楊志劍, 劉曉波, 何冠松, 李玉斌, 聶福德

(中國工程物理研究院化工材料研究所, 四川 綿陽 621999)

1 引 言

先進武器彈藥伴隨著含能材料技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用而不斷發(fā)展?；旌险ㄋ幱捎谀軌驈浹a單質(zhì)炸藥在品種、成型工藝、原料來源和成本等方面的不足,選擇性和適應(yīng)性更高,是武器實現(xiàn)毀傷作用的最終使用形式,在武器裝藥中起著至關(guān)重要的作用。混合炸藥設(shè)計技術(shù)是含能材料技術(shù)的一個重要方向,牽引著新型含能材料合成、結(jié)晶等學(xué)科的發(fā)展。對于混合炸藥而言,不僅要考慮能量與安全性這些基本性能,還需要考慮材料相容性、成型、機加、力學(xué)等綜合性能。經(jīng)過多年的發(fā)展,世界各國相繼研發(fā)了以不同炸藥為基,能夠?qū)崿F(xiàn)不同毀傷方式的炸藥配方, 以滿足武器彈藥的應(yīng)用需求?？傮w上看,混合炸藥應(yīng)該具有高的密度和能量輸出、良好的安全和工藝性能。

從特點上看,混合炸藥屬于高填充體系的復(fù)合材料,涉及含能材料介觀、宏觀尺度的科學(xué)問題。配方中通常包含主體炸藥、高分子粘結(jié)劑、熔鑄載體、降感劑、增塑劑、其它功能添加劑等,每種組分所起作用不同,但功能上的協(xié)同效應(yīng)對配方設(shè)計十分重要?；旌险ㄋ幍哪芰?、安全性、力學(xué)性能、成本等往往不可兼得,需要綜合匹配設(shè)計,因此一種炸藥可能在定型后很長一段時間仍然在不斷改進和發(fā)展,實現(xiàn)綜合性能不斷提升?；旌险ㄋ幣浞娇傮w設(shè)計原則如圖1所示[1],為滿足武器彈藥應(yīng)用需求,從設(shè)計的策略而言,其一是不斷應(yīng)用新的單質(zhì)炸藥,挖掘應(yīng)用潛力; 其二是研究新型功能助劑,包括粘結(jié)劑、降感劑、增塑劑、其它添加劑等,將其用于改善炸藥性能; 其三是通過對混合炸藥內(nèi)部微結(jié)構(gòu)進行適當調(diào)控、改進炸藥制備工藝等實現(xiàn)性能優(yōu)化和應(yīng)用。本文根據(jù)混合炸藥設(shè)計的高能化和鈍感化兩個主要方向,對近年來混合炸藥的設(shè)計研究展開綜述,并對今后的發(fā)展趨勢進行展望。

圖1 配方設(shè)計總體原則[1]

Fig.1 Overall principle for formulation design[1]

2 混合炸藥的高能化設(shè)計

2.1 新型高能炸藥的應(yīng)用

現(xiàn)役武器彈藥中,實際應(yīng)用的炸藥含能組分最主要為三硝基甲苯(TNT)、2, 4-二硝基茴香醚(DNAN)、3-硝基-1,2,4-三唑-5-酮(NTO)、硝基胍(NQ)、黑索金(RDX)和奧克托今(HMX)六種。其中,TNT、DNAN、NTO主要用于熔鑄炸藥,NQ用于熔鑄或澆注炸藥,而RDX和HMX作為典型高能炸藥廣泛用于各類配方。對于混合炸藥設(shè)計而言,提高主體炸藥含量或能量,是炸藥高能化設(shè)計最直接、最有效的途徑。多年來,研究人員致力于開發(fā)新型高能量密度材料(HEDM),但能獲實際應(yīng)用的只占少數(shù)。當前,混合炸藥高能化設(shè)計中應(yīng)用的典型高能炸藥包括六硝基六氮雜異伍茲烷(CL-20)、1,3,3-三硝基氮雜環(huán)丁烷(TNAZ)、3,4-二硝基呋咱基氧化呋咱(DNTF)、5,5′-聯(lián)四唑-1,1′-二氧二羥銨(TKX-50)等。

CL-20由Nielsen于1987年合成,是最有應(yīng)用前景的新型高能炸藥之一,其能量輸出比HMX高10%～15%。部分已報道的CL-20基炸藥配方如表1所示。美國研制了系列CL-20基混合炸藥[2-4],包括LX-19、RX-39-AA/AB、PBXC-19、PBXCL-1、PBXCLT-1、RX-49-AE、PATHX-1、PATHX-2、PATHX-3、PAX-11、PAX-12、PAX-22、PAX-29、PBXW-16、DLE-C038等。其中,LX-19、RX-39-AB所用CL-20粒徑不同,但配方組成一致,均是將LX-14中95%的HMX換成CL-20,5%的Estane粘結(jié)劑不變,能量提升十分顯著,可用于多用途子彈、爆炸成型穿甲戰(zhàn)斗部(EFP)彈藥。PBXC-19與之類似,粘結(jié)劑使用的是EVA。PATHX系列配方組成均為CL-20/Estane,區(qū)別在于CL-20含量不同。PAX-11、PAX-29則主要是CL-20基含鋁炸藥,主要用于多用途反裝甲戰(zhàn)斗部和高爆戰(zhàn)斗部。DLE-C038則是一種CL-20含量為90%的澆注炸藥,該炸藥安全性能、力學(xué)性能良好,在高爆、破片殺傷戰(zhàn)斗部中具有重要的應(yīng)用前景。總體上看,當前CL-20基炸藥以壓裝型為主,與HMX基炸藥相比,均體現(xiàn)了較為突出的高能優(yōu)勢,應(yīng)用方向主要為聚能破甲、殺爆戰(zhàn)斗部等。目前,限制CL-20在武器炸藥中廣泛應(yīng)用的首先問題是其成本和感度過高,其次是CL-20的轉(zhuǎn)晶、力學(xué)性能等問題。圍繞這些問題,許多實驗室仍在開展研究[5-7],以全面推動CL-20作為新一代高能炸藥在武器中的應(yīng)用。

