1.2 實(shí)驗(yàn)樣品及儀器

1.2.1 樣品準(zhǔn)備

藥柱制備前，對樣品的粒度特性和品質(zhì)特性進(jìn)行了測量，測試儀器為英國馬爾文儀器有限公司的Mastersizer 2000馬爾文粒度測試儀，分別測試了4種RDX顆粒(C1、C2、C3和H1)和3種Al粉(FLQT1、FLQT3和FLQT4)的粒度分布，測試結(jié)果如圖1和圖2所示。

圖1 RDX樣品的粒度分布Fig.1 Size distribution of RDX particles

圖2 鋁粉樣品的粒度分布Fig.2 Size distribution of Al particles

由圖1和圖2可知：4種RDX的中位粒徑d50分別為751 μm(C1)、147 μm(C2)、19 μm(C3)和141 μm(H1)；3種鋁粉的中位粒徑d50分別為31 μm(FLQT1)、12 μm(FLQT3)和6 μm(FLQT4)。

兩種中位粒徑接近的RDX(C2和H1)的掃描電子顯微鏡(SEM)測試結(jié)果如圖3和圖4所示。

圖3 147 μm普通品質(zhì)RDX(C2，放大1 000倍)Fig.3 Common quality RDX(C2，1 000×)

圖4 141 μm高品質(zhì)RDX(H1，放大1 000倍)Fig.4 High quality RDX(H1，1 000×)

對比兩種品質(zhì)的RDX的SEM圖可以發(fā)現(xiàn)，在中位粒徑接近時，高品質(zhì)的RDX顆粒表面缺陷較少，顆粒外形更接近球形化。

1.2.2 試件制備

藥柱的制備均采用熔鑄工藝，即高能炸藥固相顆粒(如RDX等)加入到熔融態(tài)炸藥基質(zhì)(DNAN等)中形成懸浮液，鑄裝到模具，冷卻凝固成型而制得試件。藥柱試件的尺寸如圖5所示。

圖5 試件尺寸圖Fig.5 Charge size

1.2.3 實(shí)驗(yàn)儀器及設(shè)備

本實(shí)驗(yàn)中使用的恒流源為MH2012高速同步脈沖恒流源，脈沖時間量程為50～1 000 μs，本次實(shí)驗(yàn)選用量程為50 μs的脈沖時間，脈沖電流約為9 A.

示波器為美國泰克公司的Tektronix TDS5054B數(shù)字熒屏示波器。

藥柱中的連續(xù)導(dǎo)線為聚酯漆包圓銅線，參考國家標(biāo)準(zhǔn)GB6109.1—1990漆包圓繞組線，在保證測量誤差和導(dǎo)線不易斷裂的情況下選用0.3 mm的線徑。

測試線路中使用的同軸電纜為SYV-50-7-1型，阻抗為50 Ω，線外徑為7 mm.

1.3 測試原理

炸藥爆轟是一種極其猛烈和迅速的化學(xué)反應(yīng)，在爆轟反應(yīng)區(qū)中存在化學(xué)電離現(xiàn)象[4,6]，從而出現(xiàn)等離子體，在爆轟陣面上離子濃度很高，具有良好的導(dǎo)電性。等離子體的導(dǎo)電性是自由電子賦予的，導(dǎo)電率與自由電子的密度呈正比，自由電子的密度又與爆轟反應(yīng)的強(qiáng)弱有關(guān)。爆轟反應(yīng)強(qiáng)烈時，爆轟波中的電子密度高達(dá)1020個/cm3；一般正常爆轟時，電子密度在1017～1018個/cm3之間；爆轟反應(yīng)較弱(或不完全)時，電子密度則很低。顯然，可以利用爆轟波陣面的導(dǎo)電性來記錄爆轟的傳播過程。

