FOX-7基混合炸藥的制備及性能研究

［摘 要］ 鑒于含鋁炸藥（鈍黑鋁，DHL）在安全性和能量輸出方面存在問題，使用不敏感單質(zhì)炸藥FOX-7（1，1-二氨基-2，2-二硝基乙烯）作為主體炸藥，并以高純度超細(xì)無定形硼粉（B）作為高能燃料、高氯酸銨（AP）作為氧化劑和產(chǎn)氣劑、乙烯-醋酸乙烯共聚物（EVA）為黏結(jié)劑、微晶蠟作為鈍感劑，基于相關(guān)理論進(jìn)行配方設(shè)計(jì)與優(yōu)化。最終，采用以撞擊感度為判據(jù)的配方，并通過濕法球磨輔助溶劑蒸發(fā)法制備出混合炸藥。該炸藥具有如下主要性能：堆積密度1.469 g/cm3，撞擊感度10%，摩擦感度12%，爆熱8 092.9 kJ/kg，5 s延滯期爆發(fā)點(diǎn)303 ℃，真空安定性合格，熱安定性良好。由此可得，該炸藥是一種可替代DHL炸藥的不敏感高能炸藥。

［關(guān)鍵詞］ 不敏感；高能；FOX-7；制備；性能

［分類號(hào)］ TJ55

Preparation and Performances of FOX-7 Based Mixed Explosives

TIAN Xin①，WANG Baoguo①，WANG Biyuan②，ZHAO Wenhu③，ZHANG Yanliang③

①School of Environmental and Safety Engineering， Central North University （Shanxi Taiyuan， 030051）

②Foreign Trade Branch， International Trade Co.， Ltd.， Shanxi Coking Coal Group （Shanxi Taiyuan， 030051）

③Shanxi North Jindong Chemical Co.， Ltd. （Shanxi Yangquan， 045000）

［ＡＢＳＴＲＡＣＴ］ Aluminum containing explosives （dull black aluminum， DHL） have issues with safety and energy output. An insensitive single-compound explosive FOX-7 （1，1-diamino-2，2-dinitroethylene） was used as the main explosive， high-purity ultrafine amorphous boron powder （B） was used as the high-energy fuel， ammonium perchlorate （AP） was used as the oxidant and gas generator， ethylene vinyl acetate copolymer （EVA） was used as the binder， and microcrystalline wax was used as the desensitizer. Based on relevant theories， the optimization design of the explosive formula was carried out. Finally， a formula based on impact sensitivity was adopted， and a mixed explosive was prepared by wet ball-milling-assisted solvent evaporation method. The packing density of this explosive is 1.469 g/cm3， with an impact sensiti-vity of 10%， a friction sensitivity of 12%， a detonation heat of 8 092.9 kJ/kg， and a five-second delay period of 303 ℃. Vacuum stability of the explosive is qualified， and the thermal stability is good. Therefore， this explosive is an insensitive high-energy explosive that can replace DHL explosives.

［KEYWORDS］ insensitive; high energy; FOX-7; preparation; performance

0 引言

炸藥是武器裝備實(shí)現(xiàn)高效毀傷的關(guān)鍵核心。隨著時(shí)代的快速進(jìn)步，炸藥不僅需要擁有較高的毀傷威力，還應(yīng)具備更高的安全性。為滿足這種要求，不敏感彈藥便應(yīng)運(yùn)而生［1］。FOX-7是一種新型的不敏

感單質(zhì)炸藥，能量水平接近黑索今（環(huán)三亞甲基三硝胺，RDX），但機(jī)械感度明顯低于RDX［2-4］。

Jaidann等［2］分別對(duì)添加乙烯丙烯橡膠的FOX-7基或RDX基混合炸藥進(jìn)行性能分析，結(jié)果表明，F(xiàn)OX-7基混合炸藥的安全性比RDX基的高。董軍等［5］對(duì)FOX-7基、TNT基的炸藥進(jìn)行不敏感性試驗(yàn)，結(jié)果表明，F(xiàn)OX-7基混合炸藥的不敏感性比TNT基有顯著提高。