表1 部分CL-20基炸藥配方及其性能[2-4]

Table 1 Some CL-20 based formulations and their performance[2-4]

codeformulationdensity/g·cm-3detonationvelocity/m·s-1LX-19CL-20/Estane=95/51.9599440RX-39-ABCL-20/Estane=95/51.9429208PBXC-19CL-20/EVA=95/51.8969083PBXCL-1CL-20/PVB=97/31.9219201PBXCLT-149%-70%CL-20/48%-27%HNJ/3%PVB1.9068384-9102PATHX-188%-95%CL-20/Estane1.868-1.9448890-9370PATHX-292%-95%CL-20/Estane1.869-1.9238850-9220PATHX-385%-94%CL-20/Estane1.871-1.9588910-9500PAX-11CL-20/Al/CAB/BDNPF/A=79/15/2.4/3.62.0238870PAX-29CL-20/Al/CAB/BDNPF/A=77/15/3.2/4.82.0028770DLE-C038CL-20/HTPB+PL-1=90/101.8218730

TNAZ熔點為101 ℃,爆速為8830 m·s-1,爆熱彈測試其能量輸出為1.5倍TNT當量。盡管能量水平較HMX低,但由于具有低熔點特性,且具有良好的氧平衡、生成熱、較低的感度和較好的熱穩(wěn)定性,同時沒有吸濕性問題,可用于熔鑄炸藥中替代TNT,使炸藥能量水平大幅提升[8-9]。以TNAZ替代B炸藥中的TNT,炸藥的爆速和爆壓可提升30%～40%。美國陸軍研制了六種基于TNAZ的炸藥配方RX-22-AT/AU/AV/AW/AX/AY[10],配方中所使用粘結(jié)劑有Viton A,Estane和Fluore,這些炸藥成型性能良好,可以滿足武器彈藥的空心裝藥需求。澳大利亞研究了TNAZ替代B炸藥中TNT的配方ARX-4007(RDX/TNAZ=60/40),盡管爆速和爆壓分別提升至8660 m·s-1和33.0 GPa,但TNAZ的蒸氣壓高,易揮發(fā)仍然是一個問題[11],此外,TNAZ成本偏高,且在固化時體積收縮率較大,易形成孔隙[12],這些問題限制了TNAZ在混合炸藥中的應(yīng)用。盡管如此,TNAZ的綜合性能較好,在解決成本問題之后,可考慮用于導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部之中。

與TNAZ類似,DNTF也可在熔鑄炸藥中替代TNT作為高能液相載體[13],DNTF爆速為9250 m·s-1,熔點為110 ℃,熱安定性和相容性良好,DNTF基熔鑄炸藥可滿足多種武器裝藥的高威力要求[14]。目前,DNTF基炸藥研究正在大量開展,俄羅斯已將DNTF應(yīng)用于武器型號。An等[15]研究了DNTF/GAP炸藥配方(DNTF/GAP/TDI=85/11/4),用于爆炸網(wǎng)絡(luò),撞擊感度與PBXN-5相當,摩擦感度比PBXN-5顯著降低。目前,限制DNTF在炸藥中應(yīng)用的主要問題一是感度偏高,需要開展降感技術(shù)研究; 二是其熔點偏高,不利于傳統(tǒng)熔鑄工藝使用,盡管可以通過與TNT等其它載體組成低共熔物來降低熔點,但這可能帶來滲出物問題。

