微/納米HMX粒度級配對TNT基熔鑄炸藥性能的影響

戎園波，肖　磊，王慶華，劉　杰，靳承蘇，喬　羽，楊琰鵬，劉巧娥，徐子帥，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. 山西江陽化工有限公司軍代室，山西 太原 030000；3.甘肅銀光化學工業集團有限公司科研所，甘肅 白銀 730900)

引　言

隨著武器彈藥發展對裝藥要求的不斷提高，高能、安全、低易損性已成為混合炸藥的潛在性能要求。傳統的TNT基熔鑄炸藥中所加入的高能固相炸藥(如HMX)通常為粗顆粒，在裝藥過程中容易產生收縮、沉降等現象，導致密度均一性差、力學性能差、感度高等，已不能滿足新型混合炸藥高能、鈍感、低易損性的要求。目前國內外研究者都在探索能夠改善TNT基熔鑄炸藥綜合性能的方法[1-3]。王親會[4]用DNTF替代部分TNT，得到的低共熔混合炸藥DNTF/TNT/HMX/AL的能量比替代前有所提高；Duncan S. Watt 等[5]對TNAZ的熔鑄性能進行研究，研制出具有高爆速的ARX-4007熔鑄炸藥；Steven N等[6]研發了一系列以DNAN為基的PAX熔鑄炸藥，成本和感度均較低；賀傳蘭等[7]將不同聚合物添加到TNT基熔鑄炸藥中，顯著改善了其力學性能；Vande Kieft等[8]在熔鑄炸藥配方中加入石墨纖維素等增強填料，也顯著改善了其彈性模量。然而惰性添加劑的引入會降低含能組分的含量，進而引起熔鑄炸藥能量降低。

納米HMX具有小尺寸效應及較大的比表面積，與于粗顆粒HMX相比，具有爆轟反應速率快、能量釋放完全、爆轟穩定性好等性能優勢[9-16]，因此可將納米HMX應用于TNT基熔鑄炸藥的改性。采用粒度級配可以實現炸藥粒度分布的優化，使炸藥粒子的堆積密實度提高[17]。肖磊等[18]研究了微/納米RDX顆粒級配對壓裝PBX性能的影響，結果表明粒度級配后的PBX感度低，力學性能和爆炸性能均得到提高。

本研究采用納米、微米、粗顆粒3種粒度的HMX進行粒度級配，作為高能固相添加物加入到熔融態TNT中制備得到系列藥柱，研究微/納米級配對TNT基熔鑄炸藥性能的影響，為納米HMX在TNT基熔鑄炸藥中的應用和TNT基熔鑄炸藥性能的提高提供參考。

1　實　驗

1.1　材料及儀器

粗顆粒HMX(平均粒徑100μm)，甘肅銀光化學工業集團；微米級HMX(平均粒徑5μm)，南京理工大學國家特種超細粉體工程技術研究中心；納米級HMX(平均粒徑100nm)，南京理工大學國家特種超細粉體工程技術研究中心；TNT，甘肅銀光化學工業集團；石蠟，國藥集團化學試劑有限公司。

S-4800場發射掃描電鏡，日本Hitachi公司；CTM8050微機控制電子萬能材料試驗機，上海協強儀器制造有限公司。

1.2　TNT基熔鑄炸藥藥柱的制備

設計了6個熔鑄炸藥配方，配方組成(質量分數)為：40% TNT、60% HMX和0.5% 石蠟，其中不同粒度級配的HMX組成如表1所示。

表1　HMX粒度級配設計

稱取一定量的TNT加入混合釜內，控制TNT熔化溫度90～94℃；待TNT完全熔化，開始攪拌(轉速約200r/min)，加入少量石蠟混合，在90～94℃保溫30min；在TNT與石蠟混合熔融結束后，緩慢加入不同粒度級配的HMX樣品，保持攪拌混合1h使其充分混合分散；攪拌結束后，將TNT/HMX熔融體澆注入模具內，得到熔鑄炸藥藥柱。

