RDX及其級配對TNT基熔鑄炸藥有效固含量的影響研究

喬　羽，劉　杰，肖　磊，郝嘎子，高　寒，曾江保，姜　煒

(1.南京理工大學 國家特種超細粉體工程技術研究中心，江蘇 南京 210094；2.江西航天經緯化工有限公司，江西 吉安 343000)

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RDX及其級配對TNT基熔鑄炸藥有效固含量的影響研究

喬羽1，劉杰1，肖磊1，郝嘎子1，高寒1，曾江保2，姜煒1

(1.南京理工大學 國家特種超細粉體工程技術研究中心，江蘇 南京 210094；2.江西航天經緯化工有限公司，江西 吉安 343000)

采用旋轉黏度計，分別研究了平均粒徑為100 μm、1 μm和100 nm的RDX及其級配樣品對TNT基熔鑄炸藥黏度的影響，進而研究了RDX粒度對TNT基熔鑄炸藥有效固含量的影響。結果表明，在所研究的TNT基熔鑄體系中，平均粒徑為100 μm的RDX其有效固含量為66.7%；平均粒徑為1 μm的RDX其有效固含量為55.6%；對于平均粒徑為100 nm的RDX，其有效固含量僅為39.5%。當單一粒度級別的RDX應用于TNT基熔鑄炸藥時，隨著RDX平均粒徑減小，其有效固含量顯著降低；當RDX粒度級配后應用于TNT基熔鑄炸藥中，隨著細顆粒RDX含量的增加，有效固含量提高，尤其是100 nm RDX和100 μm RDX級配后，有效固含量明顯增大。

納米RDX；粒度級配；TNT；熔鑄炸藥；黏度；有效固含量

RDX是綜合性能十分優異的單質炸藥，廣泛應用在改性雙基推進劑[1-2]、發射藥[3]和混合炸藥，如TNT基熔鑄炸藥[4-6]中。然而，傳統RDX/TNT熔鑄炸藥的能量較低，力學性能較差，難以滿足現代武器高能低易損的要求。研究表明，減小RDX的粒度能有效降低其機械感度[7-9]，尤其是當RDX納米化后，機械感度降低明顯[10-11]；并且，當炸藥粒度減小后，能量釋放速率更快，爆轟穩定性更好，爆炸反應更完全[12-13]。若將納米RDX應用于TNT基熔鑄炸藥中，可借助納米RDX的降感效應和納米效應，有效降低TNT基熔鑄炸藥的感度，同時改善炸藥的力學性能和能量性能，推動RDX/TNT熔鑄炸藥的發展。

目前，關于RDX/TNT熔鑄炸藥體系的研究，主要是針對粒度為100 μm的工業微米級RDX在TNT基熔鑄炸藥中的應用基礎研究，尚未開展納米RDX在TNT基熔鑄炸藥中的應用基礎研究，如黏度、有效固含量等；因此，亟需開展納米RDX在TNT基熔鑄炸藥中的應用基礎研究工作。熔鑄炸藥中高能炸藥組分的有效固含量越高，其爆炸性能越好，毀傷作用越強，因而，在保證熔鑄炸藥工藝性能的前提下，其有效固含量越高越好。通常，對于相同熔鑄炸藥配方，黏度越大，有效固含量越高。

RDX/TNT體系的黏度是影響熔鑄炸藥澆注性能、成型性能和產品質量的關鍵因素。本文采用旋轉黏度計測試用不同粒度的RDX及其級配樣品所制備的TNT基熔鑄炸藥的黏度，研究RDX粒度對TNT基熔鑄炸藥黏度的影響規律，進而根據黏度的變化研究RDX粒度對TNT基熔鑄炸藥有效固含量的影響規律，為納米RDX在熔鑄炸藥中的應用打下基礎。

1　試驗部分

1.1試劑與儀器

RDX：平均粒度分別為100 μm、1 μm和100 nm；TNT：純度>99%。

平均粒度為1 μm和100 nm的RDX由南京理工大學國家特種超細粉體工程技術研究中心制備。平均粒度為100 μm的RDX和TNT由甘肅銀光化學工業集團有限公司生產。

