李媛媛 南海 鄭亞峰

摘 要：從基礎(chǔ)性能、能量特性、配方應(yīng)用三個(gè)方面綜述了新型不敏感含能材料5，5-聯(lián)四唑-1，1-二氧化物二羥銨（TKX50）在國內(nèi)外火炸藥中的研究進(jìn)展情況。附參考文獻(xiàn)36篇。

關(guān)鍵詞：含能材料；TKX-50；能量；配方

一、 基礎(chǔ)性能

1.1 理化性能

TKX-50炸藥的合成得率很高，收率達(dá)到81.7%，甚至可達(dá)到94.1%。TKX-50氮含量為59.3%，晶體密度為1.879g·cm-3，純度高于99.5%。畢富強(qiáng)等人采用密度瓶法，以無水乙醇為介質(zhì)，測得HATO的真密度為1.812 g/cm3。該數(shù)值稍低于晶體密度，其主要原因是晶體中的一些細(xì)小空洞或縫隙無法完全被乙醇占據(jù)。密度對(duì)于含能材料的能量水平具有決定性的作用，TKX-50具有較高的晶體密度值，預(yù)示著該含能鹽具有較高的能量水平。

2015年美國加利福尼亞技術(shù)學(xué)院材料與過程模擬實(shí)驗(yàn)室，通過分子動(dòng)力學(xué)模擬計(jì)算了TKX-50單晶參數(shù)及其熱力學(xué)和力學(xué)性能性能參數(shù)。計(jì)算結(jié)果顯示TKX-50的熱膨脹系數(shù)為6.48×10-5K-1，比熱容為292J？mol-1？K-1，剪切模量（G）為12.385GPa。通過大尺寸（50萬倍原子尺寸）晶體在沖擊作用下的力學(xué)響應(yīng)模擬計(jì)算，揭示了晶體各向感度異性的特點(diǎn)。

畢福強(qiáng)等人采用掃描電鏡對(duì)HATO樣品的形貌進(jìn)行分析，HATO顆粒呈較規(guī)則多面體，顆粒表面光滑平整，缺陷較少，可能是其機(jī)械感度較低的原因之一。并采用激光粒度儀對(duì)HATO的粒度分布進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，表面積平均粒徑為202.426μm，體積平均粒徑為332.253μm。

作為一種離子鹽，吸濕性是關(guān)系到應(yīng)用的重要參數(shù)之一。研究表明，25℃條件下，TKX-50在水中的溶解度僅為0.27g/L。隨著溫度的升高，溶解度會(huì)增大。將TKX-50樣品在空氣中放置一個(gè)月，未見明顯的吸濕現(xiàn)象。

1.2熱分解性

熱分解性對(duì)于炸藥的安全性及應(yīng)用非常重要，通常要求混合炸藥能夠保持穩(wěn)定的溫度要高于200℃。文獻(xiàn)中采用多種掃描量熱法（DSC）研究了TKX-50的分解溫度，結(jié)果表明TKX-50熱安定性能優(yōu)良，起始分解溫度為221℃，而RDX的起始分解溫度為210℃，TKX-50熱穩(wěn)定性優(yōu)于RDX。

王俊峰等人通過DSC、熱重測試了TKX-50的熱分解過程，結(jié)果表明不同升溫速率下熱分解峰溫220℃～253℃。HATO的熱分解分為兩個(gè)階段，升溫速率為10℃/min時(shí)，第一階段的峰值溫度為239.65℃，第二階段的峰值溫度為260.57℃，兩階段質(zhì)量損失約為84.2%。熱分解第一階段的動(dòng)力學(xué)參數(shù)，活化能E和指前因子lg（A/s-1）分別為147.05kJ/mol和12.91。

LMU在熱分解研究方面，通過DSC-TGA研究表明，TKX-50在130℃-200℃之間有明顯的吸熱過程，疑為晶型轉(zhuǎn)變；209℃-250℃之間有分解過程，分解分兩步，每步分解有相似的活化能，分別為169.5 kJ？？mol-1和169.1 kJ？mol-1。

