CL-20 基壓裝型溫壓炸藥的設計及性能研究?

張 磊 吳成成 王正宏 李世偉 王 碩 郭學永

①西安現(xiàn)代控制技術研究所(陜西西安，710065)

②北京理工大學爆炸科學與技術國家重點實驗室(北京，100081)

③遼寧慶陽特種化工有限公司(遼寧遼陽，111000)

引言

溫壓炸藥通常是以高能炸藥、氧化劑、可燃劑為主體，并配以黏結劑和添加劑組成的一種非理想炸藥[1]。為了實現(xiàn)溫壓炸藥的高能量密度化、能量輸出可控化，提高對爆炸環(huán)境中氧的利用率，國內外學者主要從降低燃料的點火閾值、提高燃料的反應完全性、改善燃料粒子與環(huán)境中氧的混合度、提高燃料燃燒反應速率等方面進行綜合設計，多維度地研究了溫壓炸藥爆炸能量輸出結構的時空演化規(guī)律，但多集中在以黑索今(RDX)、奧克托今(HMX)等二代含能材料為基的溫壓炸藥[2-4]。隨著高能量密度材料、高活性功能材料、復合裝藥形式等的發(fā)展，如何將其有機融合在溫壓炸藥體系中逐漸成為當前高能炸藥發(fā)展的熱點和趨勢。

六硝基六氮雜異伍茲烷(CL-20)由Nielsen等于1987年首次合成[5]，是一種具有籠型結構的多晶型高能量密度化合物(HEDC)[6]。在常溫、常壓下，CL-20存在4種晶型(α、β、γ、ε)，其中，ε-CL-20的密度最大、熱穩(wěn)定性最好、感度最低[7-8]。ε-CL-20 是當今綜合性能最好的第三代單質炸藥之一，能量輸出比HMX 高約14%[9]；但是，ε-CL-20 較高的機械感度、容易發(fā)生晶型轉變等問題嚴重阻礙了它在高能炸藥中的應用[10-11]。隨著CL-20 工程化制造的實現(xiàn)，美國已成功研制了CL-20 基高能炸藥:LX-19、PAX-12、PAX-11、PAX-29、DLE-C038 和PBXW-16等[12-17]，而且正不斷地探索性能更優(yōu)的配方。但目前未見報道CL-20 基溫壓炸藥配方。

本文中，針對地面目標毀傷特性，通過分析溫壓炸藥爆炸反應歷程，制定了CL-20 基壓裝型溫壓炸藥設計途徑，通過多種試驗手段和方法對其爆轟性能和安全性能進行了綜合測量與分析評價，以突破高能量密度材料CL-20 在溫壓炸藥中的應用難點。

1 試驗部分

1.1 試劑與儀器

CL-20，工業(yè)級，遼寧慶陽特種化工有限公司；特細球形微米鋁粉，F(xiàn)LQT2[D50為(24 ± 3) μm]、FLQT4[D50為(6.0 ±1.5)μm]、FLQT5(D50為1～4 μm)，工業(yè)級，鞍鋼實業(yè)微細鋁粉有限公司；高氯酸銨(AP)，粒度范圍100～150 μm，大連北方氯酸鉀有限公司；F2603 型氟橡膠，工業(yè)級，中藍晨光化工研究設計院有限公司；順式1，4-聚丁二烯橡膠(BR)，工業(yè)級，錦州石化股份有限公司；三元乙丙橡膠(EPDM)，工業(yè)級，中國石油天然氣股份有限公司吉林石化分公司；80 號微晶蠟，工業(yè)級，撫順駿達蠟業(yè)有限公司；石墨，微米級，上海一帆石墨有限公司；乙酸乙酯、石油醚，分析純，國藥集團化學試劑有限公司。

Hitachi S-4700 型掃描電子顯微鏡，日本日立公司；ZBL-B 型撞擊感度儀、BM-B 型摩擦感度儀，西安近代化學研究所。

1.2 試驗過程

1)三元乙丙基復合鈍感黏結劑溶液制備。將一定質量比的溶劑、黏結劑和鈍感劑投入溶解釜，并開動攪拌。溶解釜的夾套中通入熱水，夾套溫度55～60 ℃為宜，待全部溶解并混合均勻，即為配制好的復合鈍感黏結劑溶液。

2)捏合。將配制好的鈍感黏結劑按一定比例加入到捏合機中，再加入CL-20 捏合10 min 后，加入鋁粉、AP 捏合60 min。在一定的攪拌轉速下，用真空濃縮系統(tǒng)抽出多余的溶劑，扭矩達到一定數(shù)值后停止真空濃縮操作，將捏合物料送至造條機加料槽內。

