装填黑索今(RDX)、奥克托今(HMX)为主体的新型高能炸药, 可以大幅提高大口径榴弹的毁伤威力和作战效能, 但由于受发射安全性制约, 高能炸药的应用受到了限制。在贮存和使用过程中, 受各种环境应力作用, 炸药装药自身会以某种形式发生缓慢的物理、化学变化, 这种变化可能导致炸药自身热稳定性变差, 同时也可能使装药的结构产生损伤, 从而影响炸药装药的发射安全性[1]。
国内对于发射安全性及长贮老化过程中炸药装药的性能变化研究较多[2-4]。王世英等[5-6], 王淑萍等[7]对炸药装药的发射安全性开展了一系列研究, 发现装药产生的裂纹、缩孔及底隙等“缺陷”是引起发射安全性变化的主要原因; 高大元等[8]研究了加速老化对高聚物粘结炸药(PBX)安全性的影响, 认为高温老化后炸药热安全性和撞击安全性均降低; 张冬梅等[9]研究了温度循环老化试验下压装A-Ⅸ-Ⅱ装药的失效模式及裂纹机理, 认为A-Ⅸ-Ⅱ炸药药柱产生裂纹是主要的失效模式, 钝感剂液化和局部流失是产生裂纹的主要原因; 贾林等[10]研究了热老化下石蜡对压装RDX基PBX炸药性能的影响, 认为热老化并未影响炸药药柱的撞击感度、安定性和结构完整性, 药柱中的石蜡发生软化迁移, 缺陷得到修复, 从而降低了药柱的摩擦感度, 提高了抗压强度; 韦兴文等[11]研究了热老化对TATB基高聚物粘结炸药力学性能的影响, 认为长期高温贮存后, 炸药晶体与粘合剂仍具有良好的粘合界面, 力学性能指标未发生明显变化。以上研究多集中于炸药药柱老化性能变化规律及老化机理方面, 但对于高温老化过程中装药发射安全性的变化及其影响研究还较少。
基于此, 本研究采用落锤加载装置研究了高温老化前后RDX基含铝压装炸药装药的发射安全性, 并从药柱结构、钝感剂含量、炸药晶体品质等方面分析了高温老化对装药发射安全性的影响, 以期为该类炸药装药安全应用、贮存、装药工艺改进提供参考。
2 实验部分 2.1 样品及装置某RDX基的含铝压装炸药, 基本配比RDX75%、铝粉20%、钝感剂5%, 灰色造型粉颗粒, 压制成Ф40 mm×40 mm的药柱, 药柱平均密度1.75 g·cm-3由西安近代化学研究所制备, 经工业CT检测, 药柱无裂纹、孔洞等明显结构缺陷。
高温热加速老化试验采用AHX-863型安全水浴烘箱, 控温精度±0.5 ℃。
发射安全性模拟试验采用大型落锤加载装置, 锤重400 kg, 落高0~2500 mm。
结构完整性检测采用俄罗斯莫斯科探伤有限公司的BT-400型工业CT, 电压150 kV, 电流4.5 mA, 切片厚度1.5~2 mm。
炸药药柱断面形貌采用美国FEI公司生产的Quanta600FEG型场发射扫描电镜, 放大倍率400万, 分辨率1 nm。
炸药中RDX晶体颗粒品质表征采用英国雷尼绍公司生产的INVIA显微拉曼光谱仪, 空间分辨率1 μm, 光谱分辨率1 cm-1。
2.2 实验过程 2.2.1 高温加速老化试验采用安全水浴烘箱, 试验样品在71 ℃下加速老化39天, 考核老化前后的炸药试样发射安全性。同时分别在13, 21, 31, 39天取样, 分析炸药药柱断面形貌、抗拉强度、钝感剂含量、炸药晶体品质等变化情况。
2.2.2 发射安全性考核试验采用大型落锤加载装置模拟发射安全性, 落锤重400 kg。将老化后的Ф40 mm×40 mm的炸药药柱装于自行设计的模拟试验弹[5-6]中, 药柱两端用密封垫密封, 模拟试验弹结构如图 1所示。试验时将装有炸药药柱的模拟试验弹放入具有安全防护的底座中, 分别在2200, 2300, 2500 mm高度, 使落锤自由落体降落, 撞击模拟试验弹, 由置于试验弹短击柱和底座间的压力传感器测量装药响应分值压力, 同时观测炸药装药是否发生燃烧爆炸, 每次试验进行2发, 峰值压力取平均值。
