低熱應力下石蠟對壓裝RDX基PBX炸藥性能的影響

賈　林，張林軍，張冬梅，顧　妍，王克勇，趙　娟，周文靜，孫序東

(西安近代化學研究所，陜西西安710065)

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低熱應力下石蠟對壓裝RDX基PBX炸藥性能的影響

賈林，張林軍，張冬梅，顧妍，王克勇，趙娟，周文靜，孫序東

(西安近代化學研究所，陜西西安710065)

摘要：為了解石蠟在低熱應力下對壓裝含Al粉RDX基PBX炸藥性能的影響，用掃描電鏡、聚焦顯微鏡、透射顯微鏡、X線斷層攝影儀觀察了藥柱在55℃加熱57d的的微觀結構；測量了藥柱的體積、質量和密度，并測試了其真空安定性、摩擦感度、撞擊感度、抗壓強度、抗剪強度。結果表明，加熱后藥柱中石蠟軟化連接，黏結劑互相粘結；藥柱質量減少0.1%，體積增加0.5%，平均密度減少0.6%，未見裂紋；摩擦感度從8%降至0，抗壓強度增加30%，抗剪強度增加83%。說明低熱應力并未影響藥柱的撞擊感度、安定性和結構完整性，此時藥柱中的石蠟發(fā)生軟化遷移，分布均勻化，使藥柱壓制成型時的缺陷得到修復，從而降低了藥柱的摩擦感度，并提高了抗壓強度和抗剪強度。

關鍵詞：物理化學；石蠟；PBX壓裝炸藥；力學性能；低熱應力

引言

武器裝備水平的不斷提高，對炸藥的性能提出了新的要求，科研人員通過調節(jié)添加劑種類及含量來提高炸藥的性能[1]。壓裝裝藥具有生產周期短、所需空間相對較小的優(yōu)點，可用于生產侵徹炸藥裝藥。在侵徹過程中，壓裝藥柱中的殘留應力等初始微缺陷，受到外界強刺激后會破壞藥柱的結構完整性，安全性降低。生產制備工藝和石蠟、黏結劑的成分配比對裝藥性能都會有影響。

封雪松等[2]研究了3種制備工藝對含納米鋁粉炸藥機械感度的影響，認為采用石蠟包覆，并外混石墨進行鈍感，能夠降低其撞擊感度和摩擦感度；馮博等[3]以石蠟作包覆劑，采用兩種包覆工藝制備了4種HMX基含鋁炸藥，探討了包覆工藝對燃燒性能的影響；賈憲振等[4]認為在炸藥藥粉壓縮成型過程中，其內部的應力變化都很小，成型之后，炸藥開始抵抗外界施加的壓力，造成內部應力水平增大，從而引起塑性變形；王淑萍等[5]認為復合黏結劑配比對含鋁炸藥的可壓性有一定影響；龐海燕等[6]認為造型粉的黏結體系受熱軟化，降低了造型粉間的摩擦，從而降低應力梯度；劉瑞鵬等[7]發(fā)現高分子黏結劑受熱后軟化熔化，在體系中的遷移可以抵消藥柱體積變化引起的裂紋產生。

本研究將石蠟和Al粉加入RDX基PBX炸藥中，并壓制成藥柱，在55℃加熱57d，研究低熱應力下石蠟對藥柱性能的影響，以期為調整工藝參數、改善裝藥品質提供參考。

1實驗

1.1材料與儀器

PBX炸藥，粒徑為0.1～2mm，配方為(質量分數)：RDX 92%～97%，石墨1%，橡膠4%～5%，西安近代化學研究所。

AHX-863型安全烘箱，南京理工大學機電總廠；FP90-central-processor-Leica-DM2500M透射顯微鏡，瑞士METTLER TOLEDO公司；600FEG型場發(fā)射掃描電鏡儀(SEM)，美國FEI Quanta公司；lext-3D-OLS4100 聚焦顯微鏡，日本OLYMPUS公司；AL204電子天平，精度為0.1mg，瑞士METTERLER TOLEDO公司；電子外徑千分尺，精度為0.001mm，青海量具刃具公司；BT-400型電子計算機X線斷層攝影儀(CT)，俄羅斯莫斯科探傷有限公司；萬能材料試驗機，測試溫度為(20±5)℃，美國INSTRON公司。