2015年俄羅斯門德利物化工技術(shù)大學(xué)（Mendeleev University of Chemical Technology）進(jìn)行了燃燒、熱分解實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示TKX-50的燃燒熱為（2054±16）kJ？mol-1，由此計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)生成熱為（111±16）kJ？mol-1，遠(yuǎn)低于德國慕尼黑大學(xué)的計(jì)算值446.6 kJ？mol-1。由生成熱根據(jù)有關(guān)公式計(jì)算的TKX-50的爆速為9190m？s-1（ρ=1.877g？cm-3），比計(jì)算的HMX的爆速9230m？s-1（ρ=1.904g？cm-3）還稍微小一些，比RDX的計(jì)算爆速8990m？s-1（ρ=1.806g？cm-3）高一些。

1.3感度

TKX-50感度低于RDX、HMX等常用炸藥，撞擊感度和摩擦感度分別為20J、120N， RDX、HMX和CL-20的撞擊感度范圍為4～7.5J，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于TKX-50。國內(nèi)測量撞擊和摩擦爆炸概率分別為16%和24%，特性落高為100cm。機(jī)械感度遠(yuǎn)低于RDX（H50約為25cm）和HMX（H50約為20cm）。

TKX-50存在較低的撞擊感度，可考慮其在混合炸藥配方應(yīng)用中可以不需要鈍感處理，從而提高炸藥的固含量，進(jìn)而提升炸藥的能量。而TKX-50的摩擦感度與RDX、HMX和CL-20的摩擦感度相當(dāng)或者較低，靜電感度也高于25mJ，低于人體產(chǎn)生的靜電，可以安全操作。

Alexander A. Gidaspov等人采用俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)方法對(duì)含能材料進(jìn)行了熱感度測試。結(jié)果表明TKX-50的5s爆發(fā)點(diǎn)為277℃，高于RDX（262℃），和ε-CL-20（275℃）相當(dāng)，而低于β-HMX（308℃）。

1.4相容性

國內(nèi)已有研究顯示，HATO與CL-20、HMX、RDX、AP、CL-20、TNT、DNTF、DNAN、Al等含能材料相容，與炸藥中常用的端羥、氟橡膠、硅橡膠、石蠟、石墨等粘結(jié)劑、鈍感劑等相容。

畢富強(qiáng)等人采用差示掃描量熱法（DSC）和真空安定性試驗(yàn)（VST）法研究了5，5-聯(lián)四唑-1，1-二氧化物二羥胺鹽和CMDB推進(jìn)劑組分的數(shù)相容性，DSC結(jié)果表明，HATO與NC、NC/NG、DINA及RDX不相容，與HMX、NTO-Pb、Al粉相容。VST結(jié)果表明，HATO與NC/NG、DINA不相容，與RDX中等反應(yīng)，與NC相容。

黃海峰等人采用DSC法研究了TKX-50和常見火炸藥組分的相容性，結(jié)果表明TKX-50/HNE和TKX-50/DNAN的相容性良好，TKX-50和HMX有中度的相容性，而和TNT、CL-20、中定劑、NC、AP、Al和GAP的相容性較差，另外，TKX-50/RDX、TKX-50/NC+NG，TKX-50/硼和TKX-50/HTPB的相容性較差。

二、能量特性

2.1 爆轟性能

伴隨著TKX-50這一新型含能材料的問世，國外研究者相繼對(duì)比分析了其與CL-20、RDX等高能炸藥的能量特征。計(jì)算的爆轟性能優(yōu)于HMX且接近CL-20，爆速達(dá)9698m/s；計(jì)算生成焓為446.6kJ/mol，計(jì)算爆速為9698m/s、爆壓為42.4GPa，爆速大于CL-20，爆壓介于HMX和CL-20之間。

