HMX顆粒特性對PBX炸藥包覆及成型的影響

詹春紅，屈延陽，王 軍，徐瑞娟

HMX顆粒特性對PBX炸藥包覆及成型的影響

詹春紅，屈延陽，王 軍，徐瑞娟

（中國工程物理研究院化工材料研究所，四川 綿陽，621900）

選取有代表性形貌和粒度的4種普通HMX，通過水懸浮法得到不同造型粉，并將造型粉在SANS材料試驗(yàn)機(jī)上壓制成型。對HMX包覆前后進(jìn)行XPS測試，并對HMX壓制前后進(jìn)行電鏡掃描及對造型粉壓制成型進(jìn)行壓力——密度曲線分析。研究表明HMX晶體顆粒的大小及形貌對同種粘結(jié)劑的包覆度影響較大，其中細(xì)顆粒以及顆粒級(jí)配的HMX基PBX包覆度較好；粗顆粒HMX晶體或有粒度級(jí)配時(shí)造型粉可壓性較好。

HMX；包覆；PBX；成型性

高聚物粘結(jié)炸藥（Polymer Bonded Explosive，PBX）是通過一定的制作工藝使單質(zhì)炸藥顆粒包覆上高聚物粘結(jié)劑而形成的復(fù)合材料顆粒，也稱作塑料粘結(jié)炸藥[1]。PBX炸藥既保持了高能炸藥的爆炸性能，又可以利用高聚物材料易于成型和加工的優(yōu)勢，按照使用要求壓制成特殊功能的炸藥件，且聚合物對炸藥顆粒的包覆降感作用有效提高了混合炸藥的安全性能、力學(xué)性能和成型性能，因此廣泛應(yīng)用于發(fā)射藥、推進(jìn)劑和混合炸藥中[2]。PBX炸藥性能主要受主體炸藥及粘結(jié)劑的影響，其中主體炸藥的顆粒特性是影響PBX炸藥包覆及成型性能的主要因素。

梁華瓊等[3]研究了PBX壓制成型的基本規(guī)律，指出壓制成型藥柱內(nèi)部炸藥顆粒破碎產(chǎn)生的缺陷將會(huì)對其安全性能造成影響。劉佳輝等人[4]研究了3種不同粒徑的高品質(zhì)HMX炸藥在壓制后微結(jié)構(gòu)和粒度分布的變化，研究表明隨著顆粒粒徑的增大，炸藥的包覆效果和力學(xué)強(qiáng)度降低，導(dǎo)致壓制PBX中更多晶體的破碎。目前雖然報(bào)道了用壓縮剛度法評(píng)價(jià)不同HMX顆粒的可壓性，但是對不同HMX顆粒特性與成型性之間的相互規(guī)律尚沒有清晰的認(rèn)識(shí)[5]。為了進(jìn)一步研究主體炸藥HMX的顆粒特性與PBX炸藥包覆度以及PBX成型性能的相互規(guī)律，本文選取有代表性形貌和粒度的4種普通HMX，研究粒度、形貌及缺陷對其PBX炸藥包覆及成型的影響規(guī)律。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料及主要實(shí)驗(yàn)設(shè)備

HMX：工業(yè)級(jí)，甘肅銀光化工公司；氟橡膠F2311：工業(yè)品，晨光化工研究院；乙酸乙酯：分析純，天津化學(xué)試劑有限公司。HMX顆粒特性見表1。

表1 不同HMX顆粒特性

Tab.1 Different HMX particle characteristics

注：晶體內(nèi)部孔隙率=（理論值-實(shí)測值）/理論值×100%，其中理論值=1.905g/cm3。

主要實(shí)驗(yàn)設(shè)備包含：KYKY2800掃描電子顯微鏡，0~30kV；英國ESCALAB250 X-射線光電子能譜儀；英國EDAX能譜儀；SANS材料試驗(yàn)機(jī)。

1.2 樣品制備

按照HMX/F2311=95/5配比，采用水懸浮法制備造型粉顆粒，編號(hào)與主體炸藥編號(hào)相對應(yīng)，然后采用模壓法進(jìn)行不同顆粒狀態(tài)HMX基PBX壓制成型實(shí)驗(yàn)，壓制成Ф20mm×20mm藥柱。

