FOX-7基混合炸藥的制備及性能研究

［摘 要］ 鑒于含鋁炸藥（鈍黑鋁，DHL）在安全性和能量輸出方面存在問題，使用不敏感單質炸藥FOX-7（1，1-二氨基-2，2-二硝基乙烯）作為主體炸藥，并以高純度超細無定形硼粉（B）作為高能燃料、高氯酸銨（AP）作為氧化劑和產氣劑、乙烯-醋酸乙烯共聚物（EVA）為黏結劑、微晶蠟作為鈍感劑，基于相關理論進行配方設計與優化。最終，采用以撞擊感度為判據的配方，并通過濕法球磨輔助溶劑蒸發法制備出混合炸藥。該炸藥具有如下主要性能：堆積密度1.469 g/cm3，撞擊感度10%，摩擦感度12%，爆熱8 092.9 kJ/kg，5 s延滯期爆發點303 ℃，真空安定性合格，熱安定性良好。由此可得，該炸藥是一種可替代DHL炸藥的不敏感高能炸藥。

［關鍵詞］ 不敏感；高能；FOX-7；制備；性能

［分類號］ TJ55

Preparation and Performances of FOX-7 Based Mixed Explosives

TIAN Xin①，WANG Baoguo①，WANG Biyuan②，ZHAO Wenhu③，ZHANG Yanliang③

①School of Environmental and Safety Engineering， Central North University （Shanxi Taiyuan， 030051）

②Foreign Trade Branch， International Trade Co.， Ltd.， Shanxi Coking Coal Group （Shanxi Taiyuan， 030051）

③Shanxi North Jindong Chemical Co.， Ltd. （Shanxi Yangquan， 045000）

［ＡＢＳＴＲＡＣＴ］ Aluminum containing explosives （dull black aluminum， DHL） have issues with safety and energy output. An insensitive single-compound explosive FOX-7 （1，1-diamino-2，2-dinitroethylene） was used as the main explosive， high-purity ultrafine amorphous boron powder （B） was used as the high-energy fuel， ammonium perchlorate （AP） was used as the oxidant and gas generator， ethylene vinyl acetate copolymer （EVA） was used as the binder， and microcrystalline wax was used as the desensitizer. Based on relevant theories， the optimization design of the explosive formula was carried out. Finally， a formula based on impact sensitivity was adopted， and a mixed explosive was prepared by wet ball-milling-assisted solvent evaporation method. The packing density of this explosive is 1.469 g/cm3， with an impact sensiti-vity of 10%， a friction sensitivity of 12%， a detonation heat of 8 092.9 kJ/kg， and a five-second delay period of 303 ℃. Vacuum stability of the explosive is qualified， and the thermal stability is good. Therefore， this explosive is an insensitive high-energy explosive that can replace DHL explosives.

［KEYWORDS］ insensitive; high energy; FOX-7; preparation; performance

0 引言

炸藥是武器裝備實現高效毀傷的關鍵核心。隨著時代的快速進步，炸藥不僅需要擁有較高的毀傷威力，還應具備更高的安全性。為滿足這種要求，不敏感彈藥便應運而生［1］。FOX-7是一種新型的不敏

感單質炸藥，能量水平接近黑索今（環三亞甲基三硝胺，RDX），但機械感度明顯低于RDX［2-4］。

Jaidann等［2］分別對添加乙烯丙烯橡膠的FOX-7基或RDX基混合炸藥進行性能分析，結果表明，FOX-7基混合炸藥的安全性比RDX基的高。董軍等［5］對FOX-7基、TNT基的炸藥進行不敏感性試驗，結果表明，FOX-7基混合炸藥的不敏感性比TNT基有顯著提高。

在對含硼（B）炸藥進行研究時發現，B的質量分數由2%提升至10%時，炸藥的機械感度和爆速與B含量呈正相關趨勢；B的質量分數為20%時，混合炸藥的爆熱最大；B的質量分數超過20%時，隨著B含量的增加，總體輸出能量降低［3-4，6-7］。

