ANPyO基PBX的爆炸性能

何志偉，王 洋，郭子如，劉 鋒，江向陽(yáng)，劉祖亮

(1.安徽理工大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，安徽 淮南 232001；2. 南京理工大學(xué)化工學(xué)院，江蘇 南京 210094)

引 言

隨著全球石油消費(fèi)需求不斷攀升，且由于石油儲(chǔ)量的局限性，造成油田開(kāi)發(fā)程度加深、儲(chǔ)量減少、埋藏深度增加，使石油開(kāi)采條件變得更加苛刻，進(jìn)而對(duì)石油射孔彈等井下起爆器材提出了更高的要求。隨著油井深度的增加，井下溫度和壓力也相應(yīng)升高，對(duì)爆炸材料的耐熱性和爆炸性能提出了更高的要求[1]。同時(shí)，軍用低易損炸藥對(duì)主體炸藥提出了高能鈍感的要求。為了滿足以上特殊使用條件的需求，研制開(kāi)發(fā)新型高能量密度材料并對(duì)其爆炸性能進(jìn)行研究非常必要。

2,6-二氨基-3,5-二硝基吡啶-1-氧化物(ANPyO)是一種新型高能量密度材料，以其較好的綜合性能受到了國(guó)內(nèi)外的廣泛關(guān)注[2-4]。ANRyO具有較高的爆炸能量、良好的熱安定性[5-6]和較低的感度[7]，在一些高溫和特殊用途的場(chǎng)合，可以作為三氨基三硝基苯(TATB)、六硝基芪(HNS)等耐熱炸藥[8-9]的替代品，在深井石油射孔彈、低易損炸藥等領(lǐng)域有較大的應(yīng)用潛力。國(guó)外學(xué)者Jafari、Mohammad等[2]運(yùn)用密度泛函理論計(jì)算了ANPyO晶體結(jié)構(gòu)特性，研究了其晶體和分子能帶結(jié)構(gòu)、態(tài)密度和晶格能等性能；國(guó)內(nèi)學(xué)者石艷文、張蒙蒙、何志偉等[3,5-6]對(duì)ANPyO進(jìn)行了分子動(dòng)力學(xué)模擬計(jì)算，探討了結(jié)構(gòu)、能量和力學(xué)性能及其溫度效應(yīng)；成健、張蓉仙等[10-11]合成了ANPyO的含能配合物，并分析其熱分解行為和熱分解機(jī)制。關(guān)于ANPyO耐熱性的研究已有較多的相關(guān)報(bào)道，但對(duì)其爆炸威力及射孔破甲等爆炸性能研究鮮有報(bào)道。

本研究通過(guò)ANPyO基高聚物黏結(jié)炸藥(PBX)與多種常用耐熱炸藥及高能炸藥的對(duì)比試驗(yàn)，系統(tǒng)地研究了其爆速、威力和聚能射孔[12]等方面的性能，以期對(duì)拓展ANPyO在耐熱石油射孔彈和低易損炸藥中的應(yīng)用提供參考。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 試劑與儀器

ANPyO、8701炸藥、TATB，均為實(shí)驗(yàn)室自制；HNS、RDX，甘肅銀光化學(xué)工業(yè)有限公司；PYX，西安近代化學(xué)研究所；氟橡膠F2311、氟橡膠F2603、丁腈橡膠NBR-26，中藍(lán)晨光化工研究設(shè)計(jì)院有限公司；乙酸乙酯，天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司；液體石蠟，南陽(yáng)石蠟精細(xì)化工廠。

MFB-500型發(fā)爆器，渝榮防爆電器有限公司；TSN-632M型32通道爆速測(cè)定儀，法國(guó)Chrono Meter公司；鋼靶、壓藥鋼制模具，南京賽格精密模具有限公司；油壓機(jī)，東莞銘鏘機(jī)械有限公司。

1.2 樣品制備

采用溶劑-懸浮-蒸餾法制備ANPyO基PBX樣品。ANPyO為主體炸藥，黏結(jié)劑為氟橡膠F2311、F2603和丁腈橡膠NBR-26。

首先稱取0.5g氟橡膠F2311置于單口圓底燒瓶，加入200mL乙酸乙酯，60℃水浴加熱30min，得到氟橡膠F2311的乙酸乙酯溶液冷卻備用。稱取10g ANPyO置于150mL帶攪拌槳的三口圓底燒瓶中，加入120mL溶劑，然后用恒壓漏斗緩慢加入40mL F2311乙酸乙酯溶液和增塑劑，將反應(yīng)體系置于60 ℃恒溫水浴中，減壓蒸餾，結(jié)束后升溫至75℃保溫10min，冷卻靜置。將產(chǎn)物抽濾，經(jīng)多次洗滌后于水浴烘箱中干燥至恒重，制得樣品,編號(hào)為樣品1。按照上述步驟，以氟橡膠F2603和丁腈橡膠NBR-26為黏結(jié)劑制備的ANPyO基PBX樣品分別編號(hào)為樣品2和樣品3。上述樣品中黏結(jié)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為1%。