2 結(jié)果討論

2.1 粒度和形貌對包覆的影響

PBX造型粉的包覆效果一般用包覆度來表征，指單質(zhì)炸藥顆粒中，被包覆的表面積與其總表面積之比[6]。其原理是基于只存在于單質(zhì)炸藥中的氮或其它元素的XPS強(qiáng)度(或峰面積)，通過式（1）[6]計(jì)算得到：

=（N0-Nx）/N0×100% （1）

式（1）中：為包覆度；N0為未包覆炸藥顆粒表面N原子質(zhì)量百分?jǐn)?shù)；Nx為造型粉顆粒表面N原子質(zhì)量百分?jǐn)?shù)。N原子的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)通過其相應(yīng)的XPS峰強(qiáng)度(或峰面積)得到。

對炸藥HMX及包覆后的PBX造型粉進(jìn)行XPS測試，XPS對比譜圖如圖1所示。根據(jù)圖1可得到各樣品表面部分的原子量分?jǐn)?shù)，包覆度計(jì)算結(jié)果見表2。

圖1 HMX與PBX造型粉XPS譜圖

從表2可知，這4種PBX造型粉的包覆度從大到小依次為PBX-3、PBX-4、PBX-2、 PBX-1。

表2 樣品表面原子質(zhì)量分?jǐn)?shù)及包覆度 (%)

Tab.2 Results of sample surface atomic mass fraction and coating degree

對比表1~2結(jié)果可見包覆效果與顆粒特性密切相關(guān)，HMX顆粒的表面越規(guī)整，對應(yīng)的PBX造型粉表面的含氮量越高，包覆效果就越差；另外，隨著HMX粒度增大或顆粒偏粗，包覆效果都相對差一些；PBX-2的包覆效果介于PBX-4與PBX-1之間，表明粒度級(jí)配可以改善粘結(jié)劑對炸藥晶體的包覆效果。劉佳輝等人也研究了高品質(zhì)HMX晶體在不同粒徑分布下的包覆效果，與本文實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合，隨著高品質(zhì)HMX平均粒徑的增大，粘結(jié)劑對HMX顆粒的包覆效果遞減[4]?？傮w而言，HMX顆粒形貌破碎不規(guī)整，以及適量細(xì)顆粒包覆效果更好。

2.2 HMX顆粒對成型的影響

炸藥壓制成型過程中隨著致密化的增加，破碎變得更廣泛，其程度也加深。通常壓力越大，顆粒的破碎現(xiàn)象越嚴(yán)重[7]。McDowell等指出，顆粒破碎跟自身粒徑有關(guān)，同時(shí)也與相鄰顆粒數(shù)目和大小有關(guān)[8]。由于顆粒中存在缺陷（裂隙、空隙等），顆粒破碎強(qiáng)度隨顆粒粒徑變化而變化，既隨著顆粒粒徑減小，破碎強(qiáng)度增大。潘麗萍等[5]報(bào)道過普通HMX和高品質(zhì)HMX不同顆粒及顆粒級(jí)配對HMX基PBX成型性能的影響。本文使用SANS材料試驗(yàn)機(jī)，對HMX基的PBX造型粉在不同壓力（200MPa，250MPa，300MPa，350MPa，400MPa）下壓制成Ф20mm×20mm藥柱，獲得壓力——密度曲線，見圖2。

圖 2 PBX藥柱壓力——密度曲線圖

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通過比較不同HMX顆粒狀態(tài)的PBX壓力——密度曲線，發(fā)現(xiàn)隨著壓力增高，由于HMX顆粒破碎，不同顆粒HMX基PBX的藥柱密度接近，但是在低壓力時(shí)(300MPa)，顆粒晶型規(guī)整的粗顆粒HMX-1基PBX所得壓制密度最高，可壓性最好；隨著壓力增高，350MPa以上時(shí)，由于HMX顆粒破碎，不同顆粒HMX基PBX的藥柱密度接近，但是顆粒級(jí)配HMX由于凝聚強(qiáng)度低，其PBX的密度不斷升高，顆粒級(jí)配HMX-3基PBX-3的密度最高。HMX壓制前后的形貌如圖3所示，在圖3（b）中HMX-1顆粒有破碎，但晶型仍清晰，HMX-2顆粒破碎較多，HMX-3顆粒基本破碎，HMX-4顆粒壓制前后形貌差異不大。因此，炸藥HMX晶體的顆粒尺寸對壓制成型性有一定的影響，顆粒級(jí)配或越小在壓制成型過程中越不易破碎，如圖3（b）中HMX-1及HMX-4。