本文中，為研究一種新型不敏感高能混合炸藥，采用濕法球磨輔助溶劑蒸發法對FOX-7基不敏感高能混合炸藥進行制備，并對其主要性能進行測試和分析。

1 理論與實驗

1.1 理論分析

為了提高炸藥的不敏感性，可以采取以下措施。首先，改進炸藥的化學配方，選擇更穩定的化學物質作為主要成分，例如奧克托今（HMX）或RDX；其次，添加特殊的抑制劑、緩沖劑等添加劑，以減少炸藥對外界刺激的敏感性；此外，優化炸藥的結構，改進晶體結構和包覆材料，使炸藥更加穩定和抗沖擊；最后，通過改變炸藥晶體結構、粒度和密度等參數，降低炸藥對外界刺激的敏感性，進而降低意外事故的風險［8］。

為達到炸藥高能目的，通常采取改進配方、增加氧化劑含量、添加特殊添加劑以及優化炸藥結構等方法。在配方研究方面，選擇具有更高能量的化學物質作為主要成分，如HMX；增加氧化劑含量可以提供更多氧氣供燃燒反應使用，常用的氧化劑包括硝酸鹽和高氯酸鹽；添加金屬粉末或氫化物等特殊添加劑可以提高燃速和能量密度；優化炸藥結構，包括改進晶體結構和包覆材料，可以使炸藥更加緊密和穩定，提高能量釋放效率。

這些方法可以有效地提高炸藥的能量性能［8］。

EXPLO5是通過在設定的溫度和壓力下，基于化學平衡、自由能最小化、Chapman-Jouguet爆轟理論，對混合炸藥的配方進行模擬，并對配方的爆速、爆壓、爆熱和爆溫等爆炸參數進行計算的一款軟件［9］。

1.2 配方確定

為實現不敏感、高能量的目的，選取常溫下相對穩定、具有較高爆速的FOX-7代替鈍黑鋁（DHL）中的RDX作為混合炸藥的主體炸藥；為實現提高混合炸藥爆熱的目的，選取質量熱高、比表面積大的硼B代替原配方的鋁Al作為高能燃料；為實現提高產物做功能力的目的，選取氣體量大、氧化性強的高氯酸銨（AP）作為氧化劑和產氣劑；為實現增加各組分之間黏結性的目的，選取黏結性強、可降低炸藥體系剛性的乙烯-醋酸乙烯共聚物（EVA）代替原配方的硬脂酸（SA）作為黏結劑；為實現降低混合炸藥機械感度的目的，選取熔點較高、熱穩定性和延展性良好的微晶蠟作為不敏感添加劑。

以爆熱不低于1.8倍TNT當量為標準，通過EXPLO5程序計算組分配方。然后，以撞擊感度為判據，確定混合炸藥的質量比m（FOX-7）m（B）m（AP）m（EVA）m（微晶蠟）=6620932。理論密度為1.868 g/cm3。爆轟參數：爆熱為8 712.06 kJ/kg，爆溫為4 640.48 K，裝藥密度為1.680 g/cm3時的爆速和爆壓分別為7 232.66 m/s、23.81 GPa。

1.3 試劑與儀器

FOX-7、DHL，工業級，甘肅銀光化學工業集團有限公司；EVA，工業級，蘇州喬順塑化有限公司；B，純度大于92%，粒徑小于1 μm，營口遼濱精細化工有限公司；AP，工業級，國營東方化工廠；微晶蠟，工業級，濟寧華凱樹脂有限公司；無水乙醇，化學純，山西三維集團股份有限公司;表面活性劑，Novec 7200，美國3M有限公司。

KQ-300DE型數控超聲波清洗器，昆山市超聲儀器有限公司；

AHX-871型烘箱，南京理工大學機電總廠；標準篩，40目（孔徑0.45 mm），浙江省上虞市第一篩具廠；PM400型行星式球磨機，德國Retsch公司；

WL-1型撞擊感度測試儀、WM-1型摩擦感度測試儀、YC-2C型真空安定性測試儀，四川致研精誠科技有限公司；131型差示掃描量熱儀，美國熱電公司；爆速測試儀，13通道，測時誤差不大于30 ns，

