李鶴群，安崇偉，郭文建，衛(wèi)彥菊，李海興，王晶禹

(中北大學(xué) 化工與環(huán)境學(xué)院，山西 太原030051)

0 引 言

隨著武器彈藥越來(lái)越趨向于小型化發(fā)展，裝藥工藝面臨著嚴(yán)峻的考驗(yàn)，研究藥漿的流變性能是完善注裝裝藥工藝的前提，其中對(duì)推進(jìn)劑的流變性能研究較為普遍［1-5］，而在彈藥裝藥中對(duì)藥漿的流變性能的研究較少. 孫業(yè)斌等詳細(xì)論述了梯黑熔融炸藥的流變性能［6］. 李子峰等探究了添加劑對(duì)減小B 炸藥懸浮液粘度的作用機(jī)理［7］. C.Elds?ter 等闡述了分別以FOX-7 和CL-20 為基的PBX 炸藥的流變性能［8］. J. P. Guillemin 等提出了鈍感炸藥熔鑄過(guò)程的流動(dòng)時(shí)間模型，并指出了熔鑄懸浮液粘度與固含量、最大裝填密度和熔鑄載體粘度之間的函數(shù)關(guān)系［9］. 本文為了提高微型溝槽的裝藥質(zhì)量，系統(tǒng)闡述了HTPB/CL-20 澆注炸藥的流變性能，司班80 和卵磷脂對(duì)CL-20 基澆注傳爆藥流變性能的影響［10-11］.

在炸藥研究領(lǐng)域，熔鑄炸藥因其具有優(yōu)良的流動(dòng)特性被廣泛地應(yīng)用于武器系統(tǒng)的彈藥裝藥，然而傳統(tǒng)的以TNT 為載體的熔鑄炸藥并不能滿足高能鈍感炸藥的需求. 王親會(huì)將高能量的3，4-二硝基呋咱基氧化呋咱(DNTF)與TNT 混合配制成低共熔載體，加入HMX 作為固相主體炸藥制得了新型熔鑄炸藥［12］. 本文結(jié)合DNTF 的優(yōu)良特性，從研究熔鑄炸藥的流變性能入手，設(shè)計(jì)出一種適用于微型溝槽裝藥的熔鑄炸藥(DNTF/TNT/HMX)的配方.

1 實(shí)驗(yàn)材料與儀器

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

3 種不同粒度的HMX，中國(guó)兵器工業(yè)傳爆藥性能檢測(cè)中心自制;DNTF，TNT，西安近代化學(xué)研究所.

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

S4800 冷場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡，日本日立公司;Brookfield R/S Plus 流變儀，美國(guó)博勒飛流變儀公司;X-4 數(shù)字顯示顯微熔點(diǎn)測(cè)定儀，北京泰克儀器有限公司;KQ-300E 型超聲波清洗器，昆山市超聲儀器有限公司.

2 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果討論

2.1 熔鑄載體熔點(diǎn)的測(cè)定

用熔點(diǎn)儀測(cè)試原料DNTF，TNT 和不同配比的DNTF/TNT 熔鑄載體的熔點(diǎn)，測(cè)試結(jié)果如表1 所示. 由表1 可知，當(dāng)DNTF/TNT 的質(zhì)量比為60/40和70/30 時(shí)，熔點(diǎn)在74 ～91 ℃之間，在水浴加熱的條件下比較適合做熔鑄載體. 考慮到DNTF 機(jī)械感度較高，遂選取DNTF/TNT 的質(zhì)量比6/4 為熔鑄載體的最佳配比.

表1 熔鑄載體的質(zhì)量配比及熔點(diǎn)Tab．1 Mass ratio and melting point of melt-cast carrier

2.2 HMX 顆粒大小與形貌

對(duì)3 種不同粒度的HMX 進(jìn)行電鏡掃描測(cè)試(SEM)，掃描照片如圖1 所示.

圖1 不同粒度HMX 的SEM 照片F(xiàn)ig．1 SEM photographs of HMX with different particle size

由圖1 可知，3 種HMX 樣品的粒徑分布分別在170 ～210 μm，10 ～20 μm 和1 ～5 μm 之間.其中粒徑在170 ～210 μm 的HMX 顆粒呈不規(guī)則的多面體結(jié)構(gòu)，表面粗糙，棱角較多，平均粒徑在190 μm 左右;粒徑在10 ～20 μm 的HMX 顆粒表面光滑，顆粒形貌較一致，平均粒徑在15 μm 左右;粒徑在1 ～5 μm 的HMX 顆粒形狀規(guī)整，分布均勻，平均粒徑在2 μm 左右.

