CL-20 基壓裝型溫壓炸藥的設(shè)計(jì)及性能研究?

張 磊 吳成成 王正宏 李世偉 王 碩 郭學(xué)永

①西安現(xiàn)代控制技術(shù)研究所(陜西西安，710065)

②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)

③遼寧慶陽(yáng)特種化工有限公司(遼寧遼陽(yáng)，111000)

引言

溫壓炸藥通常是以高能炸藥、氧化劑、可燃劑為主體，并配以黏結(jié)劑和添加劑組成的一種非理想炸藥[1]。為了實(shí)現(xiàn)溫壓炸藥的高能量密度化、能量輸出可控化，提高對(duì)爆炸環(huán)境中氧的利用率，國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要從降低燃料的點(diǎn)火閾值、提高燃料的反應(yīng)完全性、改善燃料粒子與環(huán)境中氧的混合度、提高燃料燃燒反應(yīng)速率等方面進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)，多維度地研究了溫壓炸藥爆炸能量輸出結(jié)構(gòu)的時(shí)空演化規(guī)律，但多集中在以黑索今(RDX)、奧克托今(HMX)等二代含能材料為基的溫壓炸藥[2-4]。隨著高能量密度材料、高活性功能材料、復(fù)合裝藥形式等的發(fā)展，如何將其有機(jī)融合在溫壓炸藥體系中逐漸成為當(dāng)前高能炸藥發(fā)展的熱點(diǎn)和趨勢(shì)。

六硝基六氮雜異伍茲烷(CL-20)由Nielsen等于1987年首次合成[5]，是一種具有籠型結(jié)構(gòu)的多晶型高能量密度化合物(HEDC)[6]。在常溫、常壓下，CL-20存在4種晶型(α、β、γ、ε)，其中，ε-CL-20的密度最大、熱穩(wěn)定性最好、感度最低[7-8]。ε-CL-20 是當(dāng)今綜合性能最好的第三代單質(zhì)炸藥之一，能量輸出比HMX 高約14%[9]；但是，ε-CL-20 較高的機(jī)械感度、容易發(fā)生晶型轉(zhuǎn)變等問(wèn)題嚴(yán)重阻礙了它在高能炸藥中的應(yīng)用[10-11]。隨著CL-20 工程化制造的實(shí)現(xiàn)，美國(guó)已成功研制了CL-20 基高能炸藥:LX-19、PAX-12、PAX-11、PAX-29、DLE-C038 和PBXW-16等[12-17]，而且正不斷地探索性能更優(yōu)的配方。但目前未見(jiàn)報(bào)道CL-20 基溫壓炸藥配方。

本文中，針對(duì)地面目標(biāo)毀傷特性，通過(guò)分析溫壓炸藥爆炸反應(yīng)歷程，制定了CL-20 基壓裝型溫壓炸藥設(shè)計(jì)途徑，通過(guò)多種試驗(yàn)手段和方法對(duì)其爆轟性能和安全性能進(jìn)行了綜合測(cè)量與分析評(píng)價(jià)，以突破高能量密度材料CL-20 在溫壓炸藥中的應(yīng)用難點(diǎn)。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

CL-20，工業(yè)級(jí)，遼寧慶陽(yáng)特種化工有限公司；特細(xì)球形微米鋁粉，F(xiàn)LQT2[D50為(24 ± 3) μm]、FLQT4[D50為(6.0 ±1.5)μm]、FLQT5(D50為1～4 μm)，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)，粒度范圍100～150 μm，大連北方氯酸鉀有限公司；F2603 型氟橡膠，工業(yè)級(jí)，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；80 號(hào)微晶蠟，工業(yè)級(jí)，撫順駿達(dá)蠟業(yè)有限公司；石墨，微米級(jí)，上海一帆石墨有限公司；乙酸乙酯、石油醚，分析純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

Hitachi S-4700 型掃描電子顯微鏡，日本日立公司；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 試驗(yàn)過(guò)程

1)三元乙丙基復(fù)合鈍感黏結(jié)劑溶液制備。將一定質(zhì)量比的溶劑、黏結(jié)劑和鈍感劑投入溶解釜，并開(kāi)動(dòng)攪拌。溶解釜的夾套中通入熱水，夾套溫度55～60 ℃為宜，待全部溶解并混合均勻，即為配制好的復(fù)合鈍感黏結(jié)劑溶液。

