一種TNT基熔鑄裝藥的加速老化研究

鄧 海，梁爭峰，閆 峰

(西安近代化學(xué)研究所， 西安 710065)

彈藥貯存過程中，受溫度、濕度等各種環(huán)境因素的影響，裝藥將發(fā)生緩慢熱分解和添加劑降解的反應(yīng)，導(dǎo)致裝藥內(nèi)部及表面出現(xiàn)缺陷，引發(fā)物理性質(zhì)發(fā)生改變，從而影響彈藥的安全性和爆轟性能。因此彈藥的貯存壽命是一個非常重要的技術(shù)指標，對其進行相對準確的評估，可以避免不必要的經(jīng)濟浪費和安全隱患。目前壽命評估的方法主要有數(shù)理統(tǒng)計方法、數(shù)值計算方法、自然老化和加速老化的方法[1]，較為準確的方法是自然老化和加速老化的方法，自然老化法評估最為準確，但評價周期太長，很難滿足及時的需求，而加速老化是通過加強環(huán)境條件去加快炸藥的反應(yīng)速率，在相對較短的時間就能獲得長期貯存的試驗結(jié)果，可以估算出實際貯存壽命，有較高的準確性，現(xiàn)已成為彈藥壽命評估最為常用的方法。國內(nèi)外在炸藥的加速老化方面已做了相應(yīng)的研究，周紅平等[2]研究了一種PBX炸藥老化前后的拉伸性能及蠕變性能，表明老化前后炸藥的抗拉強度和彈性模量基本保持不變，老化后其蠕變斷裂時間明顯增長。Salazar[3]研究得出老化作用使PBX9501炸藥的粘結(jié)劑降解和分子的重量減輕，降低了其拉伸與壓縮強度。黃亞峰等[4]研究了老化對HMX/RDX含鋁炸藥體積、質(zhì)量、爆熱與爆速的影響，表明藥柱的體積會隨著老化時間先變大后縮小，質(zhì)量隨老化時間逐漸減小，爆熱與爆速幾乎不發(fā)生變化。

以上研究多集中于老化對炸藥的力學(xué)性能、熱安定性、相容性及材料組成方面影響的研究，對于帶殼熔鑄裝藥老化后的安全性及爆轟性能的研究鮮有報道，戰(zhàn)斗部裝藥的老化會受殼體的密封性及內(nèi)部涂層的影響，炸藥老化后物理、化學(xué)性能發(fā)生改變會對戰(zhàn)斗部的安全性及毀傷性能產(chǎn)生一定的影響，本文對一種TNT基的含鋁熔鑄炸藥的裸藥柱和帶殼裝藥進行了老化實驗，對老化后藥柱的物理性能及帶殼裝藥老化前后的爆轟性能進行了對比分析，可為后續(xù)該型炸藥在戰(zhàn)斗部產(chǎn)品中的應(yīng)用提供理論數(shù)據(jù)支撐。

1 炸藥的壽命預(yù)估

1.1 加速老化理論

含能材料的貯存失效一般由多種失效因素引起，是多性能參數(shù)同時發(fā)生退化的結(jié)果，但是整個衰退反應(yīng)的速度取決于最快的過程，通常當含能材料、裝藥產(chǎn)品的有害反應(yīng)持續(xù)到一定限度，隨之就發(fā)生失效，這就是基于反應(yīng)速度的失效模型[5]。Arrhenius反應(yīng)速率模型是通過模擬平衡常數(shù)的溫度關(guān)系式，幾乎適用于所有的均相基元反應(yīng)和大多數(shù)復(fù)雜反應(yīng)，目前廣泛應(yīng)用于含能材料的貯存壽命預(yù)估，其關(guān)系式為：

(1)

式(1)中：A為指前因子；E為活化能，在一定使用溫度范圍內(nèi)是兩個經(jīng)驗常數(shù)，與材料有關(guān)，J·mol-1；R為理想氣體常數(shù),8.314 J·mol-1·K-1。

貯存壽命的估算方法與依據(jù)：測定經(jīng)老化后材料的物理性能，若物理性能φ的變化是時間t的函數(shù)，當φ等于臨界值時，則性能變化量函數(shù)f(φ)為常數(shù)[6-7]，即：

f(φ)=kt+c

(2)

當t=0時為f(φ0)，由此可得t前的變化量為：

f(φ)-f(φ0)=kt

(3)

當物理性能變化量達到f(φs)視為壽命終點，則有：

(4)

