2. 四川华川工业有限公司, 四川 成都 610106
爆炸网络是由爆炸元件构成、通过爆轰信号传递起爆指令的火工系统。这里的爆炸元件指的是能够传递和调制爆轰信号的装药体和装药结构。由于其体积小、作用可靠等优点, 爆炸网络在定向战斗部和聚能战斗部中已经广泛使用。随着武器系统的小型化, 爆炸网络的微小尺寸对传爆药配方带来了更高要求。应用于爆炸网络传爆药的典型代表是美国的XTX-8003和XTX-8004[1], 它们以粒径为10 μm左右的细化太安(PETN) 或黑索今(RDX) 为主体, 钝感剂为20 %硅酮树脂, 临界直径在0.38~0.76 mm之间, 装药密度约1.4 g·cm-3, 爆速约7000 m·s-1。近期, 国内也进行了相关研究, 吴凯等[2]研究了奥克托今(HMX) 基塑性粘结炸药作为起爆逻辑网络用传爆药, 其装药平均密度1.44 g·cm-3, 1 mm×1 mm沟槽内平均爆速为6959 m·s-1。胡菲等[3]研究了爆炸网络用HMX/CL-20基传爆药, 平均装药密度1.45 g·cm-3, 0.8 mm×0.8 mm沟槽内平均爆速为7131 m·s-1, 爆速极差为124 m·s-1。尽管在微型爆炸网络装药配方和工艺方面都取得了一些成果, 但造型粉压装工艺常出现小尺寸条件下的装药密度一致性问题, 造成爆速极差大。其他类型传爆药也存在适用配方种类少, 爆轰波输出同步性有时无法满足使用要求等问题。
3, 4-二硝基呋咱基氧化呋咱(DNTF) 作为一种高能量密度材料具有良好的材料相容性、高生成热和高爆速的特性, 已应用于一些改性推进剂配方[4-7]。由于其传爆临界尺寸小, 研究DNTF作为小临界尺寸传爆药的含能组分很有意义。封雪松等[8]研究了DNTF基熔铸型传爆药配方, 并将其用于爆炸网络, 虽然能够在小尺寸装药下传爆, 但其冲击波感度较高[9], 不能满足传爆药冲击波安全性要求。
基于此, 本研究以DNTF与HMX混合物为主体炸药, 含能粘结剂聚叠氮基缩水甘油醚(GAP) 为粘结剂, 配以其他助剂, 制备出一种新型DNTF/HMX基传爆药, 并采用微注射工艺将其装入微型爆炸网络沟槽中, 对装药的成型效果、传爆性能和安全性能进行了测试, 为解决战斗部对爆炸网络爆轰波输出同步性要求提供了参考。
2 实验部分 2.1 主要试剂与材料DNTF、HMX原料, 甘肃银光化学工业集团有限公司; 聚叠氮缩水甘油醚(GAP), 泸州北方化学工业集团有限公司; 甲苯-2, 4-二异氰酸酯(TDI), 天津登科化学试剂有限公司; 二月桂酸二丁基锡(T-12), 天津福晨化学厂, 以上试剂均为化学纯。
2.2 传爆药配方在GAP/DNTF基PBX炸药配方[10]的基础上, 用HMX部分取代DNTF, 形成本研究传爆药配方, 各组分及其含量(质量分数) 为: DNTF 42.5%, HMX 42.5%, GAP 11%, TDI 1.8%, 其他助剂4%。为了达到更好的颗粒填充效果, 主体炸药组分DNTF和HMX采用粒度级配的方法进行混合, 其中DNTF颗粒采用喷雾细化法[11]制备, 粒径约为2~5 μm; HMX颗粒粒径约为10 μm, 采用溶剂非溶剂滴加法制备; 溶剂均选用二甲基亚砜, 非溶剂选择去离子水。配方中粘结剂GAP使用前需置于真空烘箱中80 ℃充分干燥10 h。
2.3 装药方法将炸药、粘结剂与一定量其他添加剂按照2.2中传爆药配方称量好后均匀混合配制成预固化药浆, 放入特制模具装药前加入对应量的固化剂TDI和催化剂T-12通过捏合工艺混制成均匀药浆。将注药模具出药口置于微型爆炸网络沟槽装药口处, 用液压机提供压力, 液压机压力设置为1.2 t进行微注射装药, 将药浆挤注到沟槽中。待沟槽装药装满后, 将沟槽出药口密封, 保压压力设置为0.8 t, 保压5~10 min。最后, 将装药完成的爆炸网络基板置于水浴烘箱中60 ℃固化3~5 d。
2.4 表征与计算方法扫描电镜(SEM) 表征:用SU8020型冷场发射扫描电子显微镜(日本Hitachi公司) 观察配方中的炸药组分的粒度和形貌情况; 利用EVO18型扫描电子显微镜(德国Carl Zeiss公司) 对DNTF/HMX基传爆药在沟槽网络内装药效果进行观察研究。
X-射线衍射仪(XRD) 表征:用DX-2700型X射线衍射仪(丹东方圆仪器有限公司) 对DNTF、HMX炸药原料和经过细化后的组分进行晶型对比表征。测试条件: Cu靶Kα辐射, 射线管电压40 kV, 电流30 mA, 扫描角度2θ角从5°到50°, 扫描步长0.03°。