中國核物理研究院；WJ2287型爆熱熱量計，西安近代化學研究所；FCY-1A型爆發點測定儀，鶴壁市鑫泰高科儀器制造有限公司。

1.4 制備過程

使用濕法球磨輔助溶劑蒸發法制備FOX-7基混合炸藥，工藝流程如圖1所示。

10 g量級FOX-7基混合炸藥的制備過程如下：

1）分別稱取FOX-7 6.600 g、B 2.000 g、AP 0.900 g，干混并攪拌均勻，得到混合物。

2）稱取EVA 0.300 g、微晶蠟0.200 g、表面活性劑0.001 g、無水乙醇150.000 g，利用數控超聲波清洗器進行振蕩混合，制備出混合溶液。

3）將1）、2）步所得物料放于球磨罐中，按料球

質量比120的比例，稱取若干粒徑為0.6～2.0

mm的氧化鋯球磨珠加入球磨罐，蓋好球磨罐并放入球磨機中。后設置球磨轉速為2 000 r/min，時間為6 h，接通冷卻水，保持循環冷卻水溫度在16～23 ℃，啟動按鈕進行球磨，得到懸浮液。

4）將球磨后的懸浮液進行溶劑蒸發，并利用冷凝回流裝置將無水乙醇溶劑進行冷凝回收。

5）將蒸發干燥后的樣品過40目的標準篩，最終收集得到混合炸藥，并進行性能測試。

該制備工藝具有以下特點：干混預處理、濕法球磨輔助工藝使各組分物質充分混合;蒸發溶劑工藝使得包覆更均勻，有利于降低機械感度;冷凝回收工藝使溶劑可再次利用，具有綠色、經濟的特點。

2 性能測試

2.1 堆積密度

按照GJB 772A—1997《炸藥試驗方法》［10］402.1干法對FOX-7基混合炸藥和DHL炸藥進行堆積密度測試，結果如表1所示。

由表1可知，FOX-7基混合炸藥比DHL炸藥的堆積密度大0.071 g/cm3。

分析認為：FOX-7的理論密度（1.885 g/cm3）比RDX（1.820 g/cm3）大；B的理論密度（2.300 g/cm3）比Al（2.700 g/cm3）小；AP的理論密度為1.950 g/cm3；EVA的相對密度（0.910 g/cm3）比SA（0.840 g/cm3）大；100號微晶蠟的理論密度（0.870 g/cm3）比80號微晶蠟（0.920 g/cm3）小。

上述因素綜合導致FOX-7基混合炸藥比DHL炸藥的堆積密度大。

2.2 機械感度

按照GJB 772A—1997《炸藥試驗方法》［10］601.1爆炸概率法和602.1爆炸概率法分別對FOX-7基混合炸藥、DHL炸藥進行撞擊感度和摩擦感度測試，結果如表2所示。

由表1可知，FOX-7基混合炸藥比DHL炸藥的撞擊感度和摩擦感度分別低30%和68%。

對FOX-7基混合炸藥和DHL炸藥中各組成成分的實驗數據進行分析。分析認為：FOX-7撞擊感度和摩擦感度（均為10%）比RDX的撞擊感度和摩擦感度（70%、76%）低；含B炸藥比含Al炸藥的撞擊感度低1%左右，摩擦感度低5%左右［12］；AP的撞擊感度為32%、摩擦感度為28%［13］。EVA的斷裂韌性為300 kJ/m2、沖擊韌性為100.0 kJ/m2；SA的斷裂韌性為30 kJ/m2、沖擊韌性為12.5 kJ/m2；故使用EVA能承受更大的拉伸和沖擊力。上述因素綜合導致FOX-7基混合炸藥的機械感度比DHL低。因此，FOX-7基混合炸藥具有更好的安全性。

2.3 爆熱

按照GJB 772A—1997《炸藥試驗方法》［10］701.1恒溫法和絕熱法進行爆熱測試。FOX-7基混合炸藥的爆熱（8 092.9 kJ/kg）高于DHL炸藥（6 443.0 kJ/kg［14］）。

