2. 甘肃银光化学工业集团有限公司科研所, 甘肃 白银 730900
2. Research Institute, Gansu Yinguang Chemical Industry Group Co., Ltd., Baiyin 730900, China
黑索金(RDX)和奥克托今(HMX)基高聚物粘结炸药(PBX)能量高, 感度低, 广泛应用于多种武器的弹丸及导弹战斗部的装药[1-5], 其中的RDX、HMX粒径均为普通工业微米级, 颗粒为不规则的多面体结构, 粒度大小不均匀, 晶体缺陷多, 机械感度高[6-11], 故使用中要求对PBX进行降感。通常降感的方法是增加炸药体系中粘结剂的含量, 而这种方法在降低感度的同时会导致爆炸性能的降低。
目前关于PBX性能改善的研究较多, 主要集中在降低PBX机械感度方面。王保国等[12]采用水悬浮法制备出了三氨基三硝基苯(TATB)/HMX基PBX, 用正交试验法确定了撞击感度和冲击波感度均较低的新型炸药配方; 高元元等[13]采用溶液重结晶法, 以3-硝基-1, 2, 4-三唑-5酮(NTO)包覆HMX, 机械感度有所降低, 爆速基本不变; 梁华琼等[14]研究了两种配方的RDX基PBX在压制过程中的损伤形成规律, 发现用丙烯腈丙烯酸酯作粘结剂比氟橡胶的粘附性能好, 产品缺陷少。
为了综合改善RDX基PBX机械感度、力学性能以及爆炸性能, 基于已有的关于RDX纳米化成果[15-22], 本研究采用溶液-水悬浮法, 利用课题组自制的类球形纳米RDX[23-24]与工业微米级RDX级配后, 调整料液比、温度、搅拌速度等工艺条件, 制备出合格的纳米RDX基PBX, 并研究不同纳米RDX的含量对PBX各性能的影响情况, 为纳米含能材料在混合炸药中的大规模应用提供参考。
2 实验部分 2.1 原料及样品制备原料RDX, 平均粒度为100 μm, 甘肃银光化学工业基团有限公司生产; 纳米RDX, 平均粒度为100 nm, 由课题组采用机械球磨法制备[22]; 乙酸乙酯, 分析纯, 国药集团化学试剂有限公司生产。
本试验采用溶液-水悬浮法[23]制备RDX基PBX, 采用的配方各组分质量比分别为RDX:粘结剂:钝感剂=94.5:5:0.5, 其中改变主体炸药RDX中纳/微米RDX的不同配比(见表 1), 制得4种PBX样品。
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表 1 含不同微纳米RDX颗粒级配的PBXs配方 Tab.1 Formulations of PBX with differentmicrometer/nano-RDXs particle gradations |
制备过程如下:准确称取一定量的微米RDX和纳米RDX, 混合加入到反应釜中, 再加入一定量的去离子水, 控制水浴温度为65 ℃, 转速调整为600 r·min-1, 边加热边搅拌一段时间, 待RDX在水中分散均匀, 再缓慢滴加事先溶解在乙酸乙酯中的粘结剂溶液, 待滴加完全后恒温搅拌一段时间, 颗粒逐渐成型, 然后缓慢升温至80 ℃, 驱除乙酸乙酯溶剂, 待溶剂完全挥发干净, 再加入称量的钝感剂, 继续搅拌15 min, 待颗粒完全成型, 过滤, 真空烘箱60 ℃下干燥, 最终得到RDX基PBX的造型粉样品, 用于机械感度测试。然后将制备的PBX造型粉压制成Φ20 mm×20 mm和Φ20 mm×30 mm规格的药柱, 用于力学性能和爆速测试。
2.2 试验方法撞击感度试验参照GJB772A-1997方法601.1“爆炸概率”法。WL-1型撞击感度测试仪, 测试温度为(20±2) ℃, 相对湿度为(60±5)%, 落锤质量为10 kg, 落高为25 cm, 每发药量为(50±1) mg, 每组试样25发, 计算其爆炸百分数。
摩擦感度试验参照GJB772A-1997方法602.1“爆炸概率法”。BM-B型摩擦感度仪, 测试摆角(90± 1)°, 压强为3.92 MPa, 测试温度为(20±2) ℃, 相对湿度为(60±5)%, 每发药量为(20±1) mg, 试验25发, 计算其爆炸百分数。
抗压强度试验参照GJB772A-19997方法416.1“压缩法”。CMT450R型微机控制电子万能试验机, 试验速度为10 mm·min-1, 试验温度为(20±5) ℃, 被测药柱尺寸为Φ20 mm×20 mm。
抗剪强度试验参照GJB 772A-1997方法415.1“双剪法”。CMT450R型微机控制电子万能试验机, 试验机十字头移动速度为10-11 mm/min, 试验温度为(20±5) ℃, 被测药柱尺寸为Φ20 mm×30 mm。