2)捏合。將配制好的鈍感黏結(jié)劑按一定比例加入到捏合機(jī)中，再加入CL-20 捏合10 min 后，加入鋁粉、AP 捏合60 min。在一定的攪拌轉(zhuǎn)速下，用真空濃縮系統(tǒng)抽出多余的溶劑，扭矩達(dá)到一定數(shù)值后停止真空濃縮操作，將捏合物料送至造條機(jī)加料槽內(nèi)。

3)造條。真空驅(qū)溶的混合物料轉(zhuǎn)入造條機(jī)中，經(jīng)槳葉與孔板擠壓后，物料通過(guò)造粒篩板得到藥條，而后進(jìn)行預(yù)烘干。

4)斷粒。預(yù)烘干后的藥條經(jīng)振動(dòng)篩振動(dòng)斷粒，得到一定長(zhǎng)度的造型粉。

5)光澤。斷粒后的造型粉進(jìn)入光澤機(jī)中，加入一定量的石墨進(jìn)行滾光。

6)烘干。將光澤后的造型粉經(jīng)烘干工序烘除藥粒中少量溶劑，干燥溫度為40～45 ℃。

1.3 測(cè)試方法和條件

1.3.1 裝藥密度

裝藥密度按GJB 772A—1997 方法401.2 藥柱(塊)密度-液體靜力稱量法測(cè)試。根據(jù)已知質(zhì)量的試樣所排開(kāi)專用浸液的體積，求出試樣的密度。

1.3.2 爆轟性能

爆熱測(cè)試按《軍用混合炸藥配方評(píng)審適用試驗(yàn)方法匯編》301.2 非理想炸藥爆熱測(cè)試方法進(jìn)行。藥柱直徑40 mm，藥柱質(zhì)量(100.0 ±0.1)g。

爆速測(cè)試按GJB 772A—1997 方法702.1 爆速-電測(cè)法進(jìn)行，藥柱尺寸?40 mm×40 mm。

1.3.3 安全性能

撞擊感度測(cè)試按GJB 772A—1997 方法601.1撞擊感度-爆炸概率法進(jìn)行。樣品質(zhì)量(50 ±1)mg，落錘質(zhì)量10 kg，落高25 cm。

摩擦感度測(cè)試按照GJB 772A—1997 方法602.1 摩擦感度-爆炸概率法進(jìn)行。樣品質(zhì)量(20 ±1)mg，表壓3.92 MPa，擺角90°。

低易損性試驗(yàn):慢速烤燃試驗(yàn)按照《軍用混合炸藥配方評(píng)審適用試驗(yàn)方法匯編》方法701.1 炸藥慢速烤燃試驗(yàn)進(jìn)行；快速烤燃試驗(yàn)按《軍用混合炸藥配方評(píng)審適用試驗(yàn)方法匯編》方法702.1 炸藥快速烤燃試驗(yàn)進(jìn)行；12.7 mm子彈撞擊試驗(yàn)按《軍用混合炸藥配方評(píng)審適用試驗(yàn)方法匯編》方法704.1 炸藥12.7 mm 子彈撞擊試驗(yàn)進(jìn)行。3 項(xiàng)試驗(yàn)中，殼體內(nèi)腔尺寸?60 mm ×240 mm，藥柱尺寸?60 mm ×60 mm，殼體厚度3 mm。

2 結(jié)果與討論

2.1 CL-20 基壓裝型溫壓炸藥的配方設(shè)計(jì)

溫壓炸藥爆炸反應(yīng)過(guò)程涉及3 個(gè)階段:最初的無(wú)氧爆炸反應(yīng)、爆炸后的無(wú)氧燃燒反應(yīng)和爆炸后的有氧燃燒反應(yīng)，如圖1 所示。

