壓裝不敏感炸藥相關技術最新進展

張為鵬，郭惠麗，鄧雅靜，黃亞峰，金鵬剛

(西安近代化學研究所，西安 710065)

1 引言

常用的軍用混合炸藥從工藝來區分，主要包括壓裝炸藥、熔鑄炸藥和澆注固化炸藥。相對而言，其中壓裝炸藥裝藥質量最高，感度最低，適于高精尖戰斗部應用。近年來，隨著對彈藥易損性的重視，壓裝不敏感炸藥成為壓裝炸藥的重要發展方向。

2 新材料

新型高能量密度材料對性能要求越來越高，如高密度、優異的爆轟性能、低的沖擊感度和摩擦感度、較好的熱穩定性。

主要以2種形式設計新材料，一種是全新結構的新型高能量密度材料，另外一種是共晶結構新材料。

2.1 新型高能量密度材料

被稱為共軛含能材料的一類化合物具有高氮含量，平面共軛結構，同時具有高能低感的性能，是理想的高能量密度材料，平面共軛結構均展示出高密度低感度的性能，比如TATB和和LLM-105。在新一代含能材料研究中，四嗪結構是一種有利于改善爆轟性能及穩定性的結構，并且具有高氮含量。美國愛達荷大學的研究者[1]合成了多種新型四嗪結構化合物，具有較好的綜合性能。合成的化合物用NMR、IR、X射線衍射、DSC及元素分析等手段進行了完整地表征。爆轟性能用軟件EXPLO 5 (V 6.01) 進行了計算，計算結果表明，合成的一種偶氮四嗪化合物的理論密度達1.99 g/cm3，理論爆速達10 233 m/s1，能量密度非常高；沖擊感度為14 J，摩擦感度大于10 N，摩擦感度較高，高于常用的炸藥HMX和CL-20。該化合物是否有應用前景，尚需進行深入研究。

尤其應該指出的是，該項研究發現，所有的羥氨鹽爆速和密度均高于其中性化合物，而摩擦感度和沖擊感度均低于其中性化合物，熱穩定性均優于其中性化合物。因此，共軛結構為低感高能材料的設計提供了一個有前景的路徑。

此外，還有大量研究者對新型含能材料進行了大量研究，如土耳其研究者Sen等人[2]合成并詳細表征了苦味酸與2,3-二氨基甲苯和2,4-二氨基甲苯的鹽，合成的材料沖擊感度與苦味酸相比降低了80%，但爆速較低，不到8 000 m/s。Dong等[3]制備了一系列低感度新型化合物，這幾種化合物雖然較為不敏感，但能量也低，大概只有RDX的水平。美國普渡大學的Gettings等[4]合成了大量含能離子鹽、Tang等[5]設計并合成了新型多氮含能材料、Snyder等[6]設計并合成了新型多環N氧化物、Ma等[7]設計并合成了一系列多氮化合物，這幾種化合物雖然較為不敏感，但同樣存在能量低的問題，大概只有RDX甚至TNT的水平，最多達到HMX的水平。Fei等[8]合成并制備了共晶混合物，其能量和感度水平與TNT類似。

Wang等[9]開創性使用基因組合成方法制備了一系列含能材料，為材料的合成提供了一條新的思路。

2.2 共晶結構新型材料

Zhang等[10]制備了CL-20和CBNT共晶炸藥，并用FT-IR，PXRD和拉曼光譜表征了該共晶的結構。該共晶顯示出令人驚喜的高密度、出色的爆轟性能和超低感度。實測共晶的密度為2.014 g/cm3，高于β-HMX的密度，接近CL-20的密度。理論爆速比威力最大的晶型β-HMX的高250 m/s。小型跌落試驗表明，該共晶的感度遠低于CL-20和HMX。CL-20和CBNT共晶綜合特性優異，可能具有一定的應用前景。