旋轉黏度計為BrookField RVDV-II+P型，美國博勒飛流變儀公司生產；AB104-N型電子天平為瑞士Mettler Toledo公司生產；HH-2型數顯恒溫水浴鍋為上海葉拓儀器儀表有限公司生產；AHX-863型水浴烘箱為南京理工大學機電廠生產。

1.2黏度測試

1.2.1測試原理

BrookField黏度計測試原理是采用一個經校驗過的鈹-銅合金彈簧帶動轉子在被測物質中持續旋轉，通過旋轉扭矩傳感器測得彈簧的扭變程度即扭矩。扭矩與被測物質的黏度成正比，并且隨轉子的轉速和幾何尺寸的增加而增加。在選定的轉子轉速和幾何尺寸下，根據所測得的扭矩值即可求得被測物質的黏度。

1.2.1測試過程

首先，將平均粒徑分別為100 μm、1 μm和100 nm的RDX樣品和足夠量的TNT樣品分別放入50 ℃水浴烘箱中干燥24 h，除去樣品中的水等揮發性成分；然后，用電子天平準備稱量200.0 g TNT加入置于93 ℃水浴中的反應釜內，攪拌直至TNT完全融化；最后，分別稱取不同粒度級別的RDX及其級配樣品。由于RDX會溶解于TNT熔液中，當體系黏度為0 mPa·s時，每次向反應釜內加入1.0 g RDX；當體系黏度<3 000 mPa·s時，每次向反應釜內加入50.0 g RDX，攪拌使其完全分散在TNT體系中，用黏度計測體系的黏度并記錄黏度值；繼續稱取50.0 g RDX樣品加入，攪拌均勻后測試黏度，如此連續加入RDX樣品；當體系黏度>3 000 mPa·s后，每次向反應釜內加入10.0 g RDX樣品并測試黏度；當體系黏度>5 000 mPa·s后，每次向反應釜內加入5.0 g RDX樣品并測試黏度；待體系黏度>8 000 mPa·s后，停止加入RDX。

根據上述方法測得不同粒度級別的RDX及其級配樣品在不同RDX含量時的黏度。在試驗條件下，當黏度<750 mPa·s時，熔鑄炸藥體系流動性很好，RDX能很好地分散在TNT熔液中；當黏度>7 500 mPa·s時，熔鑄炸藥體系已經不能順利流動，難以澆注到模具中成型。本文將RDX/TNT體系的黏度為7 500 mPa·s時所對應的RDX含量定義為RDX的有效固含量，進而研究RDX粒度及其級配對TNT基熔鑄炸藥體系有效固含量的影響。

本文中，RDX/TNT體系中RDX的有效固含量指TNT基熔鑄炸藥中RDX的最大質量百分比。

2　結果與討論

2.1TNT基熔鑄炸藥的黏度隨RDX含量的變化規律

當平均粒度為100 μm、1 μm和100 nm的RDX分別應用于TNT基熔鑄炸藥時，RDX/TNT體系的黏度隨RDX含量的變化規律結果如圖1所示。

圖1　　　　含RDX的TNT基熔鑄炸藥的黏度隨　　　RDX含量變化規律曲線

由圖1a可知，當100 μm RDX的含量<50%時，黏度<750 mPa·s，RDX顆粒能很好地分散在TNT熔液中，隨著RDX含量增加，體系的黏度變化較小，具有很好的流動性；當RDX含量>50%之后，體系黏度隨RDX含量的增加而迅速增大；當RDX含量達到66.7%時，體系黏度已達到本研究所設定的澆注極限黏度值，此時，若RDX含量繼續增大，則開始出現部分團聚體，難以有效分散在TNT體系中。當平均粒徑為1 μm的RDX應用于TNT基熔鑄炸藥時，在含量<34%時，黏度<750 mPa·s以下，RDX顆粒能較快分散在TNT溶液中，隨著RDX含量的增加，體系的黏度變化較小，物料能保持較好的流動狀態，當RDX含量達到55.6%時，體系的黏度達到本研究所設定的極限澆注黏度值。當100 nm RDX的含量<14%時，RDX顆粒能夠較好地分散在TNT熔液體系中，隨著RDX含量增加，體系黏度變化較小，物料能保持較好的流動狀態；當RDX含量>14%后，體系黏度隨著RDX含量的進一步增加而急劇增大；當RDX含量達到39.5%時，體系黏度已達到本研究所設定的極限黏度值。

