納米鋁對(duì)DNTF壓裝混合炸藥的爆熱和熱安定性影響

姚李娜，王彩玲，戴致鑫，王海清，刁小強(qiáng)，趙省向

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納米鋁對(duì)DNTF壓裝混合炸藥的爆熱和熱安定性影響

姚李娜1，王彩玲1，戴致鑫1，王海清2，刁小強(qiáng)1，趙省向1

（1.西安近代化學(xué)研究所，陜西 西安，710065；2.北方特種能源集團(tuán)西安慶華公司，陜西 西安，710025）

采用機(jī)械混合法制備了含5%納米鋁和含25%微米鋁的DNTF壓裝混合炸藥，測(cè)試了混合炸藥的機(jī)械感度和爆熱，同時(shí)對(duì)混合炸藥的熱安定性進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：與含30%微米鋁的炸藥對(duì)比，此炸藥機(jī)械感度較低，但其爆熱略低于含30%微米鋁炸藥；此炸藥真空安定性?xún)?yōu)于含30%微米鋁炸藥，5s爆發(fā)點(diǎn)高，且其熱失重率低于含微米鋁炸藥，說(shuō)明加入納米鋁在一定程度上提高了DNTF壓裝混合炸藥的熱穩(wěn)定性。

DNTF基壓裝炸藥；納米鋁粉；熱安定性；爆熱

DNTF（3，4－二硝基呋咱基氧化呋咱）作為一種新型高能量密度材料，能量密度介于HMX和CL-20之間。其高能量體現(xiàn)在其分子內(nèi)無(wú)氫、多氧多氮、氧平衡好、結(jié)晶密度高（1.937g/cm3）、爆速大（9 250m/s）、生成熱大（644.3kJ/moL）、爆熱高（6 054J/g），具有廣泛的應(yīng)用前景[1]。含鋁炸藥作為一類(lèi)高密度、高爆熱的高威力炸藥，已被廣泛應(yīng)用在水中兵器和對(duì)空武器彈藥[2]。鋁粉作為一種高熱值的金屬添加劑，可以提供炸藥的爆熱、爆溫，延長(zhǎng)炸藥爆轟反應(yīng)的時(shí)間，從而增強(qiáng)炸藥在周?chē)橘|(zhì)中的沖量，提高炸藥的作功能力，因此在混合炸藥中得到了廣泛應(yīng)用[3]。鋁粉的粒度和活性對(duì)配方的性能有較大影響，因此超細(xì)鋁粉尤其是納米鋁粉在含能材料中的應(yīng)用研究是當(dāng)前的熱點(diǎn)之一。然而，納米鋁粉在含鋁炸藥中的應(yīng)用研究文獻(xiàn)報(bào)道很少[4]。本文通過(guò)試驗(yàn)，研究了以DNTF作主炸藥，微米鋁粉或納米鋁粉作添加劑和新的鈍感粘結(jié)體系組成的DNTF基含鋁混合炸藥，對(duì)不同粒度鋁粉對(duì)DNTF基混合炸藥的爆熱和熱安定性進(jìn)行了試驗(yàn)，分析了其影響原因。

1 試驗(yàn)內(nèi)容

1.1 原材料

DNTF炸藥（西安近代化學(xué)所自制，DNTF粗品重結(jié)晶后，50=137.542μm）；石蠟（68#W，熔點(diǎn)為68℃，中國(guó)石化集團(tuán)撫順石油化工研究院生產(chǎn)）；乙烯與醋酸乙烯酯共聚物（EVA，數(shù)均相對(duì)分子質(zhì)量3 500～4 500，上?；ぱ芯吭海?；石油醚（分析純，天津市津東天正精細(xì)化學(xué)試劑廠(chǎng)）；鋁粉（4.5～5.5μm，活性98.9%，蓋州市金屬粉末廠(chǎng)）；納米鋁粉（活性85.12%，西安近代化學(xué)研究所自制）。

1.2 測(cè)試儀器與方法

撞擊感度試驗(yàn)：根據(jù)GJB 772A-97標(biāo)準(zhǔn)中601.2試驗(yàn)方法，采用經(jīng)過(guò)標(biāo)定的H3.5-10W落錘式撞擊感度儀測(cè)定炸藥試樣的爆炸百分?jǐn)?shù)。落錘質(zhì)量：10kg；藥量：(50±1)mg。試驗(yàn)分2組，每組25發(fā)，共50發(fā)（注：炸藥的撞擊感度≤40％）。