在對(duì)含硼（B）炸藥進(jìn)行研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，B的質(zhì)量分?jǐn)?shù)由2%提升至10%時(shí)，炸藥的機(jī)械感度和爆速與B含量呈正相關(guān)趨勢(shì)；B的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%時(shí)，混合炸藥的爆熱最大；B的質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過20%時(shí)，隨著B含量的增加，總體輸出能量降低［3-4，6-7］。

本文中，為研究一種新型不敏感高能混合炸藥，采用濕法球磨輔助溶劑蒸發(fā)法對(duì)FOX-7基不敏感高能混合炸藥進(jìn)行制備，并對(duì)其主要性能進(jìn)行測(cè)試和分析。

1 理論與實(shí)驗(yàn)

1.1 理論分析

為了提高炸藥的不敏感性，可以采取以下措施。首先，改進(jìn)炸藥的化學(xué)配方，選擇更穩(wěn)定的化學(xué)物質(zhì)作為主要成分，例如奧克托今（HMX）或RDX；其次，添加特殊的抑制劑、緩沖劑等添加劑，以減少炸藥對(duì)外界刺激的敏感性；此外，優(yōu)化炸藥的結(jié)構(gòu)，改進(jìn)晶體結(jié)構(gòu)和包覆材料，使炸藥更加穩(wěn)定和抗沖擊；最后，通過改變炸藥晶體結(jié)構(gòu)、粒度和密度等參數(shù)，降低炸藥對(duì)外界刺激的敏感性，進(jìn)而降低意外事故的風(fēng)險(xiǎn)［8］。

為達(dá)到炸藥高能目的，通常采取改進(jìn)配方、增加氧化劑含量、添加特殊添加劑以及優(yōu)化炸藥結(jié)構(gòu)等方法。在配方研究方面，選擇具有更高能量的化學(xué)物質(zhì)作為主要成分，如HMX；增加氧化劑含量可以提供更多氧氣供燃燒反應(yīng)使用，常用的氧化劑包括硝酸鹽和高氯酸鹽；添加金屬粉末或氫化物等特殊添加劑可以提高燃速和能量密度；優(yōu)化炸藥結(jié)構(gòu)，包括改進(jìn)晶體結(jié)構(gòu)和包覆材料，可以使炸藥更加緊密和穩(wěn)定，提高能量釋放效率。

這些方法可以有效地提高炸藥的能量性能［8］。

EXPLO5是通過在設(shè)定的溫度和壓力下，基于化學(xué)平衡、自由能最小化、Chapman-Jouguet爆轟理論，對(duì)混合炸藥的配方進(jìn)行模擬，并對(duì)配方的爆速、爆壓、爆熱和爆溫等爆炸參數(shù)進(jìn)行計(jì)算的一款軟件［9］。

1.2 配方確定

為實(shí)現(xiàn)不敏感、高能量的目的，選取常溫下相對(duì)穩(wěn)定、具有較高爆速的FOX-7代替鈍黑鋁（DHL）中的RDX作為混合炸藥的主體炸藥；為實(shí)現(xiàn)提高混合炸藥爆熱的目的，選取質(zhì)量熱高、比表面積大的硼B(yǎng)代替原配方的鋁Al作為高能燃料；為實(shí)現(xiàn)提高產(chǎn)物做功能力的目的，選取氣體量大、氧化性強(qiáng)的高氯酸銨（AP）作為氧化劑和產(chǎn)氣劑；為實(shí)現(xiàn)增加各組分之間黏結(jié)性的目的，選取黏結(jié)性強(qiáng)、可降低炸藥體系剛性的乙烯-醋酸乙烯共聚物（EVA）代替原配方的硬脂酸（SA）作為黏結(jié)劑；為實(shí)現(xiàn)降低混合炸藥機(jī)械感度的目的，選取熔點(diǎn)較高、熱穩(wěn)定性和延展性良好的微晶蠟作為不敏感添加劑。

