高聚物添加劑對B炸藥撞擊感度和作功能力的影響

高大元, 鄭保輝, 黃亨建, 曹落霞, 曹 威, 文尚剛, 文 雯, 盧校軍

(1. 中國工程物理研究院化工材料研究所, 四川 綿陽 621999; 2. 中國工程物理研究院安全彈藥研發(fā)中心, 四川 綿陽 621999)

1 引 言

由三硝基甲苯(TNT)作載體,以高能炸藥如黑索今(RDX)、奧克托今(HMX)、硝基胍(NQ)、Al等作固體填料,通過調(diào)節(jié)各組分的相對含量可制成能量和用途不同的熔鑄炸藥。B炸藥(TNT/RDX=35/65,少量添加劑)是彈藥裝藥中非常重要的一類炸藥[1-2]。TNT為層狀結(jié)構(gòu),分子間沒有氫鍵,只有較弱的范德華力作用,壓縮模量和壓縮強(qiáng)度較低[3-4]。因此,以TNT為主要成分的B炸藥力學(xué)性能較差,壓縮強(qiáng)度大約10 MPa,拉伸強(qiáng)度小于2 MPa,延伸率小于0.1%,屬于低強(qiáng)度脆性含能材料[1],限制了其在高性能武器系統(tǒng)中的應(yīng)用。在B炸藥的改性研究中,本項目組[5-8]研究了聚疊氮縮水甘油醚(GAP)基聚氨酯、端羥基聚丁二烯(HTPB)基聚氨酯、聚酯纖維、納米橡膠微粉、季戊四醇和丙稀醛縮合的熱固樹脂(123樹脂)的結(jié)構(gòu)特征、添加量、固化深度、添加方式等因素對其韌性、彈性以及力學(xué)性能、安全性和爆轟性能的影響。結(jié)果表明,改性效果較好的添加劑為123樹脂、聚酯纖維和熱塑性彈性體VP-401。為進(jìn)一步研究添加劑對B炸藥撞擊感度和作功能力的影響,制備了幾種改性效果較佳的B炸藥配方,進(jìn)行了較大尺寸樣品的安全性試驗和爆轟性能試驗,包括大藥片撞擊感度試驗、蘇珊試驗和圓筒試驗,獲得改性B炸藥的撞擊感度和作功能力變化,探討壓縮彈性和韌性對改性B炸藥撞擊感度的影響,以及添加劑含量對作功能力的影響,以期為驗證改性B炸藥配方提供更多的理論和試驗依據(jù)。

2 試驗部分

2.1 樣品制備

在B炸藥(RDX/TNT = 65/35)中分別添加1%的熱固123樹脂、0.4%聚酯纖維和0.4%VP-401,制成改性B炸藥,具體配方見表1。先澆注成型為大藥柱,然后分別加工成Φ20 mm×10 mm藥片、Φ25 mm×25 mm和Φ50 mm×100 mm藥柱,用于大藥片撞擊感度試驗、圓筒試驗和蘇珊試驗。

2.2 大藥片撞擊感度試驗

試驗樣品為Φ20 mm×10 mm藥片,藥量約5 g,放入聚四氟乙烯惰性環(huán)中,然后裝入落錘底部的樣品池內(nèi),樣品裝置見圖1。大藥片落錘撞擊試驗中的落錘主要由錘體、擊砧、樣品池和撞針等組成,重約20 kg,落高范圍1～12 m,示意圖見圖2。

表1 B炸藥和改性B炸藥配方

Table 1 Formulation of Comp.B and modified Comp.B

explosivecompositionmassfractionofadditiveappearanceρ/g·cm-3Comp.BNSAF-3NSAF-5NSAF-7TNT/RDX=35/65-yellow1.714123resin,1%yellow1.717polyesterfibre,0.4%yellow1.712VP-401,0.4%purple1.713

圖1 大藥片炸藥樣品裝置

Fig.1 Device of big-bill explosive sample

圖2 落錘撞擊試驗示意圖

1—釋放裝置, 2—落錘, 3—鋼靶

Fig.2 Configuration of drop hammer impact test

1—release set, 2—drop hammer, 3—steel target

用高速相機(jī)拍攝跌落過程,觀察落錘撞擊著靶發(fā)生點火到爆燃的過程。用2支距撞擊點1 m的沖擊波壓力傳感器測量炸藥反應(yīng)產(chǎn)生的沖擊波超壓,分析炸藥爆炸反應(yīng)的程度。用上下法調(diào)整跌落高度,檢測炸藥發(fā)生爆炸反應(yīng)的區(qū)間和概率,獲得炸藥的爆炸反應(yīng)閾值高度,從而評價炸藥的撞擊感度和安全性[9]。