分析認為：相比RDX（能量密度1 500.0 kJ/kg），FOX-7能量密度（1 900.0 kJ/kg）較高；B的質量熱為5 146.0 kJ/kg、體積熱為2 754.0 kJ/m3，Al的質量熱為3 100.0 kJ/kg、體積熱為1 190.0 kJ/m3，B比Al具有更高的體積熱和質量熱；AP的燃燒熱為9 471.5 kJ/kg［13］；EVA的爆熱（150.0 kJ/kg）比SA（-45.0 kJ/kg）更高。上述因素綜合導致FOX-7基混合炸藥的爆熱比DHL炸藥高。因此，FOX-7基混合炸藥具有更高的能量輸出。

2.4 5 s延滯期爆發點

按照GJB 772A—1997《炸藥試驗方法》［10］606.15 s延滯期法進行爆發點測試。FOX-7基混合炸藥與DHL炸藥的爆發點分別為303 ℃和287 ℃。

分析認為：FOX-7爆發點（230 ℃）比RDX（204 ℃）高26 ℃；B（粉末在空氣中的發火點為900 ℃）比Al（粉末在空氣中的發火點為800 ℃）的爆發點高100 ℃［8］；AP的爆發點為435 ℃［14］；EVA（軟化點為350 ℃）比SA（軟化點為220 ℃）的軟化點高130 ℃。綜合上述4種因素認為，FOX-7基混合炸藥具有更高的5 s延滯期爆發點。因此，FOX-7基混合炸藥具有更好的安全性。

2.5 真空安定性

按照GJB 772A—1997《炸藥試驗方法》［10］501.2壓力傳感器法進行真空安定性測試，FOX-7基混合炸藥和DHL炸藥平均放氣量分別為0.12 mL和0.56 mL。

分析認為：FOX-7的平均放氣量（0.08 mL）比RDX（0.37 mL［15］）低0.29 mL；高純度超細無定形B和Al的平均放氣量均為0 mL；AP的平均放氣量為0 mL；EVA的平均放氣量（0.03 mL）比SA

（0.15 mL）低0.12 mL。上述因素綜合導致FOX-7基混合炸藥比DHL的放氣量少；故FOX-7基混合炸藥真空安定性更優秀，表現出較好的熱安定性。

2.6 差示掃描量熱法分析

對FOX-7基混合炸藥和DHL炸藥進行了DSC測試，結果如圖2所示。

由圖2可見，FOX-7基混合炸藥的DSC曲線包含1個吸熱峰和1個放熱峰，分別對應微晶蠟熔化和FOX-7熱分解過程。DHL炸藥的DSC曲線包含1個吸熱峰和1個放熱峰，分別對應RDX晶型轉變和熱分解過程。FOX-7基混合炸藥在204～218 ℃范圍時表現為放熱反應，DHL炸藥在205.3 ℃出現吸熱峰，表現為物質吸熱分解反應；FOX-7基混合炸藥放熱峰（236.2 ℃）比DHL炸藥（244.0 ℃）更尖銳，說明FOX-7基混合炸藥的放熱過程更集中。

將2種樣品的DSC曲線進行對比后發現，當升溫速率為10 ℃/min時，FOX-7基混合炸藥的分解峰較DHL炸藥提前了7.8 ℃。

表現出其熱安定性較差；由于2.4中FOX-7基混合炸藥比DHL炸藥的5 s延滯期爆發點高16 ℃，表現出其熱安定性較好。盡管在具體結果上有一定差距（主要由試驗環境和空氣潮濕等因素導致），但DSC中，FOX-7基混合炸藥的分解峰高于200 ℃，因此，具有較好的熱安定性效果。

3 結論

1）通過Expol 5計算，并以爆熱不低于1.8倍TNT當量和撞擊感度低于40%為判據，確定配方的質量比m（FOX-7）m（B）m（AP）m（EVA）m（微晶蠟）=6620932時，可獲得最佳效果。計算所得爆轟參數：爆熱為8 712.06 kJ/kg，爆溫為4 640.48 K，爆壓為23.81 GPa，爆速為7 232.66 m/s。

2）利用濕法球磨輔助溶劑蒸發法制備出FOX-7基混合炸藥，使原料混合和包覆更均勻。

3）主要性能測試結果表明：FOX-7基混合炸藥的堆積密度為1.469 g/cm3，撞擊感度為10%，摩擦感度為12%，爆熱為8 092.9 kJ/kg，5 s延滯期爆發點為303 ℃；真空安定性合格；熱定性良好。

參考文獻

［1］ 吳志遠， 胡雙啟. 新型鈍感高能炸藥LLM-105國內外研究進展［J］. 化學工程與裝備， 2008（12）： 103-105.