TKX-50是近年來合成出的一種四唑含能離子鹽[16],屬于具有代表性的新型高能量密度材料,理論計算爆速為9698 m·s-1,爆壓42.4 GPa。同時,TKX-50感度較低,是RDX的理想替代物。盡管目前TKX-50的研究多數(shù)集中在合成優(yōu)化階段,但其應(yīng)用于高能炸藥的探索已逐步開展。Yu等采用分子動力學(xué)模擬方法,研究了四種不同高聚物對TKX-50基炸藥的性能影響[17],通過綜合對比力學(xué)性能、成型性能、晶面結(jié)合能,認為聚乙二醇(PEG)是TKX-50理想的粘結(jié)劑體系。Klap?tke等[18]采用水下爆炸試驗研究了TKX-50及其它炸藥為基的裝藥爆轟性能,發(fā)現(xiàn)TKX-50基炸藥相對密度較低,其在水下的氣泡能與沖擊波能偏低,不及RDX、HMX和PETN,如圖2所示。在相容性方面,Huang等[19]研究了TKX-50與常見組分的相容性,發(fā)現(xiàn)TKX-50與六硝基乙烷(HNE)相容性良好,與HMX相容性適中,但與TNT、CL-20、RDX、高氯酸銨(AP)、Al、縮水甘油疊氮聚醚(GAP)、端羥基聚丁二烯(HTPB)等組分相容性均較差。因此,盡管TKX-50在能量和安全性方面具有較為明顯的優(yōu)勢,但其實測爆轟性能與理論計算值存在一定差距,且TKX-50在混合炸藥中的應(yīng)用需要解決相容性、成型性能以及離子鹽的吸濕性等問題。除上述幾種高能炸藥外,還有許多新型高能單質(zhì)炸藥正在用于高能化研制探索,由于炸藥能量與安全性往往存在一定矛盾,在設(shè)計時,需重點關(guān)注高能組分引入后的安全性能以及其它性能綜合匹配。

圖1 TKX-50及其它炸藥的水下爆炸氣泡能、沖擊波能(裝藥質(zhì)量為0.2 g, 0.5 g, 0.7 g)[18]

Fig.1 Bubble energy and shock wave energy of TKX-50 and other explosives by underwater explosion (mass of charge: 0.2 g, 0.5 g, 0.7 g)[18]

2.2 含能粘結(jié)劑與增塑劑的應(yīng)用

盡管粘結(jié)劑、增塑劑等在炸藥配方中所占比例不高,但其能量特性對炸藥的能量水平卻有著重要的影響。使用含能的粘結(jié)劑、增塑劑,能夠提升炸藥能量,從而可在相同能量水平的配方設(shè)計中適當減少炸藥組分含量,有利于對安全性能進行調(diào)控,因而相關(guān)研究受到廣泛關(guān)注。新的含能粘結(jié)劑與增塑劑品種不斷出現(xiàn),且部分已獲應(yīng)用。一般而言,含能粘結(jié)劑或增塑劑分子中具有含能基團,如硝基(—NO2)、硝酰氧基(—ONO2)、疊氮基(—N3)、氟(F)等。多年來,研究人員陸續(xù)開發(fā)了聚醚類、聚硝酸酯類,環(huán)氧樹脂類,聚硫化物類,聚氨酯類等多種含能粘結(jié)劑[12],如GAP、硝化后的端羥基聚丁二烯(NHTPB)、聚-3-硝酸酯甲基-3-甲基氧丁環(huán)Poly(NIMMO)、聚縮水甘油醚硝酸酯Poly(GLYN)、硝化環(huán)糊精聚合物(Poly-CDN)等。而用于炸藥的含能增塑劑主要包括雙(2,2-二硝基丙基)縮甲/乙醛(BDNPF/A),N-丁基硝氧乙基硝胺(BuNENA)等。

世界各國研制了許多含有含能粘結(jié)劑的炸藥,如法國的B3003、B3017、B3021、B3103、B3110; 英國的CPX 412、CPX 413、CPX 450、CPX 458、CPX 459、CPX 460; 瑞典的GD-5; 日本的PBXK-C3101、PBXK-C3102等[20]。表2列出了部分含能粘結(jié)劑、增塑劑的配方組成及性能,其中部分炸藥已經(jīng)獲得實際應(yīng)用。含能粘結(jié)劑或增塑劑的使用能夠改善混合炸藥能量輸出,以PBXN-111(RX/Al/AP/HTPB=20/25/43/12)為例,如將GAP替代HTPB,爆熱值能提升約1400 kJ/kg。Anderson等[21]研究發(fā)現(xiàn)對于典型含鋁炸藥而言,使用含能粘結(jié)劑替代惰性粘結(jié)劑,炸藥的氧平衡獲得改善,爆速提升10%以上,同時鋁的反應(yīng)活性大幅增加。

表2 采用含能粘結(jié)劑、增塑劑的炸藥配方[20]

Table 2 Energetic binders and plasticizers based explosive formulations[20]

codeformulationdensity/g·cm-3detonationvelocity/m·s-1B3003HMX/NC-NG=80/201.81/B3017NTO/EB=74/261.757780B3021RDX/NTO/EB=25/50/251.778100B3103HMX/Al/EB=51/19/30/7810CPX412NTO/HMX/PolyNIMMO/K10=50/30/10/101.667200CPX413NTO/HMX/PolyNIMMO/K10=45/35/10/101.708150CPX450NTO/HMX/Al/PolyNIMMO/K10=40//20/20/10/101.857762CPX458NTO/HMX/Al/PolyNIMMO/K10=30//30/20/10/101.857676CPX459NTO/HMX/Al/PolyNIMMO/K10=20//40/20/10/101.867761CPX460NTO/HMX/Al/PolyNIMMO/K10=27.5//27.5/25/10/101.886420GD-5NTO/HMX/PGA/BDNPA/F=40/43/7/10/8035PBXK-C3101CL-20/EB=81/191.838650PBXK-C3102CL-20/EB=82/181.848700

Note: EB is energetic binder.

