壓裝型TKX-50基通用爆破炸藥設(shè)計(jì)及安全性研究

王書記，王 迪，劉 平，孫曉樂(lè)，王小龍，郭學(xué)永

(1.北京理工大學(xué) 爆炸科學(xué)與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；2.重慶紅宇精密工業(yè)有限責(zé)任公司，重慶 402760；3.甘肅銀光化學(xué)工業(yè)集團(tuán)有限公司，甘肅 白銀 730900)

引言

通用爆破戰(zhàn)斗部作為目前被廣泛應(yīng)用的一類戰(zhàn)斗部，主要利用爆炸產(chǎn)生的高速破片與爆炸沖擊波對(duì)人員目標(biāo)和輕裝甲類目標(biāo)進(jìn)行毀傷，在當(dāng)今局部戰(zhàn)爭(zhēng)中發(fā)揮著重要作用[1-2]。隨著作戰(zhàn)環(huán)境日益復(fù)雜和目標(biāo)防護(hù)能力不斷增強(qiáng)，如何提高通用爆破戰(zhàn)斗部的安全性能和殺傷威力，是武器研制人員要迫切解決的問(wèn)題[3-4]。

1,1′-二羥基-5,5′-聯(lián)四唑二羥胺鹽(TKX-50)作為新型富氮含能化合物的代表，脫離了傳統(tǒng)硝基爆炸基團(tuán)的限制，其在四唑環(huán)上引入氧原子，使分子內(nèi)和分子間存在大量的氫鍵，在一定程度上兼顧“高能量、低感度”的特征(密度1.918g/cm3、爆速9698m/s、爆壓42.4GPa、撞擊感度20J、摩擦感度120N)，能量接近CL-20(密度2.035g/cm3、爆速9455m/s、爆壓42GPa)，感度接近RDX(撞擊感度7.5J、摩擦感度120N)，是一種具有較好應(yīng)用前景的高能量密度材料[5]。國(guó)內(nèi)對(duì)TKX-50自身的理化特性和改性研究進(jìn)行了初步探索[6-9]，但有關(guān)TKX-50在高能混合炸藥領(lǐng)域的研究尚處于起步階段。楊志劍等[10]以氟橡膠F2314為黏結(jié)劑，采用淤漿捏合法制備了典型TKX-50基高爆速炸藥配方，并對(duì)其爆轟和安全性能進(jìn)行了測(cè)試，并將實(shí)測(cè)性能與PBX-9501等炸藥進(jìn)行了對(duì)比分析。陳樹(shù)森等[11]以TNT為熔鑄載體，TKX-50與HMX為主體炸藥，設(shè)計(jì)制備了4種不同配方的熔鑄炸藥樣品，并對(duì)其安全性能和能量性能進(jìn)行對(duì)比研究，結(jié)果表明TKX-50基熔鑄炸藥的安全性能和能量性能均優(yōu)于HMX基熔鑄炸藥。邢曉玲等[12]設(shè)計(jì)制備了95.5%TKX-50/4.5%黏結(jié)劑的高爆速混合炸藥樣品，并對(duì)其爆速、爆熱、沖擊波感度進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果表明TKX-50基炸藥具有明顯的尺寸效應(yīng)和較低的沖擊波感度，但爆熱遠(yuǎn)低于HMX和CL-20基炸藥。國(guó)內(nèi)僅在TKX-50基高爆速、高格尼能炸藥方面進(jìn)行了一些基礎(chǔ)性研究，而對(duì)于TKX-50與可燃劑、氧化劑構(gòu)成的具有廣泛應(yīng)用前景的通用爆破類炸藥的研究尚未開(kāi)展。因此亟待針對(duì)三代含能材料TKX-50在混合炸藥中的應(yīng)用加強(qiáng)基礎(chǔ)理論和試驗(yàn)研究，獲得具有沖擊波和破片聯(lián)合高效毀傷作用的TKX-50基通用爆破炸藥，以滿足第三代高能炸藥技術(shù)發(fā)展和通用爆破類戰(zhàn)斗部的應(yīng)用需求。

與其他裝藥類型相比，壓裝造型粉炸藥具有較好的機(jī)械強(qiáng)度和環(huán)境適應(yīng)性，制備、裝藥工藝簡(jiǎn)單，且具有可大批量生產(chǎn)及非戰(zhàn)時(shí)可貯備的優(yōu)點(diǎn)，壓制成型后可方便裝填于形狀相對(duì)規(guī)則的戰(zhàn)斗部中，也可直接壓制到彈體中成型，能廣泛應(yīng)用于大中口徑及導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部裝藥，可有效提高我國(guó)武器裝備毀傷能力。國(guó)內(nèi)以TKX-50為主體的混合炸藥研究剛剛起步，因而，開(kāi)展壓裝型TKX-50基通用爆破炸藥技術(shù)研究具有重要意義。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 試劑與儀器