抗拉强度试验参照GJB 772A-1997方法413.1“直拉法”。CMT450R型微机控制电子万能试验机, 试验速度为(5.00±0.05) mm/min, 试验温度为(20±5)℃, 被测药柱尺寸为Φ20 mm×20 mm。
爆速测试参照GJB 772A-1997方法702.1“电测法”, 被测药柱尺寸为Φ20 mm×20 mm, 传爆药柱为90%TMD聚黑-14药柱, 探针为Φ0.1 mm漆包铜线。
3 结果与讨论 3.1 微纳米RDX级配对造型粉形貌影响光学显微镜拍摄的在纳微米RDX颗粒不同级配下制备的PBX造型粉外观形貌如图 1所示。
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图 1 微/纳米RDX不同颗粒级配下制备的PBXs表观形貌图 Fig.1 Apparent morpholog images of PBXs prepared with different nano-/micrometer RDX particle gradations |
由图 1可知, 只含原料微米级RDX的造型粉(图 1a)颗粒较大, 且形状不规则; 而含纳米RDX的PBX造型粉(图 1b, 图 1c, 图 1d)颗粒偏小, 形状规则, 呈类球形。这是因为粘接剂包覆RDX时, 首先先包覆一颗或多颗RDX颗粒, 然后这些包覆后的颗粒再聚集形成大颗粒, 形成宏观看到的造型粉。只采用粗颗粒RDX时, RDX颗粒较大, 形状不规则, 粘接剂包覆在粗颗粒RDX表面形成的造型粉颗粒较大且不规则; 而采用微纳米级配时, 包覆后的纳米RDX会聚集在包覆后的粗颗粒RDX表面, 宏观上表现为造型粉粒度较小, 形状较规则[25]。
3.2 PBX造型粉组分分析根据GJB772A-1997溶剂萃取法, 分别测试了4种样品各组分的含量, 结果见表 2。
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表 2 含不同微纳米RDX颗粒级配的PBX组分含量 Tab.2 Component contents of PBX with different micrometer/nano-RDX particle gradations |
从表 2中可以看出, 含不同配比纳微米RDX的PBX各组分含量与已知所用配方的各组分比例基本一致, 且粒度, 大小均在要求的40~4目, 合格率基本达到100%, 表明在传统PBX混合炸药体系中加入纳米RDX之后, 粘结剂和钝感剂均能均匀有效地包覆在纳米RDX表面, 纳米RDX无流失现象出现, 产品的成型性不受影响, 确保了产品质量的稳定性。
3.3 机械感度参照GJB772A-1997方法601.1“爆炸概率”法和602.1“爆炸概率法”, 测试4种样品的撞击感度和摩擦感度, 结果见表 3。
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表 3 含不同微纳米RDX颗粒级配的PBXs的机械感度 Tab.3 Mechanical sensitivity of PBXs with different micrometer/nano-RDX particle gradations |
由表 3可看出, 纳米RDX添加到传统PBX中可以有效降低其撞击感度和摩擦感度, 其中以JH-2配方的纳米RDX基PBX降感效果最佳, 撞击感度降低了72.7%, 摩擦感度降低了83.3%, 然后随着纳米RDX含量的增加, 感度降低趋势减缓。这主要是因为纳米RDX粒度小, 形状规则, 易于填充在粗RDX颗粒间的缝隙中, 在撞击、摩擦作用下形成热点几率小, 机械感度降低; 而纳米RDX易于团聚, 随着纳米含量增加, 在水溶液中部分团聚, 成无规则大颗粒, 热点形成概率提高, 导致PBX感度降幅减小。
3.4 力学性能参照GJB772A-19997方法416.1“压缩法”、415.1“双剪法”和413.1“直拉法”, 测试4种样品抗压、抗拉、抗剪强度测试, 结果见表 4。
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表 4 含不同微纳米RDX颗粒级配的PBXs的力学性能 Tab.4 Mechanical properties of PBXs with different micrometer/nano-RDX particle gradations |
