熔鑄傳爆藥配方設(shè)計(jì)

1、中北大學(xué)2016屆畢業(yè)論文摘要:通過了解國內(nèi)外熔鑄炸藥載體研究現(xiàn)狀及現(xiàn)今許用熔鑄炸藥配方，設(shè)計(jì)一種以CL-20為固相，DNP為液相載體，運(yùn)用kamlet半經(jīng)驗(yàn)式和Urizar式計(jì)算當(dāng)實(shí)際密度達(dá)到理論裝藥密度90%以上的爆速大于8000ms-1的初步配方。熔鑄成預(yù)訂形狀，測試爆速、相容性、臨界直徑等，通過工藝處理及添加劑來提高藥劑的沖擊波感度和爆轟沖能，最終確定配方。關(guān)鍵字：熔鑄炸藥、載體炸藥、DNP、CL-20、爆速、臨界直徑 Abstract：By understanding the research status of carriers for melt-cast explosives a

2、nd permissible cast explosive formulation at home and abroad now,a kind of melt-cast explosive formulation was designed that consists of a solid and liquid phase by CL-20 and DNP respectively,initial formulation was calculated by using kamlet semi-empirical formula and Urizar，then finding the formul

3、ation with detonation velocity greater than 8000ms-1 when the actual density exceeds 90% the density of theoretical charge。Finally,casting the useful formulations become desire shape,testing the detonation velocity,compatibility and critical diameter,in order to improve the shock wave sensitivity an

4、d detonation we can treat process and add to additives，then the promising formulation will be gained。Keywords: cast explosives, explosives of carrier,DNP,CL-20, detonation velocity,critical diameter1 引言1.1 設(shè)計(jì)背景隨著高科技武器的快速發(fā)展，武器系統(tǒng)對彈藥提出了更加苛刻的要求，不僅要求能高效精確的實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的精確打擊和毀傷，并且武器研究人員把安全性和高可靠性作為主要目標(biāo)1。對常見的注裝法、壓裝

5、法和螺旋裝藥法裝藥工藝而言，壓裝法是一種很古老的裝藥方法，用于壓裝法的炸藥較廣和壓裝藥柱的沖擊波感度比注裝藥柱明顯的大這兩個(gè)顯著特點(diǎn)，使壓裝法仍然是一種主要的裝藥方法。如上所述，由于壓裝藥柱的沖擊波感度明顯大于注裝藥柱，這是由于壓裝藥柱的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)所決定它受沖擊波作用時(shí)，很容易產(chǎn)生熱點(diǎn)而發(fā)展成為爆轟。故當(dāng)今武器系統(tǒng)中多采用壓裝傳爆藥柱對主裝藥進(jìn)行起爆，小口徑彈藥也必須用壓裝法裝藥，為的是彈藥能適時(shí)的確實(shí)起作用。但是壓裝法的應(yīng)用也有一定局限性，如形狀復(fù)雜、藥室有突起部分的彈體，采用壓裝法的藥柱其機(jī)械性能、裝藥密度等也會受到限制。其次由于鈍感主裝藥的出現(xiàn)，對引信爆炸序列中的傳爆藥柱提出了更高要求，傳

6、統(tǒng)的圓柱形傳爆藥柱很難適應(yīng)鈍感主裝藥的可靠引爆要求。而注裝法的裝藥密度、機(jī)械性能、連續(xù)化等都優(yōu)于壓裝法，且可以注裝為各種形狀，可以通過聚能效應(yīng)來提高傳爆藥柱起爆能力。但由于注裝法對炸藥的特殊要求，如熔鑄炸藥載體及高能主體炸藥的選擇，熔鑄過程中對熔鑄炸藥常見的疵病如氣孔、縮孔、裂紋等，這些都給熔鑄炸藥的配方設(shè)計(jì)及制備帶來了障礙，故許多炸藥的應(yīng)用受到限制，例如對一些熔點(diǎn)較高、且接近于熔點(diǎn)要分解的炸藥，只能以固相顆粒加入到熔化旳TNT或其它低熔點(diǎn)炸藥中，作為注狀混合炸藥來使用。眾所周知，傳爆藥是一類由猛炸藥組成的物質(zhì)，其沖擊波感度高于相應(yīng)的主裝藥。在實(shí)際的使用中，人們通常把傳爆藥制成導(dǎo)爆管、導(dǎo)爆藥柱

7、、傳爆管、傳爆藥柱、擴(kuò)爆元件及爆炸邏輯網(wǎng)絡(luò)等元件。傳爆藥品種、能量、傳爆方式、安全性及其同主裝藥的匹配關(guān)系，是武器和引信設(shè)計(jì)人員必須考慮的重要問題2。在設(shè)計(jì)引信時(shí)，以前往往重視可靠性，忽視安全性，造成武器在戰(zhàn)場上生存能力差，有時(shí)出現(xiàn)意外事故，因此，二者必須同時(shí)兼顧。在傳爆藥的發(fā)展史上大概經(jīng)歷了單質(zhì)炸藥、熔鑄炸藥、撓性炸藥及鈍化黑索金及其他猛炸藥等階段，這是人類對能量和安全性雙重要求下而不斷改進(jìn)配方的結(jié)果。傳爆藥是鄰近主裝藥的用以傳遞和擴(kuò)大爆轟波的炸藥，故其作為主發(fā)裝藥應(yīng)有足夠的起爆能力用于起爆主裝藥，而作為被發(fā)裝藥則應(yīng)有足夠的沖擊波感度，以便能被雷管可靠起爆。而對于現(xiàn)今的壓裝傳爆藥柱而言，弱的

