《含能材料》2014~2017年优秀论文

2014年

1. 偏心起爆定向战斗部威力研究

朱绪强,黄川,李艳春,梅新良,成一

为研究偏心起爆定向战斗部毁伤威力, 推导了偏心起爆点对侧延长线附近有限角度内应用的偏心起爆破片初速公式, 并设计钨柱和钨球两种预制破片偏心起爆定向战斗部进行了试验验证。结果表明, 所推导公式可用于偏心起爆定向战斗部计算。设计的偏心起爆战斗部的速度增益, 钨柱破片为10.9%, 钨球破片为19.8%。钨球破片初速、破片球面分布密度、毁伤概率均高于钨柱破片。

DOI:10.3969/j.issn.1006-9941.2014.01.019

2. 5,5′-联四唑-1,1′-二氧二羟铵的合成及其性能

朱周朔,姜振明,王鹏程,陆明,苏强,余咸旱

以二氯乙二肟、叠氮化钠和二甲基甲酰胺(DMF)为主要原材料, 通过两步反应先制备1, 1′-二羟基-5, 5′-联四唑(1, 1′-BTO), 再与盐酸羟胺反应合成目标化合物5, 5′-联四唑-1, 1′-二氧二羟铵(TKX-50), 收率73.2%。用Gaussian软件在B3LYP/6-31++G水平下对该离子盐的结构进行模拟, 发现其晶体中存在较强的分子间和分子内的氢键作用。这种氢键作用有效提高了TKX-50的密度, 达到1.918 g·cm^-3。基于该密度, 计算出该含能盐爆速9698 m·s^-1, 爆压42.4 GPa, 摩擦感度和撞击感度分别为120 N和20 J, 性能优于奥克托今(HMX)和六硝基六氮杂异戊兹烷(CL-20)。

DOI:10.3969/j.issn.1006-9941.2014.03.011

3. 1,2,3,4-丁四醇四硝酸酯的合成、表征和性能

宋小兰,王毅,王晶禹,张景林,焦清介

以赤藓糖醇为原料, 采用硝硫混酸硝化, 制备了1, 2, 3, 4-丁四醇四硝酸酯(ETN)。采用光学显微镜和扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、差热扫描量热法(DSC)以及感度试验方法研究了ETN的微观形貌、结构特征、热分解特性、爆轰性能和感度特性。结果表明, ETN呈无规则薄片状, 具有硝酸酯基炸药的结构特点。在DSC曲线中有一个熔化吸热峰和一个宽化的放热峰, 热分解活化能为187.05 kJ·mol^-1。理论计算得到ETN的生成焓(506.9 kJ·mol^-1)、爆速(8467.3 m·s^-1)、爆热(8492 J·g^-1)和爆压(34.5 GPa)。ETN的特性落高H₅₀为18.1 cm、摩擦爆炸百分数为68%、5 s延滞期的爆发点为208.86 ℃, 感度高于太安(PETN)(H₅₀=25.3 cm)。

DOI:10.3969/j.issn.1006-9941.2014.04.006

4. 不同臭氧组合工艺处理含硝基苯类化合物废水的实验研究

郭亮,焦纬洲,刘有智,许承骋,刘文丽,李静

为研究臭氧高级氧化技术对含硝基苯类化合物炸药废水的处理效果, 采用四种不同组合工艺(旋转填料床(RPB)-O₃/H₂O₂、RPB-O₃、曝气反应装置(BR)-O₃/H₂O₂和BR-O₃), 进行了模拟废水中硝基苯类化合物降解的对比性试验。结果表明, O₃/H₂O₂工艺对硝基苯类化合物表现出较强的降解性能, 去除率可达99%, 出水指标达到《污水综合排放标准》(GB8978-1996)中硝基苯类化合物排放标准。在相同反应时间下, BR-O₃/H₂O₂和BR-O₃工艺对硝基苯类化合物去除率明显偏低。在RPB-O₃/H₂O₂和RPB-O₃工艺中, 硝基苯类化合物去除率随超重力因子和初始pH值的增加而增大, 而随双氧水浓度和液体流量的增加呈先增大后降低的变化趋势。在臭氧浓度为50 mg·L^-1, 超重力因子为80, 初始pH为10.5, 双氧水浓度4.9 mmol·L^-1和液体流量120 L·h^-1的试验条件下, 硝基苯类化合物去除效果较好。此条件下硝基苯类化合物的降解过程符合假一级反应动力学。