由表 4可看出, 纳米RDX与普通微米级RDX级配后制备的PBX力学性能明显有所提高, 且以JH-2配方的PBX的力学性能最佳, 与不含纳米RDX的PBX (JH-1)相比, 抗压强度提高了18.0%, 抗拉强度提高了16.7%, 抗剪强度提高了11.4%。这是因为在使用传统微米级RDX制备PBX混合炸药时, RDX粗颗粒结构无规则, 呈棱角分明的多面体结构, 形成的造型粉颗粒大小不均, 形状不一, 在压装成型时PBX体系内部容易产生孔隙, 缺陷等, 受到外力作用时在有孔隙、缺陷处容易塌陷, 破裂等, 导致力学性能变差。而加入纳米RDX后制备的造型粉粒径较小, 结构规则, 呈类球形, 压装成型时容易填充于颗粒间形成的孔隙中, 提高了PBX体系的密实性, 减少缺陷的形成, 从而使得压装药柱的力学性能得到增强。
3.5 爆炸性能测试4种药柱的装药密度及爆速, 结果见表 5。
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表 5 含不同微纳米RDX颗粒级配的PBXs的爆速 Tab.5 Detonation velocity of PBXs with different micrometer/nano-RDX particle gradations |
参照GJB 772A-1997方法702.1“电测法测试4种PBX的爆速, 由表 5可见, 纳米RDX与普通微米级RDX级配后制备的PBX药柱密度和爆速均有所提高, 尤其以JH-2的效果最好, 与不含纳米RDX的PBX (JH-1)相比, JH-2爆速增加了153 m·s-1, 药柱密度提高了0.4%。这主要是因为对RDX进行粒度级配后, 纳米RDX颗粒可以有效填充于大颗粒之间, 使得炸药颗粒间排列紧密, 宏观上表现为PBX体系的装填密度有所增加, 另外由于纳米RDX本身具有的表面效应、小尺寸效应等特性, 反应速率提高, 可以有效提高炸药体系的能量释放性, 改善混合炸药的爆轰性能。
4 结论(1) 用溶液-水悬浮法成功制备出含不同微纳米RDX颗粒级配的PBX, 其表面光滑, 结构规则, 形状呈类球形, 粘结剂和钝感剂在体系中分散均匀, 纳米RDX不易流失, 产品成型性良好。
(2) 与普通微米RDX基PBX相比, 加入纳米RDX后的PBX性能更好, 以微纳米RDX颗粒级配为95/5时最优, 撞击感度降低了72.7%, 摩擦感度降低了83.3%;抗压强度提高了18.0%, 抗拉强度提高了16.7%, 抗剪强度提高了11.4%;爆速增加了153 m·s-1, 药柱密度提高了0.4%。
(3) 研究表明, PBX中加入纳米RDX后能有效降低体系机械感度, 提高其力学性能及爆炸性能, 这可为PBX中主体炸药粒度级配选择提供数据支持, 同时为纳米化硝胺炸药在混合炸药中规模化应用奠定基础。
| [1] |
Yan Qi-Long, Zeman Svatopluk, Elbeih Ahmed. Recent advances in thermal analysis and stability evaluation of insensitive plastic bonded explosives (PBXs)[J].
Thermochimica Acta, 2012, 537: 1-12. DOI:10.1016/j.tca.2012.03.009 |
| [2] |
Mounir Jaidann, Hakima Abou-Rachid, Xavier Lafleur-Lambert, et al. Atomistic studies of RDX and FOX-7-based plastic-bonded explosives: molecular dynamics simulation[J].
Procedia Computer Science, 2011, 4: 1177-1185. DOI:10.1016/j.procs.2011.04.126 |
| [3] |
Adapaka S Kumar, Vepakomma B Rao, Rabindra K Sinha, et al. Evaluation of plastic bonded explosive (PBX) formulations based on RDX, aluminum, and HTPB for underwater applications[J].
Propellants, Explosives, Pyrotechnics, 2010, 35(4): 359-364. DOI:10.1002/prep.200800048 |
| [4] |
刘玉存, 王作山, 柴涛, 等. HMX粒度及其级配对塑料粘结炸药冲击波感度和爆炸输出能量的影响[J].