TKX-50，甘肅銀光化學(xué)工業(yè)有限公司；高品質(zhì)ε-CL-20，圓度值≥0.85，遼寧慶陽(yáng)特種化工有限公司；球形微米鋁粉，工業(yè)級(jí)，鞍鋼實(shí)業(yè)微細(xì)鋁粉有限公司；高氯酸銨(AP)，粒徑范圍100～150μm，大連北方氯酸鉀有限公司；F2603型氟橡膠，中藍(lán)晨光化工研究設(shè)計(jì)院有限公司；順式1，4-聚丁二烯橡膠(BR)，工業(yè)級(jí)，錦州石化股份有限公司；三元乙丙橡膠(EPDM)，工業(yè)級(jí)，中國(guó)石油天然氣股份有限公司吉林石化分公司。

Hitachi S-4700型掃描電子顯微鏡，日本日立公司；D8 ADVANCE型X射線衍射儀，德國(guó)布魯克公司；ZBL-B型撞擊感度儀、BM-B型摩擦感度儀，西安近代化學(xué)研究所。

1.2 TKX-50基通用爆破炸藥制備

采用水懸浮-捏合造粒工藝制備得到TKX-50基高能通用爆破炸藥造型粉顆粒，通過(guò)模具壓制得到成型藥柱。制備工藝流程如圖1和圖2所示，制備得到的造型粉顆粒及成型藥柱如圖3所示。

圖1 水懸浮工藝流程

圖2 捏合造粒工藝流程

圖3 造型粉顆粒及成型藥柱

1.3 性能測(cè)試方法和條件

根據(jù)GJB 772A-97《炸藥試驗(yàn)方法》及《軍用混合炸藥試驗(yàn)方法匯編》相關(guān)實(shí)驗(yàn)方法對(duì)所設(shè)計(jì)的壓裝型TKX-50基通用爆破炸藥的機(jī)械感度、爆熱、爆速以及不敏感性能進(jìn)行測(cè)試。

根據(jù)GJB 772A-97方法601.1《爆炸概率法》對(duì)壓裝型TKX-50基通用爆破炸藥的撞擊感度進(jìn)行測(cè)試，落錘質(zhì)量為10kg，落高為25cm，單組實(shí)驗(yàn)藥量50mg；根據(jù)GJB 772A-97方法602.1《爆炸概率法》測(cè)試摩擦感度，壓力為3.92MPa，擺角90°，單組實(shí)驗(yàn)藥量20mg。

采用軍用混合炸藥匯編方法301.2《非理想炸藥爆熱測(cè)試方法》，使用爆熱彈測(cè)試了炸藥的爆熱。將被測(cè)非理想炸藥制成直徑40mm、質(zhì)量(100.0±0.1)g的藥柱，裝藥密度為理論密度的95%～97%；將JH-14傳爆藥柱壓制成直徑15mm、質(zhì)量(4.3±0.1)g的藥柱，密度為(1.66±0.01)g/cm3。將被測(cè)炸藥和傳爆藥的質(zhì)量精確稱量至0.1mg，將傳爆藥柱緩慢裝入被測(cè)炸藥試樣上端面中心位置。

按照GJB772A-97方法702.1《爆速 電測(cè)法》對(duì)樣品的爆速進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試樣品為Φ40mm×40mm 的藥柱，裝藥密度為1.95g/cm3。

1.4 不敏感性測(cè)試

依據(jù)《軍用混合炸藥試驗(yàn)方法匯編》方法701.1“炸藥慢速烤燃試驗(yàn)”、方法702.1“炸藥快速烤燃試驗(yàn)”、方法704.1“炸藥12.7mm子彈撞擊試驗(yàn)”和方法705.1“炸藥12.7mm破片撞擊試驗(yàn)”對(duì)壓裝型TKX-50基通用爆破炸藥的不敏感性進(jìn)行測(cè)試。實(shí)驗(yàn)所用單個(gè)藥柱尺寸為Φ60mm×40mm，殼體內(nèi)徑尺寸為Φ60mm×240mm，殼體厚度3mm，材料為45號(hào)鋼。

