氟橡胶包覆对CL-20机械感度及爆轰特性的影响研究.pdf

:./.氟橡胶包覆对 机械感度及爆轰特性的影响研究过光飞 吴三震 徐飞扬 马 腾 徐 森 刘大斌南京理工大学化学与化工学院(江苏南京)国家民用爆破器材质量检验检测中心(江苏南京)摘 要 为研究 晶体表面钝化对安全及爆轰性能的影响采用氟橡胶 作为黏结剂基于水悬浮法对比研究了 包覆前、后的机械感度及爆轰性能变化规律 实验结果表明:包覆可以显著改善 材料的表面缺陷在 、与 条件下 包覆可明显提高 的临界撞击能与临界摩擦载荷在 环境下包覆对 临界撞击能与临界摩擦载荷无影响原因可能与包覆材料的玻璃化转变温度有关包覆后样品的实测爆热与爆速可达到 ./和 ./与 相比分别减小了.和.研究结论对 的安全储存、使用和高效能量输出具有一定的参考价值关键词 包覆机械感度爆轰性能分类号 ()()()././.引言作为一种具有笼型结构的多环硝胺高能化合物 具有高爆速、高爆压、高爆热等特点是当前火炸药、火工品等相关领域的首选材料之一但由于 具有感度高的特性在混合炸药制造及在武器装备应用过程中受到了一定的限制利用钝感剂或高分子聚合物对 进行包覆是降低感度的有效方法之一国内外学者进行了相关研究 任秀秀等采用氟橡胶、顺丁橡胶和蜡对 进行包覆氟橡胶包覆的 摩擦第 卷 第 期 爆 破 器 材 .年 月 .收稿日期:基金项目:装备预研国防科技重点实验室基金()中国博士后科学基金面上资助()第一作者:过光飞()男硕士研究生主要从事火炸药的安全应用:.通信作者:徐森()男教授博导主要从事含能材料安全性研究:.感度和摩擦系数均显著降低 魏华等以石蜡和高分子聚合物 为包覆材料采用水悬浮法包覆 包覆样品的撞击感度降低了 摩擦感度降低了 放热峰温提高了.李春燕等以聚乙二醇()和聚叠氮缩水甘油醚()为反应黏结体系对 进行包覆包覆后的含能复合物成型密度为./爆速为 /临界爆轰尺寸为 .廖东桀等以 为主体炸药在乙酸乙酯中以端羟基聚醚()/硝化纤维素()为复合黏结体系包覆 包覆后的 由 晶型转变为 晶型临界爆轰尺寸和爆速分别达到 .和 /国内外关于氟橡胶包覆 的研究多集中在包覆后的热安全性与常温下机械感度的定性评估对 包覆前、后的能量特性改变及不同温度下的机械感度阈值的定量分析鲜见报道 综合上述研究现状分析可知氟橡胶作为黏结剂具有良好的降感效果在质量分数为 时效果佳因此选取质量分数为 的氟橡胶 为研究对象采用溶液水悬浮法对 进行包覆量化表征不同温度条件下包覆前、后样品的临界撞击能和临界摩擦载荷对能量特性进行理论计算与实验分析 研究结果可为 的配方设计、生产、储运和使用等提供数据支撑和理论参考 实验.实验材料及仪器材料:原料工业纯 类辽宁庆阳特种化工有限公司 中国工程物理研究院乙酸乙酯和石油醚分析纯天津大茂化学试剂厂仪器:型扫描电镜日本日立公司 型撞击感度仪德国 公司型摩擦感度仪德国 公司绝热式爆热量热仪西安近代化学研究所./样品制备将.的 溶解在适量乙酸乙酯中水浴升温至 以 /转速搅拌促进溶解在反应器中加入去离子水和(记为样品)搅拌 使 均匀分散开随后水浴升温至 向反应器中加入 石油醚以避免 转晶并加入溶解好的 继续搅拌 以形成颗粒 加入.的颜色染剂(颜色染剂属于惰性材料且比例对体系而言可忽略不计)经过滤、干燥后得到/包覆样品(记为样品).机械感度与爆轰特性测试按照联合国关于危险货物运输的建议书 实验和标准手册第七修订版中()(二)进行撞击感度测试若出现爆炸声与着火等现象则视为爆炸 按照联合国关于危险货物运输的建议书 实验和标准手册第七修订版中()(一)进行摩擦感度测试若出现爆炸声、噼啪声、火花与火焰等现象均视为爆炸参考 方法.和方法.分别对样品进行爆热和爆速测试 测试药柱尺寸均为 装药密度为./样品在每个实验条件下最多开展 发重复实验 如果发生爆炸反应则相应降低能量刺激水平(即更换实验条件)重新开展实验直到样品在连续 发实验中都没有发生爆炸反应为止则可以确定样品的临界撞击能或临界摩擦载荷.