HMX/黏結劑體系摩擦特性及抗過載性能

任秀秀， 郭昕， 牛磊， 高杰， 方偉， 趙省向

(西安近代化學研究所， 西安 710065)

奧克托金(HMX)是目前綜合性能最優良的單質炸藥之一，能量高、密度高、爆速高，已作為主炸藥廣泛應用于各類武器裝備[1-2]，典型配方如PBX 9501[HMX/黏結劑(BDNPAF+Estane)=95/5][3]和LX-04(HMX/VitonA=85/15)[4]。但同時HMX也存在諸多缺點，撞擊感度、摩擦感度及靜電感度都很高，導致安全性能差，在生產、科研及運輸貯存時易因為外界刺激引發點火或爆炸[5-6]。因此，必須通過技術手段對HMX進行鈍感處理，改善其安全性能。

常見的鈍感技術包括：晶體優化改性、機械共混、納米化、表面包覆、共晶等[7-8]。Krober等[9]采用低溫條件下重結晶的方法處理HMX，獲得內部缺陷少、機械感度低的高品質HMX。張帆等[10]基于溶液-水懸浮法利用4,10-二硝基-2,6,8,12-四氧雜-4,10-二氮雜四環十二烷(TEX)對HMX進行包覆，發現TEX/HMX包覆體系的撞擊感度和摩擦感度分別降低了48%和68%，也提高了HMX混合炸藥成型藥柱的爆速。Niu等[11]的研究表明，配方HMX/還原氧化石墨烯/石墨(98/1/1)的摩擦感度降至0。這是因為還原氧化石墨烯具有高比表面積和良好的導熱性，在HMX表面形成致密層并能傳導HMX晶體由于摩擦生成的熱量。古勇軍等[12]采用3,3-雙疊氮甲基氧雜環丁烷-四氫呋喃共聚醚(BAMO-THF)作為包覆材料對HMX進行表面包覆，結果表明BAMO-THF與HMX相容性良好，摩擦感度降低了13%以上。通過高聚物充當單質炸藥的黏結劑，不僅可以達到鈍感HMX的目的，而且高聚物良好的彈塑性也可以改善單質炸藥的力學性能。HMX/黏結劑混合體系因為高聚物黏結劑的作用，使得炸藥在高速沖擊過程中，具有較強可塑性，可以克服摩擦剪切作用，特別是在侵徹過程中能夠承受較大的過載而不致炸藥破碎或提前點火[13-14]。因此HMX/黏結劑體系配方設計關鍵的一點就是如何選擇合適的黏結劑使得混合炸藥具有良好的摩擦性能，從而保證侵徹過程的安定性。

為了能夠優選出使得HMX/黏結劑混合體系摩擦性能和抗過載性能優良的高聚物，制備了一系列不同成分不同配比的炸藥樣品。通過滑移力測量儀和摩擦感度儀獲得其摩擦力、摩擦系數及摩擦感度，結合掃描電鏡觀測包覆樣品的微觀形貌，最后采用輕氣炮考核HMX基混合體系的抗過載能力，為HMX基混合炸藥的配方設計提供參考。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

HMX，粒徑125 μm，甘肅銀光化學工業集團有限公司；氟橡膠，F2603，晨光化工廠；202膠，代號BA，天津染化八廠；順丁橡膠，BR9000，北京有機化工廠； 石蠟，大連石化公司；乙酸乙酯、石油醚，均為分析純，天津有機廠。

顆粒滑移力測量裝置，西安近代化學研究所；Quanta 600FEG場發射掃描電鏡，美國FEI公司；TENSOR 27型傅里葉變換紅外光譜儀，德國Bruker公司。

1.2 包覆樣品的制備

HMX基混合炸藥配方體系的黏結劑選用順丁橡膠(BR)和氟橡膠(F2603)，改變黏結劑的含量(質量分數)共制備8種炸藥配方，如表1和表2所示。

采用直接法對HMX進行包覆。將F2603溶于乙酸乙酯，控制水浴溫度為60 ℃，攪拌直至完全溶解；順丁橡膠溶于石油醚，控制水浴溫度為70 ℃，攪拌直至完全溶解。在溶解好的黏結劑溶液中加入HMX顆粒并攪拌均勻，等溶劑揮發樣品呈膏團狀，通過篩網造粒，并烘干。