CL-20是一種相對新型的含能材料，具有密度高、威力高、氧平衡優異等優點，但機械感度高限制了其廣泛應用。CBNT具有高密度、低感度的優點，計算爆速為9 399 m/s，綜合性能優異。

CL-20、CBNT和CL-20/CBNT共晶的沖擊感度(H50)分別為8 cm、40 cm和29 cm，共晶的沖擊感度遠低于CL-20，甚至低于β-HMX的13.9 cm。CL-20、CBNT和CL-20/CBNT共晶的密度分別為2.038 g/cm3、1.950 g/cm3和2.014 g/cm3，爆速分別為9 385 m/s、8 776 m/s和9 297 m/s1，爆壓分別為44.9GPa、37.9 GPa和43.7GPa，均與CL-20類似。因此，綜合性能較為優異。這種共晶工藝可能是制備新型含能材料的一個重要研究方向，對含能材料研究者有重要的參考意義。

其他作者也制備了一些共晶材料，這些材料也體現出各自的優點和缺陷。但綜合性能比CL-20/CBNT共晶稍差，不再詳細介紹。

總之，CL-20/CBNT共晶具有較好的綜合性能，如果成本合適，有望用作CL-20和HMX的有吸引力的候選材料。

3 新工藝

含能材料的感度是其重要特性。將含能材料感度降低到合適水平，是決定其能否應用的重要因素。常用的降感方法包括共晶、重結晶以控制其粒度和形態及加入鈍感劑。相對而言，含能材料的表面包覆降感技術是最便利、最有效的。由于鈍感劑的加入會降低含能材料的能量，其與含能材料的弱界面作用也會降低鈍感效果，因此，低包覆含量及適度的界面作用是含能材料降感的重要標準。

原位聚合作為制備核殼結構的方法廣泛應用。脲醛樹脂(UF)是常用的包覆材料，具有優良的機械強度和粘合力。Zhang等[11]用脲醛樹脂與HMX、CL-20原位聚合制備核殼結構復合材料，機械感度顯著降低。

伊朗研究者[12]通過正交設計方法(正交表，34)，優選了溶劑/非溶劑SNS技術包覆PETN的工藝參數。該作者研究成果在3個方面具有一定啟發意義：① TX-114對降低炸藥PETN的沖擊感度效果顯著；② 作者對CB的降感機理進行了合理的解釋；③ 正交試驗可以大幅度降低試驗量，卻可以得到與大量樣本基本一致的結果。

瑞典科學家[13]研究了用PE包覆炸藥的一種方法，盡管使用的惰性材料較少，但該塑料包覆炸藥的撞擊感度明顯低于傳統蠟包覆炸藥。用1%聚乙烯(PE)包覆的HMX在落錘試驗中的特性落高是含7%蠟的標準配方的2倍。該產品自由流動，易于處理，溫暖條件下保存也不會滲出。實現路徑是用表面帶正電荷的乳液包覆含能晶體。包覆層光滑，粘附緊密，無需溶劑，室溫實現。制備的混合炸藥包覆層均勻，并與炸藥晶體的粘附緊密。

包覆的樣品干燥后，流動性好，易于處理，有點類似于細砂糖。當壓制藥柱時，藥柱的壓制密度也較高，比用蠟的造型粉壓制出的藥柱密度要高0.02～0.04 g/cm3。

對樣品通過落錘試驗測試器沖擊感度，并與蠟包覆的樣品進行比較，即便PE用量僅為蠟用量的約五分之一，樣品的沖擊感度卻遠小于對比樣品。可見，PE的鈍感效果要遠遠優于蠟的鈍感效果。研究結果對壓裝炸藥研究者具有重要參考價值。

Yan 等[14]通過懸浮噴灑技術包覆Estane 5703制備了不敏感RDX(e-RDX)，并與其它工藝制備的RDX進行了性能比較。

原材料RDX粒度范圍為5～100 μm；r-RDX粒度范圍為1～3 μm，粒度顯著降低；el-RDX粒度范圍為2～10 μm，呈球形，部分顆粒表面有一些孔洞；e-RDX表面有白色的包覆層，并且粒度較一致，表面光滑，沒有缺陷。

