微型爆炸網(wǎng)絡(luò)用DNTF/HMX基傳爆藥研究

安崇偉, 李文璽, 溫曉沐, 王晶禹, 衛(wèi)彥菊, 庾濱鑠

(1. 中北大學(xué)化工與環(huán)境學(xué)院, 山西 太原 030051; 2. 四川華川工業(yè)有限公司, 四川 成都 610106)

1 引 言

爆炸網(wǎng)絡(luò)是由爆炸元件構(gòu)成、通過爆轟信號傳遞起爆指令的火工系統(tǒng)。這里的爆炸元件指的是能夠傳遞和調(diào)制爆轟信號的裝藥體和裝藥結(jié)構(gòu)。由于其體積小、作用可靠等優(yōu)點,爆炸網(wǎng)絡(luò)在定向戰(zhàn)斗部和聚能戰(zhàn)斗部中已經(jīng)廣泛使用。隨著武器系統(tǒng)的小型化,爆炸網(wǎng)絡(luò)的微小尺寸對傳爆藥配方帶來了更高要求。應(yīng)用于爆炸網(wǎng)絡(luò)傳爆藥的典型代表是美國的XTX-8003和XTX-8004[1],它們以粒徑為10 μm左右的細(xì)化太安(PETN)或黑索今(RDX)為主體,鈍感劑為20 %硅酮樹脂,臨界直徑在0.38～0.76 mm之間,裝藥密度約1.4 g·cm-3,爆速約7000 m·s-1。近期,國內(nèi)也進行了相關(guān)研究,吳凱等[2]研究了奧克托今(HMX)基塑性粘結(jié)炸藥作為起爆邏輯網(wǎng)絡(luò)用傳爆藥,其裝藥平均密度1.44 g·cm-3,1 mm×1 mm溝槽內(nèi)平均爆速為6959 m·s-1。胡菲等[3]研究了爆炸網(wǎng)絡(luò)用HMX/CL-20基傳爆藥,平均裝藥密度1.45 g·cm-3,0.8 mm×0.8 mm溝槽內(nèi)平均爆速為7131 m·s-1,爆速極差為124 m·s-1。盡管在微型爆炸網(wǎng)絡(luò)裝藥配方和工藝方面都取得了一些成果,但造型粉壓裝工藝常出現(xiàn)小尺寸條件下的裝藥密度一致性問題,造成爆速極差大。其他類型傳爆藥也存在適用配方種類少,爆轟波輸出同步性有時無法滿足使用要求等問題。

3,4-二硝基呋咱基氧化呋咱(DNTF)作為一種高能量密度材料具有良好的材料相容性、高生成熱和高爆速的特性,已應(yīng)用于一些改性推進劑配方[4-7]。由于其傳爆臨界尺寸小,研究DNTF作為小臨界尺寸傳爆藥的含能組分很有意義。封雪松等[8]研究了DNTF基熔鑄型傳爆藥配方,并將其用于爆炸網(wǎng)絡(luò),雖然能夠在小尺寸裝藥下傳爆,但其沖擊波感度較高[9],不能滿足傳爆藥沖擊波安全性要求。

基于此,本研究以DNTF與HMX混合物為主體炸藥,含能粘結(jié)劑聚疊氮基縮水甘油醚(GAP)為粘結(jié)劑,配以其他助劑,制備出一種新型DNTF/HMX基傳爆藥,并采用微注射工藝將其裝入微型爆炸網(wǎng)絡(luò)溝槽中,對裝藥的成型效果、傳爆性能和安全性能進行了測試,為解決戰(zhàn)斗部對爆炸網(wǎng)絡(luò)爆轟波輸出同步性要求提供了參考。

2 實驗部分

2.1 主要試劑與材料

DNTF、HMX原料,甘肅銀光化學(xué)工業(yè)集團有限公司; 聚疊氮縮水甘油醚(GAP),瀘州北方化學(xué)工業(yè)集團有限公司; 甲苯-2,4-二異氰酸酯(TDI),天津登科化學(xué)試劑有限公司; 二月桂酸二丁基錫(T-12),天津福晨化學(xué)廠,以上試劑均為化學(xué)純。