在炸藥應(yīng)用中,部分含能粘結(jié)劑、添加劑存在相容性、力學(xué)性能問題,需通過研究進行改善,且由于含能基團的存在,能量的提升伴隨著安全性能一定程度的下降,在設(shè)計時需要進行權(quán)衡。近年來,含能粘結(jié)劑[22-23]、含能增塑劑[24-25]的研究仍在持續(xù)開展,這些含能組分與炸藥相容性較好,可通過高分子氫鍵等與炸藥形成一定相互作用,可對炸藥形成良好包覆,在降低炸藥感度、改善力學(xué)性能等方面具有良好效果。

2.3 高活性金屬的應(yīng)用

高活性金屬具有高的燃燒熱值,將其用于混合炸藥,能夠顯著提升武器彈藥對目標的毀傷威力。早期發(fā)展的燃料空氣炸藥(FAE)中主要含有可燃液體和高活性金屬粉(Al、Mg),在威力范圍內(nèi)轉(zhuǎn)化的毀傷能量要遠高于傳統(tǒng)炸藥。近年來,同樣應(yīng)用高活性金屬的溫壓炸藥(TBX)受到廣泛關(guān)注,溫壓炸藥已成為標志性的新型武器之一[26-28]。溫壓炸藥富含高活性金屬,兼具高能炸藥和FAE的特點,具有較高的總沖量和較長的作用時間,能夠同時產(chǎn)生高溫高壓、耗氧窒息等毀傷效果。溫壓炸藥中一般包括高能炸藥、可燃金屬顆粒、氧化劑、粘結(jié)劑等成分,其中,燃料是決定和影響溫壓炸藥性能的關(guān)鍵成分,通常為可燃性金屬或合金粉(如Al、Al-Mg、Al-B、Ti-B等)。研究表明,溫壓炸藥的組成、作用過程和爆炸功效都明顯區(qū)別于一般含鋁炸藥[29]。一般含鋁炸藥的中鋁含量不超過20%,這是因為其中的鋁主要與炸藥爆炸的氣體產(chǎn)物反應(yīng),需要與炸藥之間保持一定的化學(xué)平衡。而溫壓炸藥中鋁的含量通常更高,鋁主要與目標周圍空氣中的氧氣反應(yīng),由高溫產(chǎn)物進行二次點火,溫度效果高。

典型的溫壓炸藥包括美國研制的PBXIH-18(含HMX、Al、己二酸二辛酯(DOA))和PAX-3(含HMX、Al、BDNPA/F、CAB)、法國研制的B2514(含RDX、Al、AP、HTPB)、瑞士研制的DPX-6(含HMX、Al、Hytemp、DOA)等。其中,PBXIH-18已通過美國海軍認證,具有6000加侖的放大生產(chǎn)線,并在LAW M72-ASM肩射武器中得到應(yīng)用,對于打擊地下、隧道目標具有很好的毀傷威力[30]。PAX-3則用于先進多功能武器,B2514對有限空間目標極具毀傷性的高壓脈沖效果,DPX-6則已用于縮小口徑反結(jié)構(gòu)彈藥。溫壓炸藥設(shè)計時,不能只從化學(xué)反應(yīng)熱力學(xué)考慮,而應(yīng)基于炸藥爆炸化學(xué)反應(yīng)的動力學(xué)特性進行設(shè)計[31]。溫壓炸藥中宜使用含不同顆粒尺寸分布的金屬粉,從而有利于發(fā)生多重反應(yīng)。此外,溫壓炸藥中的金屬顆粒應(yīng)該具有合適的反應(yīng)動力學(xué)特征,這要求金屬顆粒容易被高溫氣體產(chǎn)物點燃,具有合適的燃燒反應(yīng)速度,并具有一定抗氧化性。因此,溫壓炸藥中一般需要對金屬粉進行包覆預(yù)處理,以提升抗氧化能力。同時,改善可燃性金屬的表面性質(zhì),或通過增加顆粒的比表面積,能夠提高金屬顆粒的反應(yīng)活性[32]。如采用反應(yīng)性的金屬間化合物作為燃料顆粒,通過反應(yīng)性組分之間的化學(xué)反應(yīng),釋放大量的化學(xué)能,可進一步有效提升溫壓炸藥輸出性能。

增爆炸藥(EBX)由于具有金屬驅(qū)動和高爆兩個效果,也被稱為組合效果炸藥。通常由高能炸藥、金屬燃料(如Al)和粘結(jié)劑組成,其反應(yīng)包括三個階段: 高能炸藥爆炸、爆炸氣體產(chǎn)物無氧膨脹、燃料及爆炸氣體產(chǎn)物燃燒反應(yīng)[33]。在整個過程中,燃料及爆炸氣體產(chǎn)物可以持續(xù)與空氣中的氧氣發(fā)生反應(yīng),從而大幅度增強爆炸沖擊效果[34](如圖3)。歐洲含能材料公司(EURENCO)研制的B2258A(含RDX、AP、Al、HTPB)、B3108A(含HMX、Al、聚酯)就是兩個典型的增爆炸藥,已經(jīng)成為增強爆炸導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部的主裝藥。美國匹克汀尼兵工廠研制的PAX-29(15% Al、77% CL-20、3.2% CAB、4.8% BDNPA/F)、PAX-30(77% HMX、15% Al、8% 粘結(jié)劑)和PAX-42(77% RDX,15% Al,8% 粘結(jié)劑)也是典型的壓裝型增爆炸藥,其金屬驅(qū)動能力相當于或大于LX-14,顯示出良好的增強爆炸效果,不足之處在于這三個炸藥的安全性能還有待改善。研究人員優(yōu)化了炸藥的制備工藝,獲得了感度明顯改善,而爆炸性能得以保持的炸藥PAX-50。通過工藝處理保持Al粉的高活性,所獲得的具有組合效果的炸藥可應(yīng)用于多功能戰(zhàn)斗部以及具有高爆性能要求的戰(zhàn)斗部[35]。