DOI:10.3969/j.issn.1006-9941.2014.05.024

5. 5,5′-联四唑-1,1′-二氧二羟铵(TKX-50)50克量级制备放大工艺

赵廷兴,田均均,李磊,范桂娟,张光全,李鸿波,黄明

为获得绿色低感高能炸药, 研究了5,5′-联四唑-1,1′-二氧二羟铵(TKX-50)的50克量级制备方法。以乙二醛为起始原料, 通过肟化、氯代、叠氮化、环合制得了关键中间体5,5′-联四唑-1,1′-二羟基二水合物(1,1′-BTO), 1,1′-BTO与羟胺水溶液成盐直接制备出目标物TKX-50, 产品经¹H NMR, IR, MS, DSC和元素分析确证结构。重点考察了由1,1′-BTO制备TKX-50反应中投料比、时间及温度对收率的影响, 确定了适宜的工艺条件:投料摩尔比n(1,1′-BTO):n(NH₂OH·HCl):n(NaOH)=1:2.2:2.2, 反应时间1 h, 温度80 ℃时, 单步反应收率80.1%。合成路线总收率为41.5%。

DOI:10.11943/j.issn.1006-9941.2014.06.006

2015年

1. 基于间接三轴拉伸破坏试验的某TATB基PBX强度准则适应性分析

唐维,颜熹琳,李明,温茂萍,刘彤,章定国

强度问题关系炸药部件的结构完整性和服役安全性，是炸药部件结构强度评估的基础。基于单轴加载技术，设计了圆柱试件的端部约束拉溃试验，研究了三轴间接拉伸破坏时某TATB基高聚物粘结炸药(PBX)的强度特性。依据试验边界条件，利用有限元方法定量分析了临界载荷下试件内部的应力场，最后采用最先破坏位置的三向主应力数据分析了三种典型强度准则(Uniaxial-strength，Mohr-Coulomb，Twin-shear)描述三轴拉伸破坏的适应性。就安全阈度而言，现炸药工程中使用的Uniaxial-strength准则，三轴压缩时安全阈度最高，达43.77%，但也不能安全预测三轴拉伸应力下该PBX的破坏行为；就描述精度来看，Uniaxial-strength准则最优，Mohr-Coulomb准则次之，Twin-shear准则最差，试验值均比理论值偏大，三者依次为16.90%、19.62%和24.56%；试验中该TATB基PBX三轴拉伸应力下的强度为单轴拉伸强度的0.831倍，Mohr-Coulomb准则不能准确描述三轴拉伸应力下强度下限，分析表明静水压力的影响是造成这一结果的关键原因，建立高描述精度的多轴强度准则须考虑静水压力的影响。

DOI:10.11943/j.issn.1006-9941.2015.06.005

2. TKX-50合成方法改进

居平文,凌亦飞,谷玉凡,罗军

以乙二醛为原料, 经肟化合成了乙二肟、后经氯化合成了二氯乙二肟、后经叠氮化-环合反应合成1, 1′-二羟基-5, 5′-联四唑二水合物、最后经过中和反应合成了1, 1′-二羟基-5, 5′-联四唑二羟胺盐(TKX-50)。总收率为63%, 并采用核磁共振、红外、质谱表征了其结构。优化并确定了反应最佳条件:叠氮化-环合反应时, 以丙酮-水作为混合溶剂, 反应温度为0 ℃, 反应1.5 h后用乙醚萃取, 萃取液不经过任何处理直接通入氯化氢气体进行环合反应得到1, 1′-二羟基-5, 5′-联四唑二水合物, 收率为88%;酸碱中和反应时, 以乙酸乙酯为溶剂, 反应温度为50 ℃, 反应2 h, 抽滤并冰水水洗得到TKX-50, 收率为94%。

