微米級TATB在限制條件下的烤燃試驗(yàn)研究

章文義，王 寅，王天寶，同紅海，秦國圣，周 密，李 蛟

微米級TATB在限制條件下的烤燃試驗(yàn)研究

章文義1，王 寅2，王天寶3，同紅海2，秦國圣2，周 密2，李 蛟2

（1. 江蘇警官學(xué)院警務(wù)指揮與戰(zhàn)術(shù)系，江蘇 南京，210031；2.陜西應(yīng)用物理化學(xué)研究所應(yīng)用物理化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安, 710061；3.陸軍裝備部駐西安地區(qū)軍事代表局，駐西安地區(qū)軍事代表室，陜西 西安，710025）

為了獲得TATB的烤燃響應(yīng)特性，對TATB進(jìn)行了限制條件下的程序升溫烤燃試驗(yàn)。結(jié)果表明，隨著升溫速率的增加，TATB的起始反應(yīng)溫度大致呈現(xiàn)增大的趨勢。3.3℃/h升溫速率下的兩種尺寸的TATB藥柱只發(fā)生熱分解反應(yīng)，且反應(yīng)后發(fā)現(xiàn)大量黑色殘留物。在5℃/min和15℃/min條件下藥柱發(fā)生燃燒或不完全燃燒反應(yīng)，均沒有發(fā)生爆炸現(xiàn)象。反應(yīng)的劇烈程度隨著裝藥量和升溫速率的增加而增大。

TATB；烤燃試驗(yàn)；熱安全性

TATB是美國能源部目前批準(zhǔn)的唯一的單質(zhì)鈍感炸藥，對熱、光、沖擊波、摩擦和機(jī)械撞擊等外界刺激非常鈍感，已成為武器彈藥鈍感化工程中最重要的材料之一[1-2]。開展TATB的烤燃試驗(yàn)研究并結(jié)合其他熱安全性評價(jià)方法，對綜合分析TATB的熱安全性具有很強(qiáng)的實(shí)際意義。

本文參考爆炸箔起爆器的裝藥結(jié)構(gòu)，同時(shí)，為了獲得烤燃過程中藥柱的點(diǎn)火溫度及烤燃響應(yīng)特性，對不同尺寸的TATB藥柱進(jìn)行了限制條件下的程序升溫烤燃試驗(yàn)，為爆炸箔起爆器的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供參考。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)裝置

烤燃試驗(yàn)系統(tǒng)由控溫系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。試驗(yàn)時(shí)，首先將樣品放入防爆罐中，然后將防爆罐置于加熱系統(tǒng)中。防爆罐的結(jié)構(gòu)及測溫點(diǎn)如圖1所示，防爆罐采用結(jié)構(gòu)鋼，樣品所處位置可保證樣品受熱均勻。

圖1 防爆罐結(jié)構(gòu)圖及測溫位置圖

1.2 試驗(yàn)方法

MIL-DTL-23659E的附錄A規(guī)定爆炸箔起爆器的鑒定試驗(yàn)要求按3.3℃/h的升溫速率加熱，允許試驗(yàn)開始的溫度高于環(huán)境溫度（但低于TATB的分解峰溫），試驗(yàn)開始到藥柱反應(yīng)的時(shí)間不少于16h[3]。采用3種試驗(yàn)方法對TATB進(jìn)行烤燃試驗(yàn)：（1）室溫下放入樣品，以1℃/min的升溫速率將爐內(nèi)溫度升至200℃，然后控制爐溫，使其以3.3℃/h的升溫速率對樣品進(jìn)行熱烤，至樣品出現(xiàn)反應(yīng)或溫度高于450℃停止。（2）室溫下放入樣品，以5℃/min的升溫速率對樣品進(jìn)行加熱，直至樣品發(fā)生反應(yīng)或樣品處的溫度高于450℃停止。（3）操作過程與（2）相同，僅升溫速率為15℃/min。

1.3 試驗(yàn)樣品

將TATB用模具壓制成密度為90%TMD的藥柱，如表1所示，藥量偏差不大于±0.2mg。

表1 TATB藥柱的尺寸和裝藥量

Tab.1 Sizes and charge of TATB explosive cylinder

根據(jù)圖1中樣品位置空腔的大小和藥柱尺寸設(shè)計(jì)一種試驗(yàn)樣品試管，該試管是一種密封的管殼，分為上下兩部分組成，并采用螺紋連接，管殼壁采用不銹鋼材料，底面采用黃銅材料，測試時(shí)，將熱電耦擰在管殼壁上，如圖2所示，此時(shí)藥柱處于限制狀態(tài)。

