ANPyO基PBX的爆炸性能

何志偉，王 洋，郭子如，劉 鋒，江向陽，劉祖亮

(1.安徽理工大學化學工程學院，安徽 淮南 232001；2. 南京理工大學化工學院，江蘇 南京 210094)

引 言

隨著全球石油消費需求不斷攀升，且由于石油儲量的局限性，造成油田開發程度加深、儲量減少、埋藏深度增加，使石油開采條件變得更加苛刻，進而對石油射孔彈等井下起爆器材提出了更高的要求。隨著油井深度的增加，井下溫度和壓力也相應升高，對爆炸材料的耐熱性和爆炸性能提出了更高的要求[1]。同時，軍用低易損炸藥對主體炸藥提出了高能鈍感的要求。為了滿足以上特殊使用條件的需求，研制開發新型高能量密度材料并對其爆炸性能進行研究非常必要。

2,6-二氨基-3,5-二硝基吡啶-1-氧化物(ANPyO)是一種新型高能量密度材料，以其較好的綜合性能受到了國內外的廣泛關注[2-4]。ANRyO具有較高的爆炸能量、良好的熱安定性[5-6]和較低的感度[7]，在一些高溫和特殊用途的場合，可以作為三氨基三硝基苯(TATB)、六硝基芪(HNS)等耐熱炸藥[8-9]的替代品，在深井石油射孔彈、低易損炸藥等領域有較大的應用潛力。國外學者Jafari、Mohammad等[2]運用密度泛函理論計算了ANPyO晶體結構特性，研究了其晶體和分子能帶結構、態密度和晶格能等性能；國內學者石艷文、張蒙蒙、何志偉等[3,5-6]對ANPyO進行了分子動力學模擬計算，探討了結構、能量和力學性能及其溫度效應；成健、張蓉仙等[10-11]合成了ANPyO的含能配合物，并分析其熱分解行為和熱分解機制。關于ANPyO耐熱性的研究已有較多的相關報道，但對其爆炸威力及射孔破甲等爆炸性能研究鮮有報道。

本研究通過ANPyO基高聚物黏結炸藥(PBX)與多種常用耐熱炸藥及高能炸藥的對比試驗，系統地研究了其爆速、威力和聚能射孔[12]等方面的性能，以期對拓展ANPyO在耐熱石油射孔彈和低易損炸藥中的應用提供參考。

1 實 驗

1.1 試劑與儀器

ANPyO、8701炸藥、TATB，均為實驗室自制；HNS、RDX，甘肅銀光化學工業有限公司；PYX，西安近代化學研究所；氟橡膠F2311、氟橡膠F2603、丁腈橡膠NBR-26，中藍晨光化工研究設計院有限公司；乙酸乙酯，天津市科密歐化學試劑有限公司；液體石蠟，南陽石蠟精細化工廠。

MFB-500型發爆器，渝榮防爆電器有限公司；TSN-632M型32通道爆速測定儀，法國Chrono Meter公司；鋼靶、壓藥鋼制模具，南京賽格精密模具有限公司；油壓機，東莞銘鏘機械有限公司。

1.2 樣品制備

采用溶劑-懸浮-蒸餾法制備ANPyO基PBX樣品。ANPyO為主體炸藥，黏結劑為氟橡膠F2311、F2603和丁腈橡膠NBR-26。

首先稱取0.5g氟橡膠F2311置于單口圓底燒瓶，加入200mL乙酸乙酯，60℃水浴加熱30min，得到氟橡膠F2311的乙酸乙酯溶液冷卻備用。稱取10g ANPyO置于150mL帶攪拌槳的三口圓底燒瓶中，加入120mL溶劑，然后用恒壓漏斗緩慢加入40mL F2311乙酸乙酯溶液和增塑劑，將反應體系置于60 ℃恒溫水浴中，減壓蒸餾，結束后升溫至75℃保溫10min，冷卻靜置。將產物抽濾，經多次洗滌后于水浴烘箱中干燥至恒重，制得樣品,編號為樣品1。按照上述步驟，以氟橡膠F2603和丁腈橡膠NBR-26為黏結劑制備的ANPyO基PBX樣品分別編號為樣品2和樣品3。上述樣品中黏結劑質量分數均為1%。