2.2 傳爆藥配方

在GAP/DNTF基PBX炸藥配方[10]的基礎(chǔ)上,用HMX部分取代DNTF,形成本研究傳爆藥配方,各組分及其含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為: DNTF 42.5%,HMX 42.5%,GAP 11%,TDI 1.8%,其他助劑4%。為了達(dá)到更好的顆粒填充效果,主體炸藥組分DNTF和HMX采用粒度級配的方法進行混合,其中DNTF顆粒采用噴霧細(xì)化法[11]制備,粒徑約為2～5 μm; HMX顆粒粒徑約為10 μm,采用溶劑非溶劑滴加法制備; 溶劑均選用二甲基亞砜,非溶劑選擇去離子水。配方中粘結(jié)劑GAP使用前需置于真空烘箱中80 ℃充分干燥10 h。

2.3 裝藥方法

將炸藥、粘結(jié)劑與一定量其他添加劑按照2.2中傳爆藥配方稱量好后均勻混合配制成預(yù)固化藥漿,放入特制模具裝藥前加入對應(yīng)量的固化劑TDI和催化劑T-12通過捏合工藝混制成均勻藥漿。將注藥模具出藥口置于微型爆炸網(wǎng)絡(luò)溝槽裝藥口處,用液壓機提供壓力,液壓機壓力設(shè)置為1.2 t進行微注射裝藥,將藥漿擠注到溝槽中。待溝槽裝藥裝滿后,將溝槽出藥口密封,保壓壓力設(shè)置為0.8 t,保壓5～10 min。最后,將裝藥完成的爆炸網(wǎng)絡(luò)基板置于水浴烘箱中60 ℃固化3～5 d。

2.4 表征與計算方法

掃描電鏡(SEM)表征: 用SU8020型冷場發(fā)射掃描電子顯微鏡(日本Hitachi公司)觀察配方中的炸藥組分的粒度和形貌情況; 利用EVO18型掃描電子顯微鏡(德國Carl Zeiss公司)對DNTF/HMX基傳爆藥在溝槽網(wǎng)絡(luò)內(nèi)裝藥效果進行觀察研究。

X-射線衍射儀(XRD)表征: 用DX-2700型X射線衍射儀(丹東方圓儀器有限公司)對DNTF、HMX炸藥原料和經(jīng)過細(xì)化后的組分進行晶型對比表征。測試條件: Cu靶Kα輻射,射線管電壓40 kV,電流30 mA,掃描角度2θ角從5°到50°,掃描步長0.03°。

裝藥密度與爆速計算: 將不同尺寸溝槽中固化后的藥條從基板溝槽中取出,置于高精度MH-124S型密度測試儀(邯鄲兆輝電子科技有限公司)中測試成型后所達(dá)到的實際裝藥密度; 理論爆速由Explo5爆轟參數(shù)評估軟件(美國愛迪賽恩公司)運用自由能最小化方法進行計算。

2.5 直線傳爆臨界尺寸實驗

將傳爆藥藥漿裝入到不同尺寸的直線爆炸網(wǎng)絡(luò)溝槽(橫截面為正方形)中,固化成型后,通過雷管起爆溝槽中裝藥。溝槽中裝藥傳爆后留有爆轟痕跡,且溝槽尺寸會有不同程度擴張,根據(jù)這些現(xiàn)象可以判斷溝槽中裝藥是否傳爆,測試裝置如圖1所示。在同一裝藥尺寸下連續(xù)實驗5次,如都能傳爆,表明臨界尺寸低于該裝藥尺寸。將溝槽的深(d)和寬(w)各降低0.1 mm,重復(fù)以上實驗,直到找出能夠完全傳爆的最小溝槽裝藥尺寸(d×w),該裝藥尺寸即為該配方裝藥的直線傳爆臨界尺寸。