以爆熱不低于1.8倍TNT當(dāng)量為標(biāo)準(zhǔn)，通過EXPLO5程序計(jì)算組分配方。然后，以撞擊感度為判據(jù)，確定混合炸藥的質(zhì)量比m（FOX-7）m（B）m（AP）m（EVA）m（微晶蠟）=6620932。理論密度為1.868 g/cm3。爆轟參數(shù)：爆熱為8 712.06 kJ/kg，爆溫為4 640.48 K，裝藥密度為1.680 g/cm3時(shí)的爆速和爆壓分別為7 232.66 m/s、23.81 GPa。

1.3 試劑與儀器

FOX-7、DHL，工業(yè)級(jí)，甘肅銀光化學(xué)工業(yè)集團(tuán)有限公司；EVA，工業(yè)級(jí)，蘇州喬順?biāo)芑邢薰?；B，純度大于92%，粒徑小于1 μm，營口遼濱精細(xì)化工有限公司；AP，工業(yè)級(jí)，國營東方化工廠；微晶蠟，工業(yè)級(jí)，濟(jì)寧華凱樹脂有限公司；無水乙醇，化學(xué)純，山西三維集團(tuán)股份有限公司;表面活性劑，Novec 7200，美國3M有限公司。

KQ-300DE型數(shù)控超聲波清洗器，昆山市超聲儀器有限公司；

AHX-871型烘箱，南京理工大學(xué)機(jī)電總廠；標(biāo)準(zhǔn)篩，40目（孔徑0.45 mm），浙江省上虞市第一篩具廠；PM400型行星式球磨機(jī)，德國Retsch公司；

WL-1型撞擊感度測(cè)試儀、WM-1型摩擦感度測(cè)試儀、YC-2C型真空安定性測(cè)試儀，四川致研精誠科技有限公司；131型差示掃描量熱儀，美國熱電公司；爆速測(cè)試儀，13通道，測(cè)時(shí)誤差不大于30 ns，

中國核物理研究院；WJ2287型爆熱熱量計(jì)，西安近代化學(xué)研究所；FCY-1A型爆發(fā)點(diǎn)測(cè)定儀，鶴壁市鑫泰高科儀器制造有限公司。

1.4 制備過程

使用濕法球磨輔助溶劑蒸發(fā)法制備FOX-7基混合炸藥，工藝流程如圖1所示。

10 g量級(jí)FOX-7基混合炸藥的制備過程如下：

1）分別稱取FOX-7 6.600 g、B 2.000 g、AP 0.900 g，干混并攪拌均勻，得到混合物。

2）稱取EVA 0.300 g、微晶蠟0.200 g、表面活性劑0.001 g、無水乙醇150.000 g，利用數(shù)控超聲波清洗器進(jìn)行振蕩混合，制備出混合溶液。

3）將1）、2）步所得物料放于球磨罐中，按料球

質(zhì)量比120的比例，稱取若干粒徑為0.6～2.0

mm的氧化鋯球磨珠加入球磨罐，蓋好球磨罐并放入球磨機(jī)中。后設(shè)置球磨轉(zhuǎn)速為2 000 r/min，時(shí)間為6 h，接通冷卻水，保持循環(huán)冷卻水溫度在16～23 ℃，啟動(dòng)按鈕進(jìn)行球磨，得到懸浮液。

4）將球磨后的懸浮液進(jìn)行溶劑蒸發(fā)，并利用冷凝回流裝置將無水乙醇溶劑進(jìn)行冷凝回收。

5）將蒸發(fā)干燥后的樣品過40目的標(biāo)準(zhǔn)篩，最終收集得到混合炸藥，并進(jìn)行性能測(cè)試。

該制備工藝具有以下特點(diǎn)：干混預(yù)處理、濕法球磨輔助工藝使各組分物質(zhì)充分混合;蒸發(fā)溶劑工藝使得包覆更均勻，有利于降低機(jī)械感度;冷凝回收工藝使溶劑可再次利用，具有綠色、經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)。

2 性能測(cè)試

2.1 堆積密度

按照GJB 772A—1997《炸藥試驗(yàn)方法》［10］402.1干法對(duì)FOX-7基混合炸藥和DHL炸藥進(jìn)行堆積密度測(cè)試，結(jié)果如表1所示。

