CL-20基薄膜炸藥的爆轟特性研究?

李文祥 邢曉玲 刁小強(qiáng) 趙省向西安近代化學(xué)研究所(陜西西安，710065)

引言

六硝基六氮雜異伍茲烷(CL-20)是近年出現(xiàn)的一種籠型多硝胺化合物。CL-20自成功被合成以來，就以高密度、高能量在世界范圍內(nèi)獲得廣泛關(guān)注，其性能和應(yīng)用的探索研究一直都是材料學(xué)的熱點(diǎn)之一[1-5]。通過近20多年的研究，CL-20的合成技術(shù)及在火炸藥中的應(yīng)用研究取得了快速的進(jìn)展。人們認(rèn)為，CL-20的應(yīng)用是未來10年至15年內(nèi)大幅度提高傳統(tǒng)武器性能的有效途徑之一。然而，目前從多角度對(duì)CL-20的性能進(jìn)行的探索和評(píng)價(jià)，主要集中在其自身性能方面，而對(duì)其應(yīng)用原理與技術(shù)方面的研究仍不完善，CL-20與HMX的某些基礎(chǔ)性能及爆轟性能差異也有待于進(jìn)一步研究。在應(yīng)用上，雖然研制了許多CL-20基混合炸藥配方，如LX-19、PAX-29、DLE-C038等，這些炸藥比相應(yīng)的HMX基炸藥性能可提高5%～15%[6]，但生產(chǎn)成本卻提高了5～10倍，導(dǎo)致這些炸藥配方短期內(nèi)難以大規(guī)模應(yīng)用。因此，探索CL-20新應(yīng)用途徑顯得尤為必要。

本文中，主要對(duì)CL-20炸藥在小型化、智能化發(fā)展的爆炸網(wǎng)絡(luò)用裝藥的應(yīng)用方面開展了初步研究，主要涉及CL-20基薄膜炸藥和HMX基薄膜炸藥在一維尺度上的爆轟性能。

1 薄膜炸藥的制備及性能研究方法

1.1 CL-20的細(xì)化處理

CL-20晶體的細(xì)化處理采用溶劑-非溶劑重結(jié)晶法，溶劑為乙酸乙酯，非溶劑為石油醚[7-8]。具體工藝過程如下:在50℃條件下，將CL-20溶于一定量的乙酸乙酯中，通過控制滴加速度將溶解CL-20的乙酸乙酯溶液加入高速攪拌的50℃石油醚溶劑中，滴加完成后，攪拌一段時(shí)間以保證CL-20轉(zhuǎn)晶完全，得到含CL-20晶體的乙酸乙酯-石油醚乳狀混合液。最后對(duì)混合液進(jìn)行過濾、干燥，得到細(xì)化的CL-20炸藥。CL-20處理前后粒度分布如表1所示。從表1可以看出，經(jīng)過處理的CL-20的D0.5從初始的61.7 μm降低到23.3μm，粒度范圍變窄。本文中涉及的試驗(yàn)樣品CL-20均采用細(xì)化后的CL-20；HMX為120目成品，其D0.5為25.3μm。

表1 CL-20處理前后粒度分布Tab.1 Particle size distribution of CL-20 before and after treatment μm

1.2 薄膜炸藥的制備及裝藥

采用水懸浮工藝對(duì)細(xì)化的CL-20進(jìn)行鈍感包覆，黏結(jié)劑選用含能熱塑性聚氨酯彈性體(ETPE)，炸藥和黏結(jié)劑的質(zhì)量比為96︰4，溶劑為二氯乙烷。薄膜炸藥的裝藥采用分次涂覆的工藝，先在鈍感包覆的炸藥中按比例加入一定量的溶劑浸潤，攪拌后得到黏稠的炸藥物料；再采用專用工裝，將炸藥分次涂覆到爆炸網(wǎng)絡(luò)板中，在40～50℃下烘干即可。

對(duì)比試驗(yàn)中，HMX也采用相同的制備工藝制備。該工藝過程中通過調(diào)節(jié)溶劑的加入量實(shí)現(xiàn)物料黏度和裝藥密度的控制。本文中涉及的炸藥配方組成如表2所示。