1.3 爆速與感度測(cè)試

按照GJB772-97方法702.1測(cè)定樣品的爆速。藥柱壓藥條件為：鋼制模具內(nèi)徑15.0mm，油壓機(jī)壓強(qiáng)240MPa；為防止壓制藥柱長(zhǎng)徑比過(guò)大，退模易造成裂紋甚至斷裂，樣品藥柱藥量取5.0g；每組樣品測(cè)試3次，結(jié)果取平均值。

按照GJB772-97方法601.1測(cè)定樣品的撞擊感度；按照GJB772-97方法602.1測(cè)定樣品的摩擦感度。

1.4 爆炸威力試驗(yàn)

通過(guò)爆炸威力試驗(yàn)比較ANPyO基PBX樣品與參照樣品的聚能藥柱產(chǎn)生的聚能射流對(duì)鋼錠的侵徹深度和侵徹體積。按照聚能藥柱的壓制參數(shù)條件，采用鋼制壓藥模具，模具內(nèi)徑60mm，藥型罩為工業(yè)紫銅Tu沖壓而成，直徑58mm，錐角60°；試驗(yàn)設(shè)置炸高為80mm，單發(fā)裝藥量為300g。為保證穩(wěn)定起爆，ANPyO藥柱采用加RDX傳爆藥起爆方式，如圖1所示。為了獲得射流侵徹靶板時(shí)孔徑的分布情況，采用兩塊靶板疊加，上層靶板為直徑110mm、高度180mm的鋼錠，下層靶板為直徑110mm、高度40mm的鋼錠。

圖1 起爆方式及試驗(yàn)布置Fig.1 Initiation method and test arrangement

1.5 射孔穿深試驗(yàn)

射孔試驗(yàn)用彈型為DP3623-3；按照聚能藥柱的壓制參數(shù)條件，藥型罩為鉍合金粉末沖壓而成，內(nèi)徑為38mm，錐角為30°。分別采用壓罩和粘罩工藝方法，壓罩即為裝完藥后將藥型罩置于壓藥模具上一次沖壓成形；粘罩即為裝完藥后直接用模具將炸藥沖壓成形，然后用黏結(jié)劑將藥型罩粘到錐形藥柱內(nèi)側(cè)。試驗(yàn)用射孔彈外觀如圖2所示；根據(jù)壓藥工藝條件的要求和實(shí)際壓制效果調(diào)整壓強(qiáng)范圍為2～5.5MPa，保壓時(shí)間為3s；單發(fā)裝藥量為25g。

圖2 射孔彈壓藥成形外觀Fig.2 Press-charged appearance of perforation projectile

射孔試驗(yàn)裝置主要由起爆系統(tǒng)(導(dǎo)爆索和電雷管)、射孔彈、支撐管和45#圓鋼靶組成，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖3 射孔試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic diagram of the penetration test device

2 結(jié)果與討論

2.1 爆速與感度分析

為了比較ANPyO基PBX與常用耐熱混合炸藥的爆速、撞擊感度和摩擦感度，選擇以常用耐熱炸藥PYX、HNS、TATB為基的PBX樣品與制備的ANPyO基PBX樣品進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)樣品的爆速與機(jī)械感度

注：ρ為密度；D為爆速；I為撞擊感度；F為摩擦感度。

從表1可知，3種ANPyO基PBX樣品的爆速均為7300m/s左右，與TATB和HNS基PBX樣品的爆速比較接近；3種樣品的裝藥密度均為1.78 g/cm3左右， 比TATB基PBX樣品裝藥密度略小，比HNS基PBX樣品裝藥密度略大；3種ANPyO基PBX樣品的爆速和裝藥密度明顯高于PYX基PBX樣品。說(shuō)明ANPyO基PBX樣品的爆速達(dá)到甚至部分超過(guò)常用鈍感炸藥的水平，滿足常用鈍感炸藥的爆炸性能要求，可以作為一種新型鈍感炸藥候選化合物。上述PBX樣品配方中含氟高聚物良好的耐熱性、穩(wěn)定性和抗老化性，以及與PBX樣品中其他成分之間較好的相容性，能夠明顯改善PBX樣品的壓制成形性[13]，同時(shí)對(duì)提高PBX樣品配方的耐熱性也具有重要意義。3種ANPyO基PBX樣品中，以NBR-26為黏結(jié)劑的樣品3爆速略高于以氟橡膠為黏結(jié)劑的樣品1和樣品2，樣品1和樣品2爆速比較接近，由于NBR-26特征官能團(tuán)—CN電負(fù)性強(qiáng)于氟橡膠特征官能團(tuán)F原子，—CN與ANPyO中—NO2產(chǎn)生誘導(dǎo)效應(yīng)更強(qiáng)，故NBR-26與ANPyO晶體的界面作用更穩(wěn)定，參加爆炸化學(xué)反應(yīng)更充分，表現(xiàn)為樣品3爆速略高于樣品1和樣品2，但是NBR-26的耐熱性和抗老化性要弱于氟橡膠，對(duì)于深油井高溫射孔等特殊環(huán)境不利。