1.3　性能測試

將藥柱橫斷截開，取內部一小塊進行掃描電鏡分析，觀察其內部剖面結構。

根據阿基米德原理，采用排水法測試炸藥藥柱密度。每個配方制備5個Φ20mm×70mm的初始藥柱，然后將初始藥柱按上、中、下的結構，截成3段Φ20mm×20mm的標準藥柱用于密度測試。

采用萬能材料試驗機測試力學性能，環境溫度為(20±5)℃，藥柱尺寸均為Φ20mm×20mm，藥柱在室內恒溫4h以上，每種配方的藥柱各進行5次試驗。

抗壓強度按GJB 772-97方法416.1抗壓強度壓縮法進行測試；抗拉強度按GJB 772-97方法602.2劈裂法進行測試。

撞擊感度按GJB 772A-97方法601.2撞擊感度特性落高法進行測試。落錘質量5kg，炸藥質量(50±1)mg，測試環境溫度(20±2)℃，相對濕度(60±5)%，試驗步長0.05，每組25發，試驗4組。

摩擦感度按GJB 772A-97 方法602.1 摩擦感度爆炸概率法進行測試。壓強3.92MPa，落錘擺角90°，炸藥質量(30±1)mg，測試環境溫度(20±2)℃，相對濕度(60±5)%，每組25發，試驗4組。

根據GJB-772A-97 方法702.1 爆速-電測法測試爆炸性能。傳爆藥柱為90%TMD聚黑-14藥柱，測試試樣尺寸為Φ20mm×20mm，探針為Φ0.1mm漆包銅線。

2　結果與討論

2.1　微觀結構分析

將藥柱沿中線對半截開，藥柱內部形貌結構如圖1所示。

從圖1可知，只含有粗顆粒HMX的TNT基藥柱(配方 1)，在藥柱截面的中間部分有明顯的凸起和凹陷，說明其內部結構不牢固，靠近藥柱中心的部位冷卻凝固過程中形成縮孔。而由HMX粒度級配后得到的TNT基藥柱(配方 2)，藥柱截面平整光滑，無凹陷或凸起，這是因為微/納米HMX填補到了粗顆粒HMX之間，增強了粗顆粒HMX之間的整體聯系，并使粗顆粒HMX在冷卻凝固過程中的自然沉降過程放緩，所以得到的藥柱內部結構更加緊實。

采用掃描電鏡觀測TNT基熔鑄炸藥藥柱內部界面的微觀結構，結果如圖2所示。

由圖2可知，只含有粗顆粒HMX的藥柱(配方1)，表面可以看見較深的孔，有明顯的分界線，表明藥柱的結構不完整，各區域之間的聯系不緊密。加入少量微/納米HMX顆粒級配后的藥柱(配方2)，不同界面之間存在裂縫及少量的微縮孔。配方3的電鏡圖中只有極少的微孔，不存在界面之間的裂紋。配方 4、5、6的表面平整光滑，無微孔及裂紋，這是因為微/納米HMX的加入能夠填補粗顆粒HMX之間存在的空隙，讓更多的TNT能夠游離在整個體系中，從而得到的TNT基熔鑄炸藥藥柱內部的縮孔和裂紋等缺陷減少，微觀表面更加光滑。

2.2　密度分析

采用排水法測得不同配方TNT基熔鑄炸藥藥柱的密度，結果如表2所示。

表2　各配方藥柱的密度測試結果

注：TNT/HMX(質量比為40∶60)藥柱的理論密度為1.7699g/cm3；相對密度為實際密度與理論密度的比值。

由表2可知，含粗顆粒HMX的TNT基熔鑄炸藥藥柱(配方 1)上、中、下3部分密度的差異很大，這是由于重力的存在導致粗顆粒HMX在冷卻凝固過程中存在嚴重的沉降現象，使HMX在整個藥柱的分布呈現上少下多的不均勻現象。而采用微/納米HMX級配后(配方 2、3、4、5)整個藥柱的上、下密度差逐漸減小，配方 6的上、下密度差幾乎為0。這是因為微米HMX和納米HMX的尺寸小，形狀規則，表面光滑且缺陷少，在引入微/納米HMX后，微/納米HMX在TNT熔融體系中的分散性較好，不易沉降，同時微/納米HMX能夠吸附在粗顆粒HMX的表面，加強粗顆粒HMX之間的聯系，減小粗顆粒HMX在重力作用下的自然沉降效應。所以加入微/納米HMX進行級配的TNT基熔鑄炸藥藥柱的密度均一性得到改善。