［2］ JAIDANN M，ABOU-RACHID H，LAFLEUR-LAMBERT X， et al. Atomistic studies of RDX and FOX-7-based plastic-bonded explosives： molecular dynamics simulation ［J］.Procedia Computer Science， 2011（4）： 1177-1185.

［3］ SEZAKI T， DATE S， SATOH J. Study on the effects of addition of boron particles to RDX-based PBX regarding prevention of neumann effect［J］.Materials Science Forum， 2004， （465/466）： 195-200.

［4］ PEPEKIN V I， MAKHOV M N， APIN A Y. The reactions of boron in the presence of an explosion ［J］. Combustion Explosion amp; Shock Waves， 1972， 8（1）： 109-111.

［5］ 董軍， 王偉力， 譚波， 等. FOX-7在炸藥中的應用述評［J］.爆破器材， 2020， 49（2）： 1-7.

DONG J， WANG W L， TAN B， et al. Application of FOX-7 in explosives ［J］. Explosive Materials， 2020， 49（2）： 1-7.

［6］ STIEL L I， BAKER E L， CAPELLOS C. Jaguar proce-dures for detonation behavior of explosives contaning boron［J］.AIP Conference Proceedings， 2009， 1195（1）： 448-451.

［7］ 黃亞峰， 王曉峰， 馮曉軍. 黑索今基含硼炸藥的爆熱性能［J］. 含能材料， 2011， 19（4）： 363-365.

HUANG Y F， WANG X F， FENG X J. Detonation heat of boron-contained explosive based on RDX ［J］. Chinese Journal of Energetic Materials， 2011， 19（4）： 363-365.

［8］ 潘功配， 楊碩. 煙火學［M］.北京： 北京理工大學出版社，1997.

［9］ 何飄， 楊俊清， 李彤， 等. 含能材料量子化學計算方法綜述［J］. 含能材料， 2018， 26（1）： 34-45.

HE P， YANG J Q， LI T， et al. Overview on the quantum chemical methods for energetic materials ［J］. Chinese Journal of Energetic Materials， 2018， 26（1）： 34-45.

［10］ 中國兵器工業總公司. 炸藥試驗方法： GJB 772A—1997［S］.1997.

NORINCO. Explosive test method： GJB 772A—1997［S］.1997.

［11］ 吳騰芳. 爆破材料與起爆技術［M］. 北京： 國防工業出版社， 2008.

［12］ 王瑞浩. 納米復合含能材料的制備［D］. 太原： 中北大學， 2012.

［13］ 張建國， 張同來， 楊利， 等. 高氯酸銨的分子結構和爆炸性能研究［J］.火炸藥學報， 2002， 25（3）： 33-34， 22.

ZHANG J G， ZHANG T L， YANG L， et al. Study of crystal structure and explosive properties of ammonium perchlorate ［J］.Chinese Journal of Explosives amp; Propellants， 2002， 25（3）： 33-34， 22.

［14］ 黃寅生. 炸藥理論［M］. 北京： 北京理工大學出版社， 2016.

HUANG Y S. Explsoives theory［M］. Beijing： Beijing Institute of Technology Press， 2016.

［15］ 張杏芬. 國外火炸藥原材料性能手冊［M］. 北京： 兵器工業出版社， 1991.

收稿日期：2023-10-15

第一作者：田鑫（1998—），男，碩士，主要從事含能復合物的研究。E-mail：1329234955@qq.com

通信作者：王保國（1970—），男，副教授，碩導，主要從事新型傳爆藥、新型火工藥劑和新型火工品技術的研究。E-mail：2086139461@qq.com