2 結(jié)果與討論

2.1 TKX-50基通用爆破炸藥配方設(shè)計(jì)

2.1.1 設(shè)計(jì)思路

(1)對(duì)主體炸藥晶體品質(zhì)進(jìn)行優(yōu)化處理并構(gòu)建“核-殼-殼”結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)包覆降感；

(2)設(shè)計(jì)低摩擦系數(shù)、高比熱容黏結(jié)劑體系，實(shí)現(xiàn)“形變吸能、相變吸熱”，增強(qiáng)不敏感特性；

(3)采用模量可調(diào)的復(fù)合黏結(jié)劑體系，優(yōu)化復(fù)合黏結(jié)劑體系的力學(xué)性能，改善壓藥成型性能，提高裝藥密度，降低藥柱膨脹率；

(4)藥氧比和鋁氧比優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)破片驅(qū)動(dòng)和沖擊波毀傷的聯(lián)合效應(yīng)。

2.1.2 能量設(shè)計(jì)

通用爆破炸藥用于殺爆戰(zhàn)斗部，以沖擊波和破片進(jìn)行毀傷，要求炸藥有合適的爆速和爆熱。選擇不敏感炸藥TKX-50與高能炸藥CL-20復(fù)配作為主體炸藥，實(shí)現(xiàn)通用爆破炸藥的高爆速；選擇Al作為可燃劑、AP作為氧化劑，實(shí)現(xiàn)通用爆破炸藥的高爆熱；通過(guò)調(diào)節(jié)配方的藥氧比和燃氧比，優(yōu)化配方中主體炸藥、可燃劑、氧化劑的配比，實(shí)現(xiàn)TKX-50基通用爆破炸藥高爆速與高爆熱的耦合。結(jié)合實(shí)際經(jīng)驗(yàn)及TKX-50的不敏感特性，混合體系的黏結(jié)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)設(shè)定為6%，采用EXPLO5對(duì)不同通用爆破炸藥配方的能量參數(shù)進(jìn)行理論計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 不同配方能量參數(shù)計(jì)算結(jié)果

由表1可以看出，當(dāng)TKX-50、CL-20、Al、AP、黏結(jié)劑的質(zhì)量比為33∶30∶27∶4∶6時(shí)，其理論密度為2.021g/cm3、爆速為8054m/s，爆熱為8967kJ/kg，所設(shè)計(jì)的混合炸藥綜合能量性能較為優(yōu)異。

2.1.3 不敏感性能設(shè)計(jì)

炸藥裝藥作為彈藥的核心，其不敏感性直接影響彈藥甚至武器系統(tǒng)的安全性和戰(zhàn)場(chǎng)生存能力，因此需要進(jìn)行不敏感性能設(shè)計(jì)。不敏感性能設(shè)計(jì)技術(shù)途徑主要有炸藥晶體優(yōu)化、包覆降感以及復(fù)合鈍感黏結(jié)劑載體設(shè)計(jì)3種方式[13]。炸藥晶體經(jīng)過(guò)優(yōu)化處理，晶體形貌及品質(zhì)得到提升，感度一定程度上有所降低，不敏感性能提升；同時(shí)通過(guò)包覆降感以及復(fù)合鈍感黏結(jié)劑載體設(shè)計(jì)，能夠有效降低混合炸藥體系在意外激元刺激下的響應(yīng)程度和反應(yīng)等級(jí)，大幅提升體系在熱、機(jī)械等刺激下的安全性。

(1)炸藥晶體優(yōu)化

通過(guò)對(duì)單質(zhì)炸藥原材料結(jié)晶過(guò)程的控制，去除晶體表面棱角、消除炸藥顆粒內(nèi)部缺陷，使顆粒圓滑化，得到高品質(zhì)炸藥晶體，提高本質(zhì)安全性。重結(jié)晶前后TKX-50與CL-20晶體形貌如圖4所示。

圖4 重結(jié)晶前后TKX-50和CL-20晶體形貌

由圖4可以看出，經(jīng)過(guò)重結(jié)晶處理，炸藥晶形均有明顯的改善，晶體表面棱角減少，可以有效降低炸藥晶體的機(jī)械感度，重結(jié)晶前后炸藥部分性能參數(shù)測(cè)試結(jié)果如表2和表3所示。

表2 重結(jié)晶前后TKX-50晶體性能對(duì)比

表3 重結(jié)晶前后ε-CL-20晶體性能對(duì)比

由測(cè)試結(jié)果可看出，重結(jié)晶后TKX-50和CL-20各項(xiàng)性能均優(yōu)于重結(jié)晶前，說(shuō)明炸藥晶體經(jīng)過(guò)重結(jié)晶處理，其本質(zhì)安全性得到一定程度的提高。