測試結果顯示，四種樣品特性落高數據順序依次為：e-RDX >el-RDX>r-RDX>RDX原材料，說明噴霧干燥處理后，沖擊感度均比原材料有所降低；el-RDX由于粒度較大，且表面有孔洞，其沖擊感度高于e-RDX。

4 性能

與不敏感壓裝炸藥技術相關的文獻較多，僅介紹有重要參考價值的內容。

印度研究者[16]用NTO代替澆注固化炸藥中的部分RDX，試驗結果顯示，用NTO代替澆注固化炸藥中的部分RDX，不敏感性能顯著提高。遺憾的是，爆速和爆壓均有所降低。

美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室的研究者[17]DAAF和NTO的混合炸藥，以Kel-F作為粘結劑。不敏感性能測試結果較優。幾種配方的機械感度均較低。

Short等[18]研究了不敏感炸藥9502弧狀爆轟的特點，研究顯示，試驗結果與模型預測結果較為一致。

韓國Lee等[19]研究了顆粒級配對壓裝炸藥沖擊波感度的影響。研究結果顯示，3種顆粒級配的炸藥，沖擊波感度顯著降低。

Lyu等[20]研究了TATB/HMX壓裝炸藥的慢烤反應。試驗設計了6種配方，炸藥樣品壓制成φ60 mm×60 mm的藥柱，每個測試樣品裝配兩發藥柱。每種樣品測試兩發。加熱速率為3 ℃/min。超壓傳感器距離測試樣品2 m。測試結果顯示，隨配方中TATB含量增加，發生反應的時間延長，溫度增加。無TATB的配方，反應程度為爆轟；TATB含量低于10%時，藥柱反應為爆炸；TATB含量高于75%時，藥柱反應為燃燒。以上現象均說明，TATB可顯著降低HMX炸藥的慢烤感度。

法國科學家Lefrancois等[21]研究了基于納米RDX和納米RDX/Al的納米結構高能炸藥。

根據前期試驗，采用的納米粒子粒徑為100～200 nm。當用80%的納米AP代替AP后，冷凍法制備的納米P/NP(7/3)F炸藥沖擊感度降低了50%，燃燒速率增加了3倍，沖擊波感度也降低了50%。測試的樣品組成為RDX/Al/粘結劑=64/20/16，直徑為15 mm，長度不定。用圓盤沖擊試驗得到炸藥的爆速，用六波長高溫計測試爆轟產物的爆速，用多普勒激光干涉儀測試表面速率。試驗結果顯示，就納米冷凍凝膠而言，與含RDX的對比樣品相比，該樣品爆速降低了10.6%，界面速度則類似。而對于配方而言，爆速則降低了16%；由于后燃燒效應，沖擊波前沿爆炸產物溫度增加。

總之，納米粒子可造成樣品爆速降低，而爆炸產物溫度升高。以上結果說明由于原材料粒度改變，造成爆炸產物不同的相態平衡，質量和熱交換更快。

(4)工作原理：該溫度計的測溫原理基于帕米爾效應[當受熱物體中的電子(空穴)，因隨著溫度梯度由高溫區往低溫區移動時，所產生電流或電荷堆積的一種現象。而這個效應的大小，則是用稱為Q(thermopowe)的參數來測量]，根據熱電效應的表達式Q=E/-dT(E為因電荷堆積產生的電場，dT則是溫度梯度)即可對溫度變化進行定量計算。而熱敏電阻的電阻溫度系數較普通金屬大10倍，α(電阻值的溫度系數)≈-2.4～-6%/C。