8、力學(xué)性能、密度低及在壓裝時(shí)的危險(xiǎn)性等的考慮，所以決定探索熔鑄傳爆藥的可行性。1.2 設(shè)計(jì)目的及意義高能炸藥的固相顆粒加入到熔融態(tài)炸藥基質(zhì)中形成懸浮狀流動態(tài)進(jìn)行鑄裝的混合炸藥統(tǒng)稱為熔鑄炸藥。在20世紀(jì)初以 TNT 為基的熔鑄炸藥開始廣泛替代以苦味酸為基的易熔混合炸藥，普遍裝填于榴彈、反坦克、破甲彈、地雷、火箭彈、導(dǎo)彈等各類彈藥，曹端林等3對現(xiàn)今國內(nèi)外熔鑄炸藥載體進(jìn)行了綜述，介紹了近20年來發(fā)展的18種熔鑄炸藥載體的物化性能、爆轟性能及合成方法，分析了它們作為載體炸藥的優(yōu)缺點(diǎn)；Ravi Pasupala4等對20多種載體炸藥進(jìn)行了綜述，對其結(jié)構(gòu)式、性能參數(shù)和合成路徑進(jìn)行了全面的介紹。通過了解，發(fā)現(xiàn)

9、以 TNT為載體的熔鑄炸藥在軍用混合炸藥的比例曾高達(dá)90%以上。由于熔鑄炸藥成本低廉、成型性能好、適應(yīng)各種形狀藥室的裝藥、自動化程度高等，故其在軍用混合炸藥中的地位還無可替代。由于熔鑄炸藥各方面的優(yōu)越性能，對設(shè)計(jì)一種熔鑄傳爆藥配方以滿足其在傳爆序列中可靠而穩(wěn)定的傳遞和擴(kuò)大爆轟波的作用帶來了可能。但對于絕大多數(shù)熔鑄炸藥來說，粗結(jié)晶、縮孔、氣孔、裂紋等均為其生產(chǎn)、制造過程中的疵病。粗結(jié)晶的藥柱結(jié)構(gòu)疏松，密度和強(qiáng)度都較低，當(dāng)炮彈發(fā)射時(shí)，在慣性的作用下，可能使藥柱破裂摩擦而造成膛炸，且粗結(jié)晶藥柱的爆轟感度低，還容易引起藥柱起爆不安全等。藥柱中的縮孔、氣孔和裂紋，都會使藥柱強(qiáng)度降低，產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，在

10、炮彈發(fā)射時(shí)導(dǎo)致膛炸。所以注裝工藝的主要任務(wù)就是要獲得無疵病的優(yōu)質(zhì)藥柱，這樣才能保證熔鑄藥柱的力學(xué)性能、安全性和能量輸出等。鄭寶輝等5對國內(nèi)外熔鑄炸藥的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢進(jìn)行了研究，提出了熔鑄炸藥是目前戰(zhàn)斗部最主要的裝藥方式之一，但是現(xiàn)有以 TNT 為載體的熔鑄炸藥配方在能量、安全性、裝藥質(zhì)量和力學(xué)性能等方面存在明顯缺陷。主要為以TNT為載體的熔鑄炸藥存在著滲油、空隙、機(jī)械性能差等特點(diǎn)，且其能量性能主要取決于基本藥的含量，基本藥含量越高能量越高，但隨著基本藥含量的變高其粘度就會變大，使其鑄裝性能下降，以至無法裝填。而熔鑄炸藥中炸藥熔融體系的流變性是影響其澆鑄性能、成型性能和產(chǎn)品質(zhì)量的主要因素，通

11、過采用表面光滑的球形固相材料、進(jìn)行顆粒級配、加入添加劑等都是改善流變性能的有效方法。為改善熔鑄炸藥的工藝性能，李俊龍6等認(rèn)為一般可以加入添加劑以改變黏度，利用加入適量電性的表面活性物質(zhì)，可使其首先吸附在主體炸藥粒子表面，減少熔鑄炸藥流動的內(nèi)摩擦，既起到潤滑的作用，又可防止主體炸藥粒子過多地吸附熔態(tài)炸藥載體，使游離的炸藥載體增多，降低熔融炸藥的黏度，便于工藝操作。反之如果粘度太小，同樣可以加入添加劑來改變。王政等7以球形化RDX/DNAN為基的高致密熔鑄裝藥的可行性和優(yōu)越性進(jìn)行了研究，結(jié)果表明相同配比下球形化RDX的TNT基高致密炸藥相對于使用普通RDX的TNT基高致密熔鑄炸藥，其密度更高，沖擊