表1 HMX/順丁橡膠體系樣品配方Table 1 HMX/Butadiene rubber system sample formulations

表2 HMX/氟橡膠體系樣品配方Table 2 HMX/fluororubber system sample formulations

1.3 實驗測定及原理

采用掃描電子顯微鏡對不同包覆樣品的微觀形貌進行表征。

采用炸藥顆粒滑移力裝置對樣品進行摩擦測試。實驗參數：轉速10 r/min，加壓砝碼質量5 kg，砝碼所在檔位7檔，摩擦柱規格Ф8 mm，室溫。

采用WM-1型摩擦感度儀器，根據GJB 772A—97方法602.1進行摩擦感度實驗。實驗參數：表壓3.92 MPa，擺角90°，藥量20 mg。

炸藥抗過載性能壓縮載荷模擬實驗按照所企標Q/AY 581—2013進行，裝置如圖1所示。測試方法如下：一級輕氣炮作為加載源使用，口徑130 mm，可發射圓柱形金屬彈丸；圓柱形金屬彈丸鋁制，質量約2 kg，可被一級輕氣炮加速至300～900 m/s； 實驗樣彈：包含上擊柱(Ф40 mm×115 mm)，下擊柱(Ф40 mm×40 mm)，厚壁套筒(外徑75 mm，內徑40 mm，高度為145 mm)，材料均為T10鋼；聚四氟乙烯套：外徑40 mm，內徑30 mm，高度為30 mm；將炸藥試樣制備成尺寸為Ф40 mm×30 mm圓柱形，表面無宏觀缺陷，將試樣放入聚四氟乙烯套筒內，使兩者配合完好；應力傳感器量程0～1.5 GPa；數據采集響應時間小于0.1 μs量級；將實驗樣彈的套筒水平放置，依次在套筒內塞入下擊柱、裝有炸藥試樣的聚四氟乙烯套筒和上擊柱，使三者之間無空氣隙，實驗樣彈裝配完畢；將壓力傳感器放入一級輕氣炮回收腔內的支撐底座上，并引出數據采集線，連接于數據采集設備上。將裝配好的實驗樣彈放入一級輕氣炮回收腔內的支撐底座上，使之垂直于支撐底座；閉合一級輕氣炮的回收腔體，上緊固定螺栓；在一級輕氣炮高壓氣室端部安裝鋁制金屬彈丸；在高壓氣室內部充入高壓氮氣至預定值，氣室壓力達到預設值后，關閉充氣閥門，撤出高壓氮氣瓶，接通電源，打開工作電腦，打開測量軟件。將控制輕氣炮高壓氣室的電磁開關打開，使高壓氣體加速鋁制金屬彈丸撞擊至實驗樣彈，在試樣上產生壓縮載荷。打開輕氣炮回收腔，觀察炸藥試樣的宏觀反應，如燃燒、爆炸或不燃不爆等情況。

1為高壓氣室(內充氮氣)；2為鋁制金屬彈丸；3為輕氣炮加速段；4為輕氣炮回收腔；5為實驗樣彈上擊柱；6為實驗樣彈套筒；7為聚四氟乙烯套；8為圓柱形炸藥試樣；9為實驗樣彈下擊柱；10為壓力傳感器；11為支撐底座;12為輕氣炮高壓氣室電磁開關 圖1 壓縮載荷模擬實驗裝置示意圖Fig.1 Schematic diagramof compression load simulation experiment device

2 結果與討論

2.1 微觀形貌分析

圖2所示為HMX原材料的掃描電鏡圖，圖3和圖4分別為不同質量配比的HMX/BR、HMX/F2603樣品的掃描電鏡圖。可以看出，HMX經順丁橡膠和氟橡膠包覆后，HMX顆粒邊緣棱角被黏結劑裹覆，表面變粗糙，顆粒之間由于黏連而發生團聚。HMX小顆粒或碎粒由于黏結劑的黏連性而聚集在大顆粒缺陷處，并填充了HMX顆粒間的空隙。黏結劑的包覆使得HMX顆粒之間相互接觸摩擦的概率減小。隨著黏結劑含量從2%提高到7%，暴露在外的HMX棱角越來越少。比較兩組樣品的SEM圖，發現順丁橡膠對HMX的包覆效果更好一些，分析原因為順丁橡膠的臨界表面張力偏低，更易粘結在HMX顆粒表面[15]。圖3中，順丁橡膠包覆的HMX顆粒電鏡圖明顯可見膠黏狀物質，表現出“拉絲”現象，使得附有黏結劑的HMX小顆粒又相互粘連成較大的顆粒，從而參與內摩擦的破碎細粒以及犁削滑移表面的磨粒變少[16]。

圖2 未包覆HMX掃描電鏡圖Fig.2 SEM images of raw HMX

圖3 HMX/BR包覆樣品的掃描電鏡圖Fig.3 SEM images of HMX/BR coated Samples

圖4 HMX/F2603包覆樣品的掃描電鏡圖Fig.4 SEM images of HMX/F2603 coated Samples

2.2 摩擦特性分析

HMX/BR、HMX/F2603包覆體系的摩擦力通過炸藥顆粒滑移力測量裝置獲得，并根據文獻[17]中式(3)計算出動摩擦系數μ。動摩擦系數(μ)和摩擦感度(P)如表3所示，可以得出HMX/BR和HMX/F2603體系摩擦系數隨黏結劑含量w的變化折線圖，如圖5所示。