采用工业CT对老化后的模拟试验弹装药进行轴向扫描, 并在距离炸药药柱底部10, 20, 30 mm位置处进行3层CT扫描, 观测炸药药柱的结构完整性。
将炸药药柱沿径向用铜刀环切后, 采用力学三点弯曲装置压断制造断面, 利用场发射扫描电镜对断面同一微区进行原位扫描, 观测不同老化时间点炸药中固体颗粒与黏结剂间微结构的变化。
2.2.4 炸药中RDX晶体颗粒品质表征采用显微拉曼光谱对老化前后炸药中RDX晶体品质进行分析。为了降低激光辐照在样品上产生的热效应, 保障试验安全性, 选取激发波长能量低的785 nm激光器, 曝光时间选择1 s, 扫描次数1次, 激光衰减10%。试验前, 先在药柱表面标记好测试区域, 老化前后均在该区域内多次测量, 数学统计获得实验结果。同时, 为避免热效应累积, 必须随机采点测试, 且两点之间距离应大于1 mm。
3 结果与讨论 3.1 炸药装药发射安全性考核在71 ℃下老化39天后, 将Ф40 mm×40 mm的炸药药柱装于模拟试验弹中, 采用大型落锤加载试验装置进行炸药药柱发射安全性实验室模拟试验, 试验结果如表 1所示。
由表 1可以看出, 在锤重400 kg、落高2200 mm的加载条件下, 71 ℃热老化39天后样品可承受最大769 MPa的峰值压力, 老化和未老化样品均未发生爆炸燃烧表现出良好的安定性。当落高增加到2300 mm时, 未老化的样品在峰值压力达到874 MPa时发生了爆炸, 而老化后的样品在峰值压力达到887 MPa仍未发生爆炸燃烧; 当落高增加到2500 mm时, 未老化和老化后样品均发生了爆炸, 但老化后样品加载的峰值压力为960 MPa, 未老化样品加载的峰值压力为650 MPa, 老化样品加载峰值压力比未老化样品大的多。由此可见, 在相同落锤加载条件下, 未老化样品比老化后样品发生燃烧爆炸的可能性更大。因此, 71 ℃, 39天的有限热老化在一定程度上改善了该炸药装药的发射安全性。
3.2 高温老化对炸药装药发射安全性的影响因素分析 3.2.1 老化过程中炸药药柱结构形貌变化图 2为老化后模拟试验淬装药轴向及距炸药药杆底部10, 20, 30 mm径向CT扫描图。从图 2可以看出, 炸药药柱内部结构完整, 密度均匀, 未见气孔、裂纹等缺陷。由此可见, 71 ℃, 39天的热加速老化未对炸药药柱的结构产生损伤。
采用扫描电镜对老化过程中炸药药柱表界面微观形貌进行了观测, 图 3为不同老化时间下炸药药柱断面在1000倍放大条件下的扫描电镜结果。由图 3可以看出, 未老化时, 炸药药柱断面棱角较为分明, 毛刺清晰可见, 表面炸药颗粒间存在着间隙。随着老化时间的推移, 炸药断面逐渐软化, 颗粒间的间隙缩小弥合。老化39天时, 炸药药柱断面颗粒边缘变得圆滑, 部分毛刺消失, 表面颗粒间隙变得模糊。由此可见, 热老化过程中, 炸药中的钝感剂和黏结剂软化迁移, 对药柱表面颗粒重新包覆, 同时弥合了表面颗粒间隙, 改善了炸药的微观结构, 这与国内兰琼等[12]的研究结论相吻合。兰琼等人研究认为, 高温可以对PBX炸药药柱内部分布的低熔点黏结剂软化, 在压力作用下, 带动炸药晶体发生微位移, 填补微小孔隙, 药柱内部裂纹在一定的温度、应力载荷作用下愈合, 改善药柱致密化程度和力学性能。