DOI:10.11943/j.issn.1006-9941.2015.09.010

3. 不同粒度铝粉在HMX基炸药中的能量释放特性

金朋刚,郭炜,王建灵,任松涛,高赞,王晓峰

为研究铝粉在HMX基炸药中的能量释放特性, 采用压力传感器对不含铝粉的HMX/HTPB 88/12炸药及含有粒度为13, 130 μm铝粉的HMX/Al/HTPB 53/35/12炸药在密闭空间中爆炸后的准静态压力进行了测量。结果表明: HMX/HTPB 88/12和HMX/Al/HTPB 53/35/12炸药爆炸后在密闭条件下均能产生准静态压力。HMX/Al/HTPB 53/35/12炸药的准静态压力是HMX/HTPB 88/12炸药的1.24倍。铝粉颗粒度分别是13 μm和130 μm的HMX/Al/HTPB 53/35/12-炸药在密闭空间中爆炸产生的准静态压力分别是378 kPa和347 kPa, 说明内爆条件下, 当铝粉含量为35%时, 与含大颗粒铝粉炸药相比, 含小粒度铝粉炸药能够释放更多能量, 提高密闭空间中的准静态压力。

DOI:10.11943/j.issn.1006-9941.2015.10.013

4. 超级铝热剂反应特性研究

郑保辉,王平胜,罗观,卢校军

以Fe₂O₃、CuO、Fe₃O₄、MoO₃为氧化剂，分别以50 nm和5 μm的铝颗粒为还原剂，超声复合制备了12种不同组成的铝热剂。采用扫描电镜(SEM)研究了铝热剂的结构和形貌，发现纳米铝颗粒与MoO₃的相互分散效果最佳。用差示扫描量热分析和激光点火试验研究了氧化剂种类、颗粒粒径对铝热剂反应活性的影响。结果表明，反应活性次序均为Al/MoO₃＞Al/Fe₂O₃＞Al/CuO＞Al/Fe₃O₄。相对于微米铝颗粒，纳米铝颗粒可以使超级铝热剂的临界反应温度降低200~400 ℃，而相对于微米级金属氧化物，纳米粒径的金属氧化物仅能使铝热剂临界反应温度降低10~30 ℃。表明铝颗粒粒度是铝热剂反应活性的决定因素，氧化剂的超细化对于铝热剂的反应活性改善仅能起到辅助作用；当铝颗粒粒径在同一量级时，铝热剂的反应活性主要取决于氧化剂种类。

DOI:10.11943/j.issn.1006-9941.2015.10.016

5. 超细CL-20/TNT共晶炸药的喷雾干燥制备与表征

王晶禹,李鹤群,安崇伟,郭文建

采用喷雾干燥法制得超细CL-20/TNT共晶炸药。采用扫描电镜(SEM)对其大小和形貌进行表征, 利用X射线衍射法(XRD)和差示扫描量热法(DSC)对其是否形成共晶进行判定, 并对其进行撞击安全性能测试与分析。结果表明, 所制得的样品不是CL-20与TNT简单的混合, 而是形成了超细CL-20/TNT共晶炸药, 粒径小于1 μm并团聚成1~10 μm的微球; 超细CL-20/TNT共晶炸药的熔点为132.32 ℃, 热分解过程分两个阶段, 第一阶段和第二阶段的分解放热峰温分别为218.98 ℃和253.15 ℃, 特性落高为49.3 cm, 比原料CL-20高36.2 cm。