1.3 爆速與感度測試

按照GJB772-97方法702.1測定樣品的爆速。藥柱壓藥條件為：鋼制模具內徑15.0mm，油壓機壓強240MPa；為防止壓制藥柱長徑比過大，退模易造成裂紋甚至斷裂，樣品藥柱藥量取5.0g；每組樣品測試3次，結果取平均值。

按照GJB772-97方法601.1測定樣品的撞擊感度；按照GJB772-97方法602.1測定樣品的摩擦感度。

1.4 爆炸威力試驗

通過爆炸威力試驗比較ANPyO基PBX樣品與參照樣品的聚能藥柱產生的聚能射流對鋼錠的侵徹深度和侵徹體積。按照聚能藥柱的壓制參數條件，采用鋼制壓藥模具，模具內徑60mm，藥型罩為工業紫銅Tu沖壓而成，直徑58mm，錐角60°；試驗設置炸高為80mm，單發裝藥量為300g。為保證穩定起爆，ANPyO藥柱采用加RDX傳爆藥起爆方式，如圖1所示。為了獲得射流侵徹靶板時孔徑的分布情況，采用兩塊靶板疊加，上層靶板為直徑110mm、高度180mm的鋼錠，下層靶板為直徑110mm、高度40mm的鋼錠。

圖1 起爆方式及試驗布置Fig.1 Initiation method and test arrangement

1.5 射孔穿深試驗

射孔試驗用彈型為DP3623-3；按照聚能藥柱的壓制參數條件，藥型罩為鉍合金粉末沖壓而成，內徑為38mm，錐角為30°。分別采用壓罩和粘罩工藝方法，壓罩即為裝完藥后將藥型罩置于壓藥模具上一次沖壓成形；粘罩即為裝完藥后直接用模具將炸藥沖壓成形，然后用黏結劑將藥型罩粘到錐形藥柱內側。試驗用射孔彈外觀如圖2所示；根據壓藥工藝條件的要求和實際壓制效果調整壓強范圍為2～5.5MPa，保壓時間為3s；單發裝藥量為25g。

圖2 射孔彈壓藥成形外觀Fig.2 Press-charged appearance of perforation projectile

射孔試驗裝置主要由起爆系統(導爆索和電雷管)、射孔彈、支撐管和45#圓鋼靶組成，其結構示意圖如圖3所示。

圖3 射孔試驗裝置結構示意圖Fig.3 Schematic diagram of the penetration test device

2 結果與討論

2.1 爆速與感度分析

為了比較ANPyO基PBX與常用耐熱混合炸藥的爆速、撞擊感度和摩擦感度，選擇以常用耐熱炸藥PYX、HNS、TATB為基的PBX樣品與制備的ANPyO基PBX樣品進行對比試驗，結果見表1。

表1 試驗樣品的爆速與機械感度

注：ρ為密度；D為爆速；I為撞擊感度；F為摩擦感度。

從表1可知，3種ANPyO基PBX樣品的爆速均為7300m/s左右，與TATB和HNS基PBX樣品的爆速比較接近；3種樣品的裝藥密度均為1.78 g/cm3左右， 比TATB基PBX樣品裝藥密度略小，比HNS基PBX樣品裝藥密度略大；3種ANPyO基PBX樣品的爆速和裝藥密度明顯高于PYX基PBX樣品。說明ANPyO基PBX樣品的爆速達到甚至部分超過常用鈍感炸藥的水平，滿足常用鈍感炸藥的爆炸性能要求，可以作為一種新型鈍感炸藥候選化合物。上述PBX樣品配方中含氟高聚物良好的耐熱性、穩定性和抗老化性，以及與PBX樣品中其他成分之間較好的相容性，能夠明顯改善PBX樣品的壓制成形性[13]，同時對提高PBX樣品配方的耐熱性也具有重要意義。3種ANPyO基PBX樣品中，以NBR-26為黏結劑的樣品3爆速略高于以氟橡膠為黏結劑的樣品1和樣品2，樣品1和樣品2爆速比較接近，由于NBR-26特征官能團—CN電負性強于氟橡膠特征官能團F原子，—CN與ANPyO中—NO2產生誘導效應更強，故NBR-26與ANPyO晶體的界面作用更穩定，參加爆炸化學反應更充分，表現為樣品3爆速略高于樣品1和樣品2，但是NBR-26的耐熱性和抗老化性要弱于氟橡膠，對于深油井高溫射孔等特殊環境不利。