装药密度与爆速计算:将不同尺寸沟槽中固化后的药条从基板沟槽中取出, 置于高精度MH-124S型密度测试仪(邯郸兆辉电子科技有限公司) 中测试成型后所达到的实际装药密度; 理论爆速由Explo5爆轰参数评估软件(美国爱迪赛恩公司) 运用自由能最小化方法进行计算。
2.5 直线传爆临界尺寸实验将传爆药药浆装入到不同尺寸的直线爆炸网络沟槽(横截面为正方形) 中, 固化成型后, 通过雷管起爆沟槽中装药。沟槽中装药传爆后留有爆轰痕迹, 且沟槽尺寸会有不同程度扩张, 根据这些现象可以判断沟槽中装药是否传爆, 测试装置如图 1所示。在同一装药尺寸下连续实验5次, 如都能传爆, 表明临界尺寸低于该装药尺寸。将沟槽的深(d) 和宽(w) 各降低0.1 mm, 重复以上实验, 直到找出能够完全传爆的最小沟槽装药尺寸(d×w), 该装药尺寸即为该配方装药的直线传爆临界尺寸。
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图 1 传爆临界尺寸试验装置示意图 1-引火头, 2-雷管座, 3-传爆药柱, 4-传爆基板, 5-通气孔, 6-传爆药槽, 7-传爆盖板, 8-雷管 Fig.1 Schematic of detonation device for the critical dimension test 1-fuse head, 2-detonator holder, 3-booster grain, 4-detonation substrate, 5-ventilation hole, 6-booster groove, 7-detonation cover, 8-detonator |
将传爆药装入0.8 mm×0.8 mm的沟槽中, 起爆实验装配图和直线传爆临界尺寸实验基本一致。不同之处在于本项实验需在盖板相应位置上刻出0.3 mm×0.3 mm的沟槽, 将漆包线(探针) 装入盖板沟槽中, 测试装置示意图如2所示。利用炸药爆轰波阵面电离导电作用, 采用时间间隔测试仪可测试出爆轰波在两个探针距离间的传播时间, 进而得出传爆药的爆速。
2.7 感度性能测试撞击感度测试按照GJB772A-1997炸药试验方法601.312型工具法[12]进行, 测试条件:落锤质量(5.0±0.002) kg, 药量(35±1) mg, 温度10~35 ℃, 相对湿度≤80%。冲击波感度采用GJB2178A-2005中小隔板实验[13]测试, 隔板厚度的升降步长为0.2 mm。通过测定被测试样50%被起爆时的隔板厚度(L50) 来表征试样的相对冲击波感度。隔板值越大, 冲击起爆所需入射到被测试样的冲击波能量越低, 冲击波感度越高; 反之, 冲击波感度越低。
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图 2 爆速测试试验示意图 1-引火头, 2-雷管, 3-传爆药柱, 4-传爆药槽, 5, 7-爆速测试线, 6-起发信号线 Fig.2 Schematic of the detonation velocity test 1-fuse head, 2-detonator, 3-booster grain, 4-booster groove, 5、7-detonation velocity test line, 6-initiation signal line |
图 3为DNTF、HMX原料细化前后以及DNTF/HMX基传爆药样品的X射线衍射图。如图 3所示, DNTF/HMX基传爆药样品所有的衍射峰位置(衍射角度) 与DNTF、HMX原料细化前后基本相同, 例如原料DNTF在2θ=28.013°, 原料HMX在2θ=23.181°的衍射峰位置对应细化后的DNTF在2θ=28.015°(峰值2000 a.u.左右) 及HMX在2θ=23.182°并没有发生变化, DNTF本身的结构稳定, 溶于二甲基亚砜溶剂后, 经喷雾细化在非溶剂中析出并没有改变其晶体结构; HMX组分细化前后的晶型也未发生变化, 仍为稳定的β型。
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图 3 DNTF、HMX原料细化前后以及DNTF/HMX基传爆药样品的X射线衍射图 Fig.3 X-ray diffraction patterns of DNTF, HMX before and after the refinement and DNTF/HMX based booster explosive samples |