12、波感度更低。對提高配方的安全可靠性提供了新思路。李子鋒等8研究了添加劑對B炸藥（40TNT/60RDX）流變性的影響，實(shí)驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)：具有極性基團(tuán)和非極性基團(tuán)的兩部分添加劑，其極性基團(tuán)優(yōu)先吸附在RDX 表面，非極性基團(tuán)則起到隔離RDX和TNT的作用；添加劑非極性基團(tuán)的結(jié)構(gòu)對降低40TNT/60RDX的黏度有一定的影響，帶側(cè)鏈結(jié)構(gòu)的添加劑的降黏效果比直鏈結(jié)構(gòu)添加劑明顯。 而主體炸藥的能量性能又是決定熔鑄炸藥輸出能量的又一關(guān)鍵因素，NTO、HMX、TATB、CL-20等高能量密度材料由于對炸藥的能量密度越來越高的要求而應(yīng)運(yùn)而生。這些對傳爆藥的高能輸出提供了可能。通過研究國內(nèi)外熔鑄炸藥載體和高能炸藥來設(shè)

13、計(jì)一種熔鑄傳爆藥配方以達(dá)到對現(xiàn)今要求的鈍感主裝藥的可靠起爆，同時(shí)用kamlet半經(jīng)驗(yàn)式計(jì)算當(dāng)實(shí)際密度達(dá)到理論裝藥密度90%以上的爆速大于8000ms-1，藥柱臨界直徑小于0.5mm，熔點(diǎn)低于100的配方要求，用MS軟件模擬等進(jìn)行模擬，通過對熔鑄工藝的探索和改進(jìn)以制造出符合力學(xué)性能、安全性能的藥柱，因此對熔鑄傳爆藥來說這些都必須在配方設(shè)計(jì)及制備中得以解決。2 配方成分選擇 參考國內(nèi)外熔鑄炸藥配方設(shè)計(jì)，如Pentolite（50%PETN+50%TNT）、B炸藥（59.5%RDX+39.5%TNT+1.0%蠟）和Cyelotol（60%75%RDX+25%40%TNT）等9，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)熔鑄藥配方均

14、以載體炸藥和基本藥的形式來設(shè)計(jì)熔鑄藥配方，且均以基本藥來提供主要能量輸出。故現(xiàn)主要目的為熔鑄炸藥連續(xù)相和主體炸藥的選擇。2.1 熔鑄炸藥連續(xù)相選擇熔鑄炸藥載體可通過硝硫混酸、發(fā)煙硝酸和硝酸乙酸酐等硝化劑硝化合成，由此可知其合成對環(huán)境和人體健康都會產(chǎn)生危害。由于熔鑄炸藥的熔鑄、成型工藝和環(huán)保要求，理想的熔鑄炸藥應(yīng)該具有以下性質(zhì)：（1）熔點(diǎn)為70120；（2）低蒸汽壓（較低的毒氣吸入量）；（3）在熔點(diǎn)和化學(xué)分解開始之前有足夠的電荷分離；（4）冷卻時(shí)沒有收縮和擴(kuò)張；（5）彈藥和彈殼間沒有間隙；（6）高密度和優(yōu)良的爆炸性能:（7）不過早爆炸；（8）綠色合成3。 通過對國內(nèi)外熔鑄炸藥研究現(xiàn)狀的了解，蔣秋

15、黎等10在尋找替代TNT的用于熔鑄炸藥的液相載體時(shí)，對TNAZ/DNTF最低共熔物進(jìn)行了研究和表述，其性能結(jié)果如表1：表1 計(jì)算結(jié)果和實(shí)測結(jié)果對比表炸藥密度/（gcm -3）爆速/（mS -l）爆熱/（Jg-1）TNAZ計(jì)算值實(shí)測值1.841.649000753060275168DNTF計(jì)算值實(shí)測值1.931.739250804060545478TNAZ/DNTF計(jì)算值實(shí)測值1.881.738824796260385454B炸藥計(jì)算值實(shí)測值1.741.657757711651094774由表1知，TNAZ/DNTF比例為60/40時(shí)最低共熔物的熔鑄密度可達(dá)92.0%最大理論密度，均高于純的單體

16、，其實(shí)測值為=1.73gcm-3，爆速7962ms-1，爆熱5454Jg-1，基本高于B炸藥的理論值。若作為熔鑄炸藥液相載體添加RDX或CL-20等高能炸藥，其爆轟能量將更高，這與傳統(tǒng)的TNT基熔鑄炸藥相比，能量和毀傷威力將大幅提升。王親會等11通過研究DNTF/TNT最低共熔物，然后加入高能物質(zhì)HMX組成新型熔鑄炸藥，且發(fā)現(xiàn)其裝藥密度為l.86 gcm -3，爆速8800 mS -l，做功能力l59%TNT當(dāng)量。結(jié)果如表2：表2 DNTF/TNT的組成和性能DNTF/%TNT/%熔點(diǎn)/max/gcm -3vD/mS -l010080.91.65469703862571.74877526238

