PBX造型粉粒徑及壓制狀況對撞擊感度的影響

(中國工程物理研究院化工材料研究所，四川綿陽，621999)

聚合物粘接炸藥(PBX)通常由特定顆粒尺寸的含能材料顆粒經過合理的工藝條件進行聚合物的包覆獲得，而撞擊感度是一項評價PBX安全性能的重要測試方法，廣泛應用于PBX配方篩選及性能對比[1-3]。盡管《炸藥試驗方法(GJB772A-1997)》中對撞擊感度的測試方法做出了具體的規定，但是含能材料研究中遇到的復雜材料物性狀態仍然會對撞擊感度的測試結果可靠性引入不確定因素。2018年在捷克帕爾杜比采召開的含能材料新趨勢會議中，美國馬里蘭大學的Ruth M. Doherty做了關于“Making sense of sensitivity data”的特邀報告，總結了實驗中廣泛使用的小型撞擊感度測試方法存在多種影響測試結果可靠性的因素，包括落錘質量、測試儀器、環境條件、顆粒尺寸分布、測試人員等。因此，在對比不同含能材料及PBX配方的撞擊感度值時，需要認真對比測試方法等因素，從而增加測試結果的可信度[4]。

含能材料顆粒粒徑能夠顯著影響撞擊感度值，顆粒的微納米超細化以及配方工藝中顆粒的級配都能夠影響撞擊感度結果[5, 6]。微納米含能材料制備及撞擊感度研究結果表明，使用超細顆粒制備方法如超臨界快速膨脹法(RESS)[7]等得到的含能材料超細顆粒，其撞擊感度結果總體而言呈現下降趨勢。造粒過程中采用顆粒防團聚工藝、配方中添加如石墨類潤滑劑[8]等，均可能改善PBX的機械感度。

使用GJB772A-1997方法評價含能材料顆粒及其PBX配方的撞擊感度時，存在兩種方式的撞擊感度測試方法：粉末樣品撞擊感度測試及壓裝藥柱撞擊感度測試。相同配方下粉末和壓裝藥柱的撞擊感度測試結果呈現一定的差異性，而直接將粉末撞擊感度結果用于評價壓裝藥柱的安全性能往往并不可靠。因此有必要對比不同PBX配方造型粉顆粒粒徑及樣品狀態的撞擊感度變化規律，對研究人員合理使用撞擊感度測試結果進行PBX安全性能對比提供有益的參考。

基于此，本論文選用10-20μm的HMX、FOX-7、HNS-IV、LLM-105四種含能晶體與氟聚物制成PBX造型粉，測試了五種PBX顆粒粒徑范圍 (0.2-0.5 mm、0.5-0.8 mm、0.8-1.0 mm、1.0-1.25 mm、1.25-1.6 mm)的PBX樣品在經過壓制前后的撞擊感度。在上述PBX配方中加入石墨作為降感劑，對比了石墨在PBX粉末狀態和壓制后降感效果，分析PBX粉末狀態及石墨降感劑的存在對撞擊感度影響的變化規律，探討撞擊感度影響機制。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

HMX、FOX-7、HNS-IV、LLM-105四種含能晶體，純度99 %，由中國工程物理研究院化工材料研究所提供，使用前通過機械球磨獲得粒徑為10-20μm的顆粒；F2314，中昊晨光化工研究院提供；乙酸乙酯、乙酸丁酯均為分析純，成都科龍化工試劑廠。測試用PBX粉末樣品通過水懸浮法得到，過組合篩獲得不同粒徑的粉末樣品。石墨通過外混法在造粒時加入，含量為0.5 %。

1.2 實驗過程

粉末撞擊感度測試：采用GJB772A-1997中601.2的特性落高方法進行測試[9]。使用BAM感度儀進行測試，樣品質量40mm3，落錘質量為2.0 kg，統計樣品的特性落高值H50。環境溫度為20 ℃，相對濕度65 %。

藥片撞擊感度測試：使用與粉末測試相同批次的PBX樣品，將30 mg 粉末在1 kN壓力下采用Φ8mm模具壓制成薄片。撞擊感度測試條件與粉末樣品相同。

掃描電鏡表征：使用德國ZEISS公司的場發射型掃描電子顯微鏡觀察樣品結構，樣品觀察前使用表面噴金進行預處理。

2 結果與討論

2.1 PBX粉末粒徑對撞擊感度的影響

四種含能晶體不同粉末粒徑的撞擊感度值如圖1所示。從圖1可以看出，粉末粒徑對撞擊感度有較大的影響。總體規律是，隨著顆粒粒徑的增加，撞擊感度呈下降的趨勢。由于含能晶體顆粒粒徑遠小于PBX粉末顆粒，基本可以排除PBX粉末顆粒在試驗顆粒粒徑范圍內存在的不均勻性(以LLM-105基的PBX粉末SEM圖為例，可以直觀地看出不同顆粒粒徑中含能晶體分布的均勻性，如圖2所示)。