2012年Niko Fischer 等用EXPLO5 V6.01軟件計(jì)算的理論爆速為9781m/s，沖擊波感度遠(yuǎn)低于RDX、HMX和CL-20，屬于高能不敏感炸藥，具有非常好的應(yīng)用前景。

LMU在爆轟性能研究方面，基于EXPLO5 V6.01軟件計(jì)算了主要性能參數(shù)。從計(jì)算結(jié)果看，HATO爆速、生成焓、爆轟氣體量大于CL-20，爆熱低于CL-20、與RDX、HMX接近。對(duì)爆轟產(chǎn)物進(jìn)行了計(jì)算并與硝胺化合物RDX進(jìn)行了比較，結(jié)果顯示，HATO爆轟產(chǎn)物H2O、N2、C含量高，而CO、CO2含量很少。這些計(jì)算研究表明，HATO在爆轟方面具有自己獨(dú)特的特點(diǎn)和優(yōu)勢。

朱周朔等人通過Kamlet-Jacob公式計(jì)算了TKX-50的爆轟性能。結(jié)果表明，TKX-50在爆速和爆壓方面有明顯的優(yōu)勢，達(dá)到了9698m·s-1，爆壓較之已報(bào)道的含能離子鹽（最大爆壓35Gpa），提高了20%以上，并且超過了FOX-7和TATB，相當(dāng)于HMX，稍低于CL-20。另外，TKX-50由于其高達(dá)59.3%的含氮量和較佳的氧平衡（-27.10%），可用作推進(jìn)劑混合物中的高能燃燒劑成分，具有良好的應(yīng)用前景。

張為鵬等人采用三種方法理論計(jì)算了1，1'-二羥基-5，5'-聯(lián)四唑二羥胺鹽的理論爆速，采用自編FORTRAIN軟件基于BKW方程計(jì)算的HATO的理論爆速為9441m/s，利用Gaussian軟件（V09）結(jié)合Kamlet-Jacbos公式計(jì)算的理論爆速為9186 m/s，根據(jù)Urizar公式計(jì)算的爆速約為9432 m/s。并根據(jù)計(jì)算結(jié)果結(jié)合實(shí)測結(jié)果的差異原因進(jìn)行了分析，為尋找HATO炸藥的應(yīng)用方向提供理論指導(dǎo)。

2.2 做功能力及能量輸出

關(guān)于HATO的做功能力，LMU計(jì)算了HATO加速平板速率、圓筒試驗(yàn)筒壁膨脹速率以及爆炸沖擊波對(duì)接觸靶板的初始作用壓力。計(jì)算結(jié)果顯示加速平板速率，HATO的做功能力略小于HMX，遠(yuǎn)大于RDX；圓筒筒壁膨脹速率，在13μs～14μs之前HATO比HMX有明顯的做功能力優(yōu)勢，超過這一范圍，則低于HMX；計(jì)算爆炸沖擊波對(duì)接觸靶板（聚苯乙烯～鎢）的初始作用壓力，HATO與HMX基本一致，小于CL-20，大于RDX。

三、配方應(yīng)用

印度高能材料研究實(shí)驗(yàn)室目前研究的是在HTPB/AP/Al基推進(jìn)劑配方中用TKX-50部分替代AP高達(dá)10%后，對(duì)配方性能的影響，評(píng)估裝藥的力學(xué)、彈道和感度性質(zhì)。數(shù)據(jù)表明，隨著TKX-50在配方中含量提高，推進(jìn)劑能夠安全地加工和固化。和常規(guī)推進(jìn)劑相比，配方對(duì)于撞擊、摩擦更加鈍感，易于處理。綜合考慮性能和燃速，TKX-50基配方能夠在要求更低燃速、高能、少煙和低感度的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)中應(yīng)用。

趙昱將TKX-50應(yīng)用于GAP固體推進(jìn)劑，研究并確定了GAP/TKX-50推進(jìn)劑的配方組成，設(shè)計(jì)的推進(jìn)劑的理論比沖達(dá)到了2684.8N·s·kg-1～2704.6 N·s·kg-1，具有較低的摩擦和撞擊感度。