從表1撞擊感度和摩擦感度試驗結果可知，6種PBX樣品的撞擊感度和摩擦感度均低于其對應的單質炸藥，說明采用黏結劑包覆后的PBX樣品的安全性得到提高，其原因主要為高分子材料在炸藥顆粒表面形成了一層致密、有彈性的薄層，起到了包覆作用，一定程度上緩和了撞擊或摩擦等機械作用[9]。根據相對位移或壓縮空氣生熱產生熱點建立的熱點理論，包覆作用不利于熱點的產生，也就不容易引發爆炸。3種ANPyO基PBX樣品的撞擊感度比PYX基PBX樣品低約64%，摩擦感度比PYX基PBX樣品低約28%；撞擊感度比HNS基PBX樣品低約24%，摩擦感度比HNS基PBX樣品低約8%。3種ANPyO基PBX樣品的撞擊感度與TATB基樣品接近，雖然摩擦感度比TATB基PBX樣品高約16%，但仍能滿足低易損炸藥鈍感高能的要求，對于低易損裝藥具有重要的研究意義和應用價值。

2.2 爆炸威力分析

為了研究ANPyO基PBX樣品的爆炸威力，選擇8701高能混合炸藥作為參照，分別對樣品3和8701炸藥壓制的藥柱進行威力測試，測試結果見表2。同時，根據爆炸威力測試原理，通過計算模擬，模擬出聚能藥柱爆炸生成射流侵入兩塊疊加靶板過程的示意圖，如圖4所示。被侵徹靶板的照片，如圖5所示。

表2 爆炸威力試驗結果

圖4 射流侵徹靶板的數值模擬示意圖Fig.4 Schematic diagram of numerical simulation of jet penetrating target plate

圖5 威力實驗侵徹靶板情況Fig.5 Penetrating target plate situation of power test

由表2測試結果可知，樣品3的威力與8701炸藥存在一定差距，其侵徹體積為8701炸藥參照標準的76.4%，但是其聚能射流的侵徹深度與8701炸藥接近，達到8701炸藥侵徹深度的96.1%，其上靶板初次入孔開口直徑(見圖5 (a))比8701炸藥(見圖5 (b))小3mm；由圖5 (a)可知，下靶板上表面有少量杵堵，剛好穿透上靶板，8701炸藥能量已達到極限。說明樣品3爆炸產生的聚能射流更集中，但能量水平弱于8701炸藥。

根據威力測試的結果，樣品3的爆炸侵徹威力稍弱于8701炸藥，基本接近常用鈍感炸藥。由于單質ANPyO晶體壓制聚能藥柱的成形性不夠理想，在壓制過程中出現明顯的咯吱聲，表明其流散性較差，容易在靜壓力的作用下使藥柱各部分受力不均，影響其密度的均勻性，甚至可能導致藥柱出現裂紋或斷層，從而影響聚能藥柱的侵徹威力和侵徹穩定性。為了改善ANPyO晶體的壓藥成形性，通過一定的工藝方法將少量高分子材料包覆到ANPyO的表面制成造型粉，然后通過優化壓藥工藝條件能夠有效改善其成形性，增加其裝藥密度和裝藥質量，提高其侵徹威力，拓展ANPyO基PBX的應用范圍。