DOI:10.11943/j.issn.1006-9941.2015.11.013

2016年

1. DNAN炸药烤燃特征

陈朗,李贝贝,马欣

熔铸炸药在烤燃过程中会发生炸药熔化, 影响炸药热反应过程。本文采用烤燃弹法, 对熔铸载体炸药2, 4-二硝基苯甲醚(DNAN)进行了烤燃实验, 测量了炸药中心温度变化, 分析了炸药熔化和反应情况。建立了熔铸炸药热反应计算模型。采用焓-孔隙率方法, 计算分析了炸药熔化过程。考虑了炸药自热反应、热传导、熔化后的对流传热和空气的辐射传热。对炸药烤燃实验进行了数值模拟计算。通过与实验结果的比较, 验证了计算的正确性。确定了DNAN炸药的活化能和指前因子分别为172 kJ·mol^-1和1.20×10¹¹ s^-1。计算分析了3.3 K·h^-1、0.3 K·min^-1、1.0 K·min^-1、3.0 K·min^-1、10 K·min^-1和60 K·min^-1六种不同加热速率下DNAN炸药的烤燃特征。在慢速烤燃下炸药完全熔化后才点火, 而相对快速烤燃下炸药边缘点火, 这时炸药内部还未完全熔化。得到了点火时刻的温度分布和液相分数分布。结果表明, 在熔铸炸药烤燃中, 加热速率对炸药点火前的状态影响很大, 从而会影响炸药反应的激烈程度。

DOI:10.11943/j.issn.1006-9941.2016.01.004

2. 射流侵彻水夹层间隔靶的理论和实验研究

史进伟,罗兴柏,蒋建伟,李梅,甄建伟

为得到聚能射流侵彻水夹层间隔靶规律,选取50 mm口径聚能装药对水夹层间隔靶(2 mm×4 mm钢靶板+100 mm水夹层)的侵彻过程进行了理论和实验研究。结合准定常侵彻理论和数学归纳法建立了射流侵彻水夹层间隔靶理论模型,得到了射流头部速度与侵彻距离之间的关系。为验证理论模型,用脉冲X光和计时仪获得了多个侵彻阶段的射流头部速度。通过模型分析了水夹层间隔靶结构对射流剩余头部速度的影响。结果表明:建立的理论模型正确,由其得到的射流穿过水夹层间隔靶后的剩余头部速度理论值与实验值平均误差为4.6%;当靶板厚度小于20 mm,且水夹层间隔小于150 mm时,水夹层间隔靶对射流头部速度的衰减效率较高。

DOI:10.11943/j.issn.1006-9941.2016.03.001

3. CL-20/HMX共晶与共混物的分子动力学模拟

陶俊,王晓峰,赵省向,刁小强,王彩玲,韩仲熙

为比较六硝基六氮杂异戊兹烷(CL-20)/环四亚甲基四硝胺(HMX)的共晶与共混物的性能,分别构建了CL-20：HMX摩尔比为2：1的共晶结构及共混物结构。用分子动力学(MD)方法模拟了CL-20/HMX的共晶体系及共混体系的力学性能、结构稳定性及径向分布函数。模拟及计算结果表明:CL-20/HMX共晶工艺能显著改善体系的抗形变能力及延展性。共晶结构的弹性模量要显著大于共混结构。最大键长(L_max)的排序为: CL-20/HMX共混＞ε-CL-20＞β-HMX＞CL-20/HMX共晶。以范德华力为主的作用力“敏化”了CL-20/HMX共混体系的结构。CL-20/HMX共晶结构的内聚能密度(CED)值要远远大于CL-20/HMX共混结构的CED值。CL-20/HMX共晶体系中存在着长度相对较短CH…O 氢键导致其感度较低。

