高溫老化對熔梯黑鋁炸藥爆速及安全性的影響

李東偉，王 鋒，董 靜，曾曉華

(重慶紅宇精密工業集團有限公司， 重慶 402760)

1 引言

梯黑鋁熔鑄炸藥(RTHL)是當前世界各國軍事上廣泛使用的一類綜合性能較好的裝藥，大量裝填于各種榴彈、破甲彈和航彈[1]。由于戰備的需要，武器裝備需要長期貯存，戰斗部在庫存過程中，受環境影響，內部裝藥可能發生緩慢的熱分解，可能導致其物理、化學性能和安全性能發生變化，影響裝備正常使用[2-4]。因此，對戰斗部裝藥貯存壽命進行評價非常重要[5]。加速老化方法是評估彈藥貯存壽命的重要手段。李亮亮等[6]研究得到高溫老化后HMX基炸藥爆速顯著下降。李鴻賓等[7]研究得到加速老化后JH-14沖擊波感度增加。李凱麗等[8-9]研究得到RDX基壓裝PBX加速老化后，藥柱中的BR粘結劑發生氧化交聯反應，提高了炸藥的力學性能并降低了機械感度。高大元等[10-11]研究得到加速老化PBX-6炸藥的熱安全性、烤燃溫度和撞擊安全性均明顯降低。黃亞峰等[12]研究得到HMX/RDX基含鋁炸藥爆熱及爆速隨著老化時間的增長幾乎沒有變化。王芳芳等[13]利用SHPB技術研究得到HTPB/AP基PBX澆注PBX老化后失效應變減小，力學性能變差。張林軍等[14]在71 ℃下對某RDX基含鋁壓裝炸藥高溫加速老化39天試驗，得到老化后炸藥中鈍感劑和黏結劑軟化遷移、微缺陷修復、表面鈍化、RDX晶體品質的改善，發射安全性增加。尹俊婷等[15]研究得到老化使HMX基裝藥撞擊感度增加。代曉淦等[16]研究得到加速老化前后PBX-2炸藥在Steven試驗中發生反應的反應程度和受力過程并無明顯變化。NIU Guotao等[17]對3種熔鑄炸藥TNT/RDX、TNT/RDX/Al和TNT/HMX/Al進行了加速老化試驗，得到3種炸藥的爆速隨著貯存時間的增加而降低，TNT/RDX/Al的爆熱隨貯存時間的增加而增加，TNT/HMX/Al變化趨勢相反。

綜上所述，目前針對戰斗部裝藥老化性能研究主要集中于PBX方面，系統研究RTHL加速老化對炸藥性能影響研究鮮有報道。本文采用試驗方法對TNT /RDX /Al炸藥加速老化試驗后的熔點及熱分解溫度、真空安定性、機械感度、沖擊波感度和爆速進行了測試，對測試結果進行了分析，并提出了改善TNT熔鑄炸藥長貯性的建議。

2 樣品制備

梯黑鋁炸藥原材料由重慶紅宇精密工業集團有限公司提供。配方為(質量分數)為TNT 60%/RDX 24%Al 16%。炸藥樣品通過熔鑄工藝制備。高能炸藥固相顆粒RDX和Al粉加入到熔融態炸藥基質TNT中形成懸浮液，鑄裝到模具中，冷卻凝固成型。鑄裝過程中，采用震動、抽真空等措施消除炸藥缺陷，控制炸藥密度。炸藥老化試驗樣品制成尺寸φ50 mm×60 mm圓柱形，用于測試老化前后炸藥沖擊波感度和爆速。炸藥熔點、熱分解溫度、真空安定性、機械感度測試樣品，由成型藥柱研磨成粉狀制備。

3 試驗

1) 加速老化試驗

炸藥樣品加速老化試驗使用AHX-863油浴烘箱，溫度控制范圍為20～95 ℃，控溫精度±1 ℃。炸藥老化試驗參照GJB736.8—90《火工品試驗方法71 ℃試驗法》進行。試驗時將炸藥藥塊放置在鋼制密封箱內模擬戰斗部密封環境，如圖1所示。

圖1 炸藥加速老化密封裝置示意圖

將裝有炸藥的密封箱整體放入烘箱中，烘箱溫度設定為71 ℃，根據炸藥貯存年限計算加速老化時間[18]，具體貯存年限對應的加速老化時間見表1。在20年所對應的時間點50.8 d取出加速老化后的炸藥藥塊，進行相關性能分析。

表1 貯存年限-加速老化時間對應關系表

2) 熔點、熱分解溫度試驗

炸藥熔點及熱分解溫度試驗使用NETZSCH公司DSC 204 F1型差示量熱掃描量熱儀，參照GJB772A—97《炸藥試驗方法》進行測試。熔點按照方法411.3差示掃描量熱法進行測試；熱分解溫度按照405.1 比熱容 差示掃描量熱法進行測試。DSC 204 F1差示量熱掃描量熱儀及樣品照片如圖2所示。