(2)主體炸藥包覆降感

為進(jìn)一步降低主體炸藥的機(jī)械感度，根據(jù)降感機(jī)理研究，基于阻止熱點(diǎn)產(chǎn)生和傳播的思想方法，采用水懸浮方法，通過(guò)工藝參數(shù)控制，優(yōu)選包覆材料對(duì)主體炸藥進(jìn)行核-殼結(jié)構(gòu)包覆降感。

采用Materials Studio軟件對(duì)不同條件下TKX-50/黏結(jié)劑、CL-20/黏結(jié)劑體系的結(jié)合能和內(nèi)聚能密度進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如表4所示。

表4 不同黏結(jié)劑材料與TKX-50的結(jié)合能及內(nèi)聚能密度

由理論計(jì)算結(jié)果結(jié)合實(shí)際情況，優(yōu)選F2603作為包覆降感材料，采用水懸浮工藝分別對(duì)TKX-50、CL-20進(jìn)行包覆，并對(duì)包覆后樣品的感度進(jìn)行測(cè)試。包覆后樣品如圖5所示。

圖5 包覆后炸藥樣品

包覆前后TKX-50、CL-20的感度如表5所示。

表5 主體炸藥包覆前后機(jī)械感度測(cè)試結(jié)果

由測(cè)試結(jié)果可以看出，主體炸藥經(jīng)一定比例的黏結(jié)劑包覆處理后，其機(jī)械感度顯著降低，安全性得到進(jìn)一步提升。

(3)復(fù)合鈍感黏結(jié)劑載體設(shè)計(jì)

黏結(jié)劑體系是壓裝混合炸藥的關(guān)鍵技術(shù)，不僅影響炸藥的安全性能、成型藥柱的力學(xué)性能，對(duì)于壓藥成型性和裝藥密度也有非常重要的影響。此外，黏結(jié)劑的性能和含量還會(huì)影響爆炸性能、長(zhǎng)貯安定性及制備工藝性。而單一的黏結(jié)劑無(wú)法滿足炸藥在能量、裝藥及安全性等方面的綜合性能要求，綜合考慮不同類型黏結(jié)劑的性能，選擇聚合高分子材料作為復(fù)合鈍感黏結(jié)劑組分。

設(shè)計(jì)A、B、C、D共4組不同復(fù)合鈍感黏結(jié)劑，制備出的黏結(jié)劑膠片如圖6所示，表6為幾種常見(jiàn)橡膠的性能參數(shù)，表7為不同類型復(fù)合鈍感黏結(jié)劑的力學(xué)性能，表8為不同樣品的機(jī)械感度及藥柱成型膨脹率。

表6 幾種常見(jiàn)橡膠性能參數(shù)

圖6 不同種類黏結(jié)劑膠片

表7 不同黏結(jié)劑力學(xué)性能參數(shù)對(duì)比

表8 不同炸藥樣品感度及藥柱膨脹率(6%黏結(jié)劑)

通過(guò)改變黏結(jié)劑體系中各組分的配比，調(diào)節(jié)復(fù)合鈍感黏結(jié)劑的模量，系統(tǒng)研究復(fù)合鈍感黏結(jié)劑含量對(duì)混合炸藥體系機(jī)械感度、藥柱成型性能的影響規(guī)律，發(fā)揮黏結(jié)劑在熱作用下“相變吸熱”、機(jī)械作用下“形變吸能”的效果，優(yōu)化混合炸藥體系中黏結(jié)劑的最佳含量，實(shí)現(xiàn)通用爆破炸藥高能量與低感度的統(tǒng)一。

綜合考慮力學(xué)性能、機(jī)械感度、成型性，壓裝型TKX-50基通用爆破炸藥配方采用C型三元乙丙基復(fù)合鈍感黏結(jié)劑。

2.2 壓裝型TKX-50基高能通用爆破炸藥性能

測(cè)得TCL-5的撞擊感度為12%，摩擦感度為8%。當(dāng)ρ為1.95g/cm3時(shí)，TCL-5的爆熱為8567kJ/kg。

爆速計(jì)算公式如下：

(1)