根據(jù)二次反應(yīng)理論[18]，鋁粉在最初的無(wú)氧爆炸反應(yīng)時(shí)沒(méi)有參加C-J 面的反應(yīng)或在C-J 面遠(yuǎn)未反應(yīng)完全。在爆炸后的無(wú)氧燃燒反應(yīng)階段，鋁粉與爆轟產(chǎn)物、氧化劑的分解產(chǎn)物反應(yīng)，因而鋁氧比R是溫壓炸藥能量設(shè)計(jì)的一個(gè)重要參數(shù)，計(jì)算公式為:

式中:R為鋁氧物質(zhì)的量的比(鋁氧比)；n(Al)為1 kg 混合炸藥中鋁元素的物質(zhì)的量；n(O)為1 kg 混合炸藥中氧元素的物質(zhì)的量。

一般設(shè)計(jì)Al2O3的化學(xué)當(dāng)量比為0.67 左右。為了確定CL-20 基壓裝型溫壓炸藥的組成結(jié)構(gòu)，通過(guò)EXPLO5 計(jì)算了不同炸藥配方的能量參數(shù)，計(jì)算結(jié)果如表1 所示。

表1 CL-20 基壓裝型溫壓炸藥配方及能量參數(shù)Tab.1 Formulation and energy parameters of CL-20 based pressed thermobaric explosive

一般而言，鋁粉顆粒粒徑越小，顆粒比表面積越大，反應(yīng)活性越高，具體表現(xiàn)為超壓的上升速率越快。在配方鋁粉粒度選擇上，采用特細(xì)球形鋁粉FLQT5、FLQT4、FLQT2 三級(jí)級(jí)配，以添加FLQT2、FLQT4 增強(qiáng)后燃效應(yīng)為主，添加FLQT5 提高反應(yīng)活性為輔[3]。故具體的粒度級(jí)配方案為m(FLQT5)∶m(FLQT4)∶m(FLQT2)=1∶2∶2。

在保證有一定破片驅(qū)動(dòng)特性(爆速≥7 800 m/s)的前提下，綜合考慮爆熱這一關(guān)鍵指標(biāo)，確定CL-20基壓裝型溫壓炸藥的配方組成(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為:52%CL-20、32%鋁粉、10%AP、6%黏結(jié)劑。

2.2 AP 的鈍感包覆處理

為了克服應(yīng)用于混合炸藥中的氧化劑AP 存在吸濕這一缺點(diǎn)，需要對(duì)AP 進(jìn)行包覆處理，同時(shí)降低AP 的機(jī)械感度。蠟類物質(zhì)具有熔點(diǎn)低、比熱容高、導(dǎo)熱率低、硬度小兼具潤(rùn)滑作用等特點(diǎn)。選用微晶蠟作為鈍感劑，通過(guò)機(jī)械混合-蒸發(fā)溶劑法包覆處理AP。包覆后的AP 掃描電鏡照片如圖2 所示。機(jī)械感度和吸濕性測(cè)試結(jié)果如表2 所示。

表2 包覆前、后AP 的機(jī)械感度和吸濕性測(cè)試結(jié)果Tab.2 Test results of mechanical sensitivity and hygroscopicity of AP before and after coating

試驗(yàn)結(jié)果表明:AP 表面被一層鈍感劑微晶蠟均勻地覆蓋；包覆后，AP 的機(jī)械感度和吸濕性得到明顯降低。

2.3 CL-20 基壓裝型溫壓炸藥的爆轟性能

按照GJB 772—1997《炸藥試驗(yàn)方法》和《軍用混合炸藥配方評(píng)審適用試驗(yàn)方法匯編》中的測(cè)試方法，對(duì)CL-20 基壓裝型溫壓炸藥的裝藥密度、爆熱、爆速進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果如表3 所示。

表3 CL-20 基壓裝型溫壓炸藥的裝藥密度和爆轟性能Tab.3 Charge density and detonation performance of CL-20 based pressed thermobaric explosive

加入一定量的氧化劑AP 可以改善炸藥體系的氧平衡，使鋁粉充分反應(yīng)。CL-20 基壓裝型溫壓炸藥能量密度不小于2.5 倍TNT 當(dāng)量，具有較高的能量水平。

為了衡量CL-20 基壓裝型溫壓炸藥的綜合毀傷威力，測(cè)試了靜態(tài)條件下30 kg 炸藥爆炸時(shí)距爆心不同距離處(4、8、12 m)的沖擊波超壓，以研究其在空爆狀態(tài)下的超壓場(chǎng)規(guī)律，如表4 所示。