17、801.81982977921921.870870990101001.904898610001101.9379250從計(jì)算結(jié)果知，二者最低共熔點(diǎn)在80100時(shí)，其密度均大于1.80gcm-3，爆速均大于8000ms-1，可以作為高性能載體炸藥使用。DNP為一種高能熔鑄炸藥載體，其熔點(diǎn)486，=1.81gcm-3，爆速8240ms-1，爆壓28.80GPa，撞擊感度適中，摩擦感度低，熱穩(wěn)定性也較好，既符合熔鑄炸藥載體的低熔點(diǎn)也具有高能量輸出的特點(diǎn)。相比于TNT的80.8，=1.64gcm-3，爆速6940ms-1，爆壓29.0GPa而言，DNP的爆速和密度都要優(yōu)于TNT，這可以保證傳爆藥在爆炸序

18、列中任務(wù)的完成，是一種應(yīng)用前景很好的載體炸藥。現(xiàn)考慮以DNP、TNAZ/DNTF最低共熔物或TNT/DNTF最低共熔物為熔鑄炸藥連續(xù)相。由上知，TNAZ/DNTF及TNT/DNTF與DNP的性能參數(shù)比較知其性能參數(shù)相近，考慮到熔鑄過程的簡單化、原料易得及經(jīng)濟(jì)環(huán)保等要求，再由于能量輸出主要以主體炸藥為主，現(xiàn)決定應(yīng)用DNP作為熔鑄炸藥載體。下為DNTF（二硝基呋咱氧化呋咱）、TNAZ（1,3,3-三硝基氮雜環(huán)丁烷）和DNP（3,4-二硝基吡唑）的結(jié)構(gòu)式： 2.2 熔鑄炸藥中主體炸藥選擇2.1.1 傳爆藥中常用主炸藥及其要求傳爆藥應(yīng)具有足夠的安全性、良好的安定性和相容性，對熱、撞擊、摩擦、火焰、靜電

19、放電以及各種輻射等能量的感度較低，以便于勤務(wù)處理，保證生產(chǎn)加工、運(yùn)輸和使用安全；并要求其對沖擊波和爆轟波的感度較高，以保證較易起爆，且作用確實(shí)可靠。所以熔鑄傳爆藥配方中對主體炸藥的選擇應(yīng)該考慮其爆轟性能和沖擊波感度及原材料的易得性等，傳爆藥中常用單質(zhì)猛炸藥有太安（PETN）、黑索金（RDX）、奧克托今（HMX）、六硝基芪（HNS）等。數(shù)十年來，RDX、HMX一直作為高能炸藥的代表，特別是RDX成本相對低廉，是熔鑄炸藥配方的主要增能組分，廣泛應(yīng)用于各種戰(zhàn)斗部裝藥。RDX、HMX、HNS和PETN的性能參數(shù)，各自參數(shù)如表3：表3 火工品常用單質(zhì)猛炸藥的性能比較8炸藥名稱熔點(diǎn)/爆發(fā)點(diǎn)（5s，）撞擊感

20、度（10kg落錘，25cm落高的爆炸概率）爆速/（ms-1）密度/（gcm-3）RDX20426080%86401.82HMX280300327100%91001.90HNS31435071001.70PETN141222228100%85001.74由表1知， 由表中的數(shù)據(jù)可知，HMX和PETN的撞擊感度太高，與傳爆藥的勤務(wù)處理、生產(chǎn)加工等的安全性要求不符，而HNS的密度和爆速相對于RDX而言太低。下圖為HNS（2.2，4,4，6,6-六硝基均二苯基乙烯）、RDX（環(huán)三亞甲基三硝胺）和HMX（環(huán)四亞甲基四硝胺）的結(jié)構(gòu)式： 2.1.2 現(xiàn)今高能炸藥介紹而對于傳爆藥中的主體炸藥除了上述幾種之外還

21、有六硝基六氮雜異戊茲烷（CL-20）、三氨基三硝基苯（TATB）等。TATB炸藥為對高溫、沖擊和撞擊非常鈍感的高威力炸藥（=1.847gcm-3，爆速7660ms-1，爆壓25.9GPa）12,這些不利于傳爆藥的能量輸出和傳爆。CL-20是目前獲得實(shí)際使用的典型高能量密度化合物(HEDC)，歐育湘等13介紹了CL-20在混合炸藥、推進(jìn)劑、發(fā)射藥中的應(yīng)用特點(diǎn)及成果，其中有些混合炸藥配方如PAX-11及PAX-29等已經(jīng)克服了CL-20的高感度缺點(diǎn)，有效的提高了炸藥配方的威力；含CL-20的推進(jìn)劑雖然感度較高，但其具有能量輸出高、低特征信號等優(yōu)點(diǎn)；含CL-20的發(fā)射藥比含RDX的發(fā)射藥能量有所提高

