含CL-20的改性雙基推進(jìn)劑沖擊波感度

張 超，楊建剛，陳俊波，李軍強(qiáng)，袁志鋒，楊立波，武宗凱

(西安近代化學(xué)研究所, 陜西 西安 710065)

引 言

現(xiàn)代戰(zhàn)場環(huán)境要求作為武器裝備動力源的推進(jìn)劑不僅要有足夠高的能量, 還必須具有良好的安全性[1]。六硝基六氮雜異伍茲烷 (CL-20) 是迄今為止能量密度和爆速最高的單質(zhì)含能材料之一，因此通過添加CL-20來提高推進(jìn)劑的能量和燃速研究受到廣泛關(guān)注[2-9],然而由于CL-20具有較高的感度[10]，將對推進(jìn)劑的安全性能帶來影響。

國內(nèi)對含CL-20推進(jìn)劑的安全性能研究主要集中在機(jī)械感度及老化性能方面，趙鳳起等[11]研究發(fā)現(xiàn)，含CL-20 改性雙基推進(jìn)劑比已定型的HMX-CMDB 推進(jìn)劑的撞擊感度和摩擦感度都高。曹榮等[12]在研究含CL-20/HMX的GAP高能推進(jìn)劑高溫加速老化過程中，發(fā)現(xiàn)不含 CL-20 的 GAP 高能推進(jìn)劑老化后初始模量稍有下降，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)10% CL-20 的推進(jìn)劑老化13周后，模量增幅超過300%; 抗拉強(qiáng)度和伸長率均呈下降趨勢，且隨 CL-20 含量增加，抗拉強(qiáng)度和伸長率下降速率加快。

除了機(jī)械感度與老化性能外，推進(jìn)劑的沖擊波感度是評價推進(jìn)劑安全性能的主要參量,是評價推進(jìn)劑危險等級的重要指標(biāo)[13]，對評價其安全性也具有十分重要的意義。美國長期以來一直使用隔板試驗(yàn)(NOLLSGT)測試推進(jìn)劑沖擊波感度，并以70片厚度為0.254mm(0.01in)的隔板作為區(qū)分1.1級(有整體爆轟危險)推進(jìn)劑和1.3級(僅產(chǎn)生劇烈燃燒)推進(jìn)劑的一項(xiàng)重要試驗(yàn)[14]。用沖擊波感度來反映推進(jìn)劑是否具有良好戰(zhàn)地生存能力具有十分重要的意義[15]。

為了掌握含CL-20改性雙基推進(jìn)劑沖擊波感度響應(yīng)規(guī)律，提高該類推進(jìn)劑在制造與使用過程中的安全性，本研究借鑒文獻(xiàn)[15]中沖擊波感度研究方法，分析了CL-20的含量、粒度及粒度級配對改性雙基推進(jìn)劑沖擊波感度的影響。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 主要原材料

NC(氮含量12.0%)，瀘州北方硝化棉公司；NG (純度>99.5%)，西安近代化學(xué)研究所;ε-CL-20(純度>99.4%，d50=25.12μm)，遼寧慶陽特種化工有限公司；CL-20(d50=230nm),由d50=25.12μm機(jī)械粉碎獲得；惰性芳香族的鉛鹽和銅鹽(C-Pb和C-Cu)、炭黑(CB)、催化劑均為市售。

1.2 推進(jìn)劑配方及樣品制備

推進(jìn)劑配方如表1所示，催化劑采用內(nèi)加法加入。為了對比催化劑對推進(jìn)劑機(jī)械感度的影響，配方L-6在吸收中未加入催化劑。配方中的原材料經(jīng)過吸收-熟化-驅(qū)水-壓延-壓伸工序制成外徑36.0mm、長度35.0mm的藥柱。

表1 推進(jìn)劑的配方

1.3 隔板試驗(yàn)裝置與方法

沖擊波感度測試采用隔板試驗(yàn)法。隔板厚度采用中值靠近方法,即取爆與不爆隔板厚度中間值,如此反復(fù)直到爆與不爆隔板值相差1mm,取此時中間值作為被試樣品的沖擊波感度。如果在一次試驗(yàn)中見證板出現(xiàn)與試樣管尺寸相當(dāng)?shù)膱A孔，結(jié)果判為“爆”，否則判為“不爆”。

隔板試驗(yàn)裝置示意圖見圖1，施主藥柱、隔板、試樣管同軸。試樣管規(guī)格：外徑45mm，內(nèi)徑36mm,長度140.0mm。施主藥柱規(guī)格：TNT與PETN質(zhì)量比1∶1，Φ50mm×50mm；密度為1.58g/mm3。采用8號工業(yè)電雷管起爆。隔板采用聚甲基丙烯酸(有機(jī)玻璃)，規(guī)格：Φ50.0mm×0.19mm，驗(yàn)證板為150.0mm×150.0mm×10.0mm的45號鋼板。

圖1 隔板試驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram gap test device

2 結(jié)果與討論

2.1 樣品中含能組分的沖擊波感度

NG和NC具有較高的沖擊波感度[16]，ε-CL-20的粒度由普通變?yōu)閬單⒚准?，其沖擊波感度試驗(yàn)中的隔板厚度由19.19mm降至7.98mm,降低了58.6%,兩種CL-20的密度均為90%最大理論密度[17]；本研究樣品配方中含能組分的沖擊波感度由大到小依次為：NG>NC>CL-20(粗)>CL-20(亞微米)。