畢福強(qiáng)等人研究表明TKX-50具有良好的加工性能，不加粘結(jié)劑時(shí)，同樣具有良好的成型性能。壓藥密度為1.70g·cm-3，單質(zhì)藥柱的實(shí)測爆速為8509m·s-1，實(shí)測能量水平高于RDX。另外，其在70℃的工況條件下，向現(xiàn)有CMDB推進(jìn)劑配方中外加30%的HATO，固化3天后，所得樣品的切面均勻致密，無氣孔或變色，表明在固化過程中HATO未與CMDB推進(jìn)劑組分發(fā)生明顯的化學(xué)反應(yīng)。

李猛等人利用國軍標(biāo)方法GJB/ZB4-1996及CAD技術(shù)軟件，在標(biāo)準(zhǔn)條件下計(jì)算了含5，5'-聯(lián)四唑-1，1'-二氧二羥胺銨（TKX-50）的復(fù)合改性雙基推進(jìn)劑、端羥基聚丁二烯推進(jìn)劑、硝酸酯增塑聚醚推進(jìn)劑及聚疊氮縮水甘油醚推進(jìn)劑的能量特性。結(jié)果表明，TKX-50單元推進(jìn)劑的理論比沖為2623.7N？s？kg-1，比RDX單元推進(jìn)劑的理論比沖高6.5N？s？kg-1，說明TKX-50是CMDB推進(jìn)劑中RDX的較好替代品。

曹一林等人模擬計(jì)算了TKX-50替代AP/Al/HTPB和AP/Al/GAP+NE兩個(gè)現(xiàn)代復(fù)合固體推進(jìn)劑配方體系中AP的比沖增益，并與HMX替代AP的結(jié)果進(jìn)行比較。結(jié)果顯示，在HTPB體系中，TKX-50與HMX相比，能量性能優(yōu)勢不明顯，TKX-50在高固含量HTPB配方中最高只能表現(xiàn)出比HMX高14.7N？s？kg-1的比沖優(yōu)勢。在AP/Al/GAP+NE體系中，用TKX-50取代AP，比目前采用HMX取代AP所能達(dá)到的最高能量高40.2N？s？kg-1，，因此，它可作為新型高能固體推進(jìn)劑研制的高能組分。由于TKX-50有效氧低于HMX，因此，它比較適用于鋁含量較低（12%～18%）的配方。

四、結(jié)束語

不敏感彈藥已經(jīng)成為彈藥發(fā)展的主流，彈藥的不敏感化是提高彈藥安全性和戰(zhàn)場生存能力的主要途徑，而混合炸藥及裝藥的不敏感化對(duì)推進(jìn)整個(gè)彈藥系統(tǒng)不敏感化具有舉足輕重的作用。國內(nèi)外對(duì)TKX-50的研究均已關(guān)注到低感度、高能量的特征，而關(guān)于新型含能材料TKX-50的應(yīng)用研究，國內(nèi)外皆處于探索與起始階段。目前，TKX-50基不敏感炸藥中的研究需要解決以下幾個(gè)方面的問題：

（1）TKX-50仍然有一些性能參數(shù)不明確，文獻(xiàn)數(shù)據(jù)有一定的出入，能夠獲得的大部分性能參數(shù)是計(jì)算值，其可信度和可靠性有待實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，而掌握TKX-50基本特性是TKX-50在高能推進(jìn)進(jìn)和混合炸藥中應(yīng)用的前提。

（2）TKX-50應(yīng)用研究的差距主要體現(xiàn)在研究現(xiàn)狀與武器彈藥應(yīng)

用需求之間的差距。對(duì)TKX-50的研究不能停留在“表征”層面，應(yīng)關(guān)注釋能規(guī)律、不敏感特性以及其它應(yīng)用性能，探索TKX-50應(yīng)用方向和途徑，推進(jìn)TKX-50在推進(jìn)劑及炸藥裝藥及武器裝備中的應(yīng)用。

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