由圖1b可知，對于100 μm的RDX，當含量<4%時，RDX/TNT體系的黏度為0，當含量>4%時，體系黏度開始增大；對于1 μm的RDX，當含量<6%時，RDX/TNT體系的黏度為0，當含量>6%后，體系黏度迅速增大；對于100 nm的RDX，當含量<7%時，RDX/TNT體系的黏度為0，當含量>7%后，體系黏度急劇增大。這是因為，RDX是非極性有機化合物，根據相似相容原理，當試劑分子的結構、極性和組成等與RDX相似或相近時，其對RDX的溶解性較好，表現為RDX的溶解度較大。TNT和RDX均是環狀有機化合物，并且分子中含有C-N鍵和N=O鍵，TNT熔液會溶解RDX。隨著RDX顆粒粒度減小，其表面分子所占的百分比增大，比表面積和表面能增大，內部分子對外部分子的束縛作用減弱，表面分子更容易脫離顆粒被TNT熔液溶解，并且TNT分子也更容易進入到RDX顆粒內部，加劇其溶解；當顆粒進入亞微米級后，隨著粒度進一步減小，表面分子所占百分比迅速增大，內部分子的束縛作用迅速減弱，RDX的溶解度也迅速增大，而且由于表面分子溶解所導致的顆粒變小趨勢也越明顯，使得顆粒表面分子所占百分比進一步增大，加劇自身溶解。因而TNT熔液對納米RDX的溶解度比對微米級RDX的溶解度明顯增大。

從上述分析可知，當不同粒度級別的RDX應用于TNT基熔鑄炸藥時，當RDX達到飽和溶解后，炸藥體系的黏度均隨RDX的含量增加而增大。并且在試驗過程中，當不同粒度級別的RDX在TNT體系中的含量超過該種粒度級別RDX達到極限黏度值所對應的含量后，RDX在TNT中已經無法充分分散開，開始出現結塊現象。

2.2TNT基熔鑄炸藥的有效固含量隨RDX粒度的變化規律

當RDX應用于TNT基熔鑄炸藥時，在7 500 mPa·s的極限黏度的情況下，其有效固含量隨RDX粒度的變化規律曲線如圖2所示。

圖2　　　　TNT基熔鑄炸藥中RDX的有效固含量隨　　　其粒度變化規律曲線

由圖2可知，當使用單一粒度的RDX應用于TNT基熔鑄炸藥中時，3種不同粒度的RDX所能達到的有效固含量有所不同，隨著RDX粒度的減小，有效固含量明顯降低。這是因為，不同粒度級別的RDX在TNT熔液中均有一定溶解度，當不同粒度級別的RDX均飽和溶解于TNT熔液中后，隨著RDX顆粒平均粒徑的減小，其比表面積迅速增大，單位質量的RDX被TNT完全分散所需的TNT含量也迅速越大，體系的流動性也迅速變差，此時，由溶解度所引起的含量差異對整個RDX/TNT體系的影響已經很小，主要由RDX的比表面積影響體系的有效固含量。因而當RDX含量相同時，平均粒徑小的樣品其黏度大，有效固含量低。

2.3RDX粒度級配對TNT基熔鑄炸藥有效固含量的影響規律

分別研究100 μm RDX+1 μm RDX級配樣品、1 μm RDX+100 nm RDX、100 μm RDX+100 nm RDX級配樣品和100 μm RDX+1 μm RDX+100 nm RDX級配樣品應用TNT基熔鑄炸藥時，RDX粒度級配對其有效固含量的影響規律。當級配樣品為100 μm RDX+1 μm RDX和100 μm RDX+100 nm RDX時，控制100 μm RDX加用量為300 g；當級配樣品為1 μm RDX+100 nm RDX時，控制2種RDX樣品的質量比為1∶1混合均勻，根據黏度變化逐步加入RDX；當級配樣品為100 μm RDX+1 μm RDX+100 nm RDX時，控制100 μm RDX的用量為300 g，1μm RDX的用量為50 g。結果見表1。

