PBX造型粉粒徑及壓制狀況對(duì)撞擊感度的影響

(中國(guó)工程物理研究院化工材料研究所，四川綿陽(yáng)，621999)

聚合物粘接炸藥(PBX)通常由特定顆粒尺寸的含能材料顆粒經(jīng)過(guò)合理的工藝條件進(jìn)行聚合物的包覆獲得，而撞擊感度是一項(xiàng)評(píng)價(jià)PBX安全性能的重要測(cè)試方法，廣泛應(yīng)用于PBX配方篩選及性能對(duì)比[1-3]。盡管《炸藥試驗(yàn)方法(GJB772A-1997)》中對(duì)撞擊感度的測(cè)試方法做出了具體的規(guī)定，但是含能材料研究中遇到的復(fù)雜材料物性狀態(tài)仍然會(huì)對(duì)撞擊感度的測(cè)試結(jié)果可靠性引入不確定因素。2018年在捷克帕爾杜比采召開(kāi)的含能材料新趨勢(shì)會(huì)議中，美國(guó)馬里蘭大學(xué)的Ruth M. Doherty做了關(guān)于“Making sense of sensitivity data”的特邀報(bào)告，總結(jié)了實(shí)驗(yàn)中廣泛使用的小型撞擊感度測(cè)試方法存在多種影響測(cè)試結(jié)果可靠性的因素，包括落錘質(zhì)量、測(cè)試儀器、環(huán)境條件、顆粒尺寸分布、測(cè)試人員等。因此，在對(duì)比不同含能材料及PBX配方的撞擊感度值時(shí)，需要認(rèn)真對(duì)比測(cè)試方法等因素，從而增加測(cè)試結(jié)果的可信度[4]。

含能材料顆粒粒徑能夠顯著影響撞擊感度值，顆粒的微納米超細(xì)化以及配方工藝中顆粒的級(jí)配都能夠影響撞擊感度結(jié)果[5, 6]。微納米含能材料制備及撞擊感度研究結(jié)果表明，使用超細(xì)顆粒制備方法如超臨界快速膨脹法(RESS)[7]等得到的含能材料超細(xì)顆粒，其撞擊感度結(jié)果總體而言呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。造粒過(guò)程中采用顆粒防團(tuán)聚工藝、配方中添加如石墨類潤(rùn)滑劑[8]等，均可能改善PBX的機(jī)械感度。

使用GJB772A-1997方法評(píng)價(jià)含能材料顆粒及其PBX配方的撞擊感度時(shí)，存在兩種方式的撞擊感度測(cè)試方法：粉末樣品撞擊感度測(cè)試及壓裝藥柱撞擊感度測(cè)試。相同配方下粉末和壓裝藥柱的撞擊感度測(cè)試結(jié)果呈現(xiàn)一定的差異性，而直接將粉末撞擊感度結(jié)果用于評(píng)價(jià)壓裝藥柱的安全性能往往并不可靠。因此有必要對(duì)比不同PBX配方造型粉顆粒粒徑及樣品狀態(tài)的撞擊感度變化規(guī)律，對(duì)研究人員合理使用撞擊感度測(cè)試結(jié)果進(jìn)行PBX安全性能對(duì)比提供有益的參考。

基于此，本論文選用10-20μm的HMX、FOX-7、HNS-IV、LLM-105四種含能晶體與氟聚物制成PBX造型粉，測(cè)試了五種PBX顆粒粒徑范圍 (0.2-0.5 mm、0.5-0.8 mm、0.8-1.0 mm、1.0-1.25 mm、1.25-1.6 mm)的PBX樣品在經(jīng)過(guò)壓制前后的撞擊感度。在上述PBX配方中加入石墨作為降感劑，對(duì)比了石墨在PBX粉末狀態(tài)和壓制后降感效果，分析PBX粉末狀態(tài)及石墨降感劑的存在對(duì)撞擊感度影響的變化規(guī)律，探討撞擊感度影響機(jī)制。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