圖1傳爆臨界尺寸試驗裝置示意圖

1—引火頭, 2—雷管座, 3—傳爆藥柱, 4—傳爆基板,5—通氣孔, 6—傳爆藥槽, 7—傳爆蓋板, 8—雷管

Fig.1Schematic 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

2.6 爆速測試

將傳爆藥裝入0.8 mm×0.8 mm的溝槽中,起爆實驗裝配圖和直線傳爆臨界尺寸實驗基本一致。不同之處在于本項實驗需在蓋板相應(yīng)位置上刻出0.3 mm×0.3 mm的溝槽,將漆包線(探針)裝入蓋板溝槽中,測試裝置示意圖如2所示。利用炸藥爆轟波陣面電離導(dǎo)電作用,采用時間間隔測試儀可測試出爆轟波在兩個探針距離間的傳播時間,進而得出傳爆藥的爆速。

2.7 感度性能測試

撞擊感度測試按照GJB772A-1997炸藥試驗方法601.312型工具法[12]進行,測試條件: 落錘質(zhì)量(5.0±0.002) kg,藥量(35±1) mg,溫度10～35 ℃,相對濕度≤80%。沖擊波感度采用GJB2178A-2005中小隔板實驗[13]測試,隔板厚度的升降步長為0.2 mm。通過測定被測試樣50%被起爆時的隔板厚度(L50)來表征試樣的相對沖擊波感度。隔板值越大,沖擊起爆所需入射到被測試樣的沖擊波能量越低,沖擊波感度越高; 反之,沖擊波感度越低。

圖2爆速測試試驗示意圖

1—引火頭, 2—雷管, 3—傳爆藥柱, 4—傳爆藥槽,5, 7—爆速測試線, 6—起發(fā)信號線

Fig.2Schematic 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

3 結(jié)果與討論

3.1 XRD測試結(jié)果分析

圖3為DNTF、HMX原料細(xì)化前后以及DNTF/HMX基傳爆藥樣品的X射線衍射圖。如圖3所示,DNTF/HMX基傳爆藥樣品所有的衍射峰位置(衍射角度)與DNTF、HMX原料細(xì)化前后基本相同,例如原料DNTF在2θ=28.013°,原料HMX在2θ=23.181°的衍射峰位置對應(yīng)細(xì)化后的DNTF在2θ=28.015°(峰值2000 a.u.左右)及HMX在2θ=23.182°并沒有發(fā)生變化,DNTF本身的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,溶于二甲基亞砜溶劑后,經(jīng)噴霧細(xì)化在非溶劑中析出并沒有改變其晶體結(jié)構(gòu); HMX組分細(xì)化前后的晶型也未發(fā)生變化,仍為穩(wěn)定的β型。

在相同的衍射角度,原料與DNTF/HMX基傳爆藥樣品相同角度對應(yīng)的衍射峰強度不同,傳爆藥樣品中的炸藥組分相對于原料大部分衍射峰會出現(xiàn)一定程度的寬化,且強度下降,兩個衍射峰對應(yīng)DNTF/HMX基傳爆藥樣品的衍射峰角度分別為2θ=28.014°和2θ=23.181°,基本沒有變化。但DNTF/HMX基傳爆藥樣品的衍射峰強度明顯下降,半高寬(FWHM)從0.132°和0.124°對應(yīng)上升到0.266°和0.352°。這是因為與原料相比顆粒粒度的減小和與非晶聚合物GAP及其他添加劑的復(fù)合引起的。

a. DNTF

b. HMX

c. DNTF/HMX based booster explosive

圖3DNTF、HMX原料細(xì)化前后以及DNTF/HMX基傳爆藥樣品的X射線衍射圖

Fig.3X-ray diffraction patterns of DNTF, HMX before and after the refinement and DNTF/HMX based booster explosive samples

