壓裝工藝對(duì)CL-20基炸藥性能及聚能破甲威力的影響

王利俠，戴致鑫，周　濤，景青波，賈　銘，周　玲

(1.西安近代化學(xué)研究所，陜西 西安 710065；2.中國(guó)兵器科學(xué)研究院，北京 100089)

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壓裝工藝對(duì)CL-20基炸藥性能及聚能破甲威力的影響

王利俠1，戴致鑫1，周濤1，景青波1，賈銘1，周玲2

(1.西安近代化學(xué)研究所，陜西 西安 710065；2.中國(guó)兵器科學(xué)研究院，北京 100089)

利用常溫成型和熱壓成型兩種工藝制備了典型的CL-20基混合炸藥裝藥，測(cè)試了其裝藥密度、密度均勻性、力學(xué)性能、爆速，計(jì)算了格尼系數(shù)。對(duì)Φ50mm標(biāo)準(zhǔn)聚能裝藥進(jìn)行了破甲試驗(yàn)。驗(yàn)證了不同壓裝工藝條件下裝填CL-20基炸藥裝藥聚能射流對(duì)45號(hào)鋼靶的侵徹深度和穿孔直徑效果。結(jié)果表明，與常溫成型CL-20基裝藥相比，熱壓成型工藝條件時(shí)裝藥的密度提高不小于1.46%，密度均勻性、爆速和格尼系數(shù)和破甲能力試驗(yàn)數(shù)據(jù)均有不同程度的提高，且Φ50mm標(biāo)準(zhǔn)聚能射流對(duì)45號(hào)鋼靶的平均穿深從310mm提高至343mm,平均穿孔直徑由18.0mm增至23.5mm。

爆炸力學(xué)；CL-20基炸藥；壓裝工藝；聚能破甲；常溫成型；熱壓成型

引　言

CL-20高能量密度化合物是目前能量最高的單質(zhì)裝藥[1]，具有高密度、高爆速、高爆壓和高生成熱等特征，并具爆炸能量輸出比HMX高10%～15%[2-4]；文獻(xiàn)[5-6]中開展了CL-20炸藥工程化應(yīng)用的相關(guān)研究，獲得CL-20基炸藥應(yīng)用于聚能裝藥時(shí)，在有效炸高范圍內(nèi)其射流的斷裂時(shí)間和侵徹威力等均優(yōu)于HMX基炸藥。由于聚能破甲彈藥的破甲威力取決于驅(qū)動(dòng)源炸藥的能量[7-9]，因此CL-20炸藥是未來(lái)提高反坦克破甲彈藥威力極有潛力的高能炸藥。

炸藥的成型工藝對(duì)其裝藥性能有顯著影響，目前，混合炸藥成型工藝主要為壓裝藥工藝、鑄裝藥工藝和近幾年提出的等靜壓裝藥工藝，等靜壓裝藥工藝在國(guó)內(nèi)尚處于工藝安全性等探索階段，而鑄裝藥工藝易在裝藥內(nèi)部產(chǎn)生疵病[10-11]。迄今較少見CL-20基混合炸藥的成型工藝對(duì)裝藥性能及聚能破甲威力試驗(yàn)的相關(guān)研究。為使CL-20炸藥在武器裝備中獲得實(shí)質(zhì)性的應(yīng)用，本研究采用成熟的壓裝工藝對(duì)典型配方的CL-20基炸藥的成型、裝藥性能等進(jìn)行探索。研究了常溫、加熱兩種溫度模壓條件時(shí)裝藥密度和裝藥外觀質(zhì)量，測(cè)試了其力學(xué)性能、爆速等，通過(guò)聚能射流威力試驗(yàn)，驗(yàn)證了CL-20基炸藥在不同溫度成型條件時(shí)裝藥對(duì)射流威力性能的影響，為其推廣及工程應(yīng)用提供可靠的基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)。

1　實(shí)　驗(yàn)

1.1材料及儀器

CL-20，遼寧慶陽(yáng)特種化工有限公司，氟橡膠FPM2603，符合標(biāo)準(zhǔn)Q/45090448-8.96-2013，中昊晨光化工研究院有限公司。

2立升懸浮造粒機(jī)，西安托普電氣有限責(zé)任公司。

1.2藥柱制備

將CL-20與氟橡膠FPM2603以質(zhì)量比95∶5為配方，制成混合炸藥造型粉，在常溫(25℃)和熱壓兩種工藝條件下將造型粉壓制成型，常溫成型指在25℃下，單純依靠增加壓力能使壓裝藥柱密度增加；熱壓成型是指對(duì)炸藥和壓模加熱使炸藥成型。

