兩種精密裝配用奧克托金基炸藥的成型及穩定性

王 輝， 李亮亮， 沈 飛， 張 皋

(西安近代化學研究所，西安 710065)

高能炸藥是大部分現代武器的動力來源，其通過釋放自身的化學能對外做功。通常采用圓筒試驗可獲得測試炸藥的做功能力大小，但該結果僅可作該炸藥的縱向比對，無法與其他炸藥進行橫向對比，究其原因，是缺少標準炸藥的校核。在實際使用時，標準炸藥并非成型后立即投入使用，而是經過一定時間的儲存(老化)后才進行使用。儲存過程中，高能炸藥發生物理、化學反應，引起炸藥/裝藥發生性能變化，如尺寸穩定性、組分穩定性及性能穩定性(爆速)等發生改變，引起裝藥無法裝配、圓筒試驗數據失真。因此研究標準炸藥，必須研究老化對炸藥性能的影響，尤其是炸藥尺寸穩定性、組分穩定性及性能穩定性的影響。

目前國內外所做的老化試驗主要分為高溫循環、低溫循環、高低溫循環和高低溫沖擊試驗方法。中國在此方面的研究，已取得一些成果，如李鴻賓等[1]、賈林等[2]、張冬梅等[3]、姜凱等[4]分別研究了炸藥在不同溫度循環條件下的膨脹特性，獲得了一些變化規律，如在整個老化時間內，藥柱體積先快速增加，再趨緩最后不再變化，分析認為不同的階段出現的原因不同，主要有力學松弛、黑索金(Hexogen，RDX)和鋁(aluminum，AL)的重排及低熔點組分發生“滲油”(“趨表性”遷移)、連接和揮發，引起藥柱平均密度減小。張丘等[5]、李玉斌等[6]探討了壓制過程中炸藥的膨脹特性，研究了壓制參數如熱處理、熱循環次數等對成型過程中晶體取向、破碎等的影響，表觀上體現在炸藥密度和尺寸發生改變。孫杰等[7]從晶體取向角度討論了炸藥柱的膨脹規律。國外對炸藥膨脹性能的研究較早，早期如Hnmphrey等[8]、Authony[9]、Kolb等[10-11]研究了塑料黏結炸藥(plastic bonded explosive，PBX)-三氨基三硝基苯(triaminotrinitrobenzene，TATB)藥柱在反復熱循環條件下的尺寸穩定性，結果發現藥柱會產生1.5%～2.0%的永久性體積膨脹。陳科全等[12]研究了HMX基PBX炸藥驅動不同金屬的圓筒試驗，但未涉及炸藥的性能，如是否老化。王浩等[13]采用高低溫沖擊試驗研究了三硝基甲苯(trinitrotoluene，TNT)等幾種單質炸藥的不可逆膨脹特性。

上述文獻主要從高低溫循環和壓制條件角度探討了不同條件下炸藥的膨脹問題，但研究比較零散，不夠系統，與標準物質的研制還有一定距離。現選擇兩種HMX基炸藥，采用71 ℃高溫老化實驗對試樣分別加速老化1、3、5 a，研究不同老化條件下試樣的直徑、質量及組分等的變化規律。

1 材料和方法

實驗所用的炸藥配方1為奧克托金基炸藥(cgclotetramethy-lenete-tranitramine,HMX)黏合劑/其他，記為H-1炸藥，配方2為HMX/F23-11/其他，記為H-2炸藥。炸藥采用300T壓機壓制成型。藥柱從模具內退出后，采用測高儀測量其直徑d0、高度h0，采用天平測量質量m0數據。經不同的老化實驗后，再次測量其直徑d1、高度h1及質量m1等數據，直徑及高度測量時，每個藥柱選擇4個點進行測量，測點的確定為：將圓柱截面4等分，每份90°，形成A、B、C、D 4個測點，對所測數據進行平均，得到各參數的平均值。

300T壓機：型號為Y33-3150 kN電控伺服液壓機，淄博群峰機械制造有限公司生產。

測高儀：型號為V5-400，適用于各種柔軟材料的測量，測量范圍為0～407 mm，精度為[2.5+L(mm/300)]μm，L為測量樣品的長度，mm。本次直徑測量精度為2.58 μm，瑞士丹青(Dantsin)科技有限公司生產。

老化條件：參照《火工品試驗方法》(GJB 736.8—90)71 ℃試驗法，將老化試驗用藥柱放在控溫精度為±1 ℃、設定溫度為71 ℃的試驗箱中進行加速老化試驗，恒溫條件下分別連續老化3、8及13 d即等效老化1、3和5 a。

AHX-863型安全烘箱：南京理工大學機電總廠生產；AL204電子天平，精度為0.1 mg，瑞士METTERLER TOLEDO公司生產。

DSC測量：采用具有高壓差示掃描量熱(differential scanning calorimetry,DSC)池的TA 910S型差示掃描量熱儀進行，試樣量小于1 mg，動態氣氛，氮氣流量為60 mL/min，升溫速率β一般為2、5、10、20 ℃/min，文獻[12]針對HMX進行了DSC實驗，認為HMX是一種典型的“分解熔融”或“熔融分解”型物質，若β越小，則試樣在低溫下的熱歷程長，放熱曲線偏離基線，因此，實驗取β為10 ℃/min。