在相同的衍射角度, 原料与DNTF/HMX基传爆药样品相同角度对应的衍射峰强度不同, 传爆药样品中的炸药组分相对于原料大部分衍射峰会出现一定程度的宽化, 且强度下降, 两个衍射峰对应DNTF/HMX基传爆药样品的衍射峰角度分别为2θ=28.014°和2θ=23.181°, 基本没有变化。但DNTF/HMX基传爆药样品的衍射峰强度明显下降, 半高宽(FWHM) 从0.132°和0.124°对应上升到0.266°和0.352°。这是因为与原料相比颗粒粒度的减小和与非晶聚合物GAP及其他添加剂的复合引起的。
3.2 SEM测试分析SEM测试结果如图 4所示。结果表明, 经喷雾细化的DNTF颗粒较小, 粒径在2~5 μm左右, 颗粒形貌主要呈片状, 这可能与DNTF的椅型分子构型有关, DNTF的这种结晶性质使分子堆积更加紧密, 晶体结构更加稳定且表现出更高的密度[14], 从而获得更好的爆轰能量和性能。采用溶剂/非溶剂滴加方法细化的HMX保持了结构的稳定, 颗粒形貌为多面体状, 颗粒粒径在10 μm左右。
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图 4 DNTF、HMX原料细化后的扫描电镜图 Fig.4 SEM images of the refined DNTF and HMX |
采用数码照相机、扫描电子显微镜对装药成型效果分别进行了观察, 其结果如图 5所示。由图 5a实物图照片可以看出沟槽装药表面比较平整, 没有出现溢药和断药情况。图 5b中扫描电镜SEM照片可见装药表面平整, 没有出现微小裂纹和缩孔等缺陷, 进一步表明炸药颗粒分布比较均匀, 炸药颗粒和粘结体系结合比较紧密。
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图 5 DNTF/HMX基传爆药在爆炸网络沟槽中的装药效果 Fig.5 The detonation groove after charging with DNTF/HMX based booster explosive |
按照2.5中设计的实验方法对沟槽装药进行了传爆实验, 考察了传爆药的直线传爆临界尺寸, 其结果如表 1和图 6所示。
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表 1 直线传爆临界尺寸实验结果 Tab.1 The formula of the DNTF/HMX based booster explosive in this experiment |
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图 6 直线传爆临界尺寸实物图 Fig.6 Propagation reliability test photos |
由图 6可知, 当沟槽尺寸为0.8 mm×0.8 mm~0.6 mm×0.6 mm时, DNTF/HMX基传爆药网络沟槽内装药均能实现可靠、稳定传爆, 沟槽扩张一致性良好, 尺寸为0.5 mm×0.5 mm时直线沟槽部分传爆, DNTF/HMX基传爆药的直线传爆临界尺寸为0.6 mm×0.6 mm。
3.5 装药密度与爆速理论装药密度可通体积加成法如式1所示来计算。
| $ {{\rho }_{\text{e}}}=\frac{\sum {{m}_{i}}~}{\sum ~\frac{{{m}_{i}}}{{{\rho }_{i}}}} $ | (1) |
式中，ρe为炸药的理论密度, g·cm-3; mi为i组分的质量, g; ρi为i组分的密度, g·cm-3。
理论上的爆轰速度可以由以下方程[15]计算:
| $ \begin{align} & {{D}_{\text{max}}}=\sum {{D}_{i}}{{a}_{Vi}} \\ & {{a}_{Vi}}={{\rho }_{\text{max}}}~\frac{{{g}_{i}}}{{{\rho }_{i\text{max}}}} \\ & D=~\frac{{{D}_{\text{max}}}}{4}+\frac{3}{4}\frac{{{D}_{\text{max}}}}{{{\rho }_{\text{max}}}}{{\rho }_{0}} \\ \end{align} $ | (2) |