從表2中看出，加入微/納米HMX的TNT基熔鑄炸藥藥柱的相對密度均比只加入粗顆粒HMX制備得到的藥柱更接近于理論密度，這是因為級配后的微/納米HMX與粗顆粒HMX之間粒度存在明顯的分級，微/納米HMX能夠有效填充到粗顆粒HMX間的空隙中，使HMX的堆積密度得到提高，因而提高了TNT基熔鑄炸藥藥柱的整體裝藥密度，與理論密度更接近。

2.3　力學性能分析

不同熔鑄炸藥藥柱的力學性能測試結果如表3所示。

表3　各配方藥柱的力學性能測試結果

由表3可知，在微/納米HMX級配后得到的TNT基熔鑄炸藥藥柱與只含有粗顆粒HMX的藥柱(配方 1)相比，抗壓強度(σ)和抗拉強度(τ)均有提高。其中配方6力學性能最好，抗壓強度較配方1提高200%，抗拉強度提高128%。這是因為只含有粗顆粒HMX的TNT基熔鑄炸藥藥柱，在粗顆粒HMX之間容易形成空隙，藥柱內部結構不緊實，力學性能差。而級配后微/納米HMX能夠吸附到粗顆粒HMX的表面，減少粗顆粒之間的空隙率，使整個藥柱更加密實。由于納米級HMX具有形貌規則、呈類球形和比表面積大的特點，納米級HMX能夠自由地分布在整個體系中，增強HMX與HMX、TNT與HMX之間的作用，因此加入微/納米HMX級配的TNT基熔鑄炸藥藥柱的力學性能得到較大提高。

2.4　機械感度分析

分別對不同熔鑄炸藥藥柱進行撞擊感度和摩擦感度測試，結果如表4所示。

表4　各配方藥柱的機械感度測試結果

由表4可知，加入微/納米HMX級配后得到的TNT基熔鑄炸藥藥柱的機械感度均低于只有粗顆粒HMX的熔鑄炸藥藥柱。這是因為微/納米HMX形貌規則，缺陷少，尤其是納米HMX呈類球形，具有較大的比表面積。當受到外界機械刺激時散熱快，不易形成熱點，所以機械感度比只含有粗顆粒HMX制備得到的藥柱低。隨著微/納米HMX含量的增加，藥柱的機械感度逐漸降低，配方6藥柱的撞擊感度比配方1的降低45.5%，摩擦感度降低46%。

2.5　爆炸性能分析

不同配方熔鑄炸藥藥柱的爆速測試結果見表5。

表5　各配方藥柱的密度與爆速測試結果

由表5可知，加入微/納米HMX級配后得到的藥柱密度和爆速均比只含有粗顆粒HMX的藥柱高，其中爆速提高最多達32m/s(配方6)。這是因為微/納米HMX粒度級配后，微/納米HMX能夠填補到粗顆粒HMX之間的空隙，HMX的堆積密度提高，從而使TNT基熔鑄炸藥整體裝藥密度和單位體積能量提高。另外，納米HMX具有的小尺寸效應和大比表面積效應，使得納米HMX具有能量釋放速率快、爆轟反應快的特點，提高了藥柱的爆速。因此，將微/納米HMX應用于TNT基熔鑄炸藥，可提高其裝藥密度，進而提高其爆速。

3　結　論

(1)加入微/納米粒度級配的HMX得到的TNT基熔鑄炸藥內部縮孔減少，內部結構密實。

(2)當納米級HMX、微米級HMX、粗顆粒HMX的質量比為15∶15∶70時，藥柱的密度均一性好，與采用粗顆粒HMX所制備的TNT基熔鑄炸藥相比，抗壓強度提高200%，抗拉強度提高128%，撞擊感度降低45.5%，摩擦感度降低46%，爆速增加32m/s，綜合性能得到明顯提高。

(3)通過對TNT基熔鑄炸藥中的主體炸藥HMX的粒度進行微/納米級配，可以改善炸藥的綜合性能。

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