5 不敏感壓裝炸藥新型評估方法

試驗型的新型評估方法非常少，大部分新評估方法均采用數值模擬模型和理論模型。

Bai等[22]用數值模擬方法研究了多組分不敏感PBX炸藥的沖擊引發，并發展了MC-DZK模型。研究結果顯示，模型與試驗測試結果較為一致，模型可以較好的預測炸藥組分比例及粒子尺寸與多組分不敏感PBX炸藥的沖擊引發的關系。炸藥粒子越小，爆轟前沿化學反應速率越快。

Bondarchuk[23]發展了一種方法，用于預估炸藥的撞擊感度(H50)。然后歸納出復合感度函數，據此計算H50，計算結果的相關系數R2=0.83，具有一定的參考意義。

Tian等[24]研究了含能材料晶體結構與沖擊感度的關系。研究結果顯示，易于剪切滑移的晶體結構一般沖擊感度較低，分子穩定性較高。

6 后處理技術

目前常用的不敏感炸藥包括NQ、NTO和DNAN等。相對而言，不敏感炸藥在水中的溶解度更高些。這些工業廢水中含有大量炸藥，當然也含有大量N元素。這些廢水的排放需要相關的法規許可，并且排放前需要進行預處理。傳統的廢水處理一般通過化學處理，不僅極其耗費金錢，并且會產生大量副產物。例如，文獻研究表明，DNAN的粒狀活性炭(granular actived carbon，GAC)技術可以吸收廢水中99%的DNAN，但處理后的活性炭只能作為廢物掩埋，成本昂貴。生物處理技術目前并不成功。例如，DNAN的流體床細菌處理技術會產生大量有毒有害的副產物。文獻雖然也報道了其它一些細菌也可處理這些含炸藥的廢水，但這些方案要么復雜得難以置信，要么條件苛刻得難以實施，很難進行規模化處理。

美國的科學家[25]研究了工業廢水中的不敏感炸藥的香根草處理方案。香根草廣泛用于處理污染土壤和水源，文獻報道其有177 kg/公頃·半年-354 kg/公頃·半年的處理能力，這種植物被USDA分類為非入侵植物，該植物無法通過種子繁殖和傳播。香根草擁有密實的根系，但是根很細，平均直徑0.5～1.0 mm。

研究表明，香根草對各種常見炸藥如TNT、RDX、HMX、DNAN、NQ、總氮都有較好的清除作用，可能會成為炸藥生產工業廢水一種較有前途的處理方式。該方向值得進一步深入研究。

此外，烏克蘭研究者Sviatenko等[26]用量子化學方法研究了DNAN、NTO和NQ的降解反應特點及順序。美國研究者Madeira等[27]研究了微生物對NTO的降解反應。加拿大研究者Halasz等[28]研究了IMX-101配方中DNAN、NQ、NTO等的光化學降解。美國研究者Authur等[29]研究了IMX-101和IMX-104對土壤的污染情況。英國研究者Temple等[30-31]研究了NTO等炸藥對土壤的污染。美國研究者Madeira等[32]還研究了NTO及其還原產物ATO的生物毒性。

可見，不敏感彈藥的降解研究已然成為新的研究熱點。

7 結論

1) 從合成的角度，新材料的出現層出不窮，但絕大多數新材料要么能量低，感度也低，要么能量高，但感度也高得難以接受。真正適合應用的非常少。這也與含能材料的發展趨勢類似：從第一代的TNT，到第二代的RDX和HMX，再到所謂的第三代的CL-20、DNTF、NTO、DNAN、HATO等，均需要數十年的發展和淘汰篩選，最后形成公認的、綜合性能優異的材料。

2) 某些共晶炸藥具有非常優異的綜合性能，可能會成為重要的發展方向。

3) 新工藝的文獻相對較少，但有些新工藝、輔助材料的使用可以較好的改善混合炸藥的性能，有較大的參考價值。

4) 熱門的不敏感彈藥的后處理過程復雜，需要深入研究。