圖3 400MPa壓制前后HMX形貌

其原因可能是細(xì)顆粒HMX包覆較好，外部壓力被黏結(jié)劑吸收，晶體損傷減少，另外，粒度級(jí)配也可以改善PBX炸藥的包覆效果，從而減少晶體在壓制過程中發(fā)生斷裂損傷。隨著晶體粒徑的增大，HMX基PBX造型粉在壓制過程中，晶體表面出現(xiàn)裂紋，顆粒尖端和棱角發(fā)生破碎，如圖3（b）中HMX-1。其原因是由于黏結(jié)劑對大顆粒的HMX包覆效果相對較差，PBX-1的包覆度僅為28.35%，細(xì)顆粒的HMX-4和適當(dāng)級(jí)配的HMX-3分別為36.44%和54.93%。

3 結(jié)論

炸藥晶體顆粒的大小及形貌對同種粘結(jié)劑的包覆度影響較大，其中細(xì)顆粒以及顆粒級(jí)配的HMX基PBX包覆度較好。HMX晶體的顆粒、形貌與黏結(jié)劑的包覆協(xié)同作用共同影響PBX造型粉壓制過程中的成型性。粗顆粒HMX晶體或有粒度級(jí)配時(shí)，可壓性較好，通過PBX壓力——密度曲線比較可得PBX-1和PBX-2壓制密度更高，顆粒在壓制過程中損傷較少，有助于成型性。另外，HMX-3與HMX-2同樣含有適量細(xì)顆粒，但是HMX-3顆粒破碎不規(guī)整，更有利于壓制過程中顆粒的原位級(jí)配過程，因此，PBX-3相比于PBX-2的壓制密度更高。

[1] 孫業(yè)斌,惠君明,曹欣茂.軍用混合炸藥[M].北京：兵器工業(yè)出版社,1995．

[2] 董海山,周芬芬.高能炸藥及相關(guān)物性能[M].北京:科學(xué)出版社,1989．

[3] 梁華瓊,韓超,雍煉,陳學(xué)平,蘭瓊.高聚物黏結(jié)炸藥的壓制成型性[J].火炸藥學(xué)報(bào),2010(33):44-48.

[4] 劉佳輝,劉世俊,黃明,李洪珍,聶福德.鋼模壓制下高品質(zhì)HMX晶體的損傷規(guī)律[J].火炸藥學(xué)報(bào),2012(35):42-46.

[5] 潘麗萍,劉世俊,林聰妹,劉家輝.HMX顆粒特性對HMX基PBX成型性能的影響[C]//重慶市（四川省）兵工學(xué)會(huì)含能材料專委會(huì)2011年學(xué)術(shù)交流會(huì)論文集,2011.

[6] 宋華杰,董海山,郝瑩.對用XPS技術(shù)評(píng)價(jià)塑料粘結(jié)炸藥造型粉包覆度的幾點(diǎn)看法[J].兵工學(xué)報(bào),2002(23):132-135.

[7] 梁華瓊,周旭輝,唐常良,楊永林.HMX鋼模壓制的微觀結(jié)構(gòu)演變研究[J].含能材料,2008(16):188-190.

[8] McDowell, G. R. On the yielding and plastic compression of sand [J]. Soil and Foundations, 2002(42):139-145.

Effect of HMX Particle Characteristics on PBX Explosive Coating and Molding

ZHAN Chun-hong，QU Yan-yang，WANG Jun, XU Rui-juan

(Institute of Chemical Materials, China Academy of Engineering Physics, Mianyang，621900)

In this paper, four kinds of ordinary HMX with representative morphology and particle size were selected, then different modeling powders were obtained by water suspension method, and the modeling powders were pressed into shape on the SANS material test machine. XPS of HMX before and after coating was tested, and HMX samples were characterized before and after pressing by electron microscope scanning, as well as the pressuredensity curve analysis was carried out for modeling powder. The study show that the particle size and morphology of the HMX crystals has obvious effect on the coating degree for the same binder, the coating degree of the HMX based PBX with fine and grading particles is good, the compressibility of modeling powder is better for coarse HMX crystal or particle size grading of HMX.

HMX；Coating；PBX；Formability

TQ564

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2019.03.015

1003-1480（2019）03-0058-03

2019-01-22

詹春紅（1974 -），女，碩士，主要從事復(fù)合含能材料工藝研究。