2.3 射孔穿深分析

為了比較不同黏結劑成分的ANPyO基PBX樣品的射孔穿深能力，試驗用PBX樣品射孔彈6發。根據組分中黏結劑F2311、F2603、NBR-26的不同分為3組，每組2發彈的組分相同，粘罩和壓罩工藝不同。分別對6發射孔彈進行鋼靶射孔穿深試驗，并對試驗結果進行比較分析，試驗結果見表3。部分鋼靶射孔穿深試驗的入口位置和入口規整性如圖6所示。

表3 射孔彈的射孔穿深性能測試結果

圖6 鋼靶射孔破甲效果Fig.6 Effect of perforation and penetration of steel targets

由表3可知，3種黏結劑成分的PBX樣品的射孔穿深均超過120mm，其中NBR-26樣品的射孔深度最大，破甲效果最好，粘罩和壓罩射孔深度均超過了130mm；NBR-26樣品的入孔規則且直徑最大，入孔孔徑誤差不超過0.1mm，炸藥爆炸形成射流的能量更大；邊-邊距的測量結果說明NBR-26樣品在鋼靶上射孔開坑位置分布更趨近于中心，射孔位置更準確，能量更集中。含F2311和F2603的樣品比較，射孔深度比較接近，含F2603的樣品稍大于含F2311的樣品，入孔直徑大小也比較接近，F2311樣品的孔口比F2603樣品更規則，但F2311樣品的射孔偏心更大。3組樣品中，每組中壓罩壓制的射孔彈在射孔深度、孔口規整性、射孔位置準確性方面均比粘罩射孔彈效果好。

對表3射孔穿深性能測試結果的比較分析可知，3種ANPyO基PBX樣品均具有較好的鋼靶射孔穿深性能，其中黏結劑NBR-26樣品的入口穩定且規則、射孔穿深最大，表明該樣品爆炸后形成的聚能射流能量更集中，即主體成分ANPyO爆炸后產生的沖擊動能和熱能利用率更高。影響射孔穿深性能的因素很多，但爆炸產物沿射流運動方向的速度分布和質量分布是影響射孔穿深的關鍵因素，根據測試結果比較可得樣品中的黏結劑成分在一定程度上對聚能射流產生影響，進而影響其射孔性能。除了爆炸材料、裝藥結構等因素外，藥型罩也是影響射孔穿深性能的重要因素之一，本試驗采用易碎性較好的鉍合金粉末藥型罩，在其壓垮期間，產生的拉應力和剪切力較小，能量損失幾乎可忽略，形成的聚能射流近似為理想流體，能量集中，動能較高，有利于提高對鋼靶的射孔穿深效能。

3 結 論

(1)ANPyO基PBX樣品的爆速為7300m/s左右，接近于常規鈍感炸藥TATB和HNS基樣品，但高于PYX基樣品；其撞擊感度比PYX基PBX樣品低約64%，比HNS基PBX樣品低約24%；摩擦感度比PYX基PBX樣品低約28%，比HNS基PBX樣品低約8%。撞擊感度與TATB基樣品接近，摩擦感度比TATB基PBX樣品高約16%。ANPyO可以作為一種新型高能鈍感含能材料。

(2)爆炸威力試驗選擇以8701炸藥作為參照標準，ANPyO基PBX樣品的聚能侵徹體積為8701炸藥的76.4%，侵徹深度為8701炸藥的96.1%，在上靶板初次入口直徑比8701炸藥小3mm，其爆炸威力稍低于8701炸藥，基本接近于常見PBX的爆炸性能。

(3)3種ANPyO基PBX樣品均具有較好的鋼靶射孔穿深能力，射孔深度均超過120mm，其中黏結劑NBR-26樣品的射孔深度最大，超過130mm，入孔最規則且直徑最大，射孔偏心最小。以F2311與F2603為黏結劑的2種樣品的測試指標比較接近，以F2311為黏結劑樣品的部分測試結果略好于以F2603為黏結劑的樣品；測試結果比較表明，壓罩比粘罩的射孔穿深效果好。