炸药药柱表面钝感剂和黏结剂含量老化前后也存在着差异。经过组分定量分析, 老化前炸药药柱表面钝感剂和黏结剂含量为5.90%, 老化后为6.20%, 老化试验后滤纸上有明显的蜡状渗出物, 如图 4所示。由此可见, 在老化过程中炸药药柱中钝感剂和黏结剂由于受到热的作用软化, 同时向药柱表面迁移渗出, 使得药柱表面含量高于药柱内部, 则炸药药柱表面更加钝感, 在受到过载冲击时, 更不易发生燃烧爆炸。
拉曼光谱中特征峰半峰宽与试样晶体品质直接相关[13], RDX晶体中有缺陷存在时, 直接导致拉曼特征峰半峰宽展宽, 因此, RDX晶体品质越高, 拉曼光谱特征峰半峰宽越小[14-15]。晶体缺陷理论认为, 晶体中的缺陷可借助点缺陷的运动而实现扩散, 在晶体内迁移以至消失。炸药晶体中的缺陷并不是静止不变的, 而是随着环境条件的变化产生、发展、运动和交互作用, 能够合并消失。常温下, 由点缺陷引起的扩散效应可以忽略不计, 但在高温老化时, 分子热振动的动能显著增大, 点缺陷迁移速率随温度上升不断增长, 若温度与时间适宜, 当扩散达到平衡, 这种热老化作用可能会使晶体中的缺陷数量总体减小, 在拉曼光谱中即表现为特征峰半峰宽减小, 表现为晶体品质提升。
对未老化和老化后炸药药柱同一位置的RDX晶体颗粒分别进行显微拉曼光谱测试, 测试结果见图 5。由图 5可见, 老化前后药柱中RDX晶体颗粒拉曼图谱的峰形具有一致性, 分别在345, 605, 885, 1312 cm-1四个位置强度较大, 可以选择作为该炸药药柱中RDX晶体颗粒的特征峰, 对四组拉曼光谱特征峰的半峰宽进行统计分析, 结果见表 2。由表 2可知, 老化前炸药药柱中RDX晶体颗粒的拉曼特征峰半峰宽值为9.2, 11.5, 8.6, 10.2 cm-1, 老化后其特征峰值对应变为5.3, 9.2, 7.8, 9.1 cm-1, 老化后炸药药柱中RDX晶体颗粒的拉曼特征峰半峰宽比老化前明显减小, 在345 cm-1位置处老化后特征峰半峰宽比老化前减少了42.4%, 因此, 老化后炸药药柱中RDX晶体的品质得到了提升, 可改善炸药的安全性[16]。
(1) 在71 ℃, 39天热老化过程中炸药药柱中钝感剂和黏结剂的软化迁移, 使药柱表面的钝感剂和黏结剂含量由5.90%增加到6.20%, 表面钝化; 钝感剂和黏结剂在药柱中迁移重新分布, 填补了微小孔隙, 改善了炸药药柱的微观结构; 炸药中RDX晶体颗粒的拉曼特征峰半峰宽较老化前减小, 品质提升。
(2) 在装药无明显结构缺陷的情况下, 有限的热老化对炸药药柱发射安全性具有改善作用, 老化后样品比未老化样品发生燃烧爆炸的可能性更小。炸药药柱中钝感剂和黏结剂的软化迁移、微缺陷修复, 表面钝化、炸药中RDX晶体品质的提升等因素是老化后装药发射安全性优于老化前的主要原因。
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The accelerating aging of RDX-based aluminized and pressed explosive charge was performed at 71 ℃ for 39 days. The launching safety of charge before and after aging were checked by a drop hammer loading device and the effect of explosive column structure, deterrent and binder content and quality of RDX crystal on the launching safety of charge was analyzed.