2 結果與討論

2.1 老化前后炸藥體系尺寸穩定性變化規律

最大直徑的變化表明老化前后的藥柱是否可以進行裝配，因此尺寸穩定性以最大直徑進行考核，對兩種炸藥老化前后的最大直徑作圖，如圖1所示。因兩種炸藥的最大直徑隨老化時間的變化規律類似，此處僅以H-2炸藥舉例說明，其最大直徑dmax隨老化年限的變化規律如圖2所示，其中，橫坐標N表示被測試樣的編號，下述類同。退模后兩種藥柱的端面如圖3所示。

圖1 藥柱老化前后的最大直徑變化(老化1 a)Fig.1 Max-diameter of explosive before and after aging(aging 1 a)

圖2 H-2藥柱最大直徑隨老化時間的變化Fig.2 Max-diameter of H-2 explosive VS aging time

圖3 退模后兩種藥柱的端面Fig.3 The end faces of two explosives after mold with drawal

2.2 老化前后炸藥質量的變化規律

藥柱質量是影響圓筒試驗數據的因素之一，因老化后藥柱質量變化規律與1 a類似，因此以1 a老化時的質量數據進行說明，老化前后藥柱質量m的變化趨勢如圖4(a)所示，老化前后藥柱質量損失率δm的變化趨勢如圖4(b)所示。

圖4 H-1、H-2老化前后質量變化及質量損失率Fig.4 Quality change and quality loss-rate for H-1/H-2 explosives

由圖4(a)可以看出：H-1炸藥藥柱老化前質量為22.019～22.145 g，老化后的質量變化范圍為22.074 g～22.133 g；而H-2炸藥藥柱老化前為22.285～22.382 g，老化后為22.252～22.351 g，可見，相同的壓裝條件及老化條件，老化前后H-2炸藥的質量均高于H-1，同時H-1炸藥藥柱的質量分布范圍大于H-2炸藥。圖4(b)表明：H-1炸藥藥柱的質量損失比例約為0.051%；而H-2炸藥藥柱的質量損失比例約為0.150%，H-2炸藥藥柱的質量損失率高于H-1炸藥。分析原因可能為：H-2炸藥組分內的小分子含量高于H-1炸藥，在老化過程中，H-2炸藥體系內應力的釋放伴隨著黏結劑的伸展及組分內的小分子添加劑等物質的液化/熔化而遷移、升華作用，H-2炸藥藥柱的質量損失大于H-1。雖然質量損失率H-2大于H-1炸藥，但仍然處于較小的損失范圍，且主要成分基本穩定，這方面可通過DSC檢測進行詳細分析。

2.3 老化前后炸藥組分變化規律

對兩種炸藥進行DSC表征，因曲線類似，故以H-2炸藥的DSC曲線進行論述，H-1、H-2炸藥不同老化時間后的熱分解特征量如表1所示。為便于敘述，除原始曲線外，將DSC圖上老化1、3和5 a的縱坐標數據，分別增加10、20、30個單位，結果如圖5所示。

表1 不同老化時間后H-1、H-2炸藥的熱分解特征量Table 1 Thermal decomposition parameters VS aging time for H-1/H-2 explosives

圖5 H-2炸藥老化前后炸藥的DSC曲線Fig.5 DSC curves of H-2 explosive system before and after aging

由表1和圖5可知，老化前后，譜圖上僅有兩個峰溫，在200 ℃附近存在一個小的吸熱峰(記為T1)，在280 ℃附近有一個陡峭的尖峰(放熱峰，記為T2)。老化前后，H-1的T1峰溫基本不變，老化前后T2峰值最大誤差為(284.2～283.5)/283.5×100%≈0.25%，和H-2炸藥的兩個參數變化類似。T2為HMX/F23-11炸藥體系主要組分HMX的熱分解峰溫(純HMX的分解峰溫為285.3 ℃，此實驗中分解峰溫稍有下降與組分中的微量RDX分解產物有關)，老化前后的峰溫值變化不大，變化范圍為0～0.39%，T1可能是主要組分HMX的晶型轉變[14](β-HMX晶型向α-HMX晶型的轉變溫度：193.2～195.1 ℃)及HMX晶體中夾雜的RDX在升溫過程中出現的熔融和升華(HMX中常有少量的RDX與其共存，RDX的熔融和升華過程在191.3～216.2 ℃范圍內出現)作用導致，老化5 a后的T1=215.6 ℃，較老化前滯后15 ℃，可能是因為經過長時間的老化后，組分內低熔點的小分子物質含量減少等原因導致。兩個峰的峰溫基本一致，且除了這兩個峰，再無新物質產生的峰，說明體系成分穩定，無新物質產生。

3 結論

通過以上不同老化條件下藥柱的最大直徑、組分及爆速等參數研究，可獲得如下結論。

(1)H-1炸藥和H-2炸藥成型后，其最大直徑均比較穩定，但前者的最大直徑老化前后均超過標準銅管內徑，不能裝配，后者老化前后均小于標準銅管內徑，可以順利裝配。

(2)老化前后H-1炸藥的質量損失率小于H-2炸藥。

(3)老化前后兩種炸藥的熱分解參數值均比較穩定，組分含量穩定。

(4)老化前后兩種炸藥的性能均比較穩定，但H-1炸藥的最大直徑大于標準銅管內徑，不符合標準炸藥的要求，而H-2炸藥符合要求。