表1　不同粒度RDX及TNT的配比

由表1可知，當粒度為100 μm的RDX應用于TNT基熔鑄炸藥時，RDX的有效固含量為66.7%，當粒度為1 μm的RDX應用于TNT基熔鑄炸藥時，RDX的有效固含量為55.6%，當粒度為100 nm的RDX應用于TNT基熔鑄炸藥時，RDX的有效固含量為39.5%，當單一粒度級別的RDX應用于TNT基熔鑄炸藥時，隨著RDX粒度減小，其有效固含量降低；當不同粒度級別的RDX級配后應用于TNT基熔鑄炸藥時，隨著級配樣品中超細RDX，尤其納米RDX含量的增加，RDX在TNT基熔鑄炸藥中的有效固含量顯著提高。

一方面，當少量的納米RDX應用于TNT體系中，由于納米RDX顆粒尺寸處于納米級，會填充于微米級RDX和TNT熔液所產生的微觀孔隙中，使得RDX/TNT藥柱更加密實，增大RDX的有效固含量。另一方面，納米RDX在TNT熔液中的溶解度比微米級RDX大，當微米級RDX與少量的納米RDX混合后加入TNT熔液中，由于納米RDX的溶解度增大效應會使得RDX/TNT體系中RDX的有效固含量增大。因而，在同樣澆鑄工藝下，當微米級RDX與少量納米RDX級配后應用于TNT體系中，RDX有效固含量會顯著提高。

3　結語

綜上所述，可以得出如下結論。

1)當單一粒度級配的RDX應用于TNT基熔鑄炸藥時，隨著RDX平均粒度減小，其有效固含量降低。

2)當不同粒度級別的RDX級配后應用于TNT基熔鑄炸藥時，隨著超細RDX，尤其是納米RDX含量的增加，其有效固含量顯著提高。

3)當RDX/TNT體系中RDX的有效固含量提高后，對熔鑄炸藥的能量性能，如爆熱、爆速和爆壓等有明顯提高作用，對武器彈藥實現高效毀傷十分有利。

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責任編輯鄭練

Research about the Effects of RDX and Its Particle Size Distribution on the Viscosity of TNT based Melt-cast Explosive

QIAO Yu1, LIU Jie1, XIAO Lei1, HAO Gazi1, GAO Han1, ZENG Jiangbao2, JIANG Wei1

(1.National Special Superfine Powder Engineering Research Center of China, School of Chemical Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China; 2.Jiangxi Aerospace Jingwei Chemical Co., Ltd., Ji’an 343000, China)

The effect of RDX with different particle sizes (100 μm, 1 μm and 100 nm) and their gradations on the viscosity of TNT based melt-cast explosive are studied using the rotating viscometer. And furthermore, the effect of RDX particle sizes and their gradations on the effective solid content of TNT based melt-cast explosive are investigated. Results show that the effective solid content is 66.7% when the average size of RDX is 100 μm, and the solid content is decreased to 55.6% when the average size of RDX is 1 μm and the solid content is only 39.5% when the average size of RDX is 100 nm. Thus, it’s clear that the effective solid content is decreased gradually with decreasing the average particle size of RDX in TNT based melt-cast explosive. When RDX particles are graded for application in TNT based melt-cast explosive, the effective solid content is increased with the increasing fine particle of RDX, especially the 100 nm RDX is graded with the 100 μm RDX, the effective solid content is obviously increased.

nano-RDX, particle size gradation, TNT, melt-cast explosive, viscosity, effective solid content

TJ 55

A

喬羽(1990-)，男，碩士研究生，主要從事納米含能材料制備及其在熔鑄炸藥中的應用等方面的研究。

2015-12-11