式中：Di為爆轟波傳播速度；ΔLi為探針距離；Δti為時(shí)間。

采用式(1)，3次測(cè)試計(jì)算得到TCL-5的平均爆速為7895m/s。

2.3 壓裝型TKX-50基通用爆破炸藥不敏感性能

2.3.1 慢速烤燃

將裝有TCL-5炸藥的模擬彈置于慢烤試驗(yàn)箱中，以升溫速率3.3℃/h緩慢升高環(huán)境溫度，直至樣品發(fā)生爆炸或溫度達(dá)到400℃，根據(jù)試樣發(fā)生反應(yīng)的劇烈程度，評(píng)定其慢速烤燃反應(yīng)等級(jí)。慢烤結(jié)束后模擬彈殼體及試驗(yàn)箱如圖7所示。

圖7 慢烤試驗(yàn)后殼體及試驗(yàn)箱

綜合評(píng)定，判定裝有TCL-5炸藥的彈體在慢速烤燃試驗(yàn)中的反應(yīng)等級(jí)為燃燒反應(yīng)。

2.3.2 快速烤燃

將裝有TCL-5炸藥的模擬彈固定在底部為燃料槽的支架上，通過(guò)引燃燃料(航空煤油)使模擬彈置于高溫火焰源中，采用光測(cè)和電測(cè)手段，記錄試樣發(fā)生反應(yīng)的劇烈程度，評(píng)定其快速烤燃性能。快烤結(jié)束后模擬彈殼體及裝藥如圖8所示。

圖8 快烤試驗(yàn)后殼體及裝藥

綜合評(píng)定，判定裝有TCL-5炸藥的彈體在快速烤燃試驗(yàn)中的反應(yīng)等級(jí)為燃燒反應(yīng)。

2.3.3 子彈撞擊

用12.7mm標(biāo)準(zhǔn)穿甲燃燒彈進(jìn)行試驗(yàn)。在穿甲燃燒彈的高速撞擊和摩擦以及后續(xù)爆燃過(guò)程等作用下，炸藥受熱可能發(fā)生分解甚至點(diǎn)火、燃燒或爆炸反應(yīng)。通過(guò)觀察試驗(yàn)現(xiàn)象、回收樣品殘骸和測(cè)量沖擊波超壓等方式綜合判斷炸藥在12.7mm穿甲燃燒彈撞擊作用下的響應(yīng)類型的等級(jí)和響應(yīng)程度。子彈撞擊后的殼體照片如圖9所示。

圖9 子彈撞擊后試驗(yàn)殼體

綜合評(píng)定，判定裝有TCL-5炸藥的彈體在子彈撞擊試驗(yàn)中的反應(yīng)等級(jí)為燃燒反應(yīng)。

2.3.4 破片撞擊

用30mm火炮或其他發(fā)射裝置發(fā)射破片，使破片速度保持在(1830±60)m/s。通過(guò)觀察試驗(yàn)現(xiàn)象、回收樣品殘骸和測(cè)量沖擊波超壓等方式綜合判斷炸藥在12.7mm破片撞擊作用下的響應(yīng)類型的等級(jí)和響應(yīng)程度。破片撞擊后的殼體照片如圖10所示。

圖10 破片撞擊后試驗(yàn)殼體

綜合評(píng)定，判定裝有TCL-5炸藥的彈體在破片撞擊試驗(yàn)中的反應(yīng)等級(jí)為燃燒反應(yīng)。

3 結(jié) 論

(1)采用水懸浮-捏合造粒工藝制備了TKX-50基通用爆破炸藥，主體炸藥經(jīng)過(guò)重結(jié)晶與“核-殼”結(jié)構(gòu)包覆降感處理，并采用鈍感組分通過(guò)捏合工藝構(gòu)建“核-殼-殼”結(jié)構(gòu)造型粉顆粒，實(shí)現(xiàn)包覆鈍感，可以顯著降低混合炸藥的敏感性。

(2)通過(guò)改變黏結(jié)劑組分的配比，設(shè)計(jì)模量可調(diào)的復(fù)合鈍感黏結(jié)劑體系，實(shí)現(xiàn)“形變吸能、相變吸熱”，有效改善了裝藥的機(jī)械性能，同時(shí)混合炸藥體系的不敏感特性增強(qiáng)。

(3)多技術(shù)途徑的綜合應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了TKX-50基通用爆破炸藥高能量、不敏感的有機(jī)耦合，獲得的TCL-5炸藥裝藥密度達(dá)到1.95g/cm3、爆速7895m/s、爆熱8567kJ/kg，可以通過(guò)快速烤燃、慢速烤燃、子彈撞擊和破片撞擊4項(xiàng)不敏感試驗(yàn)考核，具有較好的不敏感特性。