3)造條。真空驅溶的混合物料轉入造條機中，經(jīng)槳葉與孔板擠壓后，物料通過造粒篩板得到藥條，而后進行預烘干。

4)斷粒。預烘干后的藥條經(jīng)振動篩振動斷粒，得到一定長度的造型粉。

5)光澤。斷粒后的造型粉進入光澤機中，加入一定量的石墨進行滾光。

6)烘干。將光澤后的造型粉經(jīng)烘干工序烘除藥粒中少量溶劑，干燥溫度為40～45 ℃。

1.3 測試方法和條件

1.3.1 裝藥密度

裝藥密度按GJB 772A—1997 方法401.2 藥柱(塊)密度-液體靜力稱量法測試。根據(jù)已知質量的試樣所排開專用浸液的體積，求出試樣的密度。

1.3.2 爆轟性能

爆熱測試按《軍用混合炸藥配方評審適用試驗方法匯編》301.2 非理想炸藥爆熱測試方法進行。藥柱直徑40 mm，藥柱質量(100.0 ±0.1)g。

爆速測試按GJB 772A—1997 方法702.1 爆速-電測法進行，藥柱尺寸?40 mm×40 mm。

1.3.3 安全性能

撞擊感度測試按GJB 772A—1997 方法601.1撞擊感度-爆炸概率法進行。樣品質量(50 ±1)mg，落錘質量10 kg，落高25 cm。

摩擦感度測試按照GJB 772A—1997 方法602.1 摩擦感度-爆炸概率法進行。樣品質量(20 ±1)mg，表壓3.92 MPa，擺角90°。

低易損性試驗:慢速烤燃試驗按照《軍用混合炸藥配方評審適用試驗方法匯編》方法701.1 炸藥慢速烤燃試驗進行；快速烤燃試驗按《軍用混合炸藥配方評審適用試驗方法匯編》方法702.1 炸藥快速烤燃試驗進行；12.7 mm子彈撞擊試驗按《軍用混合炸藥配方評審適用試驗方法匯編》方法704.1 炸藥12.7 mm 子彈撞擊試驗進行。3 項試驗中，殼體內腔尺寸?60 mm ×240 mm，藥柱尺寸?60 mm ×60 mm，殼體厚度3 mm。

2 結果與討論

2.1 CL-20 基壓裝型溫壓炸藥的配方設計

溫壓炸藥爆炸反應過程涉及3 個階段:最初的無氧爆炸反應、爆炸后的無氧燃燒反應和爆炸后的有氧燃燒反應，如圖1 所示。

根據(jù)二次反應理論[18]，鋁粉在最初的無氧爆炸反應時沒有參加C-J 面的反應或在C-J 面遠未反應完全。在爆炸后的無氧燃燒反應階段，鋁粉與爆轟產物、氧化劑的分解產物反應，因而鋁氧比R是溫壓炸藥能量設計的一個重要參數(shù)，計算公式為:

式中:R為鋁氧物質的量的比(鋁氧比)；n(Al)為1 kg 混合炸藥中鋁元素的物質的量；n(O)為1 kg 混合炸藥中氧元素的物質的量。

一般設計Al2O3的化學當量比為0.67 左右。為了確定CL-20 基壓裝型溫壓炸藥的組成結構，通過EXPLO5 計算了不同炸藥配方的能量參數(shù)，計算結果如表1 所示。

表1 CL-20 基壓裝型溫壓炸藥配方及能量參數(shù)Tab.1 Formulation and energy parameters of CL-20 based pressed thermobaric explosive

一般而言，鋁粉顆粒粒徑越小，顆粒比表面積越大，反應活性越高，具體表現(xiàn)為超壓的上升速率越快。在配方鋁粉粒度選擇上，采用特細球形鋁粉FLQT5、FLQT4、FLQT2 三級級配，以添加FLQT2、FLQT4 增強后燃效應為主，添加FLQT5 提高反應活性為輔[3]。故具體的粒度級配方案為m(FLQT5)∶m(FLQT4)∶m(FLQT2)=1∶2∶2。

在保證有一定破片驅動特性(爆速≥7 800 m/s)的前提下，綜合考慮爆熱這一關鍵指標，確定CL-20基壓裝型溫壓炸藥的配方組成(質量分數(shù))為:52%CL-20、32%鋁粉、10%AP、6%黏結劑。

2.2 AP 的鈍感包覆處理

為了克服應用于混合炸藥中的氧化劑AP 存在吸濕這一缺點，需要對AP 進行包覆處理，同時降低AP 的機械感度。蠟類物質具有熔點低、比熱容高、導熱率低、硬度小兼具潤滑作用等特點。選用微晶蠟作為鈍感劑，通過機械混合-蒸發(fā)溶劑法包覆處理AP。包覆后的AP 掃描電鏡照片如圖2 所示。機械感度和吸濕性測試結果如表2 所示。