對上式兩邊取對數(shù)，則有：

(5)

(6)

(7)

式(6)或式(7)就是Arrhenius加速老化試驗外推公式，在統(tǒng)一失效標準不變的條件下，通過幾個不同溫度的高溫老化試驗，可以得到每個溫度下一組老化時間ti與性能f(φi)的數(shù)據(jù)(i=1,2,3,…)，以及含能材料在這幾個溫度點的壽命。通過最小二乘數(shù)據(jù)擬合就可以估計出式(6)和式(7)中的參數(shù)L、M及Ea值，并利用這一關(guān)系式推算出含能材料正常貯存溫度條件下的壽命。

1.2 炸藥的壽命估算

炸藥熱分解的氣體釋放量是炸藥性能參數(shù)里的一個重要指標，常常作為炸藥自身壽命預(yù)測的參考量，本文參照WJ/Z222-88加速老化火炸藥安全壽命試驗方法，參考MIL-STD-1751《炸藥安全和性能鑒定試驗》，進行130 ℃、140 ℃、150 ℃、160 ℃四個溫度點的老化試驗，測定每個溫度點分解放氣量與時間的對應(yīng)關(guān)系,如圖1所示，并選擇氣量釋放量3 mL/5 g作為壽命臨界值。

圖1 氣體釋放量與不同溫度下老化時間的關(guān)系曲線

以每個試驗溫度達到臨界值老化的時間的對數(shù)與相應(yīng)試驗溫度的倒數(shù)數(shù)據(jù)點線性擬合得到如圖2所示的壽命曲線，得到貯存壽命的外推公式如下：

(8)

式(8)中：t為貯存壽命(h)；T為溫度(K)。

圖2 貯存預(yù)估壽命與溫度的關(guān)系曲線

根據(jù)求出貯存壽命預(yù)估方程，計算得到該新型熔鑄炸藥在常溫(21 ℃)下的貯存壽命約為88.4年。

2 熔鑄裝藥的老化試驗研究

一種軍用混合炸藥能夠應(yīng)用于彈藥武器裝藥，其裝藥必須滿足一定的力學(xué)、物理、化學(xué)性質(zhì)，炸藥貯存過程中物理、化學(xué)性質(zhì)的改變常常會對裝藥安全性、爆轟性能產(chǎn)生一定的影響，一般炸藥的自然貯存壽命都遠遠比彈藥要求的貯存壽命長，但由于戰(zhàn)斗部裝藥會受密封性、相關(guān)填充物等因素的影響而加快自身理化性質(zhì)發(fā)生一定的變化[9]，炸藥貯存壽命內(nèi)理化性質(zhì)的改變對戰(zhàn)斗部的毀傷性能及安全性會造成一定的影響。因此本文對該型炸藥裸藥柱和帶殼裝藥進行了老化試驗，研究了老化后物理性質(zhì)及爆轟性質(zhì)的變化。

2.1 樣品和設(shè)備

將鋁粉、TNT、HMX和鈍感劑按特定比例調(diào)配成新型熔鑄混合炸藥，制成尺寸為Φ30 mm×30 mm的藥柱，帶殼裝藥尺寸為Φ120 mm×240 mm，采用真空振動鑄裝于殼體內(nèi)部，保證裝藥的軸向及周向密度的一致性。炸藥試樣及帶殼裝藥的加速老化采用SDJ- 401F熱氧化高低溫試驗箱，溫度范圍為-40～95 ℃，控溫精度±1 ℃。

參照GJB736.8—90《火工品試驗方法71 ℃試驗法》，將試驗藥柱及帶殼裝藥分別放入試驗箱內(nèi)，帶殼裝藥與箱壁距離不小于10 cm，保證試驗樣品盡量暴露在溫度均勻的空氣中，設(shè)定試驗箱內(nèi)溫度為71℃，濕度為70%，根據(jù)按期望的實際貯存條件計算出加速老化的時間間隔，裸藥柱分別加速老化至12年、15年、20年，帶殼裝藥加速老化至12年，冷卻后進行相關(guān)的實驗測試。如圖3所示。

圖3 老化試驗照片

2.2 結(jié)果與討論

2.2.1裸藥柱的老化

在高溫加速老化過程中，混合炸藥各組分的均勻化、自身性質(zhì)的變化以及材料間相互反應(yīng)會引起其力學(xué)性能、幾何尺寸、安全性能的變化，這將對武器裝藥的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、貯存安全性、爆轟性能產(chǎn)生影響[8]。本文把藥柱放于71 ℃、濕度的為70%的環(huán)境中老化5、10、20、30 d后，測量了藥柱的質(zhì)量及尺寸的變化，并用電子萬能材料試驗機對藥柱的壓縮與拉伸的力學(xué)性能進行了測量，其變化如表1、表2所示。