22、，而感度與之相當(dāng)。李海星研究了采用CL-20為主體炸藥，并經(jīng)過細(xì)化、顆粒級配等，再與HTPB、硅橡膠、GAP等熱固性粘結(jié)劑組成混合炸藥，然后加入增塑劑和其他添加劑，用各種注射工藝將混合炸藥注射進(jìn)小尺寸的溝槽中，且要確保性能參數(shù)和炸藥在溝槽中傳爆。Turcotte Richard等14CL-20的熱分解進(jìn)行了研究，對CL-20在熔鑄過程中的應(yīng)用提供了依據(jù)。對鑒于CL-20在混合炸藥、推進(jìn)劑、發(fā)射藥中的應(yīng)用，故考慮其在傳爆藥中的使用，以期能達(dá)到更高的能量輸出。在已知的四種晶型(）中，以CL-20密度最高、穩(wěn)定性最好等，且能夠和大多數(shù)粘結(jié)劑與增塑劑相容，這些優(yōu)點(diǎn)都使HNIW在混合炸藥的使用中引起了廣

23、泛的關(guān)注15，如多種含HNIW的塑料粘結(jié)炸藥（PBX）的混合炸藥配方及由HNIW與粘結(jié)劑組成的推進(jìn)劑或炸藥配方能顯著提高武器的燃燒速度、比沖和爆炸性能?，F(xiàn)比較其與其它能量物質(zhì)，表4匯集了三種應(yīng)用最廣泛的含能化合物梯恩梯（TNT）、黑索金（RDX）、奧克托今（HMX）與CL-20的能量指標(biāo)及安全性能方面的比較。表4 含能化合物TNT、RDX、HMX和CL-20能量指標(biāo)與安全性比較12項(xiàng)目TNTRDXHMXCL-20密度/gcm-31.651.821.902.04氧平衡/%-74.0-21.6-21.6-10.9標(biāo)準(zhǔn)生成焓/kJmol-1-45.492.6104.8460.0爆速/kms-16.9

24、（相對密度91.64gcm-3）8.6（相對密度91.77gcm-3）9.0（相對密度91.88gcm-3）9.6（計(jì)算值）爆壓/GPa19343943（計(jì)算值）爆容/cm3g-1738903886827摩擦感度/N35312012054撞擊感度/Nm157.47.44閃點(diǎn)/300230287228數(shù)值越小，感度越高。 由表2可知，CL-20與RDX和HMX相比不僅密度大，而且爆速和標(biāo)準(zhǔn)生成焓都遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于它們，而CL-20的摩擦感度和撞擊感度均大于RDX和HMX，給傳爆藥的勤務(wù)處理和安全生產(chǎn)帶來了障礙，但由于對高的撞擊感度可以使傳爆藥的更可靠起爆而高的能量輸出又可以提供足夠的能量來引爆主裝藥的考

25、慮，同時(shí)可以通過給配方中加入鈍感劑或通過改晶等方式來解決高感度的問題，而RDX的能量輸出較Cl-20小，再由于CL-20在發(fā)射藥、推進(jìn)劑、混合炸藥中得到廣泛的應(yīng)用和研究，但在傳爆藥中卻非常少。綜合考慮決定用Cl-20作為熔鑄傳爆藥配方中的主體炸藥。炸藥的顆粒品質(zhì)與能量性能有密切關(guān)系，顆粒品質(zhì)包括外部品質(zhì)（顆粒間品質(zhì)）和晶體品質(zhì)（顆粒內(nèi)品質(zhì)或內(nèi)部品質(zhì)）。如CL-20的四種不同晶型所表現(xiàn)出的能量性能和各種感度均有所差異，因此對炸藥顆粒進(jìn)行適當(dāng)?shù)谋砻娓男蕴幚硎翘岣哒ㄋ幇踩械挠行Чに嚪椒?6，用鈍感劑包覆能有效的降低炸藥的機(jī)械感度，同時(shí)過多的使用又會損耗炸藥的輸出能量，而含能低感包覆劑可以有效解決這

26、個(gè)問題。綜合考慮采用晶型為-CL-20做主體炸藥。下為TATB（三硝基均苯三胺）和CL-20（六硝基六氮雜異伍茲烷）的結(jié)構(gòu)式： 2.3 其他成分的選擇 熔鑄炸藥的感度、流變性。塑性等對熔鑄炸藥的能量輸出、力學(xué)性能、注裝工藝及安全性等起到非常重要的作用。感度是衡量火炸藥在受到一系列標(biāo)準(zhǔn)模擬作用力下能夠分解、燃燒、爆炸等的難易程度，影響炸藥感度的因素是多方面的，如各組分的化學(xué)、物理狀態(tài)與結(jié)構(gòu)、相容性等。國內(nèi)外學(xué)者己開展了大量研究工作，以尋找行之有效的改善炸藥感度的途徑和方法。使用低感添加劑是降低炸藥感度方便有效的方法，代表物有蠟類物質(zhì)和聚乙烯吡咯烷酮5，Sivabaland等17通過超聲波處理的C

27、L-20進(jìn)行了沖擊和摩擦感度性試驗(yàn)，結(jié)果表明感度特性大大降低。對傳爆藥而言主要考慮藥劑的沖擊波感度和撞擊感度，傳爆藥的沖擊波感度不能太低以免不能被雷管可靠引爆，撞擊感度同樣不能太高，否則會給勤務(wù)處理及安全生產(chǎn)帶來隱患，合適的感度不僅可以確保藥柱被可靠起爆且可以對彈藥的成型加工及勤務(wù)處理帶來安全性保證?，F(xiàn)參考B炸藥（59.5%RDX+39.5%TNT+1.0%蠟）的配方，決定加入1.0%的蠟作為鈍感劑。流變性是指物質(zhì)在外力作用下的變形和流動性質(zhì)，主要指加工過程中應(yīng)力形變、形變速率和粘度之間的聯(lián)系。Dawer Sun等18通過對熔鑄炸藥進(jìn)行數(shù)值和經(jīng)驗(yàn)的研究，認(rèn)為對熔鑄炸藥而言，流變性是影響熔鑄炸藥