2 結(jié)果及討論

2.1 不同升溫速率下的烤燃試驗(yàn)結(jié)果及分析

圖3為1號樣品在升溫速率為3.3℃/h的試驗(yàn)結(jié)果，圖4為2號樣品在升溫速率為3.3℃/h的試驗(yàn)結(jié)果放大圖，從圖3~4可以看出，試驗(yàn)中監(jiān)測到放熱峰。較低的升溫速率使得爐子與樣品間的溫度梯度較小，整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)接近熱平衡狀態(tài)。TATB發(fā)生緩慢熱分解，由于試驗(yàn)管殼的導(dǎo)熱性較好，TATB熱分解釋放的能量聚集在管殼內(nèi)，并在藥柱內(nèi)部形成熱積累；而且密封體系使TATB分解產(chǎn)生的氣體無法逸散至環(huán)境中。因此，在該升溫速率下能監(jiān)測到放熱峰。

圖4 3.3℃/h升溫速率下φ6mm×10mmTATB(2號樣品)的溫度——時(shí)間曲線

圖5為1號樣品升溫速率為3.3℃/h試驗(yàn)后藥柱和管殼的照片，可以看出，圖5管殼完好如新，殼內(nèi)剩余較多黑色物質(zhì)，呈凝聚態(tài)。圖6為2號樣品升溫速率為3.3℃/h試驗(yàn)后藥柱和管殼的照片，可以看出藥劑反應(yīng)將管殼的底面完整切掉，管殼底面有一定的形變，試驗(yàn)管殼內(nèi)有大量的反應(yīng)后固體殘?jiān)?。熱分析研究認(rèn)為，TATB熱分解分為兩步：第1步先生成中間體，中間體分解并生成NO、CO等氣體，剩余凝聚相為碳?xì)浠衔锏摹罢ㄋ幗埂?；?階段為“炸藥焦”分解釋放CO2等氣體。熱分解后殘余黑色物質(zhì)疑似為“炸藥焦”。

圖5 φ6mm×5mmTATB(1號樣品)試驗(yàn)后黑色殘留物照片

圖6 φ6mm×10mmTATB(2號樣品)試驗(yàn)后黑色殘留物照片

圖7為1號樣品升溫速率為3.3℃/h烤燃試驗(yàn)前后表面和斷面的掃描電鏡（SEM）照片。

圖7 1號樣品烤燃試驗(yàn)前后的掃描電鏡照片

從圖7（a）可以看出，試驗(yàn)前TATB形貌較為完整，為晶體結(jié)構(gòu)。圖7（b）試驗(yàn)后的TATB形貌發(fā)生了明顯變化，藥劑因受熱分解，形貌變的不規(guī)則，出現(xiàn)了絮狀多孔物質(zhì)，TATB的形貌完全消失。

對試驗(yàn)前后的樣品進(jìn)行了紅外分析，如圖8所示。

圖8 試驗(yàn)前后TATB的紅外圖譜

由圖8可見試驗(yàn)前后TATB的特征紅外吸收峰有了很大的變化，試驗(yàn)后的固體殘?jiān)緵]有TATB中官能團(tuán)的吸收峰，說明樣品在3.3℃/h的升溫速率下，僅發(fā)生的熱分解反應(yīng)較完全。

圖9為1號樣品在5℃/min升溫速率下的溫度時(shí)間曲線。圖10為2號樣品在5℃/min升溫速率下的溫度時(shí)間曲線。

圖9 φ6mm×5mmTATB藥柱（1號樣品）在5℃/min升溫速率下的溫度——時(shí)間曲線

圖10 φ6mm×10mmTATB藥柱（2號樣品）在5℃/min升溫速率下的溫度——時(shí)間曲線

由圖9可以看出，在升溫初期，因TATB藥柱溫度較低，藥柱表面的升溫速率明顯滯后于控溫位置處的升溫速率。當(dāng)溫度升至320℃左右時(shí)，升溫速率有所增加，這是由于TATB藥柱內(nèi)部的熱積累導(dǎo)致了自加熱現(xiàn)象。由圖10可看出當(dāng)藥柱表面溫度達(dá)到360℃左右時(shí)，突然躍遷到375℃左右，該過程在5s內(nèi)完成，說明TATB在360℃發(fā)生了自發(fā)火現(xiàn)象。

圖11為1號樣品和2號樣品在15℃/min升溫速率下的溫度時(shí)間曲線。

圖11 TATB藥柱在15℃/min升溫速率下的溫度——時(shí)間曲線

從圖11可以看出，隨著升溫速率的增加起始反應(yīng)溫度在427℃左右。從理論上講，不同的升溫速率對樣品會產(chǎn)生不同的熱沖擊速率，樣品在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生反應(yīng)的質(zhì)量隨升溫速率的增加而增大，從而使放熱速率增加，導(dǎo)致分解峰溫向高溫區(qū)移動。藥量的增加也使放熱峰的溫度增大。