3.2 SEM測試分析

SEM測試結(jié)果如圖4所示。結(jié)果表明,經(jīng)噴霧細(xì)化的DNTF顆粒較小,粒徑在2～5 μm左右,顆粒形貌主要呈片狀,這可能與DNTF的椅型分子構(gòu)型有關(guān),DNTF的這種結(jié)晶性質(zhì)使分子堆積更加緊密,晶體結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定且表現(xiàn)出更高的密度[14],從而獲得更好的爆轟能量和性能。采用溶劑/非溶劑滴加方法細(xì)化的HMX保持了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定,顆粒形貌為多面體狀,顆粒粒徑在10 μm左右。

a. refined DNTF 2-5 μm

b. refined HMX 10 μm

圖4DNTF、HMX原料細(xì)化后的掃描電鏡圖

Fig.4SEM images of the refined DNTF and HMX

3.3 裝藥成型效果

采用數(shù)碼照相機、掃描電子顯微鏡對裝藥成型效果分別進行了觀察,其結(jié)果如圖5所示。由圖5a實物圖照片可以看出溝槽裝藥表面比較平整,沒有出現(xiàn)溢藥和斷藥情況。圖5b中掃描電鏡SEM照片可見裝藥表面平整,沒有出現(xiàn)微小裂紋和縮孔等缺陷,進一步表明炸藥顆粒分布比較均勻,炸藥顆粒和粘結(jié)體系結(jié)合比較緊密。

圖5DNTF/HMX基傳爆藥在爆炸網(wǎng)絡(luò)溝槽中的裝藥效果

Fig.5The detonation groove after charging with DNTF/HMX based booster explosive

3.4 直線傳爆臨界尺寸

按照2.5中設(shè)計的實驗方法對溝槽裝藥進行了傳爆實驗,考察了傳爆藥的直線傳爆臨界尺寸,其結(jié)果如表1和圖6所示。

a. 0.8 mm×0.8 mmb. 0.7 mm×0.7 mm

c. 0.6 mm×0.6 mmd. 0.5 mm×0.5 mm

圖6直線傳爆臨界尺寸實物圖

Fig.6Propagation reliability test photos

表1直線傳爆臨界尺寸實驗結(jié)果

Table1The formula of the DNTF/HMX based booster explosive in this experiment

groovesize/mmexperimentnumberpropagationnumber0．8×0．8550．7×0．7550．6×0．6550．5×0．551

由圖6可知,當(dāng)溝槽尺寸為0.8 mm×0.8 mm～0.6 mm×0.6 mm時,DNTF/HMX基傳爆藥網(wǎng)絡(luò)溝槽內(nèi)裝藥均能實現(xiàn)可靠、穩(wěn)定傳爆,溝槽擴張一致性良好,尺寸為0.5 mm×0.5 mm時直線溝槽部分傳爆,DNTF/HMX基傳爆藥的直線傳爆臨界尺寸為0.6 mm×0.6 mm。

3.5 裝藥密度與爆速

理論裝藥密度可通體積加成法如式1所示來計算。

(1)

式中，ρe為炸藥的理論密度,g·cm-3;mi為i組分的質(zhì)量,g;ρi為i組分的密度,g·cm-3。

理論上的爆轟速度可以由以下方程[15]計算:

Dmax=∑DiaVi

(2)

式中，Dmax為理論爆速,Di為i組分的理論爆速,aVi為i組分的體積分?jǐn)?shù),ρmax為混合炸藥的理論密度,gi為i組分的質(zhì)量,ρimax為i組分的理論密度,ρ0為實際裝藥密度,D為裝藥密度ρ0時的理論爆速。

由上述理論密度和爆速的原理,通過Explo5爆轟參數(shù)評估軟件進行計算,溝槽裝藥實測密度通過高精度MH-124S型密度測試儀測試,結(jié)果如表2所示。0.8 mm×0.8 mm溝槽裝藥的實測爆速和實測密度也如表中所示。