圖3 普通高能炸藥、溫壓炸藥及增爆炸藥爆轟的壓力-時間曲線[34]

Fig.3 Pressure-time curves of high explosive, TBX and EBX detonations[34]

3 炸藥配方的鈍感化設(shè)計

3.1 低感含能材料的應(yīng)用

鑒于現(xiàn)代化戰(zhàn)爭中武器彈藥意外爆炸將導(dǎo)致的災(zāi)難性后果,彈藥安全性受到廣泛關(guān)注。而炸藥本身的安全優(yōu)劣是影響彈藥系統(tǒng)安全性的最根本、最重要因素。多年來,安全性能提升(鈍感化設(shè)計)一直是混合炸藥設(shè)計的核心主題,美國海軍在20世紀80年代提出鈍感彈藥(IM)的概念并取得了長期發(fā)展[36]。由于混合炸藥的安全性能取決于炸藥組分及結(jié)構(gòu),因此,在配方設(shè)計時,選擇本質(zhì)上不敏感的含能組分,如DNAN、NTO、三氨基三硝基苯(TATB)、1,1-二氨基-2,2-二硝基乙烯(FOX-7)、2,6-二氨基-3,5-二硝基吡嗪-1-氧化物(LLM-105)、3,3′-二氨基-4,4′-氧化偶氮呋咱(DAAF)、二乙二醇二硝酸酯(DEGDN)等[37],是降低炸藥感度的最有效途徑之一。

在熔鑄炸藥鈍感化方面,由于DNAN和NTO具有優(yōu)異的安全性能,是TNT和RDX的理想替代物,有利于實現(xiàn)炸藥的IM特性,因此被廣泛研究,最為典型的配方如IMX-101(DNAN/NQ/NTO=40/40/20)和IMX-104(DNAN/NTO/RDX=31.7/53/15.3)[38],滿足IM要求,可用于替代B炸藥,已實現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)和應(yīng)用。DNAN基熔鑄炸藥的優(yōu)點在于其機械感度和沖擊波感度均較低,已研制含DNAN的炸藥包括PAX-21、PAX-24、PAX-25、PAX-28、PAX-40、ARX-4027等。除DNAN外,熔鑄炸藥中TNT的另一潛力替代物N-丙基硝基胍(PRNQ)則是一種高能鈍感炸藥,具有優(yōu)良的安全性能和能量輸出[39],應(yīng)用前景較好。當前,DNAN和PRNQ在應(yīng)用中的一個缺點在于其不可逆熱膨脹較高,分別為15%和11%,而TNT的不可逆熱膨脹只有3.3%,因此,如何解決不可逆熱膨脹是DNAN和PRNQ應(yīng)用的一項關(guān)鍵問題。另一方面,NTO作為目前鈍感彈藥中使用最為廣泛的炸藥之一,主要應(yīng)用于熔鑄和澆注炸藥。代表性的NTO基熔鑄炸藥包括用于MK-82航彈及FMU-139炮彈裝填的的AFX-645(TNT/NTO/Al/I-800)、TNTO-Ⅰ～TNTO-Ⅳ系列(TNT/NTO/Al/石蠟),此外,NTO與RDX或HMX復(fù)配的熔鑄炸藥仍在持續(xù)研究[40]。NTO基澆注炸藥主要有PBXW-121～PBXW-126系列(NTO/RDX/Al/AP/HTPB),B3017(NTO/含能粘結(jié)劑)、B3021(NTO/RDX/含能粘結(jié)劑)、DLE-C054(NTO/RDX/HTPB)等,這些炸藥安全性能優(yōu)異,有望應(yīng)用于大彈藥裝藥[41]。