兵工学报, 2000, 21(4): 357-360. LIU Yu-cun, WANG Zuo-shan, CHAI Tao, et al. Influence of HMX particle size and gradation on the shock sensitivity and output of a PBX explosive[J]. Acta Armamentarii, 2000, 21(4): 357-360. |
| [5] |
唐明峰, 蓝林钢, 李明, 等. 以RDX为基的浇PBX力学性能与本构模型[J].
含能材料, 2014, 22(2): 215-220. TANG Ming-feng, LAN Lin-gang, LI Ming, et al. Mechanical properties and constitutive models of RDX based cast PBX[J]. Chinese Journal of Energetic Materials(Hanneng Cailiao), 2014, 22(2): 215-220. |
| [6] |
刘杰, 姜炜, 李凤生, 等. 纳米级奥克托今的制备及性能研究[J].
兵工学报, 2013, 34(2): 174-180. LIU Jie, JIANG Wei, LI Feng-sheng, et al. Preparation and study of nano octahydro-1, 3, 5, 7-tetranitro-1, 3, 5, 7-tetrazocine[J]. Acta Armamentarii, 2013, 34(2): 174-180. |
| [7] |
Song Xiao-lan, Wang Yi, An Chong-wei, et al. Dependence of particle morphology and size on the mechanical sensitivity and thermal stability of octahydro-1, 3, 5, 7-tetranitro-1, 3, 5, 7-tetrazocine[J].
Journal of Hazardous Materials, 2008, 159(2-3): 222-229. DOI:10.1016/j.jhazmat.2008.02.009 |
| [8] |
莫红军, 赵凤起. 纳米含能材料的概念与实践[J].
火炸药学报, 2005, 28(3): 79-82. MO Hong-jun, ZHAO Feng-qi. The concept and practice of energetic nano materials[J]. Chinese Journal of Explosives and Propellants, 2005, 28(3): 79-82. |
| [9] |
王昕. 纳米含能材料研究进展[J].
火炸药学报, 2006, 29(2): 29-32. WANG Xin. Advance in Nanometric Ingredients and nanocomposites of energetic materials[J]. Chinese Journal of Explosives and Propellants, 2006, 29(2): 29-32. |
| [10] |
丁黎, 郑朝民, 梁忆, 等. RDX基浇铸PBX的老化性能[J].
含能材料, 2015, 23(2): 156-162. DING Li, ZHANG Chao-min, LIANG Yi, et al. Aging Properties of Casted RDX-based PBX[J]. Chinese Journal of Energetic Materials(Hanneng Cailiao), 2015, 23(2): 156-162. DOI:10.11943/j.issn.1006-9941.2015.02.010 |
| [11] |
代晓淦, 钟敏, 邓川, 等. PBX炸药药片的摩擦感度响应特性[J].
含能材料, 2015, 23(10): 994-998. DAI Xiao-gan, ZHONG Min, DENG Chuan, et al. Reaction characteristics of PBX tablet in friction sensitivity test[J]. Chinese Journal of Energetic Materials(Hanneng Cailiao), 2015, 23(10): 994-998. DOI:10.11943/j.issn.1006-9941.2015.10.014 |
| [12] |
王保国, 张景林, 陈亚芳, 等. HMX/TATB基高聚物粘结传爆药的研究[J].
含能材料, 2007, 15(1): 9-11. WANG Bao-guo, ZHANG Jing-lin, CHEN Ya-fang, et al. PBX booster explosive based on HMX/TATB[J]. Chinese Journal of Energetic Materials(Hanneng Cailiao), 2007, 15(1): 9-11. |
| [13] |
高元元, 朱顺官, 陈鹏源. NTO包覆HMX的钝感研究[J].
火炸药学报, 2014, 37(1): 61-65. GAO Yuan-yuan, ZHU Shun-guan, CHEN Peng-yuan. Research oninsensitivity of HMX coated with NTO[J]. Chinese Journal of Explosives and Propellants, 2014, 37(1): 61-65. |
| [14] |
梁华琼, 雍炼, 唐常良, 等. RDX为基的PBX炸药压制过程损伤形成研究[J].
含能材料, 2009, 17(6): 713-716. LIANG Hua-qiong, YONG Lian, TANG Chang-liang, et al. Pressingdamage of RDX-based polymer bonded explosive[J]. Chinese Journal of Energetic Materials(Hanneng Cailiao), 2009, 17(6): 713-716. |
| [15] |
宋小兰, 安崇伟, 郭效德, 等. 制备工艺对HMX机械感度和热分解特性的影响[J].