HMX、FOX-7、HNS-IV、LLM-105四種含能晶體，純度99 %，由中國(guó)工程物理研究院化工材料研究所提供，使用前通過(guò)機(jī)械球磨獲得粒徑為10-20μm的顆粒；F2314，中昊晨光化工研究院提供；乙酸乙酯、乙酸丁酯均為分析純，成都科龍化工試劑廠。測(cè)試用PBX粉末樣品通過(guò)水懸浮法得到，過(guò)組合篩獲得不同粒徑的粉末樣品。石墨通過(guò)外混法在造粒時(shí)加入，含量為0.5 %。

1.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

粉末撞擊感度測(cè)試：采用GJB772A-1997中601.2的特性落高方法進(jìn)行測(cè)試[9]。使用BAM感度儀進(jìn)行測(cè)試，樣品質(zhì)量40mm3，落錘質(zhì)量為2.0 kg，統(tǒng)計(jì)樣品的特性落高值H50。環(huán)境溫度為20 ℃，相對(duì)濕度65 %。

藥片撞擊感度測(cè)試：使用與粉末測(cè)試相同批次的PBX樣品，將30 mg 粉末在1 kN壓力下采用Φ8mm模具壓制成薄片。撞擊感度測(cè)試條件與粉末樣品相同。

掃描電鏡表征：使用德國(guó)ZEISS公司的場(chǎng)發(fā)射型掃描電子顯微鏡觀察樣品結(jié)構(gòu)，樣品觀察前使用表面噴金進(jìn)行預(yù)處理。

2 結(jié)果與討論

2.1 PBX粉末粒徑對(duì)撞擊感度的影響

四種含能晶體不同粉末粒徑的撞擊感度值如圖1所示。從圖1可以看出，粉末粒徑對(duì)撞擊感度有較大的影響?？傮w規(guī)律是，隨著顆粒粒徑的增加，撞擊感度呈下降的趨勢(shì)。由于含能晶體顆粒粒徑遠(yuǎn)小于PBX粉末顆粒，基本可以排除PBX粉末顆粒在試驗(yàn)顆粒粒徑范圍內(nèi)存在的不均勻性(以LLM-105基的PBX粉末SEM圖為例，可以直觀地看出不同顆粒粒徑中含能晶體分布的均勻性，如圖2所示)。

圖1 不同顆粒粒徑的PBX粉末撞擊感度值

(a)0.2-0.5 mm粒徑樣品 (b)1.25-1.6 mm粒徑樣品圖2 不同顆粒粒徑的LLM-105基PBX粉末掃描電鏡圖像

PBX粉末顆粒粒徑對(duì)撞擊感度的影響可以從熱點(diǎn)理論進(jìn)行解釋[10-12]：首先，在粒徑變化范圍不大的情況下，對(duì)于大顆粒粒徑的粉末樣品，撞擊感度測(cè)試時(shí)其在模具內(nèi)的松裝填充產(chǎn)生的空隙數(shù)量小于小顆粒粒徑的粉末樣品，表現(xiàn)為表觀堆積密度相對(duì)較高(如圖3所示)；其次，對(duì)于小顆粒粒徑的PBX粉末，松裝填充狀況下產(chǎn)生的空隙微氣泡直徑小，根據(jù)熱點(diǎn)起爆理論，熱點(diǎn)主要在顆粒間的空隙處產(chǎn)生，而在一定尺度范圍內(nèi)，熱點(diǎn)爆炸溫度與熱點(diǎn)直徑成反比，體現(xiàn)為熱點(diǎn)直徑越小，所需熱爆炸臨界溫度越高[13]。