摩擦感度試驗(yàn)：試驗(yàn)按照GJB 772A-97標(biāo)準(zhǔn)中602.1試驗(yàn)方法測(cè)定炸藥試樣的爆炸百分?jǐn)?shù)。表壓：3.92MPa；擺角：（90±1）°；藥量：（50±1）mg。每組25發(fā)，共50發(fā)（注：炸藥的摩擦感度≤40％）。

爆熱試驗(yàn)：按GJB 772A-1997方法701.1進(jìn)行測(cè)試，在3 000比壓下進(jìn)行壓藥，壓制藥柱尺寸Ф25mm×25g（帶8#雷管孔），稱(chēng)量藥柱的質(zhì)量，卡尺量取藥柱的直徑和高度，計(jì)算其藥柱密度，得出炸藥藥柱爆熱。

熱分析試驗(yàn)：采用美國(guó)TA公司TA910S型TGA-DCS儀器，試驗(yàn)條件：鋁樣品池，氮?dú)鈿夥?，試樣量?.0～1.5mg，升溫速率（）為2～10 ℃/min，N2流速為100mL/min。

真空安定性試驗(yàn)：按GJB 772A -1997方法501.2進(jìn)行測(cè)試；

爆發(fā)點(diǎn)試驗(yàn)：按GJB 772A- 1997方法606.1進(jìn)行測(cè)試。

1.3 炸藥樣品制備

含不同鋁粉的DNTF壓裝混合炸藥的配方見(jiàn)表1。

表1 DNTF壓裝混合炸藥配方

Tab.1 Formulations of DNTF pressed mixed explosives

機(jī)械混合法制備工藝過(guò)程：將一定比例鈍感-粘結(jié)劑（鈍感粘結(jié)體系與石油醚的質(zhì)量百分比為1:10）溶于一定量的石油醚中制成鈍感-粘結(jié)體系溶液待用；造粒釜中將DNTF分散于有機(jī)溶劑石油醚（有機(jī)溶劑浸沒(méi)DNTF）中，并在65～70℃條件下浸潤(rùn)10min；加入鈍感-粘結(jié)體系溶液，捏合20min，加入不同鋁粉，捏合1h；自然冷卻，待物料呈半干狀態(tài)，用10目篩網(wǎng)造粒，粒徑控制在0.1～2.0mm之間；將得到的炸藥顆粒放入60～65℃的烘箱中5h，出料，得到DNTF壓裝混合炸藥。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 爆熱

進(jìn)行爆熱試驗(yàn)前，對(duì)制備的炸藥進(jìn)行機(jī)械感度的評(píng)價(jià)，如表2 所示。從表2可以看出，加入不同粒度的鋁粉后，DNTF壓裝混合炸藥的機(jī)械感度均符合國(guó)軍標(biāo)要求（<40%），說(shuō)明鋁粉粒度對(duì)炸藥機(jī)械感度影響不大。

表2 DNTF壓裝混合炸藥性能數(shù)據(jù)

Tab.2 Property data of DNTF pressed mixed explosives

從表2可以看出， DHAE炸藥的成型密度雖高于DAE，但爆熱并不高于DAE炸藥，原因可能是：第一，剛制備的納米鋁活性為85.12%，密封后在空氣氣氛中保存大約60d左右，納米鋁活性降為83.41 %，其活性鋁含量比普通鋁粉（98.9%）低，導(dǎo)致大量含納米鋁的炸藥熱量分散度大于含微米鋁炸藥，使得納米粉雖然被加熱但卻不會(huì)達(dá)到反應(yīng)的溫度閾值，而只有很少一部分得到熱量的鋁粉發(fā)生氧化反應(yīng)釋放能量，從而使主炸藥爆轟釋放的能量總量減少[5]；第二，加入納米鋁的含量不夠。因?yàn)榧{米鋁粉含量低、比表面大、導(dǎo)熱速率快，導(dǎo)致DNTF主炸藥爆轟后釋放的總能量有很少一部分熱量損失，而含有微米鋁的DNTF炸藥爆轟后釋放的總能量都集中在微米鋁表面上，且微米鋁導(dǎo)熱速率慢，因此少量納米鋁的加入會(huì)使混合炸藥的爆熱參數(shù)少量地降低，但在誤差范圍內(nèi)，對(duì)爆熱數(shù)據(jù)的影響不是很大。

2.2 熱安定性

2.2.1真空安定性和5s延滯期爆發(fā)點(diǎn)