表2 包覆前、后AP 的機械感度和吸濕性測試結果Tab.2 Test results of mechanical sensitivity and hygroscopicity of AP before and after coating

試驗結果表明:AP 表面被一層鈍感劑微晶蠟均勻地覆蓋；包覆后，AP 的機械感度和吸濕性得到明顯降低。

2.3 CL-20 基壓裝型溫壓炸藥的爆轟性能

按照GJB 772—1997《炸藥試驗方法》和《軍用混合炸藥配方評審適用試驗方法匯編》中的測試方法，對CL-20 基壓裝型溫壓炸藥的裝藥密度、爆熱、爆速進行了測試，結果如表3 所示。

表3 CL-20 基壓裝型溫壓炸藥的裝藥密度和爆轟性能Tab.3 Charge density and detonation performance of CL-20 based pressed thermobaric explosive

加入一定量的氧化劑AP 可以改善炸藥體系的氧平衡，使鋁粉充分反應。CL-20 基壓裝型溫壓炸藥能量密度不小于2.5 倍TNT 當量，具有較高的能量水平。

為了衡量CL-20 基壓裝型溫壓炸藥的綜合毀傷威力，測試了靜態(tài)條件下30 kg 炸藥爆炸時距爆心不同距離處(4、8、12 m)的沖擊波超壓，以研究其在空爆狀態(tài)下的超壓場規(guī)律，如表4 所示。

表4 30 kg 藥量靜爆威力試驗的沖擊波超壓Tab.4 Overpressure of 30 kg CL-20 based pressed thermobaric explosive in static explosion power test

由于空爆溫壓炸藥的主要作戰(zhàn)任務是對地面有生目標進行毀傷，同時考慮破片和超壓對暴露人員目標的毀傷作用，認為沖擊波超壓超過0.05 MPa 即可對人員達到中度以上的毀傷[19]。靜爆威力試驗數(shù)據(jù)表明:沖擊波超壓隨著傳播距離的增加呈指數(shù)衰減；但在遠場12 m 處，沖擊波超壓仍然超過了0.05 MPa，一定程度上添加大顆粒鋁粉強化了爆炸后的有氧燃燒反應階段。

2.4 CL-20 基壓裝型溫壓炸藥的安全性能

按照GJB 772—1997 測試方法，對CL-20 基壓裝型溫壓炸藥的撞擊感度、摩擦感度進行了測試。撞擊感度(落錘10 kg，落高25 cm)為8%；摩擦感度(擺角90°，表壓3.92 MPa)為24%。CL-20 基壓裝型溫壓炸藥機械感度較低，滿足壓制成型時對機械感度的要求。

按照《軍用混合炸藥配方評審適用試驗方法匯編》對CL-20 基壓裝型溫壓炸藥3 項低易損性試驗進行了測試。慢速烤燃、快速烤燃、12.7 mm 子彈撞擊試驗照片如圖3～圖4 所示。

在慢速烤燃和快速烤燃試驗中，端蓋被沖開，彈體無變形。根據(jù)測試結果評價標準，慢速烤燃和快速烤燃試驗的響應等級均為燃燒反應。

當12.7 mm穿甲燃燒彈徑向撞擊彈體后，彈體中心穿孔破裂，但端蓋完整，樣品發(fā)生明顯燃燒現(xiàn)象；12.7 mm 子彈軸向撞擊彈體后，彈體端蓋穿孔，彈體周身破裂，現(xiàn)場大量殘余炸藥，樣品發(fā)生明顯的燃燒反應。根據(jù)測試標準，12.7 mm 子彈撞擊試驗的響應等級為燃燒反應。

3 結論

1)設計并確定了CL-20 基壓裝型溫壓炸藥的配方組成(質量分數(shù))為:52% CL-20、32% 鋁粉、10%AP、6%黏結劑。為兼顧后燃效應和反應活性，鋁粉粒度級配方案為m(FLQT5)∶m(FLQT4)∶m(FLQT2)=1∶2∶2。

2)選用微晶蠟作為鈍感劑，通過機械混合-蒸發(fā)溶劑法包覆處理AP。包覆后，AP 的機械感度和吸濕性得到明顯下降。

3)CL-20 基壓裝型溫壓炸藥的裝藥密度2.015 g/cm3、爆熱8 361 kJ/kg、爆速7 815 m/s，30 kg 炸藥爆炸時在遠場12 m 處的沖擊波超壓可對人員達到中度以上的毀傷；撞擊感度8%，摩擦感度24%；在慢速烤燃、快速烤燃、12.7 mm 子彈撞擊試驗中，炸藥的響應等級均為燃燒反應，爆轟性能和安全性能優(yōu)異。