(a)大顆粒樣品 (b)小顆粒樣品圖3 不同顆粒粒徑的PBX粉末堆積示意圖

2.2 壓制成型后PBX粉末粒徑對(duì)撞擊感度的影響

經(jīng)過(guò)壓制成型后，四種含能晶體不同粉末粒徑的撞擊感度值如圖4所示。從圖4可以看出，經(jīng)過(guò)壓制成型后，不同粉末粒徑的PBX樣品的撞擊感度平均值與未經(jīng)壓制的PBX粉末樣品的平均值相比，均呈現(xiàn)明顯的提升。壓制成型后撞擊感度的降低同樣可以通過(guò)熱點(diǎn)理論進(jìn)行解釋，其主要原因在于經(jīng)過(guò)壓制成型后，原松裝堆積存在的大量空隙由于壓制過(guò)程中顆粒層之間的滑移得到排除，使得樣品中存在的空隙大為降低。

壓制成型前后撞擊感度變化結(jié)果差異值得關(guān)注的另一方面在于，對(duì)于新型含能材料合成研究而言，初期小型實(shí)驗(yàn)的撞擊感度往往使用粉末樣品進(jìn)行測(cè)試，而實(shí)際應(yīng)用中這些含能材料經(jīng)常會(huì)經(jīng)過(guò)精細(xì)的成型處理。因此，在對(duì)比含能材料的撞擊感度結(jié)果時(shí)，對(duì)于粉末類的樣品，首先應(yīng)當(dāng)確認(rèn)測(cè)試過(guò)程中的粒徑盡量相同；而比較實(shí)際應(yīng)用中的安全性能時(shí)，應(yīng)盡量選擇適當(dāng)?shù)姆绞竭M(jìn)行壓制成型后得到的結(jié)果。

圖4 壓制成型前后PBX粉末的撞擊感度值

2.3 含石墨PBX配方粉末粒徑對(duì)撞擊感度的影響

添加石墨降感劑后，四種含能晶體不同粉末粒徑的撞擊感度值如圖5所示。與圖1的變化趨勢(shì)相同，隨著顆粒粒徑的增加，撞擊感度呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。而經(jīng)過(guò)壓制后，撞擊感度的結(jié)果(見(jiàn)圖6)也呈現(xiàn)顯著的上升趨勢(shì)。

選用壓制后的樣品撞擊感度測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比(見(jiàn)圖7)，可以看出，加入石墨后PBX樣品的撞擊感度發(fā)生了一定程度的下降，表明石墨作為一類具有優(yōu)良導(dǎo)熱性質(zhì)的層狀結(jié)構(gòu)材料[14]，能夠在增加PBX樣品導(dǎo)熱性能的同時(shí)，通過(guò)對(duì)顆粒的潤(rùn)滑作用耗散撞擊產(chǎn)生的能量起到降感的效果。

圖5 添加石墨降感劑后不同顆粒粒徑的PBX粉末撞擊感度值

圖6 壓制成型前后PBX粉末的撞擊感度值

圖7 添加石墨前后PBX粉末的撞擊感度值

3 結(jié)論

(1)對(duì)相同配方組成的PBX樣品而言，不同顆粒粒徑樣品的撞擊感度測(cè)試結(jié)果表現(xiàn)為，隨著樣品顆粒粒徑的增加，撞擊感度呈下降的趨勢(shì)。

(2)對(duì)相同配方組成的PBX樣品，經(jīng)過(guò)壓制后樣品的撞擊感度相比粉末狀態(tài)的樣品呈下降的趨勢(shì)。

(3)添加石墨降感劑后，PBX粉末樣品和壓制后的樣品撞擊感度均比未添加石墨的PBX樣品低。

(4)由于撞擊感度測(cè)試結(jié)果與PBX粉末顆粒堆積以及壓制狀態(tài)密切相關(guān)，在進(jìn)行材料性能評(píng)估時(shí)，應(yīng)選擇與實(shí)際應(yīng)用狀態(tài)相近的樣品進(jìn)行撞擊感度測(cè)試，從而增加結(jié)果對(duì)比的可靠程度。