式中，Dmax为理论爆速, Di为i组分的理论爆速, aVi为i组分的体积分数, ρmax为混合炸药的理论密度, gi为i组分的质量, ρimax为i组分的理论密度, ρ0为实际装药密度, D为装药密度ρ0时的理论爆速。
由上述理论密度和爆速的原理, 通过Explo5爆轰参数评估软件进行计算, 沟槽装药实测密度通过高精度MH-124S型密度测试仪测试, 结果如表 2所示。0.8 mm×0.8 mm沟槽装药的实测爆速和实测密度也如表中所示。
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表 2 DNTF/HMX基传爆药的理论爆速和沟槽内实测爆速 Tab.2 Theoretical and measured detonation velocity results of DNTF/HMX based booster explosives |
由表中理论爆速和实测爆速的结果可以看出, 相同尺寸的沟槽中实测密度小于理论密度, 沟槽中的实际测试爆速小于理论爆速, 在0.8 mm×0.8 mm的沟槽中, 平均理论爆速和平均实测爆速分别为7824.9 m·s-1和7558 m·s-1。3发测试样品的爆速极差仅为29 m·s-1, 这一指标表明了本文研制出的DNTF/HMX基传爆药配方的颗粒分布均匀、药剂均匀性好、装药工艺的装药稳定性好等优异性能。
3.6 撞击感度与冲击波感度测试经过固化后的DNTF/HMX基传爆药的撞击感度与冲击波感度见表 3。从表 3可知, 对原料DNTF、HMX的重结晶细化可以降低其撞击感度, 加之粘结剂的粘结复合作用可以显著降低DNTF/HMX基传爆药的冲击波感度, 使所研究的配方作为微型爆炸网络装药具备优异的安全性能。
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表 3 原料与细化DNTF、HMX及DNTF/HMX基传爆药的撞击感度与冲击波感度 Tab.3 Impact sensitivity and shock sensitivity of the raw and refined DNTF, HMX and DNTF/HMX based booster explosive |
(1) 综合考虑小尺寸传爆特点、装药密度、爆速等能量性能以及安全性能, 实验确定的DNTF/HMX基传爆药的配方为:主体炸药细化DNTF 2~5 μm (42.5%), 细化HMX 10 μm (42.5%) 以质量比1:1进行粒度级配, 粘结剂GAP (11%), 固化剂TDI (1.8%), 增塑剂、催化剂等其他添加剂(2.2%)。
(2) 研究的DNTF/HMX基传爆药的配方在0.5 mm×0.5 mm~0.8 mm×0.8 mm尺寸的微型沟槽成功实现了装药, 数码相机与扫描电镜观察结果表明传爆药表面无缩孔、裂痕等缺陷, 获得了密实性、均匀性良好的装药效果。
(3) 通过注射装药固化成型制备出的DNTF/HMX基传爆药装药密度达到1.6 g·cm-3, 并在此高装药密度下实现了不小于0.6 mm×0.6 mm的微小通道内的可靠传爆。爆速实验结果表明:沟槽中的实际测试爆速小于理论爆速, 在0.8 mm×0.8 mm的沟槽中, 平均理论爆速和平均实测爆速分别达到7824.9 m·s-1和7558 m·s-1, 爆速极差为29 m·s-1。安全性能测试中撞击感度实验特性落高为45.2 cm, 冲击波感度小隔板实验的隔板厚度值为8.74 mm。各项性能指标均体现出所研究的DNTF/HMX基传爆药应用于微型爆炸网络的优越性。
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The DNTF/HMX based booster explosive was successfully designed and applied to the explosion network of microsize. The molding quality and fumale composition was characterized by SEM and XRD. The detonation performance, impact sensitivity, shock sensitivity and detonation velocity were also tested and analysed.