除DNAN、NTO外,近年來FOX-7基混合炸藥也逐漸成為鈍感彈藥領(lǐng)域的研究熱點[42],瑞典研制了如FOF-2～FOF-5的系列FOX-7基混合炸藥,能量與B炸藥相當,表現(xiàn)出明顯的IM安全特性。FOX-7具有與RDX相當?shù)哪芰?以及與TNT相當?shù)母卸?。含蠟FOX-7炸藥(FOX-7/W=97.8/2.2)與B炸藥相比,爆轟性能略有提升,裝藥產(chǎn)生聚能射流和侵徹能力更佳,而傳爆藥(FOX-7/EVA=95/5)能夠通過快烤、慢烤等IM試驗考核[43]。整體上看,FOX-7大規(guī)模應(yīng)用于IM的前景良好。其它不敏感炸藥組分應(yīng)用方面,TATB最為鈍感,但由于成本較高、臨界起爆直徑大等原因,主要用于核武器炸藥如LX-17、PBX-9502以及敏感高能炸藥的降感材料。近年來,LLM-105[44]、DAAF[45]等不敏感炸藥由于性能優(yōu)異,其配方設(shè)計工作也開展較多。此外,含能離子液體應(yīng)用于混合炸藥的鈍感化設(shè)計也逐漸受到關(guān)注,Adams等近期研發(fā)了一種氨基胍-三氟乙酸胍鹽的含能離子液體GAGTFA[46],在熔鑄炸藥中使用性能好,不僅具有含能特性,還具有良好的降感效果,已用于兩種新炸藥PAX-53(HMX/GAGTFA)和PAX-54(HMX/Al/GAGTFA),安全性能良好。隨著新型不敏感單質(zhì)炸藥合成的持續(xù)發(fā)展,混合炸藥的鈍感化設(shè)計在組分上具有越來越多的選擇,有望持續(xù)推動鈍感彈藥的發(fā)展與應(yīng)用。

3.2 高效降感技術(shù)的應(yīng)用

除選用不敏感含能組分外,對炸藥進行降感也是炸藥鈍感化的重要技術(shù)途徑之一。根據(jù)熱點理論,炸藥的爆炸主要取決于熱點的產(chǎn)生和傳播的概率。為降低熱點產(chǎn)生概率,應(yīng)設(shè)法消除炸藥晶體缺陷,提高晶體的完整性,減少外力作用下產(chǎn)生的形變或應(yīng)力集中,如改善炸藥晶體品質(zhì),或采用具有緩沖能力的物質(zhì)對炸藥表面進行包覆等手段。在熱點產(chǎn)生后,為降低其傳播概率,需添加能控制、降低炸藥燃速和抑制燃燒轉(zhuǎn)爆轟發(fā)展的物質(zhì),難度相對較大。因此,當前炸藥的高效降感技術(shù)主要是基于降低熱點的生成,主要包括炸藥晶體品質(zhì)改善、共晶、納米化、表面包覆等幾個方面。

炸藥晶體品質(zhì)對感度影響明顯,可采用重結(jié)晶方式對炸藥晶體品質(zhì)進行改善,提高炸藥晶體純度、密度,減少晶體雜質(zhì)、缺陷和棱角,使晶體表面光滑化、球形化等。最為典型的是高能硝胺炸藥RDX、HMX、CL-20的重結(jié)晶降感[47-49],除撞擊、摩擦感度外,晶體品質(zhì)的改善對沖擊波感度的降低作用尤為顯著。法國火炸藥公司(SNPE)和EURENCO大量將降感后的RDX(I-RDX、RS-RDX)用于澆注、壓裝炸藥,如B2258A、B2265A、B2268A等,安全性能得到大幅改善[11]。除重結(jié)晶外,共晶也是降低炸藥感度的手段之一[50],通過兩種共晶組分的選取,能夠在一定程度上對炸藥能量和安全性的矛盾進行調(diào)和,但由于共晶炸藥目前尚未實現(xiàn)大規(guī)模制備,因此尚未得到廣泛應(yīng)用。另一方面,納米結(jié)構(gòu)由于能夠減小炸藥晶體中的孔隙和孔洞,因此對降感有利,炸藥納米化后機械感度可獲得大幅降低[51]。為結(jié)合配方應(yīng)用,Qiu等[52-53]開發(fā)了噴霧干燥法制備納米級降感混合炸藥的新技術(shù),可一步制備均勻性好、包覆效果佳的系列RDX基、HMX基納米炸藥復(fù)合物,機械感度明顯降低,沖擊波感度也能降低10%。然而,具有納米結(jié)構(gòu)的混合炸藥制備也存在藥柱壓制密度不夠高、納米結(jié)構(gòu)的不可逆熱膨脹明顯、納米炸藥容易轉(zhuǎn)晶等問題,需進一步優(yōu)化改善。

對敏感炸藥顆粒進行惰性物質(zhì)包覆是降低其感度普遍采取的措施之一。高分子粘結(jié)劑本身具有一定包覆降感效果,其它降感劑主要包括蠟類、石墨類、硬脂酸、含能降感劑等。這些惰性物質(zhì)在配方中的引入,能夠起到吸熱、沖擊緩沖、滑移等作用,從而實現(xiàn)炸藥感度的降低。蠟類物質(zhì)具有熔點低、吸熱性好、硬度小等優(yōu)點,對炸藥的降感效果最為顯著,在混合炸藥中應(yīng)用十分廣泛。近期,美國陸軍將牌號為Indramic 800N、180-W和5999A的三種微晶蠟用于B炸藥降感,并用于手榴彈裝藥,安全性能優(yōu)異,炸藥的脆性、易縮孔、滲油等問題也獲得了一些改善[54]。石墨類降感劑由于具有層狀結(jié)構(gòu),主要通過潤滑、導(dǎo)熱實現(xiàn)降感,除常用的普通石墨外,其它一些功能碳材料諸如膨脹石墨、石墨烯、碳納米管、氧化石墨烯等也在炸藥中獲得應(yīng)用[55]。