DOI:10.11943/j.issn.1006-9941.2016.04.002

4. 升温速率对限定条件下烤燃弹热起爆临界温度的影响

王洪伟,智小琦,郝春杰,李娟娟

为研究升温速率与限定条件下烤燃弹热起爆临界温度之间的关系, 利用自行设计的烤燃试验装置, 以1 ℃·min^-1的升温速率对装有RDX基高能炸药的烤燃弹进行加热, 并使壳体外壁温度分别恒定在160, 170, 180, 185, 195 ℃, 50 min后观察烤燃弹的响应情况。用FLUENT软件对不同升温速率下烤燃弹的热起爆临界温度进行了数值模拟。结果表明, 炸药置于恒定高温环境中比慢速加热更加危险, 其发生反应的环境温度更低, 响应更剧烈; 升温速率为1 ℃·min^-1时, 烤燃弹的热起爆临界温度为194.8 ℃。且随升温速率的提高, 烤燃弹的热起爆临界温度缓慢升高, 当升温速率大于10 ℃·min^-1时, 其热起爆临界温度均为197 ℃。在给定的条件下, 升温速率对烤燃弹点火点的位置影响, 均为中心点火。

DOI:10.11943/j.issn.1006-9941.2016.04.012

5. Al/Fe₂O₃/PTFE反应材料制备及性能

陶忠明,方向,李裕春,冯彬,王怀玺

采用模压烧结法制备Al/Fe₂O₃/聚四氟乙烯(PTFE)反应材料。通过万能实验机、落锤仪以及高速摄影仪对不同配比及烧结温度下成型Al/Fe₂O₃/PTFE反应材料的准静态压缩力学特性及撞击感度进行了对比实验, 对其发火性能进行了分析。结果显示, 330 ℃烧结、PTFE含量为60%和70%的试件强度最高, 最大真实应力达到46 MPa。350 ℃烧结、PTFE含量为40%的试件撞击感度最高, 其特性落高H₅₀为95 cm。Al/Fe₂O₃/ PTFE反应材料在受撞击发火的条件下会出现高温金属熔渣喷射现象。

DOI:10.11943/j.issn.1006-9941.2016.08.010

2017年

1. PBT与含能增塑剂相互作用的分子动力学模拟

邓蕾,张炜,鲍桐,周星

为了筛选与3, 3-二叠氮甲基氧丁环与四氢呋喃共聚物 (PBT) 粘合剂相容且与PBT混合物有低玻璃化转变温度的含能增塑剂, 用分子动力学 (MD) 方法, 模拟研究了PBT粘合剂与三缩三乙二醇二硝酸 (TEGDN)、1, 3-二叠氮基-2-乙基-2-硝基丙烷 (DAENP)、丁基硝氧乙基硝胺 (Bu-NENA)、1-烯丙基-3(5), 4-二硝基吡唑 (ADNP)、双2, 2-二硝基丙醇缩甲醛/双2, 2-二硝基丙醇缩乙醛混合物 (BDNPF/A, 或A3, 两者质量比为1:1) 5种含能增塑剂之间的相容性、PBT/增塑剂共混物的玻璃化转变温度。分析了PBT粘合剂与含能增塑剂相互作用的原因。结果表明, 含能增塑剂优劣次序为Bu-NENA>DAENP>A3>TEGDN>ADNP, TEGDN、ADNP与PBT不相容; PBT/含能增塑剂的玻璃化转变温度顺序为PBT/Bu-NENA < PBT/TEGDN < PBT/DAENP < PBT/ADNP < PBT/A3。与现用的PBT增塑剂A3相比, Bu-NENA、DAENP与PBT相容性更好, 且PBT/Bu-NENA和PBT/DAENP混合体系的玻璃化转变温度更低。

DOI:10.11943/j.issn.1006-9941.2017.01.005

2. 3,4-二硝基吡唑的性能表征及应用

唐伟强,任慧,焦清介,郑葳

3, 4-二硝基吡唑 (DNP) 替代TNT作为新型熔铸炸药载体的可行性, 采用光学显微镜、傅里叶红外变换光谱仪、紫外可见分光光度计及DTA/TG热分析仪器对其结构进行了表征, 利用氧弹量热仪、电测法分别测试了DNP爆热、爆速, 并应用VLW程序计算了TNT/CL-20, DNP/CL-20混合炸药的爆轰参数。结果表明, DNP热分解过程主要分为吡唑环断裂和硝基脱环、自催化加速反应两个阶段, 热分解表观活化能为131 kJ·mol^-1; DNP爆热、爆速分别为4326 kJ·Kg^-1、7633 m·s^-1, 计算得出DNP/CL-20混合炸药爆轰性能明显优于TNT/CL-20混合炸药, 当DNP/CL-20=2:3(质量比) 时, 计算爆压为39.4 GPa, 爆速为8961 m·s^-1。