1.3 薄膜炸藥的熄爆尺寸

采用楔形裝藥[9]進(jìn)行炸藥的熄爆直徑的測(cè)量。試驗(yàn)中設(shè)計(jì)了兩種不同尺寸的楔形槽傳爆板，鋁板尺寸為200 mm×80 mm；楔形凹槽設(shè)計(jì)尺寸為長180 mm，寬5 mm，深度在0.5～2.0 mm之間，楔形槽的傾角為0.470°；另一種楔形凹槽設(shè)計(jì)為長180 mm，寬5 mm，深度在0.2～1.0 mm之間，楔形槽的傾角為0.235°。炸藥由雷管從深度較大的一端起爆，然后由炸痕判定爆轟熄爆位置，根據(jù)炸藥爆轟距離與楔形槽傾角計(jì)算出炸藥熄爆時(shí)對(duì)應(yīng)的藥柱厚度，用于比較爆轟傳播能力的大小，如圖1所示。

1.4 薄膜炸藥爆速的測(cè)試

爆速測(cè)試采用GJB 772A—1997《炸藥試驗(yàn)方法?方法702.1爆速 電測(cè)法。該方法利用炸藥爆轟波波陣面電離導(dǎo)電特性，用測(cè)時(shí)儀和電探針測(cè)定爆轟波在一定長度炸藥柱中傳播的時(shí)間，通過計(jì)算求出試樣的爆速。

主要裝置:電探針、測(cè)時(shí)儀、脈沖形成網(wǎng)絡(luò)和傳輸電纜。

1.5 薄膜炸藥的拐角效應(yīng)測(cè)試

根據(jù)熄爆尺寸研究結(jié)果，以鋁板為基體設(shè)計(jì)不同厚度、不同角度的傳爆板。由8＃雷管起爆。如圖2所示。

2 結(jié)果與討論

2.1 細(xì)化CL-20基薄膜炸藥的XRD譜圖

由圖3可知，細(xì)化CL-20的XRD峰與原CL-20相比，峰形無明顯變化，但明顯可見粒度變小，峰強(qiáng)度變小。細(xì)化CL-20做成薄膜炸藥后，峰形依然沒有明顯變化，說明CL-20的晶型未發(fā)生改變，保持ε型。

2.2 薄膜炸藥密度與爆速的關(guān)系

用探針法測(cè)定了CL-20基和HMX基薄膜炸藥不同密度條件下的爆速，見表3。表3中，相對(duì)密度大于90%樣品的爆速均為采用模壓壓制成?20 mm藥柱后測(cè)試獲得。

表3 不同密度下CL-20基和HMX基薄膜炸藥的爆速Tab.3 Detonation velocity of CL-20 based and HMX based thin film explosive at different densities

由表3可以看出，對(duì)于配方A，相對(duì)密度從70.1%增加到95.2%時(shí)，爆速從7 325 m/s增加到8 876 m/s；對(duì)于配方B，相對(duì)密度從72.9%增加到95.9%時(shí)，爆速從7 071 m/s增加到8 541 m/s。當(dāng)配方A和配方B裝藥的相對(duì)密度接近時(shí)，CL-20基薄膜炸藥的爆速明顯高于HMX基薄膜炸藥。對(duì)于采用分層涂覆制備的薄膜炸藥，裝藥相對(duì)密度可以達(dá)到85%以上，相應(yīng)的CL-20基和HMX基薄膜炸藥的爆速分別可達(dá)8 393 m/s和8 069 m/s。

將表3中數(shù)據(jù)進(jìn)行線性關(guān)系擬合，得到式(1)和式(2)。

式中:d為爆速，m/s；x為相對(duì)密度。

2.3 薄膜炸藥的熄爆尺寸

采用分層涂覆的方法，分別將配方A和配方B炸藥裝入到圖1所示的楔形槽傳爆板中，通過調(diào)節(jié)溶劑的量來控制薄膜炸藥密度，然后對(duì)不同樣品進(jìn)行起爆，測(cè)量炸藥在楔形槽傳爆板上的傳爆距離，判斷不同炸藥的爆轟熄爆尺寸，試驗(yàn)結(jié)果列于表4和表5。

表4 楔形凹槽深度0.5～2.0 mm的傳爆板試驗(yàn)結(jié)果Tab.4 Booster plate test with wedge groove depth of 0.5-2.0 mm

從表4可以看出，所制備的薄膜炸藥樣品相對(duì)密度在67%～86%之間，裝藥厚度在0.5～2.0 mm時(shí)，兩種配方的炸藥可以被雷管直接起爆，并全部爆轟完全，無熄爆。試驗(yàn)結(jié)果表明，配方A和配方B的炸藥爆轟熄爆尺寸應(yīng)小于0.5 mm。