28、澆鑄性能、成型性能和產(chǎn)品質(zhì)量的主要因素，并在不同冷卻溫度、應(yīng)力分布、粘度下進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。采用表面光滑的球形固相材料、進(jìn)行顆粒級配、加入添加劑等都是改善流變性能的有效方法，對熔鑄藥常見疵病的防治起到了特別重要的作用。利用加入適量電性的表面活性物質(zhì)，可使其首先吸附在主體炸藥粒子表面，減少熔鑄炸藥流動的內(nèi)摩擦，既起到潤滑的作用，又可防止主體炸藥粒子過多地吸附熔態(tài)炸藥載體，使游離的炸藥載體增多，降低熔融炸藥的黏度，便于工藝操作5。反之如果粘度太小，同樣可以加入添加劑來改變。為了改變?nèi)坭T體的力學(xué)性能，現(xiàn)決定加入增塑劑和固化劑來提高。李俊龍等19采用HNIW/HTPB分別為高能填料和粘結(jié)劑在真空澆注法下

29、制備傳爆藥，在熔鑄時(shí)就加入了TDI（固化劑）和DBP（增速劑），本文參考其添加比，決定以TDI/DPB比為0.5/0.5加入配方中。3 配方理論計(jì)算3.1 性能參數(shù)計(jì)算3.1.1 kamlet法計(jì)算爆速熔鑄傳爆藥配方成分的初步確定，鑒于R.Sundararajan等20通過一種簡單的方法來估計(jì)有機(jī)混合物炸藥的爆速，該方法基于簡單的化學(xué)計(jì)量平衡來預(yù)估，為初步確定炸藥的配方提供了依據(jù)。現(xiàn)提出以DNP為連續(xù)相，CL-20為固相的初步配方設(shè)計(jì)，其中CL-20/DNP分別以50/50、55/45、60/40、65/35、70/30配比20，運(yùn)用kamlet半經(jīng)驗(yàn)法估算各配比的爆速。kamlet半經(jīng)驗(yàn)法可

30、以用于估算含碳-氫-氧-氮-氟炸藥的爆速，誤差一般在3%以下。它只需要知道炸藥的分子式、初始密度和生成焓，就可以算出爆轟參數(shù)。由于蠟和固化劑、粘結(jié)劑等所占比例及其能量輸出都非常小，故在計(jì)算配方爆轟參數(shù)計(jì)時(shí)不予考慮。表5為成分主要參數(shù)，其中爆速計(jì)算公式如下： vD=0.7062（1+1.300） （1-1） =N （1-2）式中：vD炸藥的爆速，kms-1； 0炸藥的初始密度，gcm-3（0=0.90TMD）； N每克炸藥爆轟氣體產(chǎn)物的物質(zhì)的量，molg-1； M氣體爆轟產(chǎn)物的平均相對分子質(zhì)量； Q爆熱，Jg-1。表5 配方主要成分及其參數(shù)炸藥分子式相對分子質(zhì)量密度/gcm-3生成焓/kJmol

31、-1CL-204382.04460.0DNP1581.81120.1參數(shù)計(jì)算公式如下： TMD= (1-3) Hf=+ （1-4） N= （1-5） M= （1-6） Q= （1-7）式中:-混合炸藥中各組分的體積; ,-分別為RDX、DNP在配方中的含量； a、b、c、d-分別表示質(zhì)量為1kg時(shí)混合物中碳、氫、氧、氮元素組成為。表6 kamlet法計(jì)算不同成分配比的爆速、爆熱理論計(jì)算結(jié)果成分配比（CL-20/DNP）vD/kms-1TMD/gcm-3Q/Jg-150/508.051.9185566.6855/458.111.935588.1460/408.1651.9415612.78865

32、/358.2751.9535635.01370/308.2791.9655658.069由表6中計(jì)算結(jié)果可知，隨著組分中CL-20含量的不斷增加，配方的爆熱、爆速及最大理論密度都逐漸變大，按照能量輸出越高越好的原則，應(yīng)該選擇爆速最大的配方，但是隨著配方中主體炸藥含量的增多，混合體系的流變性就會相應(yīng)的變差，而能量輸出又是主要以主體炸藥的含量而表征的，它們之間相互掣肘。李俊龍等18通過對主體炸藥進(jìn)行顆粒級配能很好的解決這個(gè)問題，這樣既可以增大裝藥密度，又可以使裝藥更加均勻，對能量均勻、穩(wěn)定的輸出能起到很好的促進(jìn)作用，對注裝工藝的易操作化也有很大的幫助。圖1 一定配比下爆速和密度關(guān)系圖 圖1 一定配