表3 包覆樣品的摩擦系數與摩擦感度Table 3 Friction coefficient and friction sensitivity of coated samples

圖5 HMX/BR和HMX/F2603體系 摩擦系數隨黏結劑含量的變化折線Fig.5 Curve of friction coefficient of HMX/BR and HMX/F2603 system with the change of binder content

由文獻[15]得，β-HMX的表面能為53.09 mJ/m2，而氟橡膠和順丁橡膠的表面能分別為30.15 mJ/m2和22.37 mJ/m2。由于黏結劑的表面能低于HMX，因此這兩類黏結劑都對HMX有良好的潤濕性。由圖5可以看出，HMX/BR體系包覆樣品的動摩擦系數在黏結劑BR含量從2%提高到3%時沒有明顯下降，但在黏結劑BR含量提高至5%時動摩擦系數下降幅度很大，而進一步增至7%時動摩擦系數又上升至黏結劑含量2%～3%時的大小。HMX/F2603體系包覆樣品在黏結劑含量從2%增至5%時，動摩擦系數呈下降趨勢，在5%增至7%時，動摩擦系數變化較小。因此黏結劑含量控制在5%左右時，混合體系動摩擦系數比HMX的動摩擦系數0.124[18]低一些，且順丁橡膠減摩效果更好。分析原因認為：順丁橡膠的表面能更低，更易粘結在HMX表面，保證在摩擦過程中黏結劑與HMX不易發生“脫黏”；且順丁橡膠為碳氫鏈高分子聚合物，彈性模量低、柔順性好、可以承受較大的變形。因此較少含量的順丁橡膠就可以對HMX起到較好的包覆效果，而氟橡膠則需要更高含量才可以起到良好的包覆作用。動摩擦系數先降再增，可能是因為高聚物作為“雜質”和“潤滑”的這兩種作用在互相競爭。順丁橡膠在低含量時“潤滑”的作用強于“雜質”，而氟橡膠則在高含量時“潤滑”的作用強于“雜質”。另一方面，因為順丁橡膠的韌性強于氟橡膠，制備過程中發現順丁橡膠包覆的HMX顆粒不容易強制過篩，順丁含量越多這種現象越明顯，因此順丁橡膠占比越多混合炸藥體系造粒越困難，所以順丁橡膠的用量應控制在合理范圍內，便于制備加工。

由表3可知，HMX顆粒經黏結劑包覆后摩擦感度降低。根據熱點理論[19]，這是由于黏結劑承受了一部分本應作用在炸藥上的外部刺激作用，緩解了沖擊應力，且隔絕了HMX顆粒之間的內摩擦，使得HMX炸藥內部熱量形成的概率大大降低，從而達到有效鈍感的目的。相比氟橡膠，順丁橡膠鈍感效果更好的原因與減摩效果的作用機理一致。

2.3 HMX基配方炸藥的抗過載性能試驗分析

設計3種HMX基炸藥配方，如表4所示。3種高聚物粘結炸藥的抗過載性能壓縮載荷模擬實驗(輕氣炮試驗)結果如表5所示。從試驗結果可以看到，分別使用F2603和BA膠作為黏結劑的炸藥，無法通過抗過載實驗，炸藥燃燒或爆炸以后發生了樣彈彈體破裂的情況；而使用順丁橡膠作黏結劑的炸藥，炸藥彈體完好未發生破裂，完全通過了抗過載實驗考核，所以在配方中選擇順丁橡膠作為高聚物黏結炸藥的黏結劑，這也驗證了前面分析中順丁橡膠的減摩與鈍感效果更好的研究結論。

表4 3種HMX基配方炸藥配方Table 4 Three HMX-based explosive formulations

表5 不同樣品輕氣炮試驗Table 5 Light gas gun test of different samples

3 結論

(1)隨著黏結劑含量的增加，HMX/BR和HMX/F2603體系摩擦系數先下降再升高。HMX/BR體系在黏結劑含量為2%～3%時，摩擦系數變化小，而HMX/F2603體系在黏結劑含量為5%～7%時，摩擦系數變化小。摩擦系數先降再增，可能是因為高聚物“雜質””和“潤滑”這兩種作用在互相競爭。

(2)高聚物粘結炸藥中，高聚物的用量應適當，過高過低都會影響粘結效果和降感效果。順丁橡膠及氟橡膠含量從2%升至7%時，摩擦感度并未顯著降低，因此只要滿足安全使用要求，高聚物的含量應盡量少，避免混合炸藥體系能量損失過多。

(3)氟橡膠、202膠和順丁橡膠為黏結劑的三種PBX炸藥[(HMX+鈍感劑)/黏結劑/Al=68/2/30]，只有順丁橡膠作黏結劑的炸藥PBX-3完全通過了抗過載實驗考核，而其他兩種炸藥皆發生了不同程度的彈體破裂現象，因此在配方設計時可優先選擇順丁橡膠作為高聚物粘結炸藥的黏結劑。