表4 30 kg 藥量靜爆威力試驗(yàn)的沖擊波超壓Tab.4 Overpressure of 30 kg CL-20 based pressed thermobaric explosive in static explosion power test

由于空爆溫壓炸藥的主要作戰(zhàn)任務(wù)是對(duì)地面有生目標(biāo)進(jìn)行毀傷，同時(shí)考慮破片和超壓對(duì)暴露人員目標(biāo)的毀傷作用，認(rèn)為沖擊波超壓超過(guò)0.05 MPa 即可對(duì)人員達(dá)到中度以上的毀傷[19]。靜爆威力試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明:沖擊波超壓隨著傳播距離的增加呈指數(shù)衰減；但在遠(yuǎn)場(chǎng)12 m 處，沖擊波超壓仍然超過(guò)了0.05 MPa，一定程度上添加大顆粒鋁粉強(qiáng)化了爆炸后的有氧燃燒反應(yīng)階段。

2.4 CL-20 基壓裝型溫壓炸藥的安全性能

按照GJB 772—1997 測(cè)試方法，對(duì)CL-20 基壓裝型溫壓炸藥的撞擊感度、摩擦感度進(jìn)行了測(cè)試。撞擊感度(落錘10 kg，落高25 cm)為8%；摩擦感度(擺角90°，表壓3.92 MPa)為24%。CL-20 基壓裝型溫壓炸藥機(jī)械感度較低，滿足壓制成型時(shí)對(duì)機(jī)械感度的要求。

按照《軍用混合炸藥配方評(píng)審適用試驗(yàn)方法匯編》對(duì)CL-20 基壓裝型溫壓炸藥3 項(xiàng)低易損性試驗(yàn)進(jìn)行了測(cè)試。慢速烤燃、快速烤燃、12.7 mm 子彈撞擊試驗(yàn)照片如圖3～圖4 所示。

在慢速烤燃和快速烤燃試驗(yàn)中，端蓋被沖開(kāi)，彈體無(wú)變形。根據(jù)測(cè)試結(jié)果評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，慢速烤燃和快速烤燃試驗(yàn)的響應(yīng)等級(jí)均為燃燒反應(yīng)。

當(dāng)12.7 mm穿甲燃燒彈徑向撞擊彈體后，彈體中心穿孔破裂，但端蓋完整，樣品發(fā)生明顯燃燒現(xiàn)象；12.7 mm 子彈軸向撞擊彈體后，彈體端蓋穿孔，彈體周身破裂，現(xiàn)場(chǎng)大量殘余炸藥，樣品發(fā)生明顯的燃燒反應(yīng)。根據(jù)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，12.7 mm 子彈撞擊試驗(yàn)的響應(yīng)等級(jí)為燃燒反應(yīng)。

3 結(jié)論

1)設(shè)計(jì)并確定了CL-20 基壓裝型溫壓炸藥的配方組成(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為:52% CL-20、32% 鋁粉、10%AP、6%黏結(jié)劑。為兼顧后燃效應(yīng)和反應(yīng)活性，鋁粉粒度級(jí)配方案為m(FLQT5)∶m(FLQT4)∶m(FLQT2)=1∶2∶2。

2)選用微晶蠟作為鈍感劑，通過(guò)機(jī)械混合-蒸發(fā)溶劑法包覆處理AP。包覆后，AP 的機(jī)械感度和吸濕性得到明顯下降。

3)CL-20 基壓裝型溫壓炸藥的裝藥密度2.015 g/cm3、爆熱8 361 kJ/kg、爆速7 815 m/s，30 kg 炸藥爆炸時(shí)在遠(yuǎn)場(chǎng)12 m 處的沖擊波超壓可對(duì)人員達(dá)到中度以上的毀傷；撞擊感度8%，摩擦感度24%；在慢速烤燃、快速烤燃、12.7 mm 子彈撞擊試驗(yàn)中，炸藥的響應(yīng)等級(jí)均為燃燒反應(yīng)，爆轟性能和安全性能優(yōu)異。