33、比下爆速和爆熱關(guān)系圖3.1.2 Urizar法計(jì)算爆速上文通過kamlet法計(jì)算了理論爆速，這里將通過Urizar法計(jì)算配方理論爆速，陳魯英等16通過Urizar公式計(jì)算含Cl-20炸藥配方的爆速，發(fā)現(xiàn)計(jì)算值與實(shí)測值基本一致。所以本文通過兩者的比較來確定更準(zhǔn)確的確定配方性能參數(shù)，表7為成分參數(shù)，計(jì)算公式如下： Dmax=DiVi (2-1)式中：Dmax混合炸藥的理論最大爆速； Di組分i的特征爆速； Vi組分i的體積分?jǐn)?shù)。表7 配方主要成分及其參數(shù)成分爆速/kms-1密度/gcm-3CL-209.62.04DNP8.241.81 D0=Dmax/4 + Dmax0/TMD (2-2)式中：0

34、裝藥實(shí)際密度（0=0.90TMD）； TMD 裝藥的理論最大密度； D0裝藥在密度為0時(shí)的爆速。表8 Urizar法計(jì)算不同配方的計(jì)算結(jié)果成分配比（CL-20/DNP）vD/kms-1TMD/gcm-350/508.211.91855/458.281.9360/408.341.94165/358.401.95370/308.471.965 為了更好的比較kamlet法計(jì)算的爆速和Urizar法的差異，現(xiàn)繪制如圖3所的圖形來說明問題，如圖所示，在相同配比下Urizar法計(jì)算的爆速值略高于kamlet法計(jì)算的爆速值。圖3 一定配比下kamlet法和Urizar法計(jì)算的爆速對比關(guān)系圖3.2 配方最終

35、確定由表6和表8計(jì)算結(jié)果知，kamlet計(jì)算結(jié)果可達(dá)到Urizar結(jié)果的97%以上，且計(jì)算結(jié)果都是在裝藥密度在90%最大理論密度情況下的計(jì)算結(jié)果，且均達(dá)到了大于8000ms-1的要求。譚彥威等21研究表明，當(dāng)主體炸藥/載體炸藥比例大于65/35時(shí)，其爆速實(shí)測值反而降低，參考其熔鑄時(shí)情況可知，這兩個(gè)配方在熔鑄時(shí)流動性變差，當(dāng)注入模具后，藥柱中所夾帶的氣泡不能完全排空，同時(shí)由于液相載體的量減少，藥柱在冷卻過程中，內(nèi)部產(chǎn)生小裂縫等瑕疵，當(dāng)爆轟波傳播到這些瑕疵時(shí)將降低爆速，從而導(dǎo)致整個(gè)藥柱爆速降低，出現(xiàn)不穩(wěn)定爆轟等情況?，F(xiàn)出于對能量和熔鑄時(shí)流變性的考慮，決定使用配方比為65/35的配方，如上文所述，對

36、藥劑感度和力學(xué)性能的考慮，把1%的蠟和以TDI/DPB比為0.5/0.5加入配方中用以分別替代1%的Cl-20和1%的DNP，故最終配方比CL-20/DNP/蠟/TDI/DPB的比為64/34/1/0.5/0.5，加入配方中然后通過熔鑄成型，實(shí)測其能量示性數(shù)和臨界直徑。4 臨界直徑確定4.1 臨界直徑概述炸藥的臨界直徑是描述炸藥爆轟傳播動力學(xué)行為的重要參數(shù)，其在炸藥的應(yīng)用上具有重要的實(shí)際意義22。對于一定裝藥密度的藥柱,隨著藥柱直徑的變化,炸藥的爆速會發(fā)生變化。炸藥的爆轟速度D與裝藥直徑d之間的關(guān)系見圖4。圖中dc為裝藥爆轟的臨界直徑,d1為極限直徑。當(dāng)裝藥直徑小于臨界直徑dc時(shí),裝藥不能傳播

37、爆轟;當(dāng)裝藥直徑大于臨界直徑dc而又小于極限直徑d1時(shí),炸藥的爆速D將隨著裝藥直徑增大而增加;當(dāng)裝藥直徑大于極限直徑d1時(shí), 裝藥中能夠形成穩(wěn)定爆轟, 且其爆速為一定值,此時(shí)炸藥的爆轟被稱為“理想爆轟”。相應(yīng)的, 當(dāng)炸藥爆速隨著裝藥直徑的變化而改變時(shí)的爆轟即被稱為“非理想爆轟”。在外在能量激發(fā)下, 能使炸藥爆速成長的最小裝藥尺寸為臨界尺寸。其中臨界直徑dc是衡量炸藥爆轟成長能力和傳播能力的量。炸藥的爆轟能力愈強(qiáng), 爆速也愈大。其數(shù)值是由裝藥密度、溫度、初始粒度、約束條件、組成和炸藥的化學(xué)性質(zhì)以及物理狀態(tài)決定的23。Robert等運(yùn)用動力學(xué)敬個(gè)模型對臨界直徑和爆速24其中王作山25等在裝藥尺寸對