临界撞击能和临界摩擦载荷的计算方法样品的临界撞击能计算如下:()式中:为样品的撞击能量 为落锤的质量 为落锤的高度 ()式中:为样品的临界撞击能为在特定条件下进行的最多 次实验中样品发生爆炸或燃烧时的能量为与 相邻的撞击能量且样品在 次实验中未发生爆炸或燃烧样品的临界摩擦载荷计算如下:()式中:为样品的摩擦载荷为载荷 ()式中:为样品的临界摩擦载荷为在特定条件下进行的最多 次实验中样品发生爆炸或燃烧时的摩擦力为与 相邻的摩擦力且样品在 次实验中未发生爆炸或燃烧 结果与分析.形貌表征采用扫描电镜()对样品进行形貌表征结果如图 所示由图()可看出原料(样品)晶体呈纺锤体周围散落少量碎晶粒径约为 图()中包覆后/(样品)的颗粒 爆 破 器 材 第 卷第 期图 原料 与包覆样品的 图.呈椭圆形且无明显棱角并且可以明显观察到 分子在 晶体表面的包覆.机械感度分析对/及原料 进行了不同温度(、与)下的机械感度测试图 为样品、在不同温度下的临界撞击能变化情况 图 与/不同温度下的临界撞击能./对图 进行分析样品 的临界撞击能在 时为 当温度上升到 与 时临界撞击能均 时样品的临界撞击能为 与 环境下体系临界撞击能分别下降为 和 降低幅度为 与 进一步地分析发现在 与 时样品 的临界撞击能较样品得到明显提升能量分别增加了 与 在 时 种样品的临界撞击能相同为 即 与 时样品的撞击感度相比于样品 大幅降低 时样品 与样品 撞击感度保持一致图 为样品、在不同温度下的临界摩擦载荷变化情况 图 与/不同温度下的临界摩擦载荷./对图 进行分析可知样品 的临界摩擦载荷随着温度的递减而增加 相较于 时临界摩擦载荷为 和 时临界摩擦载荷依次增加了 和 涨幅分别为.和.在 时样品 临界摩擦载荷为 当温度分别为 和 时临界摩擦载荷先上升至 再下降到 变化幅度分别为.和.相比较样品在 与 时样品的摩擦感度大幅降低临界能提升幅度分别为和 但在 时摩擦感度反而呈现上升趋势临界摩擦载荷由 下降到 降幅为.即 与 时样品 的摩擦感度相较样品 得到大幅改善而 时摩擦感度较样品 反而有所提高进一步分析发现随着温度的增加样品 的引发键 的键长也随之增加 根据最小键级原理键级越小机械感度就会越大 因此样品 的机械感度与温度呈正相关 样品 在 与 时降感效果明显 这是由于黏结在炸药表面的 具有良好的力学性能当受到外界刺激时可起到缓冲作用撞击和摩擦瞬间避免了颗粒间的直接接触减少了相互间作用的能量抑制了热点的产生此外当受到摩擦作用时一部分能量会被包覆在炸药颗粒表面的黏结剂吸收从而产生塑性形变被消耗同样不利于热点的形成在 时样品 的机械感度略有下降但 年 月 氟橡胶包覆对 机械感度及爆轰特性的影响研究 过光飞等 时样品 的机械感度反而有所增加 这是因为 的玻璃化温度在 左右当处于 环境中 分子链的柔顺性大幅降低不足以产生足够的塑性形变消耗外界作用能量从而发生破碎在机械刺激作用瞬间样品 晶体表面会形成刚性的应力集中点增加了有效碰撞概率从而导致包覆后的机械感度升高.爆轰特性分析.爆轰参数的理论计算采用阿瓦克扬方法进行理论爆热的计算 .().(.).(.)()式中:为产物总生成热的最大值产物总生成热的实际值 为产物生成热的真实系数 为炸药的氧系数为组分的爆热、和 分别为中的下标为炸药的定容生成热对爆速的理论计算采用 法计算公式为.()式中:为爆速 为势能因子 为装药密度其中势能因子可由爆轰产物的余容求得()式中:为第 种产物的余容为第 种产物的物质的量 为炸药的摩尔质量样品 的 ./的 /且 的势能因子.样品 理论装药密度 ./由式()、式()和式()可分别得到理论爆热 和理论爆速 结果如表 所示表 与/的理论爆热与爆速./样品/()/().在理论装药密度时样品 爆热与爆速可以达到 ./和 ./相比较样品 的理论爆热 ./和理论爆速 ./分别减小了./和./降幅仅为.