2.3 主體炸藥HMX 對(duì)熔鑄炸藥粘度的影響

取DNTF/TNT 質(zhì)量比60/40 為熔鑄載體，HMX 為固相主體炸藥，按照一定比例稱取7 種熔鑄炸藥配方置于密封瓶?jī)?nèi). 將密封瓶放入80 ℃的超聲恒溫水浴中分散2 h，形成熔鑄懸浮液;然后通過(guò)博勒飛R/S CPS 流變儀中的恒定旋轉(zhuǎn)測(cè)量單元塊對(duì)7 種熔鑄懸浮液進(jìn)行流變性能測(cè)試，溫度80 ℃，剪切速率2 s-1，測(cè)量點(diǎn)數(shù)60 個(gè)，測(cè)試時(shí)間60 s. 測(cè)試結(jié)果如圖2 所示.

圖2 HMX 對(duì)熔鑄炸藥粘度的影響Fig．2 Influence of HMX on the viscosity of melt-cast explosive

由 圖 2 (a) 可 知，當(dāng) HMX 的 粒 徑 在170 ～210 μm 之間時(shí)，該熔鑄炸藥的粘度隨著HMX 在熔鑄懸浮體系的百分含量的增加而增大;當(dāng)HMX 的含量在20% ～30% 時(shí)，懸浮體系的粘度較小，均在1 000 Pa·s 以下;當(dāng)HMX 的含量大于40%時(shí)，隨著HMX 百分含量的增加，懸浮體系粘度增大的幅度加大;當(dāng)HMX 含量在40% ～50%時(shí)，懸浮體系粘度為3 000 Pa·s 左右;當(dāng)HMX 含量達(dá)到60% 時(shí)，懸浮體系粘度猛增至6 000 Pa·s以上. 因此，在設(shè)計(jì)可用于注裝的的熔鑄配方時(shí)，主體炸藥HMX 含量應(yīng)控制在40%～50%之間，在此范圍內(nèi)，熔鑄懸浮體系粘度適中，適用于注裝裝藥. 從圖2(b)可以看出，在主體炸藥HMX 的含量在40%時(shí)，熔鑄炸藥的粘度隨著HMX 粒徑的減小而增大. 這是因?yàn)樵谛纬蓱腋∫旱倪^(guò)程中，每個(gè)HMX 粒子表面都均勻地吸附著一層DNTF/TNT 液膜，在相同質(zhì)量HMX 的情況下，HMX 的顆粒數(shù)目隨著顆粒粒徑的減小而增多，這使得游離的DNTF/TNT 減少，同時(shí)顆粒間的相互作用強(qiáng)度增強(qiáng)，降低了體系的流動(dòng)性. 然而，在HMX 平均粒徑為190 μm，15 μm 和2 μm時(shí)，懸浮體系的粘度均在3 000 Pa·s 左右，粘度變化幅度較小. 分析其原因，與平均粒徑在190 μm 的HMX 顆粒相比，平均粒徑在15 μm 和2 μm的HMX 顆粒表面光滑，棱角較少，這就使得顆粒之間的相對(duì)摩擦減小，懸浮體系粘度增大緩慢.

2.4 溫度對(duì)熔鑄炸藥流變性能的影響

通過(guò)博勒飛R/S CPS 流變儀中的旋轉(zhuǎn)斜坡測(cè)量單元塊對(duì)DNTF/TNT 質(zhì)量比為60/40，添加40% 2 μm HMX 的熔鑄樣品進(jìn)行了流變性能測(cè)試.溫度85 ℃，90 ℃和95 ℃，剪切速率0.06 ～10 s-1，測(cè)量點(diǎn)數(shù)60 個(gè)，測(cè)試時(shí)間60 s. 測(cè)試結(jié)果如圖3 所示.