表1 加速老化后質(zhì)量與體積的變化

表2 加速老化后力學(xué)性質(zhì)的變化

從表1可以看出，藥柱的質(zhì)量隨老化時間的增加逐漸減小，質(zhì)量的損失率在增加，藥柱的體積開始輕微變大，導(dǎo)致其密度變小，這是由于TNT的熔點低，在高溫的環(huán)境長期貯存會不斷升華，并且會釋放出不同組分間縫隙、溶入材料以及炸藥添加的硝化棉分解產(chǎn)生的氣體，引起材料的重結(jié)晶，出現(xiàn)晶體堆積密度下降，體積增大[11-13]；老化后藥柱的顏色發(fā)生了變化，從灰綠色變成褐色，在表面吸附有一層像針一樣的細TNT結(jié)晶。

從表2可以看出，藥柱的抗壓強度隨老化時間在升高，而抗拉強度在降低，加速老化使炸藥質(zhì)地疏松、脆性增加，甚至隨老化時間延長，可能在炸藥局部出現(xiàn)空隙或裂紋。

2.2.2帶殼裝藥的老化

彈藥的核心使命是在保證使用安全性的條件下完成對目標的高效毀傷，因此彈藥的貯存壽命在內(nèi)部裝藥的壽命基礎(chǔ)上，還需考察彈藥整體的安全性和其毀傷性能是否達到使用壽命的標準。本文借鑒GJB 736.8—90《火工品試驗方法71 ℃試驗法》中71 ℃火工品老化系數(shù)，根據(jù)彈藥在21 ℃條件下貯存12年的期望壽命，采用阿累尼烏斯方程計算出在71 ℃，70%濕度的老化時間進行老化試驗。老化完成后對帶殼裝藥進行工業(yè)CT檢測，檢查在老化過程中裝藥內(nèi)部是否形成了裂紋、縮孔、氣泡等物理缺陷，老化前后的CT圖如圖4所示，通過老化前后的CT圖可以看出，老化后炸藥的性質(zhì)發(fā)生了一定的改變，對輻射的吸收率發(fā)生了變化[10]，使老化后的CT檢測圖比老化前的更明亮，但裝藥密度均勻，老化過程中沒有形成氣孔、裂紋等物理缺陷。

圖4 老化前后的CT圖

裝藥加速老化后，密度、體積等物理性質(zhì)將發(fā)生一些變化，為研究加速老化對裝藥爆轟性能的影響，對老化后的帶殼裝藥進行了靜爆試驗，在離爆心3 m和6 m處分別設(shè)置弧形靶板，試驗后靶板的毀傷情況如圖5所示。

圖5 毀傷后的靶板照片

試驗完成后對毀傷元的速度、分布密度進行了統(tǒng)計，并與未老化時的試驗數(shù)據(jù)進行對比，對比結(jié)果如表3所示。

表3 戰(zhàn)斗部裝藥老化前后的毀傷性能對比

從試驗統(tǒng)計結(jié)果可以看出，加速老化后的兩項毀傷性能參數(shù)變化不大，老化后的毀傷元初速有所降低，但初速僅降低2.3%，對毀傷性能的影響較小，這是由于裝藥老化后密度減小，裝藥的爆速降低造成對毀傷元的驅(qū)動速度下降；老化后毀傷元的分布線密度沒有發(fā)生顯著的變化，與老化前相比，沒有成規(guī)律性的變化，在一個合理的范圍內(nèi)波動；可以看出，加速老化至期望貯存年限對此類帶殼裝藥的爆轟性能影響較小，能滿足戰(zhàn)斗部裝藥的使用要求。

3 結(jié)論

1) 一種TNT/HMX/AL熔鑄炸藥加速老化后體積輕微變大，脆性增加，質(zhì)地變疏松，且其質(zhì)量損失率隨老化時間的增加而不斷增加；

2) 加速老化對該型帶殼裝藥的爆轟性能影響較小，加速老化至12年后裝藥對毀傷元的驅(qū)動速度下降在5%以內(nèi)，且內(nèi)部不會產(chǎn)生裂紋、縮孔、氣泡等缺陷。