從表1撞擊感度和摩擦感度試驗(yàn)結(jié)果可知，6種PBX樣品的撞擊感度和摩擦感度均低于其對(duì)應(yīng)的單質(zhì)炸藥，說(shuō)明采用黏結(jié)劑包覆后的PBX樣品的安全性得到提高，其原因主要為高分子材料在炸藥顆粒表面形成了一層致密、有彈性的薄層，起到了包覆作用，一定程度上緩和了撞擊或摩擦等機(jī)械作用[9]。根據(jù)相對(duì)位移或壓縮空氣生熱產(chǎn)生熱點(diǎn)建立的熱點(diǎn)理論，包覆作用不利于熱點(diǎn)的產(chǎn)生，也就不容易引發(fā)爆炸。3種ANPyO基PBX樣品的撞擊感度比PYX基PBX樣品低約64%，摩擦感度比PYX基PBX樣品低約28%；撞擊感度比HNS基PBX樣品低約24%，摩擦感度比HNS基PBX樣品低約8%。3種ANPyO基PBX樣品的撞擊感度與TATB基樣品接近，雖然摩擦感度比TATB基PBX樣品高約16%，但仍能滿足低易損炸藥鈍感高能的要求，對(duì)于低易損裝藥具有重要的研究意義和應(yīng)用價(jià)值。

2.2 爆炸威力分析

為了研究ANPyO基PBX樣品的爆炸威力，選擇8701高能混合炸藥作為參照，分別對(duì)樣品3和8701炸藥壓制的藥柱進(jìn)行威力測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。同時(shí)，根據(jù)爆炸威力測(cè)試原理，通過(guò)計(jì)算模擬，模擬出聚能藥柱爆炸生成射流侵入兩塊疊加靶板過(guò)程的示意圖，如圖4所示。被侵徹靶板的照片，如圖5所示。

表2 爆炸威力試驗(yàn)結(jié)果

圖4 射流侵徹靶板的數(shù)值模擬示意圖Fig.4 Schematic diagram of numerical simulation of jet penetrating target plate

圖5 威力實(shí)驗(yàn)侵徹靶板情況Fig.5 Penetrating target plate situation of power test

由表2測(cè)試結(jié)果可知，樣品3的威力與8701炸藥存在一定差距，其侵徹體積為8701炸藥參照標(biāo)準(zhǔn)的76.4%，但是其聚能射流的侵徹深度與8701炸藥接近，達(dá)到8701炸藥侵徹深度的96.1%，其上靶板初次入孔開(kāi)口直徑(見(jiàn)圖5 (a))比8701炸藥(見(jiàn)圖5 (b))小3mm；由圖5 (a)可知，下靶板上表面有少量杵堵，剛好穿透上靶板，8701炸藥能量已達(dá)到極限。說(shuō)明樣品3爆炸產(chǎn)生的聚能射流更集中，但能量水平弱于8701炸藥。

根據(jù)威力測(cè)試的結(jié)果，樣品3的爆炸侵徹威力稍弱于8701炸藥，基本接近常用鈍感炸藥。由于單質(zhì)ANPyO晶體壓制聚能藥柱的成形性不夠理想，在壓制過(guò)程中出現(xiàn)明顯的咯吱聲，表明其流散性較差，容易在靜壓力的作用下使藥柱各部分受力不均，影響其密度的均勻性，甚至可能導(dǎo)致藥柱出現(xiàn)裂紋或斷層，從而影響聚能藥柱的侵徹威力和侵徹穩(wěn)定性。為了改善ANPyO晶體的壓藥成形性，通過(guò)一定的工藝方法將少量高分子材料包覆到ANPyO的表面制成造型粉，然后通過(guò)優(yōu)化壓藥工藝條件能夠有效改善其成形性，增加其裝藥密度和裝藥質(zhì)量，提高其侵徹威力，拓展ANPyO基PBX的應(yīng)用范圍。