DOI:10.11943/j.issn.1006-9941.2017.01.007

3. TNT/TNCB共晶炸药的制备及表征

马媛,黄琪,李洪珍,谭碧生,刘玉存,杨宗伟

采用溶液共结晶法制得2, 4, 6-三硝基甲苯/2, 4, 6-三硝基氯苯 (TNT/TNCB) 共晶炸药, 采用X射线单晶衍射表征了其结构, 该晶体属于单斜晶系, P2₁/c空间群, 晶胞参数: a=2.1148(5) nm, b=0.60974(14) nm, c=1.4968(4) nm, α=90°, β=110.374(4)°, γ=90°, V=1.8093(7) nm³, Z=4。采用差示扫描量热法分析了共晶炸药的热性能, 并测定了其撞击感度, 结果表明, 该共晶炸药熔点为72.7 ℃, H₅₀=92.9 cm, 均低于TNT与TNCB。运用密度泛函理论方法及Kamlet-Jacobs方程计算得到TNT/TNCB共晶炸药的爆速为7508 m/s, 爆压为24.52 GPa。

DOI:10.11943/j.issn.1006-9941.2017.01.014

4. 高温下TATB基钝感炸药爆轰波波阵面曲率效应实验研究

郭刘伟,刘宇思,汪斌,谷岩,郑贤旭,谭多望

为了研究高温环境对钝感炸药爆轰波波阵面曲率效应的影响, 采用高速扫描照相技术及电探针测速技术获取了高温60 ℃环境下TATB基钝感炸药三种直径药柱爆轰波拟定态爆轰波形状及波速。结果表明, TATB基钝感炸药在高温60 ℃下的拟定态爆轰波波速随着炸药直径基本呈现线性增长趋势, 且相同直径的高温结果均低于常温结果。三种直径TATB基钝感炸药在高温60 ℃下的拟定态波阵面形状较常温结果更为陡峭。采用遗传算法对三种直径炸药的实验结果进行拟合计算, 获得了TATB基钝感炸药高温曲率效应D_n(κ) 关系参数。采用DSD (Detonation Shock Dynamics) 方法对三种直径炸药的爆轰波非理想传播过程进行了模拟, 计算结果与实验结果吻合较好。

DOI:10.11943/j.issn.1006-9941.2017.02.008

5. 敏化方式对MgH₂型储氢乳化炸药爆轰性能的影响

程扬帆,汪泉,龚悦,沈兆武,汤有富,袁和平,钱海

为了研究敏化方式对MgH₂型储氢乳化炸药爆轰性能的影响, 进行了两种储氢乳化炸药的水下爆炸和猛度测试实验。借助实验数据和理论分析, 研究了MgH₂型储氢乳化炸药作功能力与猛度之间的关系, 并对用比冲量表示炸药猛度的理论进行了修正。结果表明, 在物理敏化和化学敏化的MgH₂型储氢乳化炸药中, MgH₂粉末分别起到含能添加剂和化学发泡剂的作用。与化学敏化相比, 物理敏化的MgH₂型储氢乳化炸药比冲击波能、比气泡能和总能量分别下降了11.98%、5.38%和8.66%, 但其猛度(铅柱压缩量) 却提高了5.15 mm, 说明敏化方式对MgH₂型储氢乳化炸药的作功能力和猛度具有显著影响。

DOI:10.11943/j.issn.1006-9941.2017.02.013