本文設(shè)計(jì)了如圖6所示的連續(xù)導(dǎo)線測試系統(tǒng)。

圖6 連續(xù)導(dǎo)線測試系統(tǒng)Fig.6 Continuous wire test system

連續(xù)導(dǎo)線法測量熔鑄炸藥的臨界直徑時，在待測圓錐形裝藥中嵌入連續(xù)的兩個平行導(dǎo)線。當(dāng)炸藥起爆后，爆轟波陣面的導(dǎo)電性使得兩根漆包線之間形成了通路，穩(wěn)定爆轟時兩根漆包線之間的爆轟波陣面阻值約為10-3～10-5Ω[7]，相對于漆包線的阻值可以忽略不計(jì)。隨著爆轟波陣面的傳播，漆包線長度逐漸變短，回路中的阻值也逐漸減小。因此可以用漆包線的長度來表征爆轟波陣面的位置。在脈沖恒流源供給的恒定電流作用下，可以用示波器測量漆包線兩端的電壓變化來表征漆包線的電阻變化，從而得到爆轟波陣面的位置變化。當(dāng)爆轟波熄滅時，兩根漆包線之間不再導(dǎo)通，回路斷開，阻值也突躍至無窮大，漆包線兩端的電壓也會突躍至無窮大，可以認(rèn)為此刻對應(yīng)的位置即為該待測炸藥的臨界直徑。根據(jù)歐姆定律和電阻率公式可以得到電壓U和漆包線單根長度L的對應(yīng)關(guān)系為

(1)

式中：ρ為漆包線的電阻率(Ω·m)；I為脈沖恒流源的恒流值(A)；S為漆包線的橫截面積(m2)。

測試信號示意圖如圖7所示。圖7中U0(V)為初始聚酯漆包線(單根長度為L0(mm))在供給恒定電流下的電壓值；Ucr(V)為爆轟停止傳播時剩余的漆包線(單根長度為Lcr(mm))在供給恒定電流下的電壓值。藥柱與導(dǎo)線的位置關(guān)系如圖8所示。由于U∝L，可以得到

(2)

根據(jù)藥柱的幾何形狀和導(dǎo)線與藥柱的位置關(guān)系可以得到

hcr=Lcr-Lw,

(3)

(4)

式中：hcr是未爆藥柱的長度(mm)；Lw是藥柱小端面外的導(dǎo)線長度(mm)；dcr為臨界直徑(mm)；dmax為藥柱大端面直徑(mm)，dmin為藥柱小端面直徑；Lc為藥柱長度(mm)。

圖7 臨界直徑測試信號示意圖Fig.7 Test signal

圖8 藥柱形狀示意圖Fig.8 Charge structure

2 結(jié)果與討論

測試結(jié)果的典型波形如圖9所示。圖9中給出了方案6的3次實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果。

圖9 方案6Fig.9 Scheme 6

從圖9中可以看出：起爆后，電壓值隨著爆轟波陣面的傳播逐漸降低；爆轟熄滅時，電壓值突躍上升至無限大。各方案的3次測量臨界直徑平均值見表2.

表2 臨界直徑測試結(jié)果

2.1 鋁粉含量對臨界直徑的影響

從表2中的方案1、方案2、方案3和方案4的測試結(jié)果可以看出，固含量一定時，Al含量從0增大到30%時，臨界直徑隨之從25.35 mm減小到10.50 mm. 這是由于在爆轟過程中，鋁粉既有一部分參與爆轟反應(yīng)過程，釋放能量，又有一部分作為惰性物質(zhì)吸收爆轟反應(yīng)放出的能量，因此Al對爆轟傳播的影響是二者共同作用的過程[8]。隨著Al粉含量的增多，有更多的鋁粉參與到爆轟反應(yīng)過程中，鋁粉的放能作用大于吸能作用，爆轟反應(yīng)更容易繼續(xù)傳播。同時，相對炸藥密度來說，Al的密度較高(2.7 g/cm3)，鋁粉的加入增大了對炸藥的約束作用，類似炸藥顆粒外包覆了金屬殼體，從而減弱了側(cè)向稀疏波對爆轟波傳播的影響，減小了爆轟的臨界直徑[9]。

2.2 鋁粉粒度對臨界直徑的影響

從表2中的方案4、方案5和方案6的測試結(jié)果可以看出，Al含量一定時，鋁粉粒度越大，炸藥爆轟的臨界直徑也越大。但是鋁粉粒度對臨界直徑影響程度較小。Al粉的中位粒徑從6 μm增加到12 μm，臨界直徑僅增加了0.29 mm；而中位粒徑從12 μm增加到31 μm，臨界直徑增加了2.16 mm；這說明Al粒度越大，其變化對臨界直徑的影響越大。容易發(fā)現(xiàn)，Al粒度越大，其粒度變化對爆轟臨界直徑的影響越大，反之亦然。