2.3 射孔穿深分析

為了比較不同黏結(jié)劑成分的ANPyO基PBX樣品的射孔穿深能力，試驗(yàn)用PBX樣品射孔彈6發(fā)。根據(jù)組分中黏結(jié)劑F2311、F2603、NBR-26的不同分為3組，每組2發(fā)彈的組分相同，粘罩和壓罩工藝不同。分別對(duì)6發(fā)射孔彈進(jìn)行鋼靶射孔穿深試驗(yàn)，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較分析，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。部分鋼靶射孔穿深試驗(yàn)的入口位置和入口規(guī)整性如圖6所示。

表3 射孔彈的射孔穿深性能測(cè)試結(jié)果

圖6 鋼靶射孔破甲效果Fig.6 Effect of perforation and penetration of steel targets

由表3可知，3種黏結(jié)劑成分的PBX樣品的射孔穿深均超過(guò)120mm，其中NBR-26樣品的射孔深度最大，破甲效果最好，粘罩和壓罩射孔深度均超過(guò)了130mm；NBR-26樣品的入孔規(guī)則且直徑最大，入孔孔徑誤差不超過(guò)0.1mm，炸藥爆炸形成射流的能量更大；邊-邊距的測(cè)量結(jié)果說(shuō)明NBR-26樣品在鋼靶上射孔開(kāi)坑位置分布更趨近于中心，射孔位置更準(zhǔn)確，能量更集中。含F(xiàn)2311和F2603的樣品比較，射孔深度比較接近，含F(xiàn)2603的樣品稍大于含F(xiàn)2311的樣品，入孔直徑大小也比較接近，F(xiàn)2311樣品的孔口比F2603樣品更規(guī)則，但F2311樣品的射孔偏心更大。3組樣品中，每組中壓罩壓制的射孔彈在射孔深度、孔口規(guī)整性、射孔位置準(zhǔn)確性方面均比粘罩射孔彈效果好。

對(duì)表3射孔穿深性能測(cè)試結(jié)果的比較分析可知，3種ANPyO基PBX樣品均具有較好的鋼靶射孔穿深性能，其中黏結(jié)劑NBR-26樣品的入口穩(wěn)定且規(guī)則、射孔穿深最大，表明該樣品爆炸后形成的聚能射流能量更集中，即主體成分ANPyO爆炸后產(chǎn)生的沖擊動(dòng)能和熱能利用率更高。影響射孔穿深性能的因素很多，但爆炸產(chǎn)物沿射流運(yùn)動(dòng)方向的速度分布和質(zhì)量分布是影響射孔穿深的關(guān)鍵因素，根據(jù)測(cè)試結(jié)果比較可得樣品中的黏結(jié)劑成分在一定程度上對(duì)聚能射流產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響其射孔性能。除了爆炸材料、裝藥結(jié)構(gòu)等因素外，藥型罩也是影響射孔穿深性能的重要因素之一，本試驗(yàn)采用易碎性較好的鉍合金粉末藥型罩，在其壓垮期間，產(chǎn)生的拉應(yīng)力和剪切力較小，能量損失幾乎可忽略，形成的聚能射流近似為理想流體，能量集中，動(dòng)能較高，有利于提高對(duì)鋼靶的射孔穿深效能。

3 結(jié) 論

(1)ANPyO基PBX樣品的爆速為7300m/s左右，接近于常規(guī)鈍感炸藥TATB和HNS基樣品，但高于PYX基樣品；其撞擊感度比PYX基PBX樣品低約64%，比HNS基PBX樣品低約24%；摩擦感度比PYX基PBX樣品低約28%，比HNS基PBX樣品低約8%。撞擊感度與TATB基樣品接近，摩擦感度比TATB基PBX樣品高約16%。ANPyO可以作為一種新型高能鈍感含能材料。

(2)爆炸威力試驗(yàn)選擇以8701炸藥作為參照標(biāo)準(zhǔn)，ANPyO基PBX樣品的聚能侵徹體積為8701炸藥的76.4%，侵徹深度為8701炸藥的96.1%，在上靶板初次入口直徑比8701炸藥小3mm，其爆炸威力稍低于8701炸藥，基本接近于常見(jiàn)PBX的爆炸性能。

(3)3種ANPyO基PBX樣品均具有較好的鋼靶射孔穿深能力，射孔深度均超過(guò)120mm，其中黏結(jié)劑NBR-26樣品的射孔深度最大，超過(guò)130mm，入孔最規(guī)則且直徑最大，射孔偏心最小。以F2311與F2603為黏結(jié)劑的2種樣品的測(cè)試指標(biāo)比較接近，以F2311為黏結(jié)劑樣品的部分測(cè)試結(jié)果略好于以F2603為黏結(jié)劑的樣品；測(cè)試結(jié)果比較表明，壓罩比粘罩的射孔穿深效果好。