1.3藥柱性能測(cè)試

依據(jù)國(guó)軍標(biāo)GJB772A-97《炸藥試驗(yàn)方法》中方法401.2和702.1部分[12]，分別對(duì)不同成型工藝下CL-20基藥柱的密度和爆速進(jìn)行測(cè)試；按照國(guó)軍標(biāo)GJB772A-97《炸藥試驗(yàn)方法》中的方法418.1，對(duì)不同成型工藝下CL-20基藥柱壓應(yīng)力、壓應(yīng)變進(jìn)行測(cè)試，試驗(yàn)環(huán)境溫度(20± 5)℃、壓縮速率(0.50±0.05)mm/min。

1.4聚能破甲威力試驗(yàn)

圖1為聚能破甲試驗(yàn)裝置示意圖，包括聚能裝藥、炸高支架和疊加45號(hào)鋼靶；采用Ф50mm標(biāo)準(zhǔn)聚能裝藥，該裝藥為無(wú)隔板結(jié)構(gòu)，射流穩(wěn)定性和一致性均較好，其裝藥分別為常溫和熱壓成型的CL-20基炸藥、裝藥密度分別為1.921g/cm3和1.951g/cm3，藥型罩為紫銅，錐角48°；試驗(yàn)用45號(hào)鋼棒材的多層疊加靶作為靶標(biāo)。

試驗(yàn)炸高約為180mm。試驗(yàn)后通過(guò)測(cè)量穿透鋼靶的深度、穿孔直徑及靶面入孔等參數(shù)來(lái)判斷CL-20基炸藥在不同壓制成型工藝下聚能射流的破甲威力。

圖1　聚能破甲試驗(yàn)布置圖Fig.1　Field test setup of shaped charge penetration

2　結(jié)果與討論

2.1不同壓裝工藝下的壓力-密度曲線

圖2為CL-20基壓裝炸藥實(shí)際壓制過(guò)程的壓力密度-曲線，并與熱壓HMX基JO-8炸藥進(jìn)行對(duì)比。

圖2　兩種炸藥壓制成型的壓力-密度曲線Fig.2　Pressure-density curves of explosive charge by two kinds of pressing molding

由圖2可見，與JO-8炸藥相似，CL-20基炸藥裝藥密度隨壓力增加而呈逐漸增大趨勢(shì)，且壓力達(dá)到一定值后，壓藥最大密度值大于1.90g/cm3，而JO-8炸藥密度略高于1.80g/cm3。對(duì)于CL-20基炸藥，壓制過(guò)程在合理的溫度范圍內(nèi)，提高壓藥溫度能增大藥柱的裝藥密度。圖2曲線顯示，在較低壓力階段(≤200MPa)，藥柱的裝藥密度隨壓力增加而上升的趨勢(shì)較快，分析認(rèn)為在此階段散粒體炸藥的壓實(shí)及變形主要靠顆粒發(fā)生滑動(dòng)位移而減小彼此間空隙來(lái)完成，應(yīng)為炸藥彈性快速變形區(qū)域；在壓力較高階段(>200MPa)，主要靠顆粒的彈塑性變形來(lái)壓緊密，此時(shí)藥柱密度增加緩慢，屬于塑性變形區(qū)段。從曲線圖和綜合考慮使用的壓機(jī)條件、壓藥模具強(qiáng)度及剛度要求，并從降低操作危險(xiǎn)性的角度分析，在CL-20基炸藥壓制過(guò)程中，壓力應(yīng)控制在300MPa之內(nèi)。

在壓制過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，常溫成型CL-20基裝藥藥柱出現(xiàn)了藥片部分層裂及成片脫落現(xiàn)象，而熱壓成型的藥柱表面光滑、致密、無(wú)可見裂紋。說(shuō)明CL-20基炸藥熱壓成型工藝優(yōu)于常溫成型工藝，分析原因可能是藥溫的提高可以降低炸藥本身的機(jī)械強(qiáng)度，使炸藥顆粒塑性和流動(dòng)性增加，從而提高了炸藥的可壓性、藥柱密度和外觀質(zhì)量。

因此，要想獲得高密度和高質(zhì)量CL-20基炸藥裝藥，除考慮壓力參數(shù)外，溫度選取以不使炸藥變色及藥柱表面光滑無(wú)裂紋為原則，選擇熱壓工藝的溫度在90℃以下,比壓取值范圍230～300MPa，在此工藝條件下成型的CL-20基裝藥具有密度高和外觀質(zhì)量?jī)?yōu)良等特征。

2.2壓裝工藝條件對(duì)藥柱密度及其均勻性的影響

研究表明[13-14]，增加裝藥密度是提高CL-20基炸藥的爆轟性能(主要為爆轟壓力和爆速)、裝藥力學(xué)性能和聚能破甲威力的重要途徑，因此對(duì)CL-20基炸藥熱壓、常溫成型藥柱的密度參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果見表1。