含能材料, 2008, 16(6): 698-702. SONG Xiao-lan, AN Chong-wei, GUO Xiao-de, et al. Effect of preparation methods on mechanical sensitivity and thermal decomposition of HMX[J]. Chinese Journal of Energetic Materials(Hanneng Cailiao), 2008, 16(6): 698-702. |
| [16] |
耿孝恒, 王晶禹, 张景林. 不同粒度HMX的重结晶制备和机械感度研究[J].
山西化工, 2009, 29(3): 22-24. GENG Xiao-heng, WANG Jing-yu, ZHANG Jing-lin. Recrystallization preparation of different granularity HMX and study on the mechanical sensitivity[J]. SHANXI Chemical Industry, 2009, 29(3): 22-24. |
| [17] |
王江, 李小东, 王晶禹, 安崇伟. 喷雾干燥法中溶剂对RDX颗粒形貌和性能的影响[J].
含能材料, 2015, 23(3): 238-242. WANG Jiang, LI Xiao-dong, WANG Jing-yu, AN Chong-wei. Effect of solvent on the morphology and properties of RDX prepared by the spray drying method[J]. Chinese Journal of Energetic Materials(Hanneng Cailiao), 2015, 23(3): 238-242. DOI:10.11943/j.issn.1006-9941.2015.03.007 |
| [18] |
杨斌林, 陈荣义, 曹晓宏. RDX炸药粒度对其爆轰性能的影响[J].
火工品, 2004(3): 50-53. YANG Bin-lin, CHEN Rong-yi, CAO Xiao-hong. Influence of particle size of RDX on the detonation properties[J]. Initiators & Pyrotechnics, 2004(3): 50-53. |
| [19] |
陈厚和, 孟庆刚, 曹虎, 等. 纳米RDX粉体的制备与撞击感度[J].
爆炸与冲击, 2004, 24(4): 382-384. CHEN Hou-he, MENG Qing-gang, CAO Hu, et al. Preparation and impact sensitivity of nanometer explosive powder of RDX[J]. Explosion and Shock Waves, 2004, 24(4): 382-384. |
| [20] |
杨光成, 聂福德. 超细HMX的制备与表征研究[J].
含能材料, 2004, 12(6): 350-352. YANG Guang-cheng, NIE Fu-de. Preparation and characterization of ultrafine HMX particles[J]. Chinese Journal of Energetic Materials(Hanneng Cailiao), 2004, 12(6): 350-352. |
| [21] |
Stepanov V, Anglade V, Balas Hummers W A, et al. Production and sensitivity evaluation of nanocrystalline RDX-based explosive compositions[J].
Propellants, Explosives, Pyrotechnics, 2011, 36(36): 240-246. |
| [22] |
刘杰, 王龙祥, 李青, 等. 钝感纳米RDX的制备与表征[J].
火炸药学报, 2012, 35(6): 46-50. LIU Jie, WANG Long-xiang, LI Qing, et al. Preparation and characterization of insensitive nano RDX[J]. Chinese Journal of Explosives and Propellants, 2012, 35(6): 46-50. |
| [23] |
王龙祥, 刘杰, 曾江保, 等. 纳米RDX的热性能及感度研究[J].
爆破器材, 2013(6): 14-18. WANG Long-xiang, LIU Jie, ZENG Jiang-bao, et al. Study on thermal properties and sensitivities of nano material RDX[J]. Explosive Materials, 2013(6): 14-18. |
| [24] |
孙业斌, 惠君明, 曹欣茂.
军用混合炸药[M]. 北京: 兵器工业出版社, 1995.
|
| [25] |
刘杰. 具有降感特性纳米硝胺炸药的可控制备及应用基础研究[D]. 南京: 南京理工大学, 2015.
LIU Jie. Controlled preparation of lower sensitivity characterized nanometer Nitramin explosives and their appling basic reserch[D]. Nanjing: Nanjing University of Science & Technology, 2015. |
By the solution-water slurry technique, PBXs with different micrometer/nano-RDX particle gradations were prepared. The apparent morphology was observed with an optical microscope, and the mechanical sensitivity, mechanical property and detonation velocity were measured.