1.2樣品制備

將PBX、石蠟、Al粉以10∶1∶4的質量比攪拌混合，壓制成2個Ф30mm×30mm、26個Ф20mm×20mm、25個Ф20mm×30mm的藥柱。

Ф30mm×30mm藥柱用于測試質量、體積、密度和結構完整性；1個Ф20mm×20mm藥柱，用刀片切下藥柱側面最外層(厚度約為0.5mm)，夾在兩個載玻片中固定，標記為樣品A-T，加熱0、4、7d后分別用透射顯微鏡觀察；另外25個Ф20mm×20mm藥柱，5個為1組，分別加熱0、13、24、36、57d作抗壓試驗，其中加熱0、57d的藥柱做完抗壓試驗后，切成不大于0.4mm×0.4mm×0.4mm的小顆粒測試摩擦感度和撞擊感度；5個Ф20mm×30mm藥柱為1組，分別加熱0、13、24、36、57d作抗剪試驗，藥柱斷面微觀結構用SEM、聚焦顯微鏡觀察，其中加熱0、57d的藥柱做完抗剪試驗后，切成不大于1mm×1mm×1mm的小顆粒做真空安定性試驗。所有樣品用鋁塑袋包好后封口放入55℃烘箱加熱，測試時將鋁塑袋取出放入干燥器內，放至室溫后取出測試，測試完畢重新將樣品封入鋁塑袋中，放入烘箱中加熱。

1.3測試方法

用千分尺測量Ф30mm×30mm藥柱的體積，用天平稱重，計算其平均密度，并用CT進行內部和外部探傷掃描，檢測結構完整性。按照國家軍用標準GJB 772A-1997壓縮法、爆炸概率法、雙剪法、壓力傳感器法測試抗壓強度、摩擦感度、撞擊感度、抗剪強度、真空安定性(VST)。

2結果和討論

2.1低熱應力下石蠟對PBX炸藥藥柱微觀結構的影響

用透射顯微鏡觀察純石蠟在40～67℃的變化，發(fā)現石蠟在55℃時開始軟化，60℃開始融化，在66.6℃時變成液體。通過透射顯微鏡觀察到樣品A-T加熱0、4、7d后的變化見圖1。由圖1可以看出，隨著加熱時間的增加，樣品A-T透光區(qū)域加大，這是由于石蠟受熱后軟化并發(fā)生流動、融合的結果；在加熱前兩個載玻片并不能將樣品A-T碎片完全固定住，首次觀察完后用鋁塑袋封口放入烘箱時樣品A-T會有少許整體位移(圖1中(a)和(b)圖像不能重疊)，加熱后由于石蠟軟化、冷卻，黏住玻片，所以樣品A-T不再有較大的整體位移(圖1中(b)和(c)圖像可以重疊)。

圖1　加熱不同時間后樣品A-T的透射顯微鏡照片Fig.1　Projection microscope pictures of sample A-Tafter being heated for different times

用SEM觀察抗剪強度試驗后藥柱的斷面，結果見圖2。

圖2　老化藥柱內部的SEM照片Fig.2　SEM photos of aging grains inside

由圖2可以看出，體積較大且表面圓滑的固體為PBX藥粉，碎屑為石蠟，Al粉粒度太小，在圖中辨識度不高；未加熱的藥柱中石蠟呈碎屑狀；加熱13d后藥柱中石蠟碎片明顯減少，PBX藥粉顆粒之間出現絲狀相連(圖2(b)中紅圈區(qū)域)；加熱57d后藥柱中石蠟碎片基本消失，出現規(guī)則的片狀物。這是因為石蠟受熱軟化、遷移，黏結劑借助石蠟互相連接、分散更均勻并逐漸填充在藥柱內部空隙中，包覆效果變強。

用聚焦顯微鏡觀察抗剪試驗后藥柱的斷面，結果見圖3。

圖3　未加熱及加熱57d后藥柱內部的聚焦顯微鏡圖Fig.3　Focus microscope images of grains insideafterbeing heated for 0 and 57 days

由圖3可以看出，圖中亮處為Al粉，未加熱藥柱斷面Al粉少，加熱57d后藥柱斷面Al粉較多。分析認為加熱57d后PBX中的黏結劑在軟化的石蠟中互相連接、分布更均勻，使得藥柱整體黏結能力增強，所以藥柱只能從Al粉較多、黏結劑較少的地方斷裂。未加熱藥柱中，顆粒之間黏結劑并沒有互相粘結，受到剪切力后藥柱容易斷裂。說明低熱應力下，石蠟軟化后能使黏結劑互相黏結。

2.2低熱應力下石蠟對藥柱的體積、質量、密度、結構完整性的影響

加熱0、13、24、36、57d后分別測試Ф30mm×30mm藥柱的質量(m)、體積(V)和密度(ρ)，質量、體積和密度的變化率(Δ)見圖4。

圖4　加熱后藥柱體積、質量、密度的變化率Fig.4　Change rate of the V, m and ρ of grainafter bing heated

由圖4可以看出，加熱57d后藥柱的體積增加0.5%、質量減少0.1%、密度減少0.6%。表明加熱57d后，藥柱中的組分基本沒有分解、升華、滲出等較明顯的質量損失。藥柱壓裝時的殘余應力加熱后得到釋放[8]，導致加熱57d后藥柱體積變大、密度變小，但藥柱外表未產生裂紋，CT掃描圖見圖5。