表1　熱壓及常溫成型工藝條件下CL-20基炸藥藥柱的密度參數(shù)

注：Δρ為熱壓成型與常溫成型條件下藥柱密度差；IP為熱壓成型藥柱密度較常溫成型藥柱密度提高的百分比。

由表1可見，常溫成型CL-20基炸藥藥柱的密度平均值為1.921g/cm3，達(dá)到理論密度(最大密度ρmax)的96.2%；熱壓藥柱的密度平均值為1.951g/cm3，達(dá)理論密度的98.3%，可見，熱壓CL-20基炸藥藥柱的密度比常溫成型的提高至少1.46%。

研究表明[15-16]，采用精密裝藥技術(shù)能使聚能裝藥威力和破甲穩(wěn)定性得到較高的提升。胡煥性[15]等研究認(rèn)為，精密聚能裝藥在結(jié)構(gòu)上要求內(nèi)部密度分布的徑向均勻性，以獲得完全對(duì)稱的爆轟波形和提高射流破甲穩(wěn)定性；孫建等[16]的研究表明，得到精密裝藥的密度差可控制在±0.003g/cm3，使其密度接近炸藥理論密度的99%。本研究測(cè)試了采用CL-20基炸藥的精密熱壓和常溫成型裝藥的徑向密度均勻性，結(jié)果見表2，測(cè)定時(shí)分別在圓柱形藥柱徑向的平分四分位上取樣。

表2　兩種壓制工藝條件的藥柱徑向密度差

注：ρ1為熱壓成型藥柱的徑向密度；ρ2為常溫成型藥柱的徑向密度；Δρ=ρmax-ρmin。

由表2可見，藥柱徑向4個(gè)對(duì)稱點(diǎn)熱壓精密藥柱的徑向密度差比常溫壓制藥柱高出一個(gè)數(shù)量級(jí)，且在0.3%以下，說(shuō)明CL-20基炸藥的熱壓成型有利于裝藥徑向密度均勻性的提高。

2.3壓裝工藝條件對(duì)藥柱力學(xué)性能的影響

熱壓和常溫壓裝的藥柱力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果見表3，試驗(yàn)藥柱為Ф20mm×20mm的圓柱體。

表3　兩種壓裝工藝對(duì)藥柱力學(xué)性能影響的對(duì)比

注：t為測(cè)試溫度；σ為壓應(yīng)力；ε為壓應(yīng)變；F為最大壓力。

由表3可見，與常溫壓裝相比，熱壓藥柱強(qiáng)度增加20%以上，成型藥柱的密度越大，說(shuō)明裝藥壓得越密實(shí)，抗壓強(qiáng)度也就越大，保證了彈藥的生產(chǎn)、運(yùn)輸及使用的安全可靠性及強(qiáng)度性能。

2.4壓裝工藝條件對(duì)藥柱爆速及其格尼系數(shù)的影響

表4為CL-20基炸藥熱壓藥柱和常溫壓裝藥柱的爆速測(cè)試結(jié)果，ΔD代表兩種壓裝工藝爆速差值。

表4　兩種壓裝工藝藥柱的爆速對(duì)比

由表4可知，常溫成型CL-20基炸藥藥柱的平均爆速約9080m/s；而熱壓藥柱的爆速均大于9210m/s，即實(shí)測(cè)熱壓藥柱的爆速比常溫藥柱的增加大于1.46%。

(1)

式中：D為炸藥的爆速；γ為炸藥多方指數(shù)，由公式γ=ρ0/(0.14+0.26ρ0)計(jì)算。

結(jié)合表1中獲得的密度平均值，計(jì)算得到常溫成型藥柱的γ值為3.0041，熱壓成型裝藥藥柱的γ值為3.0142。利用式(1)和表4中爆速平均值數(shù)據(jù)，計(jì)算常溫成型藥柱的格尼系數(shù)為2944m/s，熱壓成型藥柱的格尼系數(shù)為2977m/s。據(jù)此估算方法并結(jié)合參考文獻(xiàn)[19]中數(shù)據(jù)計(jì)算得到熱壓成型JO-8炸藥的γ值為2.966、格尼系數(shù)為2860m/s。可見高能量密度CL-20基炸藥對(duì)聚能藥型罩等金屬殼體的加速能力均比JO-8炸藥的高；且熱壓CL-20基炸藥藥柱比常溫成型時(shí)對(duì)金屬的加速能力更好一些。

