含CL-20的改性雙基推進劑沖擊波感度

張 超，楊建剛，陳俊波，李軍強，袁志鋒，楊立波，武宗凱

(西安近代化學研究所, 陜西 西安 710065)

引 言

現代戰場環境要求作為武器裝備動力源的推進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含能材料之一，因此通過添加CL-20來提高推進劑的能量和燃速研究受到廣泛關注[2-9],然而由于CL-20具有較高的感度[10]，將對推進劑的安全性能帶來影響。

國內對含CL-20推進劑的安全性能研究主要集中在機械感度及老化性能方面，趙鳳起等[11]研究發現，含CL-20 改性雙基推進劑比已定型的HMX-CMDB 推進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高能推進劑高溫加速老化過程中，發現不含 CL-20 的 GAP 高能推進劑老化后初始模量稍有下降，加入質量分數10% CL-20 的推進劑老化13周后，模量增幅超過300%; 抗拉強度和伸長率均呈下降趨勢，且隨 CL-20 含量增加，抗拉強度和伸長率下降速率加快。

除了機械感度與老化性能外，推進劑的沖擊波感度是評價推進劑安全性能的主要參量,是評價推進劑危險等級的重要指標[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(NOLLSGT)測試推進劑沖擊波感度，并以70片厚度為0.254mm(0.01in)的隔板作為區分1.1級(有整體爆轟危險)推進劑和1.3級(僅產生劇烈燃燒)推進劑的一項重要試驗[14]。用沖擊波感度來反映推進劑是否具有良好戰地生存能力具有十分重要的意義[15]。

為了掌握含CL-20改性雙基推進劑沖擊波感度響應規律，提高該類推進劑在制造與使用過程中的安全性，本研究借鑒文獻[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劑沖擊波感度的影響。

1 實 驗

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 推進劑配方及樣品制備

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

表1 推進劑的配方

1.3 隔板試驗裝置與方法

沖擊波感度測試采用隔板試驗法。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。如果在一次試驗中見證板出現與試樣管尺寸相當的圓孔，結果判為“爆”，否則判為“不爆”。

隔板試驗裝置示意圖見圖1，施主藥柱、隔板、試樣管同軸。試樣管規格：外徑45mm，內徑36mm,長度140.0mm。施主藥柱規格：TNT與PETN質量比1∶1，Φ50mm×50mm；密度為1.58g/mm3。采用8號工業電雷管起爆。隔板采用聚甲基丙烯酸(有機玻璃)，規格：Φ50.0mm×0.19mm，驗證板為150.0mm×150.0mm×10.0mm的45號鋼板。

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

2 結果與討論

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的粒度由普通變為亞微米級，其沖擊波感度試驗中的隔板厚度由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含量對推進劑沖擊波感度的影響

CL-20質量分數由0增至30%時，推進劑的沖擊波感度測試結果及沖擊波系數見表2，每一個測試結果是3發平行試驗的平均值。 以不含高能炸藥的樣品L-1的沖擊波感度為基數1,其他樣品的沖擊波感度與其進行比較,得到的相對系數,即為沖擊波系數(λ)。

從表2可以看出，當CL-20質量分數小于30%時，隨著CL-20含量的增加，沖擊波感度呈現先減小后增大的趨勢。當CL-20質量分數由0增加到25%時，隔板厚度由38.57mm降至34.96mm；CL-20質量分數繼續增加至30%時，隔板厚度相對于CL-20質量分數25%樣品升高0.57mm,說明CL-20質量分數大于30%后，推進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。這是因為試驗樣品中的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，所以推進劑的沖擊波感度也減小。當CL-20質量分數大于30%后，NG和NC便失去了對推進劑樣品沖擊波感度影響的主導作用，逐漸增多的CL-20成為影響推進劑沖擊波感度的主要組分。

表2 CL-20含量對推進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推進劑樣品的沖擊波感度測試結果見表3。

表3 CL-20粒度對推進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CL-20的粒度降至亞微米級后，含等量亞微米級CL-20推進劑沖擊波感度較含普通CL-20推進劑低35.8%。分析原因可能是因為不同粒徑顆粒的界面傳遞應力的能力不同。在相同的外界載荷沖擊下，外徑越大，其界面對應力的傳遞能力越強，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按質量比為1∶1、2∶1、3∶1、4∶1級配得到的推進劑樣品L-12、L-13、L-14、L-15的沖擊波感度如表4所示。

表4 CL-20粒度級配對推進劑沖擊波感度的影響

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

2.5 催化劑對含CL-20推進劑沖擊波感度的影響

催化劑對含質量分數30%粗顆粒CL-20推進劑沖擊波感度的影響結果見表5。

表5 催化劑對CL-20-CMDB推進劑沖擊波感度的影響

由表5可以看出，加入催化劑后，推進劑的沖擊波感度有所減低，隔板厚度由37.14mm降至35.53mm。這可能是因為一方面所加的催化劑為惰性物質，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熱性，炭黑能夠及時將熱點周圍的熱量傳遞出去，使熱點迅速降溫消失，從而降低推進劑的沖擊波感度。

3 結 論

(1) CL-20質量分數小于30%的推進劑，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的推進劑整體呈降低趨勢；這是因為實驗樣品中的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CL-20質量分數大于30%后，NG和NC便失去了對推進劑樣品沖擊波感度影響的主導作用，逐漸增多的CL-20成為影響推進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劑沖擊波感度的主要因素，含細顆粒CL-20推進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，粗細顆粒質量比為3∶1時，推進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改性雙基推進劑的沖擊波感度，質量分數3%的催化劑可以使隔板厚度降低1.61mm。