這是由于Al在爆轟反應(yīng)過程中只有很少一部分會參與波陣面的反應(yīng)，主要部會與爆轟產(chǎn)物進(jìn)行二次反應(yīng)。隨著鋁粉尺寸的變小，比表面積增大，反應(yīng)速率增快，反應(yīng)區(qū)寬度變窄，側(cè)向稀疏波對爆轟反應(yīng)區(qū)能量耗散的影響變小，從而導(dǎo)致爆轟反應(yīng)更容易傳播下去，臨界直徑降低[10]。

2.3 RDX粒度對臨界直徑的影響

對比方案4、方案7和方案8的測試結(jié)果可以看出，RDX含量一定時，RDX的中位粒徑越小，炸藥的臨界直徑越小，爆轟傳播更容易。這是由于在沖擊起爆下，細(xì)顆粒比粗顆粒的比表面積更大，化學(xué)反應(yīng)速率更快，反應(yīng)區(qū)寬度變窄，側(cè)向稀疏波對爆轟反應(yīng)區(qū)能量耗散的影響變小，從而導(dǎo)致爆轟反應(yīng)更容易傳播下去，臨界直徑也減小[11-12]。

2.4 RDX品質(zhì)對臨界直徑的影響

對比方案7和方案9的測試結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)RDX的中位粒徑接近，高品質(zhì)RDX的臨界直徑比普通RDX的要大。如圖4所示，高品質(zhì)RDX的顆粒外形更加光滑，表面缺陷較少，在沖擊起爆時更難形成熱點(diǎn)[13]，爆轟增長過程較為緩慢，臨界直徑較大[14-15]。如圖3所示，普通品質(zhì)的RDX顆粒表面較為粗糙，缺陷較多，比表面積大，在沖擊起爆時更容易形成熱點(diǎn)，爆轟反應(yīng)速率較快，臨界直徑也相應(yīng)的較小。

3 結(jié)論

本文研究了炸藥配方中組分的粒度、種類和含量的變化對DNAN基熔鑄炸藥臨界直徑的影響規(guī)律，可以得到以下結(jié)論：

1)連續(xù)導(dǎo)線法在熔鑄炸藥中可以精確、有效地測量爆轟傳播的臨界直徑。

2) 炸藥中鋁粉含量的增大，會降低炸藥爆轟臨界直徑。

3) 鋁粉顆粒尺寸減小，會導(dǎo)致臨界直徑減小，有利于爆轟傳播。

4) RDX顆粒尺寸減小，爆轟反應(yīng)速率加快，臨界直徑減小。

5)與普通RDX相比，高品質(zhì)RDX顆粒表面更加光滑，形狀規(guī)則，臨界直徑也會隨著品質(zhì)的提高而增大。

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Experimental Study of Critical Diameter of DNAN-based Aluminized Melt-cast Explosives

ZHANG Wei1, ZHOU Lin1, ZHANG Xiang-rong1, YANG Yan-peng2, CAO Tong-tang1

(1.School of Mechatronical Engineering, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China;2. 805 Factory, Baiyin 730900, Gansu, China)

In order to reveal the detonation propagation characteristics of DNAN (2,4-dinitroanisole)-based melt-cast explosives, and speed up the application of the explosives, the critical diameter of DNAN-based aluminized melt-cast explosives is measured by continuous wire method. The measured results demonstrate that the critical diameter of DNAN-based aluminized melt-cast explosives decreases with the increase in wt% of aluminum (0～30wt%) and the decrease in particle sizes of both aluminum (d50:6 μm, 12 μm, 31 μm) and RDX (d50:19 μm, 147 μm, 751 μm), and increases with the decrease in crystal quality of RDX. The investigation can provide a basic reference for both the formulation of DNAN-based aluminized melt-cast explosives and the warhead design.

ordnance science and technology; DNAN-based aluminized melt-cast explosive; critical diameter; continuous wire method; aluminum powder; RDX; particle size; quality

2016-11-07

國家“086”專項(xiàng)項(xiàng)目(00401030181)

張偉(1993—), 男, 碩士研究生。E-mail：zhangweibit@126.com

張向榮(1975—), 男, 講師。E-mail：zhangxr@bit.edu.cn

TQ564.4+2

A

1000-1093(2017)04-0690-05

10.3969/j.issn.1000-1093.2017.04.009