圖1 不同顆粒粒徑的PBX粉末撞擊感度值

(a)0.2-0.5 mm粒徑樣品 (b)1.25-1.6 mm粒徑樣品圖2 不同顆粒粒徑的LLM-105基PBX粉末掃描電鏡圖像

PBX粉末顆粒粒徑對撞擊感度的影響可以從熱點理論進行解釋[10-12]：首先，在粒徑變化范圍不大的情況下，對于大顆粒粒徑的粉末樣品，撞擊感度測試時其在模具內的松裝填充產生的空隙數量小于小顆粒粒徑的粉末樣品，表現為表觀堆積密度相對較高(如圖3所示)；其次，對于小顆粒粒徑的PBX粉末，松裝填充狀況下產生的空隙微氣泡直徑小，根據熱點起爆理論，熱點主要在顆粒間的空隙處產生，而在一定尺度范圍內，熱點爆炸溫度與熱點直徑成反比，體現為熱點直徑越小，所需熱爆炸臨界溫度越高[13]。

(a)大顆粒樣品 (b)小顆粒樣品圖3 不同顆粒粒徑的PBX粉末堆積示意圖

2.2 壓制成型后PBX粉末粒徑對撞擊感度的影響

經過壓制成型后，四種含能晶體不同粉末粒徑的撞擊感度值如圖4所示。從圖4可以看出，經過壓制成型后，不同粉末粒徑的PBX樣品的撞擊感度平均值與未經壓制的PBX粉末樣品的平均值相比，均呈現明顯的提升。壓制成型后撞擊感度的降低同樣可以通過熱點理論進行解釋，其主要原因在于經過壓制成型后，原松裝堆積存在的大量空隙由于壓制過程中顆粒層之間的滑移得到排除，使得樣品中存在的空隙大為降低。

壓制成型前后撞擊感度變化結果差異值得關注的另一方面在于，對于新型含能材料合成研究而言，初期小型實驗的撞擊感度往往使用粉末樣品進行測試，而實際應用中這些含能材料經常會經過精細的成型處理。因此，在對比含能材料的撞擊感度結果時，對于粉末類的樣品，首先應當確認測試過程中的粒徑盡量相同；而比較實際應用中的安全性能時，應盡量選擇適當的方式進行壓制成型后得到的結果。

圖4 壓制成型前后PBX粉末的撞擊感度值

2.3 含石墨PBX配方粉末粒徑對撞擊感度的影響

添加石墨降感劑后，四種含能晶體不同粉末粒徑的撞擊感度值如圖5所示。與圖1的變化趨勢相同，隨著顆粒粒徑的增加，撞擊感度呈現下降的趨勢。而經過壓制后，撞擊感度的結果(見圖6)也呈現顯著的上升趨勢。

選用壓制后的樣品撞擊感度測試結果進行對比(見圖7)，可以看出，加入石墨后PBX樣品的撞擊感度發生了一定程度的下降，表明石墨作為一類具有優良導熱性質的層狀結構材料[14]，能夠在增加PBX樣品導熱性能的同時，通過對顆粒的潤滑作用耗散撞擊產生的能量起到降感的效果。

圖5 添加石墨降感劑后不同顆粒粒徑的PBX粉末撞擊感度值

圖6 壓制成型前后PBX粉末的撞擊感度值

圖7 添加石墨前后PBX粉末的撞擊感度值

3 結論

(1)對相同配方組成的PBX樣品而言，不同顆粒粒徑樣品的撞擊感度測試結果表現為，隨著樣品顆粒粒徑的增加，撞擊感度呈下降的趨勢。

(2)對相同配方組成的PBX樣品，經過壓制后樣品的撞擊感度相比粉末狀態的樣品呈下降的趨勢。

(3)添加石墨降感劑后，PBX粉末樣品和壓制后的樣品撞擊感度均比未添加石墨的PBX樣品低。

(4)由于撞擊感度測試結果與PBX粉末顆粒堆積以及壓制狀態密切相關，在進行材料性能評估時，應選擇與實際應用狀態相近的樣品進行撞擊感度測試，從而增加結果對比的可靠程度。