由此可見，熱壓工藝成型藥柱的爆速及格尼系數(shù)均比常溫成型的高。

2.5壓裝工藝條件對(duì)破甲威力的影響

圖3(a)和圖3(b)分別為常溫、熱壓成型裝藥的聚能破甲試驗(yàn)結(jié)果，射流穿靶深度和穿孔入孔直徑測(cè)量結(jié)果見表5。

圖3　聚能射流侵徹試驗(yàn)結(jié)果Fig.3　Test results of shaped charge jet penetration

壓裝工藝d1/mmd2/mmL/mmL/mmδ/%熱壓成型≥40(崩裂)7336熱壓成型4073503432.05熱壓成型≥40(崩裂)7342常溫成型306321常溫成型3063003103.42常溫成型306308

由表5可見，熱壓成型裝藥不僅使射流穿深較常溫成型裝藥提高了約10%，穿靶孔徑也至少增大15%，由18.0mm增加至23.5mm。分析認(rèn)為，可能由于常溫成型裝藥的密度均勻性差，導(dǎo)致射流穿深相對(duì)偏差為3.42%，比熱壓成型裝藥射流的穿深偏差大的多。

由圖3(a)的穿深結(jié)果可見，熱壓成型裝藥的射流侵徹第1靶入孔在同樣靶柱直徑時(shí)均出現(xiàn)了崩裂，而圖3(b)常溫成型裝藥射流侵入時(shí)的第1靶并未有靶柱的崩裂現(xiàn)象發(fā)生。分析原因是由于熱壓CL-20基炸藥裝藥密度高產(chǎn)生的射流速度高，使得射流能量高于常溫壓制裝藥射流，作用于靶板時(shí)使壓應(yīng)力瞬間高速集中釋放而超過(guò)材料強(qiáng)度極限引起大擴(kuò)孔。因此熱壓工藝時(shí)裝藥密度的增加有利于射流的破甲穿深和開孔能力的提高。

3　結(jié)　論

(1)采用常溫、熱壓成型兩種工藝條件下CL-20基炸藥藥柱密度隨壓力增加呈增大趨勢(shì)，最大裝藥密度1.95 g/cm3以上；熱壓工藝溫度低于90℃，壓力取值范圍230～300MPa，此工藝下成型藥柱具有密度高和外觀質(zhì)量光滑致密等優(yōu)點(diǎn)。

(2)CL-20基炸藥的常溫和熱壓成型藥柱密度值分別為理論密度的96.2%和98.3%；熱壓成型裝藥藥柱的強(qiáng)度比常溫成型藥柱增加20%以上；熱壓成型藥柱的爆速大于9210m/s，較常溫成型藥柱提高1.46%，可見熱壓成型藥柱的各項(xiàng)性能均優(yōu)于常溫成型藥柱。

(3)熱壓成型裝藥用于聚能破甲其射流威力比常溫成型裝藥提高了約10%，對(duì)45號(hào)鋼靶穿孔孔徑至少增大了約15%。因此，熱壓裝藥有利于射流破甲后效的提高，綜合毀傷效果好。

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Effect of Pressing Molding on the Property and Shaped Charge Penetration Power of CL-20-based PBX

WANG Li-xia1, DAI Zhi-xin1, ZHOU Tao1, JING Qing-bo1, JIA Ming1,ZHOU Ling2

(1.Xi′an Modern Chemistry Research Institute, Xi′an 710065, China；2. China Research and Development Academy of Machinery Equipment, Beijing 100089, China)

CL-20-based composite explosive charge was prepared by two techniques of room-temperature-pressing molding and thermo -pressing molding. Its charge density, density homogeneity, mechanical properties and detonation velocity were measured. Gurney coefficient was calculated. The penetration test of standard shaped charge with diameter of 50 mm was performed. The effect of shaped charge jet of CL-20 based explosive using different pressing techniques on type 45 steel target penetration depth and diameter of perforation was verified. Results show that, compared with room-temperature-pressing molding, the charge density of thermo-pressing molded CL-20-based explosive increases by no less than 1.46%. The test data of density homogeneity, detonation velocity, Gurney coefficient and penetration capability have different degrees of improvement.The average penetration depth of standard shaped charge with Φ50mm against type 45 steel target increases from 313mm to 343mm, and average penetration diameter increases from 18mm to 23.5mm.

explosion mechanics; CL-20-based PBX; pressing molding; shaped charge penetration; room-temperature-pressing molding ;thermo-pressing molding

10.14077/j.issn.1007-7812.2016.04.011

2016-01-25；

2016-03-10

國(guó)防基礎(chǔ)研究項(xiàng)目

王利俠(1966-)，女，高級(jí)工程師，從事聚能戰(zhàn)斗部技術(shù)及毀傷效應(yīng)研究。E-mail:wlx201311tgy@163.com

戴致鑫(1968-)，男，高級(jí)工程師，從事炸藥配方及制備工藝研究。E-mail:daizhixin@qq.com

TJ55;O385

A

1007-7812(2016)04-0056-05