2.3 蘇珊試驗

將Ф50 mm×100 mm NSAF-3炸藥柱裝入蘇珊試驗彈中,樣品照片見圖3。用空氣炮(速度<270 m·s-1)將彈丸發(fā)射出炮口,撞擊正前方的靶板。彈丸撞靶后,頂端鋁帽發(fā)生破裂,彈內(nèi)裝藥受到?jīng)_擊、擠壓及摩擦等因素的作用,結(jié)果可導(dǎo)致點火、甚至成長為爆轟。通過測量彈丸的飛行速度、著靶過程和沖擊波超壓、獲得蘇珊感度曲線,綜合分析和評價炸藥的射彈撞擊感度[10]。

a. explosive cylinder cased in Al cap

b. Susan bomb

圖3 蘇珊試驗樣品

Fig.3 Samples used in the Susan test

2.4 圓筒試驗

Φ25 mm×25 mm NSAF-3炸藥的圓筒試驗裝配照片見圖4。示波器TDS-520型,分辨率8bit,采樣速度1×108s-1,記錄時間大于10 μs; 高速轉(zhuǎn)鏡式相機(jī)SJZ-15型,掃描速度3.00 mm·μs-1。試驗時,用電探針和示波器測量爆速; 用高速轉(zhuǎn)鏡式相機(jī)測定圓筒2/3處徑向膨脹距離與時間的變化關(guān)系,用式(1)[11]擬合測試數(shù)據(jù)。

t=a1+a2(R-R0)+a3ea4(R-R0)

(1)

式中,t為圓筒壁膨脹的時間,μs;a1、a2、a3、a4為待定系數(shù);R為圓筒外壁距圓筒中心軸線的距離,mm;R0為圓筒外壁距圓筒中心軸線的初始距離,mm。用公式組(2)計算圓筒徑向不同膨脹距離的壁速度和比動能[11]。

(2)

式中,U為圓筒壁的速度,mm·μs-1;E為圓筒壁的比動能,kJ·g-1。

圖4Φ25 mm×25 mm圓筒試驗裝置照片

Fig.4 Photograph of theΦ25 mm×25 mm cylinder test set-up

3 結(jié)果與討論

3.1 改性劑對B炸藥撞擊感度的影響

用嵌入壓力計的方法,測試了Φ20 mm×10 mm Comp.B撞擊試驗中的受力狀況,其典型撞擊壓力曲線見圖5。圖中橫坐標(biāo)0時刻為彈頭接觸靶針的時刻。

圖5 B炸藥典型撞擊壓力曲線

Fig.5 Typical impact pressure profiles of Comp.B

從圖5可知,對Ф20mm×10 mm B炸藥,落高5 m時,炸藥最大受力達(dá)到約0.50 GPa,然后逐漸降低,壓力作用時間達(dá)到約700 μs,表明此時炸藥未發(fā)生反應(yīng); 落高7.25 m時,撞擊后炸藥受力達(dá)到約0.30 GPa,然后壓力持續(xù)增長,最高達(dá)到約0.80 GPa,表明B炸藥發(fā)生了反應(yīng)。即,需要一定的閾值高度,B炸藥跌落撞靶才能發(fā)生爆燃反應(yīng)。

對Comp.B和改性B炸藥(NSAF-3、NSAF-5和NSAF-7)進(jìn)行了大藥片撞擊感度試驗,在閾值高度附近落錘跌落著靶瞬間以及收集殘骸照片見圖6,試驗匯總結(jié)果見表2。

a. deflagration

b. scrap after deflagration

c. no reaction

d. unreactive scrap

圖6 改性B炸藥撞靶和殘骸照片

Fig.6 Photographs of modified Comp.B after impact on target and scrap

表2 4種炸藥的大藥片落錘撞擊試驗結(jié)果

Table 2 Results of big-bill drop hammer impact test for four explosive samples

explosiveresultsH/mComp.B5m,deflagration(20.74)4.5m,deflagration(20.63)4m,noreaction3m,noreaction4-4.5NSAF-38.0m,deflagration(22.82)7.5m,deflagration(19.51)7m,noreaction6m,noreaction7-7.5NSAF-57.0m,deflagration(18.65)6.0m,deflagration(16.34)5.5m,noreaction5m,noreaction5.5-6.0NSAF-76.5m,deflagration(17.28)6.0m,deflagration(16.21)5.5m,noreaction5m,noreaction5.5-6.0

Note: The data in brackets are overpressure of shock wave;His the threshold of deflagration reaction.