取少量DAE和DHAE炸藥的粉末做真空安定性試驗(yàn)和爆發(fā)點(diǎn)試驗(yàn)，數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。由真空安定性數(shù)據(jù)可看出：在100℃、48h、5g試樣的試驗(yàn)條件下，DHAE炸藥的放氣量（0.86mL/g）低于DAE炸藥的放氣量數(shù)據(jù)（1.80mL/g），但都小于安定性推薦的合格等級(jí)（每克試樣放氣量不大于2mL）[6]，說(shuō)明DHAE炸藥的熱安定性更好，證實(shí)納米鋁粉的加入提高了DNTF基含鋁混合炸藥的熱穩(wěn)定性；從5s延滯期爆發(fā)點(diǎn)數(shù)據(jù)看出，加入5%的納米鋁粉后，DHAE炸藥的爆發(fā)點(diǎn)的臨界溫度高于DAE炸藥，說(shuō)明DHAE炸藥的熱感度比DAE炸藥低。DHAE炸藥具有好的熱安定性可能是因?yàn)榧{米鋁活性低，表面氧化層厚，降低了大部分微米鋁達(dá)到反應(yīng)的溫度閾值以及各組分參與反應(yīng)的劇烈程度，進(jìn)而降低了DHAE炸藥的放氣量。

2.2.2熱分析

圖1為單質(zhì)DNTF和DNTF壓裝混合炸藥的TG-DSC譜圖，由圖1（a）可見(jiàn)DNTF在110℃下可以長(zhǎng)時(shí)間加熱不分解，僅有微量揮發(fā)；在室溫至熔點(diǎn)的溫度范圍內(nèi)，無(wú)相變發(fā)生，屬于片狀六方結(jié)晶，結(jié)晶比較有序，堆積較有層次。對(duì)于DHAE和DAE炸藥的TG-DSC（圖1（b））來(lái)說(shuō)，加入5%納米鋁粉的DHAE炸藥的熱失重率（50.98%）明顯低于含30%微米鋁的DAE炸藥（64.75%），即在DHAE炸藥中14%左右的DNTF主炸藥沒(méi)有發(fā)生反應(yīng)，這可能是由于納米鋁在混合炸藥中的分散性不好，使得一少部分主炸藥達(dá)不到其反應(yīng)溫度的緣故。DHAE炸藥的熱失重率降低說(shuō)明5%納米鋁粉加入明顯提高了DNTF壓裝混合炸藥的熱穩(wěn)定性。

圖1 單質(zhì)DNTF和DNTF壓裝混合炸藥的TG-DSC譜圖

3 結(jié)論

（1）鋁粉粒度對(duì)DNTF壓裝混合炸藥的機(jī)械感度影響不大，但加入5%納米鋁的DNTF壓裝混合炸藥的爆熱略低于加入30%鋁粉的炸藥。

（2）加入5%納米鋁的DNTF壓裝混合炸藥的熱穩(wěn)定性好于含30%微米鋁的炸藥，說(shuō)明納米鋁粉對(duì)混合炸藥的熱安定性具有一定的影響。

[1] 任曉寧,王江寧,陰翠梅,等.新型高能量密度材料DNTF的熱分解特性[J].火炸藥學(xué)報(bào),2006,29(2):33-37.

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Influence of Nano-aluminum on the Explosion Heat and Thermal Stability of DNTF Pressed Mixed Explosives

YAO Li-na1，WANG Cai-ling1，DAI Zhi-xin1，WANG Hai-qing2，DIAO Xiao-qiang1，ZHAO Sheng-xiang1

(1. Xi’an Modern Chemistry Research Institute, Xi’an, 710065；2. Xi’an Qinghua Company of North Special Energy Group Co. Ltd., Xi’an, 710025)

The DNTF-based pressed mixed explosives with 5% nano-Al and 25% micron Al were prepared by the mixed mechanically method, and the mechanical sensitivity and explosion heat have been tested, meanwhile, the thermal stability of mixed explosives were analyzed. The results showed that compared to DNTF mixed explosives with 30% micron Al, the mechanical sensitivity of the explosives with 5% nano-Al was lower, and the explosion heat was also a little lower. The vacuum stability was better than explosives with 30% micron Al, and the temperature of 5s thermal explosion delay was higher, as well as its weight loss was less, these illustrates that adding nano-Al can improve the thermal stability of DNTF pressed mixed explosives to some degree.

DNTF pressed mixed explosives；Nano-Al；Thermal stability；Explosion heat

TQ567.3

A

1003-1480（2014）04-0047-03

2014-04-17

姚李娜（1983-），女，工程師，主要從事混合炸藥技術(shù)研究。

西安近代化學(xué)研究所青年科技創(chuàng)新基金。