由表1可知，F(xiàn)OX-7基混合炸藥比DHL炸藥的堆積密度大0.071 g/cm3。

分析認(rèn)為：FOX-7的理論密度（1.885 g/cm3）比RDX（1.820 g/cm3）大；B的理論密度（2.300 g/cm3）比Al（2.700 g/cm3）??；AP的理論密度為1.950 g/cm3；EVA的相對(duì)密度（0.910 g/cm3）比SA（0.840 g/cm3）大；100號(hào)微晶蠟的理論密度（0.870 g/cm3）比80號(hào)微晶蠟（0.920 g/cm3）小。

上述因素綜合導(dǎo)致FOX-7基混合炸藥比DHL炸藥的堆積密度大。

2.2 機(jī)械感度

按照GJB 772A—1997《炸藥試驗(yàn)方法》［10］601.1爆炸概率法和602.1爆炸概率法分別對(duì)FOX-7基混合炸藥、DHL炸藥進(jìn)行撞擊感度和摩擦感度測(cè)試，結(jié)果如表2所示。

由表1可知，F(xiàn)OX-7基混合炸藥比DHL炸藥的撞擊感度和摩擦感度分別低30%和68%。

對(duì)FOX-7基混合炸藥和DHL炸藥中各組成成分的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。分析認(rèn)為：FOX-7撞擊感度和摩擦感度（均為10%）比RDX的撞擊感度和摩擦感度（70%、76%）低；含B炸藥比含Al炸藥的撞擊感度低1%左右，摩擦感度低5%左右［12］；AP的撞擊感度為32%、摩擦感度為28%［13］。EVA的斷裂韌性為300 kJ/m2、沖擊韌性為100.0 kJ/m2；SA的斷裂韌性為30 kJ/m2、沖擊韌性為12.5 kJ/m2；故使用EVA能承受更大的拉伸和沖擊力。上述因素綜合導(dǎo)致FOX-7基混合炸藥的機(jī)械感度比DHL低。因此，F(xiàn)OX-7基混合炸藥具有更好的安全性。

2.3 爆熱

按照GJB 772A—1997《炸藥試驗(yàn)方法》［10］701.1恒溫法和絕熱法進(jìn)行爆熱測(cè)試。FOX-7基混合炸藥的爆熱（8 092.9 kJ/kg）高于DHL炸藥（6 443.0 kJ/kg［14］）。

分析認(rèn)為：相比RDX（能量密度1 500.0 kJ/kg），F(xiàn)OX-7能量密度（1 900.0 kJ/kg）較高；B的質(zhì)量熱為5 146.0 kJ/kg、體積熱為2 754.0 kJ/m3，Al的質(zhì)量熱為3 100.0 kJ/kg、體積熱為1 190.0 kJ/m3，B比Al具有更高的體積熱和質(zhì)量熱；AP的燃燒熱為9 471.5 kJ/kg［13］；EVA的爆熱（150.0 kJ/kg）比SA（-45.0 kJ/kg）更高。上述因素綜合導(dǎo)致FOX-7基混合炸藥的爆熱比DHL炸藥高。因此，F(xiàn)OX-7基混合炸藥具有更高的能量輸出。

2.4 5 s延滯期爆發(fā)點(diǎn)

按照GJB 772A—1997《炸藥試驗(yàn)方法》［10］606.15 s延滯期法進(jìn)行爆發(fā)點(diǎn)測(cè)試。FOX-7基混合炸藥與DHL炸藥的爆發(fā)點(diǎn)分別為303 ℃和287 ℃。

分析認(rèn)為：FOX-7爆發(fā)點(diǎn)（230 ℃）比RDX（204 ℃）高26 ℃；B（粉末在空氣中的發(fā)火點(diǎn)為900 ℃）比Al（粉末在空氣中的發(fā)火點(diǎn)為800 ℃）的爆發(fā)點(diǎn)高100 ℃［8］；AP的爆發(fā)點(diǎn)為435 ℃［14］；EVA（軟化點(diǎn)為350 ℃）比SA（軟化點(diǎn)為220 ℃）的軟化點(diǎn)高130 ℃。綜合上述4種因素認(rèn)為，F(xiàn)OX-7基混合炸藥具有更高的5 s延滯期爆發(fā)點(diǎn)。因此，F(xiàn)OX-7基混合炸藥具有更好的安全性。