圖3 溫度對(duì)熔鑄炸藥粘度的影響Fig．3 Influence of temperature on the viscosity of melt-cast explosive

從圖3 可以看出，隨著溫度的升高，懸浮體系的粘度下降;同時(shí)，在固定的溫度下，懸浮體系的粘度隨著剪切速率的增大而降低. 這就說(shuō)明該熔鑄炸藥懸浮體系是一種非牛頓流體，適當(dāng)攪拌可以降低懸浮體系的粘度. 根據(jù)Ostwald-de Wale冪律經(jīng)驗(yàn)方程［6］

可得非牛頓流體的粘度表達(dá)式

式中:τ 為剪切應(yīng)力;γ 為剪切速率;K 為稠度系數(shù);n 為流動(dòng)指數(shù);η 為粘度.

對(duì)公式(2)兩邊取對(duì)數(shù)，線性擬合計(jì)算流動(dòng)指數(shù)n.

圖4 不同溫度下式(3)的線性擬合曲線Fig．4 Linear fitting of equation (3)with different temperatures

根據(jù)圖4 的線性擬合，可計(jì)算出熔鑄炸藥懸浮體系在85 ℃，90 ℃和95 ℃的流動(dòng)指數(shù)n 分別為0.093 61，-0.262 02 和-0.196 75，稠度系數(shù)K 分別為1 ×103.60907，1 ×103.26810和1 ×102.65493.在不同溫度下的流動(dòng)指數(shù)n 均小于1，說(shuō)明該熔鑄炸藥懸浮體系在剪切速率為0.06 ～10 s-1之間呈現(xiàn)假塑性，這與傳統(tǒng)的熔融梯黑懸浮體系的流動(dòng)指數(shù)n 大于1 不同. 分析其原因，傳統(tǒng)的熔鑄炸藥所用的主體炸藥顆粒粒徑都在幾十或者幾百微米，而該熔鑄炸藥懸浮體系所用的是2 μm 左右的超細(xì)HMX 顆粒，超細(xì)顆粒的加入有利于懸浮體系向著假塑性流體轉(zhuǎn)變. 同時(shí)，超細(xì)HMX 的機(jī)械感度比粗顆粒要低，能量輸出性能較好，因此應(yīng)選取超細(xì)HMX 作為固相主體炸藥. 從擬合數(shù)據(jù)還可以看出，隨著溫度從85 ℃升高到90 ℃，流動(dòng)指數(shù)和稠度系數(shù)逐漸減小，說(shuō)明該熔鑄炸藥懸浮體系對(duì)溫度敏感，隨著溫度的升高偏離牛頓型流體的程度加大，體系的粘稠性變小. 但是，當(dāng)溫度從90℃升高到95 ℃時(shí)，流動(dòng)指數(shù)增大. 這是因?yàn)闇囟冗^(guò)高會(huì)導(dǎo)致固相和液相分離嚴(yán)重，所以在微型溝槽裝藥過(guò)程中應(yīng)將溫度控制在85 ～90 ℃為宜.

3 結(jié) 論

1)對(duì)比不同配比的DNTF/TNT 熔鑄載體的熔點(diǎn)，隨著DNTF 含量的增加，熔鑄載體的熔點(diǎn)逐漸升高，當(dāng)DNTF/TNT 的質(zhì)量比為60/40 時(shí)為最佳配比，其熔點(diǎn)在74 ～79 ℃之間.

2)隨著HMX 含量的增大，熔鑄懸浮體系的粘度逐漸增大;同時(shí)隨著HMX 粒徑的減小，熔鑄懸浮體系的粘度也逐漸增大. 通過(guò)對(duì)比和分析，選取40% ～50% 2 μm 超細(xì)HMX 為高能固相主體炸藥的熔鑄配方具有良好的流變性能.

3)分析了不同溫度對(duì)熔鑄炸藥流變性能的影響，隨著溫度的升高，熔鑄懸浮體系粘度、流動(dòng)指數(shù)和稠度系數(shù)逐步降低.

綜上所述，通過(guò)對(duì)熔鑄炸藥的流變性能測(cè)試，得到了一種適用于微型溝槽裝藥的熔鑄炸藥，以質(zhì)量比為60/40 的DNTF/TNT 作為熔鑄液相載體，加入40% ～50% 2 μm 超細(xì)HMX 高能固相主體炸藥，在裝藥過(guò)程中熔鑄炸藥的溫度應(yīng)控制在85 ～90 ℃，同時(shí)加以攪拌來(lái)降低熔鑄懸浮體系的粘度，以達(dá)到更好的裝藥工藝性能.

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