為了進(jìn)一步研究配方A和配方B炸藥的爆轟熄爆尺寸，又開展了楔形凹槽深度0.2～1.0 mm的網(wǎng)絡(luò)板試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。從表5中可以看出，在裝藥相對(duì)密度(85±1)%時(shí)，配方A的平均傳爆距離為17.4 cm，熄爆厚度為0.23 mm；而配方B炸藥的傳爆距離為13.2 cm，熄爆厚度為0.41 mm。說明CL-20基薄膜炸藥與HMX基薄膜炸藥相比，具有更小的熄爆厚度。考慮到炸藥從穩(wěn)定爆轟到熄爆，炸藥爆速有衰減過程，實(shí)際中炸藥的爆轟熄爆尺寸應(yīng)該大于試驗(yàn)中得到的熄爆厚度。

2.4 薄膜炸藥的拐角爆轟研究

在具有會(huì)導(dǎo)致傳播方向改變的拐角邊界的炸藥裝藥中，爆轟波的傳播伴隨拐角效應(yīng)。在臨近拐角邊界的區(qū)域中，炸藥有可能出現(xiàn)部分反應(yīng)或完全不反應(yīng)。拐角效應(yīng)最容易出現(xiàn)在爆轟能力不強(qiáng)的低感度炸藥裝藥中。由于本文中的炸藥厚度較小，此項(xiàng)研究也被特別關(guān)注。采用分層涂覆的方法對(duì)圖2所示爆炸網(wǎng)絡(luò)板進(jìn)行裝藥，裝藥至高出平面位置，用銅刀處理，使裝藥與鋁板平面平整。選用裝藥相對(duì)密度為(85±1)%的樣品進(jìn)行爆轟傳遞能力測(cè)試，測(cè)試過程中對(duì)起爆直段以及45°方向直段的樣品爆速進(jìn)行測(cè)量，判斷爆轟傳遞過程中爆速是否發(fā)生變化。具體試驗(yàn)結(jié)果見表6。

表5 楔形凹槽深度0.2～1.0 mm的網(wǎng)絡(luò)板試驗(yàn)Tab.5 Network plate test with wedge groove depth of 0.2-1.0 mm

表6 不同配方拐角效應(yīng)試驗(yàn)Tab.6 Corner effect test of different formulations

由表6可知，對(duì)于配方A樣品，在裝藥相對(duì)密度為(85±1)%時(shí)，在3個(gè)不同裝藥厚度以及3個(gè)不同拐角尺度上均實(shí)現(xiàn)了爆轟傳遞，樣品爆轟時(shí)在拐角前后爆速未發(fā)生明顯的變化，可以認(rèn)為樣品在該裝藥尺度下可穩(wěn)定爆轟。對(duì)于配方B樣品，在裝藥厚度為1.0、0.7 mm時(shí)，3個(gè)拐角尺度上均實(shí)現(xiàn)了爆轟；在裝藥厚度為0.5 mm、炸藥被雷管直接起爆時(shí)，爆速顯著低于正常爆速，屬于不穩(wěn)定爆轟；3個(gè)拐角角度上均未發(fā)生爆轟波的傳遞。

圖4是配方A在裝藥厚度0.5 mm試驗(yàn)前、后的對(duì)比。從圖4中可以看出，配方A被雷管起爆后，爆炸網(wǎng)絡(luò)板上直段和每個(gè)拐角方向上爆痕寬度和深度一致，說明炸藥爆轟傳爆穩(wěn)定，炸藥的熄爆厚度應(yīng)小于0.5 mm。而圖5中的配方B，當(dāng)裝藥厚度為0.7 mm時(shí)，炸藥爆痕清晰且明顯，說明炸藥爆轟完全；當(dāng)裝藥厚度降為0.5 mm時(shí)，起爆段有輕微的爆痕存在，說明爆轟過程不穩(wěn)定，而拐角135°時(shí)，凹槽沒有變形，只有燒蝕的痕跡，沒有發(fā)生爆轟反應(yīng)；說明配方B爆轟熄爆尺寸處于0.5～0.7 mm之間。試驗(yàn)過程中還發(fā)現(xiàn)，在裝藥相對(duì)密度相同時(shí)，CL-20基薄膜炸藥的爆痕比HMX基炸藥的爆痕更寬、更深，燒蝕更嚴(yán)重，說明CL-20基薄膜炸藥比HMX基薄膜炸藥表現(xiàn)出更優(yōu)異的爆轟性能。

3 結(jié)論

1)采用分層涂覆的方法，薄膜炸藥裝藥密度可以達(dá)到85%，相應(yīng)的CL-20基和HMX基薄膜炸藥的爆速分別可達(dá)8 393 m/s和8 069 m/s，熄爆厚度分別為0.23 mm和0.41 mm。

2)相比HMX基薄膜炸藥，CL-20基薄膜炸藥的爆轟熄爆尺寸更小，傳爆能力更強(qiáng)。