38、傳爆藥可靠性的影響中重點(diǎn)討論了強(qiáng)和弱約束下傳爆藥柱臨界直徑的變化，馮志紅等22在炸藥粒度對臨界直徑的影響進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。這些研究對改變炸藥臨界直徑的方法提供了有意義的參考。D0 dc dl d圖4 炸藥爆速D與臨界直徑d之間的關(guān)系4.2 國內(nèi)外臨界直徑測定方法概述現(xiàn)今測定炸藥臨界直徑主要有試驗(yàn)測定和模擬預(yù)測兩種方法。試驗(yàn)測定dcr主要方法有錐形管法、塔型藥片發(fā)和平板型樣品發(fā)三種26.李俊龍等19在HNIW/HTPB傳爆藥的制備及性能研究時(shí)采用了如圖1所示的裝置采用不同直徑的藥柱測定了其配方的臨界直徑，實(shí)際測定時(shí)需要把藥柱做成不同直徑的圓柱形狀，用雷管引爆，看其爆轟波是否在該直徑下能穩(wěn)定傳播來

39、確定炸藥的臨界直徑。主要過程為將裝于銅管中的藥柱置于鋁鑒定塊表面并固定好后將雷管置于銅管一端，中心與銅管對齊，引火頭對準(zhǔn)雷管，用起爆器起爆。裝藥直徑分別為0.4mm、0.6mm、0.8mm三種，用沖擊片雷管引爆，鋁塊做鑒定塊。這種方法不僅對藥劑浪費(fèi)較多，而且測定時(shí)也較繁瑣，不利于臨界直徑的測定。傳統(tǒng)的測試方法需要較多的試樣，且對測試裝置有一定的要求，還要進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。隨著計(jì)算機(jī)模擬軟件功能的不斷完善，對炸藥臨界直徑的測定變得更加方便和快捷。于國強(qiáng)等27利用Elam神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對一定粒度、密度下的RDX、PA、TNT三種單質(zhì)炸藥的臨界直徑進(jìn)行了比較準(zhǔn)確的預(yù)測。馮志紅等28通過LS-DY

40、NA2D程序模擬了爆轟波傳播過程，得到楔形和圓柱形裝藥的臨界直徑，其實(shí)驗(yàn)得到了用LS-DYNA2D程序模擬來測定炸藥臨界直徑的可行性。4.3 臨界直徑測定對本文中的臨界直徑擬采用傳統(tǒng)方法進(jìn)行測定。將按照kamlet方法計(jì)算的爆速符合在裝藥密度為90%以上理論密度時(shí)爆速大于8000ms-1的最終確定的配方進(jìn)行熔鑄，在一定溫度下，使加入到反應(yīng)釜中的DNP完全融化，后將已經(jīng)級配好（大小粒度CL-20的比例為1：3）的主體炸藥CL-20和添加劑按配方配比加入到反應(yīng)釜中，用攪拌器在一定轉(zhuǎn)速下攪拌使溶液均勻混合，形成懸浮液。然后通過水浴加熱以及真空抽濾用來除去部分氣泡等，使之成為具有一定流動性的粘稠狀流體

41、，然后將藥漿倒入具有一定直徑的銅殼（直徑分別有0.4、.06、0.8mm、1.0mm四種）模具中而制成藥柱，采用如圖所示裝置進(jìn)行測定，測定結(jié)果發(fā)現(xiàn)參考文獻(xiàn)1 任務(wù)正. 火炸藥技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展M. 北京: 兵器工業(yè)出版社, 1995, 1: 193-199. 2 孫國祥，戴蓉蘭.國內(nèi)外傳爆藥的發(fā)展概況-傳爆藥的品種發(fā)展J.現(xiàn)代引 信,1995,12(1):46-47,55.3曹端林,李雅津,杜耀等.熔鑄炸藥載體的研究評述J.含能材料,2013,21(2):157-165.4 Ravi Pasupala,Dilip Badgujar M,Gore Girish M,et al.Review on M

42、elt Cast ExplosivesJ.Propellants Explos Pyrotech,2011,36(5):393-403.5 鄭保輝,羅觀,舒遠(yuǎn)杰等.熔鑄炸藥研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢J.化工進(jìn)展,2013,(6):1341-1346.6 李海興.CL-20基低臨界傳爆藥的配方設(shè)計(jì)及裝藥工藝初探D.中北大學(xué),2014.7 王政,芮久后,趙雪等.DNAN基高致密熔鑄炸藥裝藥安全性研究J.廣東化工,2015,42(24):6-7,24.8 李子鋒，徐軍培，宋正剛. 添加劑對 B 炸藥流變學(xué)性質(zhì)的 影響J. 火工品，2001（4）：29-31. 9 韋愛勇，單質(zhì)與混合火工藥劑M.哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)出版社.2014,2:27-69.10 蔣秋黎,王浩,羅一鳴,王瑋,王紅星,高杰,趙凱. TNAZ/DNTF最低共熔物的熔鑄性能J. 火工品,2014,03:42-45.11 王親會.DNTF基熔鑄炸藥的性能研究J.火炸藥學(xué)報(bào),2003,26(3):57-59.12 馬婷婷,茍瑞君,李文軍,王義寧