2.2 CL-20含量對推進(jìn)劑沖擊波感度的影響

CL-20質(zhì)量分?jǐn)?shù)由0增至30%時，推進(jìn)劑的沖擊波感度測試結(jié)果及沖擊波系數(shù)見表2，每一個測試結(jié)果是3發(fā)平行試驗(yàn)的平均值。 以不含高能炸藥的樣品L-1的沖擊波感度為基數(shù)1,其他樣品的沖擊波感度與其進(jìn)行比較,得到的相對系數(shù),即為沖擊波系數(shù)(λ)。

從表2可以看出，當(dāng)CL-20質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于30%時，隨著CL-20含量的增加，沖擊波感度呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢。當(dāng)CL-20質(zhì)量分?jǐn)?shù)由0增加到25%時，隔板厚度由38.57mm降至34.96mm；CL-20質(zhì)量分?jǐn)?shù)繼續(xù)增加至30%時，隔板厚度相對于CL-20質(zhì)量分?jǐn)?shù)25%樣品升高0.57mm,說明CL-20質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于30%后，推進(jìn)劑的沖擊波感度隨著CL-20含量增加而增加，但仍低于不含CL-20的樣品。這是因?yàn)樵囼?yàn)樣品中的NG和NC具有較高的沖擊波感度， L-1～L-5樣品，隨著配方中NG和NC逐步被CL-20所取代，即配方中高沖擊波感度組分含量減少，所以推進(jìn)劑的沖擊波感度也減小。當(dāng)CL-20質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于30%后，NG和NC便失去了對推進(jìn)劑樣品沖擊波感度影響的主導(dǎo)作用，逐漸增多的CL-20成為影響推進(jìn)劑沖擊波感度的主要組分。

表2 CL-20含量對推進(jìn)劑沖擊波感度的影響

2.3 CL-20粒度對沖擊波感度的影響

含不同粒度CL-20推進(jìn)劑樣品的沖擊波感度測試結(jié)果見表3。

表3 CL-20粒度對推進(jìn)劑沖擊波感度的影響

由表3可知，CL-20粒度對沖擊波感度有明顯影響。當(dāng)CL-20的粒度降至亞微米級后，含等量亞微米級CL-20推進(jìn)劑沖擊波感度較含普通CL-20推進(jìn)劑低35.8%。分析原因可能是因?yàn)椴煌筋w粒的界面?zhèn)鬟f應(yīng)力的能力不同。在相同的外界載荷沖擊下，外徑越大，其界面對應(yīng)力的傳遞能力越強(qiáng)，使得大顆粒比小顆粒更易從NC+NG基體中脫濕，更有利于沖擊波在推進(jìn)劑中的傳播。

2.4 CL-20粒度級配對沖擊波感度的影響

將d50為25.12μm的CL-20與d50為230nm的CL-20按質(zhì)量比為1∶1、2∶1、3∶1、4∶1級配得到的推進(jìn)劑樣品L-12、L-13、L-14、L-15的沖擊波感度如表4所示。

表4 CL-20粒度級配對推進(jìn)劑沖擊波感度的影響

從表4可見，粗細(xì)顆粒級配不同，其隔板厚度也不同，當(dāng)粗細(xì)顆粒質(zhì)量比為3∶1時，隔板厚度達(dá)到最小值25.46mm；粗細(xì)顆粒質(zhì)量比為4∶1時，隔板厚度又增至34.01mm,沖擊波感度增大，說明粗細(xì)顆粒質(zhì)量比為3∶1時，細(xì)顆粒對粗顆粒的填充最佳，推進(jìn)劑的沖擊波感度也最低。

2.5 催化劑對含CL-20推進(jìn)劑沖擊波感度的影響

催化劑對含質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%粗顆粒CL-20推進(jìn)劑沖擊波感度的影響結(jié)果見表5。

表5 催化劑對CL-20-CMDB推進(jìn)劑沖擊波感度的影響

由表5可以看出，加入催化劑后，推進(jìn)劑的沖擊波感度有所減低，隔板厚度由37.14mm降至35.53mm。這可能是因?yàn)橐环矫嫠拥拇呋瘎槎栊晕镔|(zhì)，本身具有很低的沖擊波感度；另一方面由于催化劑中所含的炭黑具有良好的導(dǎo)熱性，炭黑能夠及時將熱點(diǎn)周圍的熱量傳遞出去，使熱點(diǎn)迅速降溫消失，從而降低推進(jìn)劑的沖擊波感度。

3 結(jié) 論

(1) CL-20質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于30%的推進(jìn)劑，其沖擊波感度隨CL-20含量的增加呈先降低后升高的趨勢，但相對于不含CL-20的推進(jìn)劑整體呈降低趨勢；這是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)樣品中的NG和NC逐步被CL-20取代，即配方中高沖擊波感度組分含量減少。當(dāng)CL-20質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于30%后，NG和NC便失去了對推進(jìn)劑樣品沖擊波感度影響的主導(dǎo)作用，逐漸增多的CL-20成為影響推進(jìn)劑沖擊波感度的主要組分，由于CL-20的沖擊波感度小于NG和NC,因此，推進(jìn)劑樣品的沖擊波感度總體呈降低趨勢。

(2) CL-20粒度及級配也是影響推進(jìn)劑沖擊波感度的主要因素，含細(xì)顆粒CL-20推進(jìn)劑沖擊波感度小于含等量粗顆粒CL-20的。在本研究尺寸范圍內(nèi)，粗細(xì)顆粒質(zhì)量比為3∶1時，推進(jìn)劑的沖擊波感度最低，隔板厚度由29.26mm降至25.46mm。

(3)惰性鉛鹽/銅鹽/炭黑催化劑可以降低CL-20改性雙基推進(jìn)劑的沖擊波感度，質(zhì)量分?jǐn)?shù)3%的催化劑可以使隔板厚度降低1.61mm。