從混合炸藥能量角度考慮,石蠟、石墨、高聚物等降感劑屬于惰性物質(zhì),大量使用會導(dǎo)致炸藥能量降低。為此,研究人員開展了系列含能降感劑的包覆降感研究,主要是采用低感度的炸藥包覆于敏感炸藥的表面,通過形成“核殼型”結(jié)構(gòu),實現(xiàn)感度降低的同時,盡可能維持炸藥的高能量水平。如采用鈍感炸藥TATB包覆CL-20[5]、HMX[56]; 采用NTO包覆HMX[57],采用TNT包覆HMX[58]、RDX[59]等,均可實現(xiàn)較好的降感效果。值得注意的是,包覆層的均勻性、致密程度和界面孔隙對炸藥感度有重要影響。即使形成了較好的核殼型包覆結(jié)構(gòu),但由于包覆層不夠致密、顆粒界面存在大量孔隙,在外界沖擊下容易形成熱點,也達不到理想的降感效果,如Nandi等采用TATB包覆HMX后,撞擊感度反而有所升高[60]。從現(xiàn)有的包覆降感策略來看[61](圖4),核殼型包覆結(jié)構(gòu)的構(gòu)建,降感效果明顯優(yōu)于普通機械混合,而通過對炸藥進行一定表面修飾再包覆,或使用少量高聚物對包覆層進行固化、孔隙填充[5],能夠有效改善炸藥表面包覆致密程度、減少包覆層顆粒間孔隙,提升降感效果。若采用高分子單體原位聚合包覆的方法,可使得包覆層致密程度和機械強度進一步增加,因而使用較少含量的高聚物即可實現(xiàn)高效降感[62-63]。此外,將惰性材料通過內(nèi)摻雜、外包覆相結(jié)合的形式引入,通過精細調(diào)控炸藥顆粒內(nèi)部組分分布和微結(jié)構(gòu),則可實現(xiàn)多層次降感,將其應(yīng)用于CL-20基高能配方,可實現(xiàn)爆速約9100 m·s-1,撞擊、摩擦感度為0的良好效果[61]?？傊?采用物理手段對炸藥進行預(yù)先降感處理,是混合炸藥鈍感化設(shè)計十分關(guān)鍵、有效的技術(shù)途徑之一,基于表面包覆的降感關(guān)鍵在于所選惰性材料是否具有吸熱、緩沖、滑移等作用,炸藥表面的包覆度是否足夠高,包覆后界面孔隙是否足夠少。

圖4 不同炸藥包覆降感策略的降感能力[61]

Fig.4 Desensitization capability for explosives of different desensitization strategies via coating[61]

3.3 抗力熱環(huán)境材料與微結(jié)構(gòu)的應(yīng)用

超高速侵徹彈藥是打擊加固防護目標的最有效手段。目前,主要軍事強國都積極研發(fā)高速、超高速飛行器平臺及侵徹武器,由于飛行彈道處于臨近空間,高超聲速巡航導(dǎo)彈、侵徹戰(zhàn)斗部裝藥需承受嚴苛的溫度環(huán)境和力學(xué)環(huán)境。一方面,炸藥隨著溫度變化而產(chǎn)生溫度梯度,由于裝藥各部位不均勻熱膨脹而產(chǎn)生熱應(yīng)力,可能會導(dǎo)致裝藥損傷和開裂; 另一方面,裝藥的力學(xué)性能還要面對戰(zhàn)斗部高低頻振動、過載等考驗。對混合炸藥的斷裂損傷機制研究結(jié)果表明[64],界面脫粘是混合炸藥損傷的早期和主要破壞模式,會誘導(dǎo)炸藥發(fā)生拉伸斷裂,最終會以拉應(yīng)力的形式產(chǎn)生損傷和裂紋。近年來,混合炸藥在作用力加載下的損傷和破壞研究受到越來越多的關(guān)注[65]。從炸藥設(shè)計角度,通過添加輔助材料或?qū)φㄋ巸?nèi)部微結(jié)構(gòu)進行調(diào)控,提高導(dǎo)熱和炸藥本身力學(xué)性能，是提高裝藥力熱環(huán)境作用下承載力的重要途徑。

針對超高速武器彈藥在飛行過程中所處的復(fù)雜力熱環(huán)境，從材料復(fù)合化改性入手,在炸藥基體不變的情況下,通過添加高導(dǎo)熱填料,是提升炸藥導(dǎo)熱性能最簡單和快捷路線。常用的金屬、無機非金屬及碳材料等導(dǎo)熱填料中,碳系材料,特別是碳納米材料導(dǎo)熱系數(shù)高、比表面積大,是復(fù)合材料中最有潛力的一類導(dǎo)熱填料。例如，對于添加石墨烯的炸藥配方而言,炸藥導(dǎo)熱系數(shù)隨著石墨烯含量的增加而增大,但受制于界面聲子散射,導(dǎo)熱系數(shù)并未出現(xiàn)大幅度的提升[66]。近年來,新型導(dǎo)熱填料石墨烯納米片(GNPs)逐漸成為復(fù)合材料導(dǎo)熱性能研究的熱點,其導(dǎo)熱增強效果要高于單壁碳納米管、石墨烯等碳系材料,將GNPs應(yīng)用于混合炸藥中,易相互搭建形成導(dǎo)熱通路,最終可形成三維導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò),大幅度提升炸藥導(dǎo)熱性能,數(shù)值計算結(jié)果表明,混合炸藥內(nèi)部的溫度梯度及熱應(yīng)力可隨著導(dǎo)熱系數(shù)的提高有效降低[67]。另一方面,炸藥的力學(xué)性能則取決于單質(zhì)炸藥本身性質(zhì)、粘結(jié)劑性質(zhì)及界面的作用,在炸藥和粘結(jié)劑確定的情況下,大量研究表明,界面作用對力學(xué)性能具有重要影響。可采用一些表界面改性手段,改善炸藥內(nèi)部微結(jié)構(gòu),如加入鍵合劑,增強炸藥與粘結(jié)劑界面相互作用,提升力學(xué)性能[68],增強炸藥在超高聲速飛行過程中的環(huán)境適應(yīng)性,提高武器可靠性和使用壽命。