從表2可知,跌落高度大于爆炸反應(yīng)閾值時,沖擊波超壓隨跌落高度的上升而增加。B炸藥的爆炸反應(yīng)閾值為4～4.5 m。NSAF-3,NSAF-5,NSAF-7爆炸反應(yīng)閾值分別提高了1.5,1.5 m和3 m,表明改性B炸藥的撞擊感度降低,安全性提高。但是,三種添加劑對B炸藥的改性機(jī)理和效果有所不同。

NSAF-5炸藥用0.4%聚酯纖維改性。因為聚酯纖維屬于半剛性的有機(jī)纖維,具有較高的彈性模量和強(qiáng)度,作為固相填料均勻分散到B炸藥體系中,以單根纖維、小束纖維及大束纖維等多種形式存在,成為改性B炸藥體系的共同支柱而起增強(qiáng)壓縮彈性和韌性作用。NSAF-7炸藥用0.4% VP-401改性。因為VP-401是由丙烯腈與丁二烯共聚形成的網(wǎng)狀非晶態(tài)化合物,雖然不能與TNT互溶,但作為固相填料能均勻分散到B炸藥體系中。同時,VP-401分子與TNT和RDX分子間均有較強(qiáng)的氫鍵作用,改善了TNT晶體與RDX晶體之間的界面作用,增強(qiáng)改性B炸藥的彈性和韌性。NSAF-3炸藥用1.0%123樹脂改性。這是因為123樹脂為季戊四醇和丙稀醛縮合成的粘稠狀預(yù)聚物,與TNT能部分互溶,比較均勻地分散于TNT/RDX體系,對感度較高的RDX顆粒起到良好的包覆作用。123樹脂分子與TNT和RDX分子間均有較強(qiáng)的氫鍵作用,123樹脂的固化反應(yīng)是不飽和雙鍵打開進(jìn)行交聯(lián),固化后在多相體系間形成籠狀結(jié)構(gòu)[12]。上述123樹脂的綜合作用,能顯著改善B炸藥壓縮和拉伸的彈性及韌性。

大藥片落錘撞擊受力和點火分為兩個過程。首先是力學(xué)加載過程,其次是熱點形成和爆炸反應(yīng)過程,即化學(xué)反應(yīng)過程。若改性B炸藥的彈性和韌性得到改善,那么需要更大的機(jī)械能才能使藥片產(chǎn)生缺陷和損傷,進(jìn)而形成“熱點”并發(fā)展為爆炸反應(yīng),即爆炸閾值增加,因此,改性B炸藥的撞擊感度降低,安全性提高。

3.2 NSAF-3炸藥的蘇珊感度

對123樹脂改性的B炸藥(NSAF-3)進(jìn)行了一組6發(fā)的蘇珊試驗,部分試驗殘骸照片見圖7,試驗匯總結(jié)果見表3。以撞靶速度v為橫坐標(biāo),撞靶后的TNT當(dāng)量為縱坐標(biāo),繪制蘇珊感度曲線見圖8。

a. 1#,v=258 m·s-1

b. 4#,v=148 m·s-1

c. 6#,v=57 m·s-1

圖7 NSAF-3蘇珊試驗殘骸照片

Fig.7 Photographs of unreactive scrap after Susan test for NSAF-3 explosive

蘇珊感度試驗中,蘇珊彈撞靶的動態(tài)反作用力為0.5～1.5 GPa。除撞擊速度外,樣品的彈性和韌性、均勻性、損傷和破碎程度均影響試驗結(jié)果。文獻(xiàn)[13]報道,PBX-6炸藥在彈速125 m·s-1的蘇珊試驗中,鋁殼發(fā)生了較大變形,炸藥隨鋁殼發(fā)生塑性流動,已發(fā)生了部分損傷和破碎,其破碎程度與PBX-6炸藥的彈性和韌性密切相關(guān)。延遲時間大約450 μs時,PBX-6炸藥才發(fā)生點火爆炸。

表3 NSAF-3炸藥的蘇珊試驗結(jié)果

Table 3 Results of Susan tests for NSAF-3 explosive

No.m/gv/m·s-1Δp/kPaTNTequivalence/gη/%1#338.525853.323058.22#338.020751.721554.43#339.017131.18521.54#337.014838.312431.55#338.510267.135088.56#338.05764.232281.5

Note:mis the mass;Vis the velocity of impact on target; Δpis the overpressure of shock wave;ηis the relative energy release.