2.5 真空安定性

按照GJB 772A—1997《炸藥試驗(yàn)方法》［10］501.2壓力傳感器法進(jìn)行真空安定性測(cè)試，F(xiàn)OX-7基混合炸藥和DHL炸藥平均放氣量分別為0.12 mL和0.56 mL。

分析認(rèn)為：FOX-7的平均放氣量（0.08 mL）比RDX（0.37 mL［15］）低0.29 mL；高純度超細(xì)無定形B和Al的平均放氣量均為0 mL；AP的平均放氣量為0 mL；EVA的平均放氣量（0.03 mL）比SA

（0.15 mL）低0.12 mL。上述因素綜合導(dǎo)致FOX-7基混合炸藥比DHL的放氣量少；故FOX-7基混合炸藥真空安定性更優(yōu)秀，表現(xiàn)出較好的熱安定性。

2.6 差示掃描量熱法分析

對(duì)FOX-7基混合炸藥和DHL炸藥進(jìn)行了DSC測(cè)試，結(jié)果如圖2所示。

由圖2可見，F(xiàn)OX-7基混合炸藥的DSC曲線包含1個(gè)吸熱峰和1個(gè)放熱峰，分別對(duì)應(yīng)微晶蠟熔化和FOX-7熱分解過程。DHL炸藥的DSC曲線包含1個(gè)吸熱峰和1個(gè)放熱峰，分別對(duì)應(yīng)RDX晶型轉(zhuǎn)變和熱分解過程。FOX-7基混合炸藥在204～218 ℃范圍時(shí)表現(xiàn)為放熱反應(yīng)，DHL炸藥在205.3 ℃出現(xiàn)吸熱峰，表現(xiàn)為物質(zhì)吸熱分解反應(yīng)；FOX-7基混合炸藥放熱峰（236.2 ℃）比DHL炸藥（244.0 ℃）更尖銳，說明FOX-7基混合炸藥的放熱過程更集中。

將2種樣品的DSC曲線進(jìn)行對(duì)比后發(fā)現(xiàn)，當(dāng)升溫速率為10 ℃/min時(shí)，F(xiàn)OX-7基混合炸藥的分解峰較DHL炸藥提前了7.8 ℃。

表現(xiàn)出其熱安定性較差；由于2.4中FOX-7基混合炸藥比DHL炸藥的5 s延滯期爆發(fā)點(diǎn)高16 ℃，表現(xiàn)出其熱安定性較好。盡管在具體結(jié)果上有一定差距（主要由試驗(yàn)環(huán)境和空氣潮濕等因素導(dǎo)致），但DSC中，F(xiàn)OX-7基混合炸藥的分解峰高于200 ℃，因此，具有較好的熱安定性效果。

3 結(jié)論

1）通過Expol 5計(jì)算，并以爆熱不低于1.8倍TNT當(dāng)量和撞擊感度低于40%為判據(jù)，確定配方的質(zhì)量比m（FOX-7）m（B）m（AP）m（EVA）m（微晶蠟）=6620932時(shí)，可獲得最佳效果。計(jì)算所得爆轟參數(shù)：爆熱為8 712.06 kJ/kg，爆溫為4 640.48 K，爆壓為23.81 GPa，爆速為7 232.66 m/s。

2）利用濕法球磨輔助溶劑蒸發(fā)法制備出FOX-7基混合炸藥，使原料混合和包覆更均勻。

3）主要性能測(cè)試結(jié)果表明：FOX-7基混合炸藥的堆積密度為1.469 g/cm3，撞擊感度為10%，摩擦感度為12%，爆熱為8 092.9 kJ/kg，5 s延滯期爆發(fā)點(diǎn)為303 ℃；真空安定性合格；熱定性良好。

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收稿日期：2023-10-15

第一作者：田鑫（1998—），男，碩士，主要從事含能復(fù)合物的研究。E-mail：1329234955@qq.com

通信作者：王保國（1970—），男，副教授，碩導(dǎo)，主要從事新型傳爆藥、新型火工藥劑和新型火工品技術(shù)的研究。E-mail：2086139461@qq.com