由表中理論爆速和實測爆速的結(jié)果可以看出,相同尺寸的溝槽中實測密度小于理論密度,溝槽中的實際測試爆速小于理論爆速,在0.8 mm×0.8 mm的溝槽中,平均理論爆速和平均實測爆速分別為7824.9 m·s-1和7558 m·s-1。3發(fā)測試樣品的爆速極差僅為29 m·s-1,這一指標(biāo)表明了本文研制出的DNTF/HMX基傳爆藥配方的顆粒分布均勻、藥劑均勻性好、裝藥工藝的裝藥穩(wěn)定性好等優(yōu)異性能。

表2DNTF/HMX基傳爆藥的理論爆速和溝槽內(nèi)實測爆速

Table2Theoretical and measured detonation velocity results of DNTF/HMX based booster explosives

numbergroovesize/mmdensity/g·cm-3theoreticalmeasuredvelocity/m·s-1theoreticalmeasured10．8×0．81．7371．6037824．9754720．8×0．81．7371．6047824．9757630．8×0．81．7371．6027824．97550average0．8×0．81．7371．6037824．97558

3.6 撞擊感度與沖擊波感度測試

經(jīng)過固化后的DNTF/HMX基傳爆藥的撞擊感度與沖擊波感度見表3。從表3可知,對原料DNTF、HMX的重結(jié)晶細(xì)化可以降低其撞擊感度,加之粘結(jié)劑的粘結(jié)復(fù)合作用可以顯著降低DNTF/HMX基傳爆藥的沖擊波感度,使所研究的配方作為微型爆炸網(wǎng)絡(luò)裝藥具備優(yōu)異的安全性能。

表3原料與細(xì)化DNTF、HMX及DNTF/HMX基傳爆藥的撞擊感度與沖擊波感度

Table3Impact sensitivity and shock sensitivity of the raw and refined DNTF, HMX and DNTF/HMX based booster explosive

samplesimpactsensitivityH50/cmSshocksensitivitycardgapthickness/mmSrawDNTF16．90．0855．40．11rawHMX19．40．0635．10．10DNTF(2-5μm)25．90．0742．30．08HMX(10μm)24．60．0622．50．09DNTF/HMX45．20．098．740．08

4 結(jié) 論

(1) 綜合考慮小尺寸傳爆特點、裝藥密度、爆速等能量性能以及安全性能,實驗確定的DNTF/HMX基傳爆藥的配方為: 主體炸藥細(xì)化DNTF 2～5 μm(42.5%),細(xì)化HMX 10 μm(42.5%)以質(zhì)量比1∶1進行粒度級配,粘結(jié)劑GAP(11%),固化劑TDI(1.8%),增塑劑、催化劑等其他添加劑(2.2%)。

(2) 研究的DNTF/HMX基傳爆藥的配方在0.5 mm×0.5 mm～0.8 mm×0.8 mm尺寸的微型溝槽成功實現(xiàn)了裝藥,數(shù)碼相機與掃描電鏡觀察結(jié)果表明傳爆藥表面無縮孔、裂痕等缺陷,獲得了密實性、均勻性良好的裝藥效果。

(3) 通過注射裝藥固化成型制備出的DNTF/HMX基傳爆藥裝藥密度達(dá)到1.6 g·cm-3,并在此高裝藥密度下實現(xiàn)了不小于0.6 mm×0.6 mm的微小通道內(nèi)的可靠傳爆。爆速實驗結(jié)果表明: 溝槽中的實際測試爆速小于理論爆速,在0.8 mm×0.8 mm的溝槽中,平均理論爆速和平均實測爆速分別達(dá)到7824.9 m·s-1和7558 m·s-1,爆速極差為29 m·s-1。安全性能測試中撞擊感度實驗特性落高為45.2 cm,沖擊波感度小隔板實驗的隔板厚度值為8.74 mm。各項性能指標(biāo)均體現(xiàn)出所研究的DNTF/HMX基傳爆藥應(yīng)用于微型爆炸網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)越性。

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