2.2 烤燃現(xiàn)象及分析

圖12為不同尺寸TATB藥柱在不同升溫速率下的試驗(yàn)結(jié)果照片，熱烤試驗(yàn)結(jié)果見表2。從圖12可以看出，1~2號樣品在3.3℃/h的升溫速率下的試驗(yàn)結(jié)果大致相同，管殼完好無損，試驗(yàn)后均留有圓柱形黑色物質(zhì)。

圖12 不同尺寸TATB藥柱在不同升溫速率下試驗(yàn)結(jié)果照片

表2 兩種不同尺寸的TATB熱烤試驗(yàn)結(jié)果

Tab.2 The cook-off test results of TATB with two different size

從圖12可以看出，5℃/min升溫條件下藥劑反應(yīng)將管殼的底面切開一部分，基本沒有藥劑反應(yīng)殘?jiān)?；?5℃/min升溫條件下由于藥劑反應(yīng)將管殼的底面完整切掉，底面有一些形變，沒有藥劑反應(yīng)殘?jiān)?。從剩余樣品的試?yàn)結(jié)果可以看出，隨著裝藥量的增加，以及試驗(yàn)條件嚴(yán)酷程度的增加，反應(yīng)的劇烈程度也明顯增大。

從傳熱學(xué)的角度來分析，表面熱阻無窮大炸藥處于絕熱狀態(tài)，最終必然導(dǎo)致熱爆炸或點(diǎn)火的發(fā)生。

因此，當(dāng)處于密閉條件下的藥柱受熱后，發(fā)生熱分解放出氣體，使體系內(nèi)的壓力上升，一旦在炸藥內(nèi)部形成熱點(diǎn)，點(diǎn)火后更有利于DDT現(xiàn)象的發(fā)生。

3 結(jié)論

（1）限制條件下的程序升溫烤燃試驗(yàn)結(jié)果表明，在3.3℃/h升溫速率下的2種尺寸藥柱只發(fā)生熱分解反應(yīng)，在5℃/min和10℃/min升溫速率下藥柱發(fā)生燃燒反應(yīng)，均沒有發(fā)生爆炸現(xiàn)象。

（2）隨著升溫速率的增加，TATB的起始反應(yīng)溫度大致呈現(xiàn)增大的趨勢。

（3）反應(yīng)的劇烈程度隨著裝藥量和升溫速率的增加而增大。從試驗(yàn)中測得的雙放熱峰來看，惡劣的升溫條件會使藥柱局部達(dá)到臨界反應(yīng)溫度，造成藥柱的局部反應(yīng)。

[1] Veera M B, Dabir S V, Tushar K G, et al. 2,4,6-Triamino- 1,3,5-trinitrobenzene (TATB) and TATB- based formulations- A review[J].Journal of Hazardous Materials, 2010 (181) :1-8.

[2] D. M. Badgujar, M. B. Talawar, S.N. Asthana, et al. Advances in science and technology of modern energetic materials: an overview[J].Journal of Hazardous Materials,2008(151):289- 305.

[3] MIL-DTL-23659E. Detail specification initiators, electric, general design specification for[S]. 2007.

Cook-off Test of Micron Size TATB under Restrictive Condition

ZHANG Wen-yi1,WANG Yin2, WANG Tian-bao3, TONG Hong-hai2,QIN Guo-sheng2,ZHOU Mi2,LI Jiao2

（1. Department of Command and Tactic in Police Affairs of Jiangsu Police Institute, Nanjing,210031；2 Science and Technology on Applied Physical Chemistry Laboratory, Shaanxi Applied Physics and Chemistry Research Institute, Xi’an, 710061；3. Military Representative Office of the Army Equipment Department in Xi 'an, Xi 'an, 710025）

In order to obtain the characterization of TATB under cook-off condition, the cook-off tests of TATB cylinder used in exploding foil initiator under restrictive condition were carried out with various temperature increasing rates. The results show that the initial reaction temperature takes on the increscent trend with the increasing heating rate. The TATB explosive cylinders of two sizes just decomposed at the heating rate of 3.3℃/h, and black remain was obtained. While no explosion phenomena turned up under the condition of 5℃/min and 15℃/min, the explosive was just burned or incompletely burned. The reaction intensity went up as the charge weight and temperature rate increasing.

TATB；Cook-off test；Thermal safety

TQ564

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2019.06.012

1003-1480（2019）06-0047-04

2019-11-18

章文義（1972 -），男，工學(xué)博士，主要從事爆炸防控技術(shù)研究。