圖5　老化藥柱的CT掃描圖Fig.5　CT scan photos of aging grains

從圖5可以看出，加熱57d后藥柱的內部和外表均未見裂紋，說明低熱應力下，藥柱壓制時的原始殘余應力得到釋放，藥柱體積變大，但石蠟的存在沒有造成藥柱結構上的損害。

2.3低熱應力下石蠟對藥柱安定性、感度、力學性能的影響

用VST試驗考察藥柱的貯存安定性，用撞擊感度、摩擦感度、抗壓強度、抗剪強度考察藥柱的使用安全性，測試結果見表1。

表1　藥柱抗壓強度、抗剪強度、撞擊感度、摩擦

注：σ為抗壓強度；δ為抗剪強度；H為撞擊感度；P為摩擦感度；V為VST試驗放氣量。

從表1可看出，加熱57d后藥柱的放氣量稍有減少，這是因為易受熱分解揮發(fā)的組分已在老化減重期間揮發(fā)，而藥柱尚未達到加速分解放氣階段，因此加熱57d后藥柱放氣量反而減少[9]。

從表1還可看出，藥柱的撞擊感度沒有變化，摩擦感度從8%降至0，抗壓強度增加30%、抗剪強度增加83%。分析其變化原因可能是：(1)壓裝成型過程實質上是PBX炸藥各組分顆粒在壓力作用下相互錯動、鑲嵌、擠實，使孔隙減小，最終產生彈塑性形變的過程，在壓制過程中不可避免地會產生初始損傷[8,10]，藥柱在低熱環(huán)境下保存，其中的石蠟等低熔點物質發(fā)生軟化、遷移，分布均勻化，使得一些藥柱壓制成型時產生的初始微缺陷得到修復；(2)石蠟受熱后均勻成膜處于PBX炸藥晶粒之間時，起到緩沖與潤滑作用，降低晶粒間的摩擦及應力集中現象，降低了熱點產生的概率，鈍感效果增強[7,11]；(3)PBX炸藥中的黏結劑在此溫度下部分軟化，甚至部分被石蠟溶解，互相粘結，填充空隙，分布更均勻，黏結作用加強。總之，石蠟在低熱應力下使藥柱的摩擦感度降低、抗壓強度和抗剪強度增加，撞擊感度和貯存安定性沒有變化。

3結論

(1)在55℃低熱應力下，藥柱中的石蠟受熱后軟化、遷移，黏結劑借助石蠟互相黏結、分散更均勻，逐漸填充在藥柱內部空隙中，鈍感、包覆能力增強，能夠修復一些藥柱壓制成型時產生的初始微缺陷。

(2)55℃加熱57d后，藥柱質量減少0.1%，體積增加0.5%、密度減少0.6%，未見裂紋，石蠟對藥柱的結構完整性沒有影響；

(3)55℃加熱57d后，由于石蠟的軟化和遷移使得藥柱的摩擦感度從8%降至0，壓縮強度增加30%、抗剪強度增加83%，貯存安定性、撞擊感度沒有變化。

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Effect of Paraffin on Properties of a Pressed RDX-based PBX Explosive under the Low Thermal Stress

JIA Lin, ZHANG Lin-jun, ZHANG Dong-mei, GU Yan, WANG Ke-yong, ZHAO Juan,ZHOU Wen-jing, SUN Xu-dong

(Xi′an Modern Chemistry Research Institute, Xi′an 710065, China)

Abstract:To explore the effect of paraffin on properties of the pressed RDX-based PBX explosive containing aluminium powder under the low thermal stress, the micro-structures of the grains being heated at 55℃ for 57days were observed by scanning electron microscope, focus microscope, projection microscope and X-ray computed tomography. The volume, mass and density of the grain were measured and the vacuum stability, impact sensitivity, friction sensitivity and compressive strength and shear strength of the grain were performed. Results show that the paraffin in grain melts and connects to each other after being heated, the dispersed binder bond with each other and distributes evenly. The value of mass decreases by 0.1%, the volume increases by 0.5% and the density decreases by 0.6% and the crack does not observed. The friction sensitivity changes from 8% to 0. The compression strength increases by 30% and the shear strength increases by 83%, showing that the low thermal stress doesn′t affect the impact sensitivity, stability and structure integrity of the grains. The softening migration of paraffin in grain under the low thermal stress makes the distribution uniformity, some of the initial micro-crevices of grain were repaired, which reduces the friction sensitivity of grain and increases the compression strength and shear strength.

Keywords:physical chemistry; paraffin; PBX pressed explosive; mechanical properties; low thermal stress

作者簡介:賈林(1970-)，女，高級工程師，從事火炸藥理化性能和環(huán)境適應性研究。

基金項目:國防科技基礎研究計劃(B0920110005)

收稿日期:2015-06-25；修回日期:2015-08-13

中圖分類號：TJ55; O64

文獻標志碼：A

文章編號：1007-7812(2015)05-0074-05

DOI：10.14077/j.issn.1007-7812.2015.05.015