超高速武器侵徹過程中,炸藥受長時間擠壓、摩擦、剪切等持續(xù)載荷作用,同樣涉及高強的力熱環(huán)境,要求炸藥配方具有良好的抗過載性能。抗過載炸藥需要具有較低的感度和良好的高速沖擊動力學(xué)性能,在沖擊載荷下不易產(chǎn)生損傷。針對侵徹武器的應(yīng)用需求,研究人員先后開發(fā)了PBXN-109、AFX-757、PBXIH-135、PBXW-125、PAX-3、PAX-28等系列抗過載炸藥。其中,AFX-757(RDX/AP/HTPB/DOA/其它=25/30/33/4.44/6.65/0.91)具有較高的爆炸能量,安全性滿足IM要求,用于BLU-113戰(zhàn)斗部裝藥。PBXIH-135(HMX/Al/HTPB=45/35/20)屬于澆注成型炸藥,具有良好的爆炸性能、耐受性能和低易損性,在侵徹中體現(xiàn)了良好的抗過載性能[69]。炸藥抗過載設(shè)計時,需要通過材料或微結(jié)構(gòu)設(shè)計,盡可能實現(xiàn)鈍感特性,尤其是對高速撞擊過載鈍感,才能在侵徹目標時不發(fā)生早炸或爆燃?？傮w而言，針對超高速侵徹武器飛行過程中的復(fù)雜力熱環(huán)境和侵徹過程中的高速沖擊載荷,可通過在配方中引入抗力熱環(huán)境的材料或微結(jié)構(gòu),改善混合炸藥的導(dǎo)熱性能、力學(xué)性能和鈍感特性,實現(xiàn)武器彈藥的強環(huán)境適應(yīng)性和抗過載能力,確保武器系統(tǒng)的可靠性和毀傷效力。

4 結(jié) 論

混合炸藥的設(shè)計一直是含能材料應(yīng)用的核心環(huán)節(jié),其研究內(nèi)涵十分豐富。高能化和鈍感化仍然是當前混合炸藥研制的主線,基于當前武器彈藥的性能需求,新的高性能炸藥配方不斷涌現(xiàn),綜合性能也不斷得到優(yōu)化。筆者認為,混合炸藥設(shè)計未來發(fā)展趨勢主要可概括為以下幾個方面:

(1) 高能量密度化。炸藥能量輸出的提升強烈依賴于新型單質(zhì)炸藥的發(fā)展,因此炸藥的高能量密度化將側(cè)重新型高能炸藥的應(yīng)用,同時,通過功能化的設(shè)計如高活性金屬的利用,研制溫壓炸藥、組合效果炸藥等,也是實現(xiàn)高能化的另一重要途徑。

(2) 全面鈍感化。炸藥安全性能的提升在未來依然是首要研究方向,通過開發(fā)新型降感劑和先進的材料處理與包覆技術(shù),研制滿足鈍感彈藥要求的炸藥,并將其全面替代現(xiàn)有武器彈藥中的炸藥,提升武器系統(tǒng)的本質(zhì)安全性。

(3) 更強環(huán)境適應(yīng)性。面向新的復(fù)雜作戰(zhàn)環(huán)境,如超高速侵徹彈藥的高速飛行和侵徹過載,未來炸藥將更多考慮在不同外界力、熱等沖擊作用下體現(xiàn)出更好的綜合環(huán)境適應(yīng)性,以確保炸藥在飛行和侵徹時的安全性和可靠性。

(4) 綠色化。盡管當前炸藥的綠色化報道并不多,但其將成為未來混合炸藥研究的一個新方向,設(shè)計時材料的選擇上將更多考慮低毒性、易于降解、環(huán)保等,同時制備工藝上逐步實現(xiàn)綠色化,并致力于開發(fā)廢炸藥的回收和再利用。

(5) 混合理論設(shè)計將進一步加強。相比于傳統(tǒng)研制方式,未來的配方設(shè)計更加注重理論設(shè)計和性能預(yù)估,強調(diào)針對性的性能提升技術(shù)途徑的選擇與優(yōu)化,將傳統(tǒng)的試錯法研究模式向科學(xué)設(shè)計、定制式過渡,從而大量減少配方正交試驗環(huán)節(jié)和性能測試,縮短研制周期并大幅降低研制成本。

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