圖2 DSC儀器及樣品照片

3) 真空安定性試驗

炸藥真空安定性按照GJB772A—97《炸藥試驗方法》方法501.2真空安定性試驗-壓力傳感器法進行試驗。

4) 機械感度測試

按照GJB772A—97《炸藥試驗方法》對老化前后炸藥感度進行測試。撞擊感度按照方法601.1爆炸概率法測定。摩擦感度按照方法602.1爆炸概率法測定。

5) 沖擊波感度試驗

炸藥沖擊波感度參照GJB772A—97《炸藥試驗方法》方法605.1進行測試。試驗裝置照片如圖3。雷管座為φ25 mm×40 mm，中心通孔φ7.1的尼龍棒；雷管為8#電雷管；傳爆藥柱為φ2 5mm×16 mm的鈍化RDX，裝藥密度1.62±0.02 g·cm-3；主發藥柱為φ50 mm×60 mm的TNT，裝藥密度1.58±0.02 g·cm-3；隔板為60 mm×60 mm的2A12鋁板，厚度待試驗確定。被發藥柱尺寸為φ50 mm×60 mm；見證板為100 mm×100 mm×6 mm的Q235A鋼板；支架為φ121 mm×6 mm×50 mm的無縫鋼管。

1.雷管座；2.傳爆藥柱；3.主發藥柱；4.隔板； 5.被發藥柱；6.見證板；7.支架 1.detonator seat；2.booster；3.detonator；4.diaphragm； 5.RTHL；6.witness steel-plate；7.frame

6) 爆速測試

按照GJB772A—97 《炸藥試驗方法》方法702.1電測法對老化前后炸藥爆速進行測試。炸藥爆速測試裝置如圖4所示。擴爆藥為φ43×54 mm的鈍化RDX；被測藥柱為6節φ50×60 mm±0.01 mm的RTHL炸藥。爆速測試數據采用5個測點線性回歸公式。具體計算方法如下[19]：

(1)

(2)

式中，D為爆速；xi、ti分別為電離探針的位置和爆轟波達到該位置的時間；n為被測量藥柱段數；r為相關系數。

4 結果與討論

1) 熔點及熱分解溫度變化

采用DSC 204 F1差示量熱掃描量熱儀，在升溫速率為10 K·min-1條件下，測試并求得該RTHL炸藥老化前后熔點和熱分解溫度如表2所示。

1-booster；2-RTHL；3-probe；4-frame

表2 炸藥機械感度測試結果

由表2可以看到，該RTHL炸藥老化后熔點由80.4 ℃降低至77.3 ℃，減少3.9%；熱分解溫度分別由236.2 ℃降低至234.8 ℃，減少0.6%。老化后炸藥的熔點和熱分解溫度均有所降低。這是由于載體炸藥TNT(2,4,6-TNT)在合成過程，不可避免地生成2,3,4-TNT、2,4,5-TNT、2,4-DNT和2,6-DTN等多種異構體。這些異構體與TNT形成低熔點共熔物，老化后這些物質析出，導致炸藥熔點和分解溫度降低[20-21]。

2) 真空安定性

采用真空安定性測試儀測得老化前后RTHL炸藥的放氣量分別為為0.03 mL和0.05 mL。老化后炸藥放氣量有少量增加，熱感度升高。但根據GJB772A—97《炸藥試驗方法》方法規定，每克試樣放氣量不大于2 mL，均符合安全性合格標準。

3) 機械感度

采用WL-1型落錘儀和MGY-1型摩擦感度儀測得老化前后RTHL炸藥機械感度結果如表3所示。

表3 炸藥機械感度測試結果(%)

從表3中可以看到，該RTHL炸藥老化后撞擊感度由30%上升至40%，摩擦感度由26%上升為30%，變化量均超過15%，老化后炸藥機械感度均有所升高。這是由于熱老化過程，炸藥發生緩慢地分解，裝藥內部出現缺陷[22]，導致炸藥沖擊波感度升高。這一結果與大多數文獻報道的PBX類炸藥老化后感度升高結果一致。但是，部位文獻也報道了PBX在一定時間范圍內老化后，配方中高分子黏結劑的進一步交聯反應和遷移填充，使得炸藥感度降低，這與TNT基熔鑄炸藥表現出明顯的區別。

4) 沖擊波感度試驗

通過改變隔板尺寸，測得老化前后RTHL炸藥沖擊起爆臨界隔板厚度。該RTHL炸藥老化后沖擊波感度試驗臨界起爆隔板厚度由18～20 mm升高至22～24 mm，隔板厚度平均中值增加21.1%，沖擊波感度升明顯高。這是由于熱老化過程，炸藥發生緩慢分解，導致裝藥內部出現缺陷，導致炸藥沖擊波感度升高。

5) 爆速

根據文獻[19]中多段定常爆速測量中的數據處理方法，得到老化前后RTHL炸藥爆速結果。該梯黑鋁炸藥老化后炸藥爆速由7 026 m/s降低至6 717 m/s，減少4.4%。這一結果在規律上與文獻[17]報道的同類型TNT/RDX/Al炸藥老化后爆速降低一致。這是由于TNT的熔點低，在高溫下長期貯存，極易升華，產生的質量損失導致藥柱密度下降[23]，使得老化后炸藥爆速降低。

綜上所述，加速老化試驗后炸藥的熔點降低、熱分解溫度降低、真空安定性降低、機械感度增加、爆速降低，分析原因是梯黑鋁炸藥中，基體炸藥TNT存在異構物，高溫老化試驗后，TNT異構體發生揮發融化，導致炸藥綜合性能有所降低。

5 結論

1) 采用71 ℃加速老化試驗定量表征了老化前后RTHL炸藥熔點、熱分解溫度、真空安定性、機械感度、沖擊波感度和爆速變化值，證明了老化試驗后炸藥安全性等綜合性能均有所降低；

2) 熔梯黑鋁中TNT雜質和炸藥緩慢熱分解是導致其綜合性能下降的主要原因；

3) 提高TNT單質載體炸藥的純度，減少其異構體等雜質，有利于提高TNT基炸藥的的長期貯存性。