圖8 NSAF-3炸藥的蘇珊感度曲線

Fig.8 Curve of Susan sensitivities for NSAF-3 explosive

TNT的壓縮和拉伸強(qiáng)度較低[14]是熔鑄炸藥脆性的本質(zhì)原因。雖然加入1%的123樹脂能改善炸藥的彈性和韌性,但是仍屬于強(qiáng)度較低的炸藥。蘇珊彈撞靶至爆炸前的幾百微秒范圍內(nèi),熔鑄炸藥隨殼體發(fā)生塑性變形過程中已發(fā)生破碎,其破碎程度嚴(yán)重影響熔鑄炸藥的爆炸百分?jǐn)?shù),即相對釋放能。在本研究開展的一組蘇珊感度試驗中,試驗樣品5#和6#出現(xiàn)了彈速小而相對釋放能較大的現(xiàn)象。這是因為彈速小時,NSAF-3炸藥隨殼體發(fā)生塑性變形中破碎程度小,使爆燃反應(yīng)能維持較長時間,參與反應(yīng)的炸藥比例增加,其相對釋放能較大。但是,有關(guān)蘇珊試驗中彈速和炸藥破碎程度對相對釋放能的綜合影響有待深入開展。

3.3 NSAF-3炸藥的作功能力

對123樹脂改性B炸藥(NSAF-3)進(jìn)行了3發(fā)Ф25 mm圓筒試驗。同時,應(yīng)用有限元動力學(xué)程序LS-DYNA對NSAF-3炸藥的圓筒試驗進(jìn)行了數(shù)值模擬。高速相機(jī)獲得銅管膨脹曲線的實驗底片見圖9,NSAF-3和Comp.B徑向膨脹距離與壁速和比動能關(guān)系的比較曲線分別見圖10和圖11,實測用VLW程序計算的NSAF-3炸藥的爆速見表4,NSAF-3與Comp.B作功能力比較結(jié)果見表5。

圖9 NSAF-3炸藥圓筒試驗的銅管膨脹情況

Fig.9 Cylinder wall expansion history of cylinder test for NSAF-3 explosive

圖10 膨脹距離和壁速關(guān)系的比較曲線

Fig.10 Comparison of the expansion distance and the cylinder wall velocity

圖11 膨脹距離和比動能關(guān)系的比較曲線

Fig.11 Comparison of the expansion distance and the specific kinetic energy

表4 NSAF-3炸藥的爆速

Table 4 Detonation velocity for NSAF-3 explosive

explosivep/GPaD/mm·μs-1123meannoteNSAF-3-7.9687.9667.9667.967measurement27.27.958computation

Note:pis the detonation pressure,Dis the detonation velocity.

表5 NSAF-3炸藥的作功能力比較

Table 5 Comparison of power capability for NSAF-3 explosive

explosiveR-R0=5mmU/mm·μs-1ΔU/mm·μs-1E/kJ·g-1ΔE/kJ·g-1R-R0=19mmU/mm·μs-1ΔU/mm·μs-1E/kJ·g-1ΔE/kJ·g-1noteNSAF-31.403-0.0330.985-0.0471.560-0.0491.278-0.016measurement1.397-0.0390.976-0.0561.596-0.0131.273-0.021computationComp.B1.436 -1.032 -1.609 -1.294 -Ref.[1]

Note:Uis the cylinder wall velocity;Eis the specific kinetic energy.

圓筒試驗結(jié)果(表4)表明,3次平行試驗測得的爆速非常接近,平均值為7.967 mm·μs-1,與計算值吻合。由圖10和圖11可見,圓筒試驗獲得徑向膨脹距離與壁速和比動能的關(guān)系曲線與有限元動力學(xué)程序LS-DYNA數(shù)值模擬結(jié)果比較吻合。與B炸藥的作功能力比較,徑向膨脹距離5 mm和19 mm處,添加1%的123樹脂的NSAF-3炸藥的作功能力分別降低了4.6%和1.24%。

4 結(jié) 論

(1) 大藥片落錘撞擊試驗結(jié)果表明,B炸藥的爆炸反應(yīng)閾值為4～4.5 m,分別添加0.4%聚酯纖維、0.4%VP-401和1%123樹脂改性后,其爆炸反應(yīng)閾值分別提高了1.5,1.5 m和3 m,表明改性B炸藥的撞擊感度降低,安全性提高。

(2) 蘇珊感度試驗的影響因素除撞擊速度外,樣品的彈性和韌性、均勻性、損傷和破碎程度均影響試驗結(jié)果。蘇珊彈撞靶至爆炸前的幾百微秒范圍內(nèi),NSAF-3炸藥隨殼體發(fā)生塑性變形過程中已發(fā)生破碎,其破碎程度嚴(yán)重影響NSAF-3炸藥的爆炸百分?jǐn)?shù),即相對釋放能。

(3) 圓筒試驗和數(shù)值模擬結(jié)果表明,添加1% 123樹脂的NSAF-3炸藥隨著密度、爆速和爆壓的降低,作功能力稍微下降。與B炸藥的作功能力比較,徑向膨脹距離5 mm和19 mm處,添加1% 123樹脂的NSAF-3炸藥的作功能力分別降低了4.6%和1.24%。

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