和.由理论爆轰参数计算可知 包覆对 能量输出特性影响较小.实验结果表 为样品 和样品 的实测爆热 与爆速 在爆热与爆速测试中样品 的药柱密度为./样品的结果为引用自文献、并将密度修正到./时的实测值表 实测爆热与爆速.样品/()/().样品 在./时的实测爆热 和爆速 可达到 ./、./达到理论密度(./)时的.通过俞统昌法和 法以密度分别对样品 的实测爆热、爆速进行修正可反推在理论密度./时的爆热与爆速分别为 ./和 ./与.节中理论计算爆热 和爆速 相比改变幅度分别为.和.可知相比较爆热 包覆对 的爆速贡献更大由表 可知样品 的实测爆热与爆速分别为./和 ./仅比样品 的实测值高.和.由包覆前、后爆轰参数的测量与理论结果对比分析可知 包覆对 的爆轰特性影响较小可基本维持爆炸性能不变 结论)采用溶液水悬浮法制备的/复合粒子有效改善了 晶体表面的缺陷包覆颗粒的外形近似为椭圆形)对比了不同温度下 包覆 的机械感度 时的降感效果最为明显临界撞击能与临界摩擦载荷分别提高了 与 但在 时/复合粒子的机械感度呈现升高的趋势)的包覆对 爆轰特性影响较小包覆样品在./下的实测爆热与爆速分別为./和./相比较 分别仅降低了.和.参 考 文 献 曾贵玉 聂福德 刘晓东 等.六硝基六氮杂异伍兹 爆 破 器 材 第 卷第 期烷()的研究进展.含能材料 ():.():.叶宝云 王晶禹 安崇伟 等.基复合含能材料的制备及性能.固体火箭技术 ():.():./.():.欧育湘 孟征 刘进全.高能量密度化合物 的合成和制备工艺进展.化工进展 ():.:.():.赵希同 付小龙 林利红 等.共晶含能材料计算模拟及实验制备研究进展.兵器装备工程学报():.():.任晓斌 李军强 宋秀铎 等.降感处理技术及在 推进剂中的应用.兵器装备工程学报():.():.李海建 陈超 张哲 等.基于声共振技术的 基共晶材料制备及热解过程研究.火炸药学报():.():.肖旭 李军 胡大双 等.粉体的热爆炸临界温度试验研究.固体火箭技术 ():.():.():.:.:.任秀秀 赵省向 方伟 等.种/粘结剂 体系摩擦特性研究.火工品():./.():.魏华 焦清介 郭学永.石蜡/复合钝感包覆 的研究.含能材料 ():.():.李春燕 范家柯 程王健 等./聚氨酯基复合物喷墨打印成型及性能研究.火工品():./.():.廖东桀 徐传豪 孔胜 等.高强度/基微尺度传爆药的打印成型及性能表征.含能材料 ():./.():./.():.吴星亮 王红松 李文海 等.和 机械刺激临界反应阈值试验研究.爆破器材 ():.():.屈蓓 唐秋凡 李吉祯 等.分子动力学及热分析方法研究 与推进剂主要组分的相互作用.固 年 月 氟橡胶包覆对 机械感度及爆轰特性的影响研究 过光飞等 体火箭技术 ():.():.刘强 肖继军 陈军 等.不同温度下 晶体感度和力学性能的分子动力学模拟计算.火炸药学报 ():.():.詹春红 屈延阳 师鹏翔 等.氟橡胶 特性黏度对高聚物粘结炸药成型及力学性能的影响.化工新型材料 ():.():.汪慧思 陶博文 张小平 等.铝/改性氟橡胶复合燃料的制备及应用.含能材料 ():./.():.冯晓军 薛乐星 曹芳洁 等.基含铝炸药组分微结构对其爆炸释能特性的影响.火炸药学报 ():.():.郭惠丽 黄亚峰 金朋刚 等.炸药摩擦感度研究和测试方法进展.火工品():.():.张为鹏 黄亚峰 金朋刚 等.炸药摩擦感度研究进展和趋势.化学推进剂与高分子材料 ():.():.钱媛 李亚宁 贺伟君 等.高分子复合黏胶体系对 包覆及性能的影响.爆破器材 ():.():.王功亮 殷浩 张庆红 等.配合体系对低温氟橡胶胶料性能的影响.橡胶工业 ():.():.惠君明 陈云天.炸药爆炸理论.南京:江苏科学技术出版社.:.欧育湘 刘进全.高能量密度化合物.北京:国防工业出版社.:.爆 破 器 材 第 卷第 期