章文義，王 寅，王天寶，同紅海，秦國圣，周 密，李 蛟

微米級TATB在限制條件下的烤燃試驗研究

章文義1，王 寅2，王天寶3，同紅海2，秦國圣2，周 密2，李 蛟2

（1. 江蘇警官學院警務指揮與戰(zhàn)術系，江蘇 南京，210031；2.陜西應用物理化學研究所應用物理化學重點實驗室，陜西 西安, 710061；3.陸軍裝備部駐西安地區(qū)軍事代表局，駐西安地區(qū)軍事代表室，陜西 西安，710025）

為了獲得TATB的烤燃響應特性，對TATB進行了限制條件下的程序升溫烤燃試驗。結果表明，隨著升溫速率的增加，TATB的起始反應溫度大致呈現(xiàn)增大的趨勢。3.3℃/h升溫速率下的兩種尺寸的TATB藥柱只發(fā)生熱分解反應，且反應后發(fā)現(xiàn)大量黑色殘留物。在5℃/min和15℃/min條件下藥柱發(fā)生燃燒或不完全燃燒反應，均沒有發(fā)生爆炸現(xiàn)象。反應的劇烈程度隨著裝藥量和升溫速率的增加而增大。

TATB；烤燃試驗；熱安全性

TATB是美國能源部目前批準的唯一的單質(zhì)鈍感炸藥，對熱、光、沖擊波、摩擦和機械撞擊等外界刺激非常鈍感，已成為武器彈藥鈍感化工程中最重要的材料之一[1-2]。開展TATB的烤燃試驗研究并結合其他熱安全性評價方法，對綜合分析TATB的熱安全性具有很強的實際意義。

本文參考爆炸箔起爆器的裝藥結構，同時，為了獲得烤燃過程中藥柱的點火溫度及烤燃響應特性，對不同尺寸的TATB藥柱進行了限制條件下的程序升溫烤燃試驗，為爆炸箔起爆器的設計和應用提供參考。

1 試驗

1.1 試驗裝置

烤燃試驗系統(tǒng)由控溫系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。試驗時，首先將樣品放入防爆罐中，然后將防爆罐置于加熱系統(tǒng)中。防爆罐的結構及測溫點如圖1所示，防爆罐采用結構鋼，樣品所處位置可保證樣品受熱均勻。

圖1 防爆罐結構圖及測溫位置圖

1.2 試驗方法

MIL-DTL-23659E的附錄A規(guī)定爆炸箔起爆器的鑒定試驗要求按3.3℃/h的升溫速率加熱，允許試驗開始的溫度高于環(huán)境溫度（但低于TATB的分解峰溫），試驗開始到藥柱反應的時間不少于16h[3]。采用3種試驗方法對TATB進行烤燃試驗：（1）室溫下放入樣品，以1℃/min的升溫速率將爐內(nèi)溫度升至200℃，然后控制爐溫，使其以3.3℃/h的升溫速率對樣品進行熱烤，至樣品出現(xiàn)反應或溫度高于450℃停止。（2）室溫下放入樣品，以5℃/min的升溫速率對樣品進行加熱，直至樣品發(fā)生反應或樣品處的溫度高于450℃停止。（3）操作過程與（2）相同，僅升溫速率為15℃/min。

1.3 試驗樣品

將TATB用模具壓制成密度為90%TMD的藥柱，如表1所示，藥量偏差不大于±0.2mg。

表1 TATB藥柱的尺寸和裝藥量

Tab.1 Sizes and charge of TATB explosive cylinder

根據(jù)圖1中樣品位置空腔的大小和藥柱尺寸設計一種試驗樣品試管，該試管是一種密封的管殼，分為上下兩部分組成，并采用螺紋連接，管殼壁采用不銹鋼材料，底面采用黃銅材料，測試時，將熱電耦擰在管殼壁上，如圖2所示，此時藥柱處于限制狀態(tài)。

2 結果及討論

2.1 不同升溫速率下的烤燃試驗結果及分析

圖3為1號樣品在升溫速率為3.3℃/h的試驗結果，圖4為2號樣品在升溫速率為3.3℃/h的試驗結果放大圖，從圖3~4可以看出，試驗中監(jiān)測到放熱峰。較低的升溫速率使得爐子與樣品間的溫度梯度較小，整個試驗系統(tǒng)接近熱平衡狀態(tài)。TATB發(fā)生緩慢熱分解，由于試驗管殼的導熱性較好，TATB熱分解釋放的能量聚集在管殼內(nèi)，并在藥柱內(nèi)部形成熱積累；而且密封體系使TATB分解產(chǎn)生的氣體無法逸散至環(huán)境中。因此，在該升溫速率下能監(jiān)測到放熱峰。

圖4 3.3℃/h升溫速率下φ6mm×10mmTATB(2號樣品)的溫度——時間曲線

圖5為1號樣品升溫速率為3.3℃/h試驗后藥柱和管殼的照片，可以看出，圖5管殼完好如新，殼內(nèi)剩余較多黑色物質(zhì)，呈凝聚態(tài)。圖6為2號樣品升溫速率為3.3℃/h試驗后藥柱和管殼的照片，可以看出藥劑反應將管殼的底面完整切掉，管殼底面有一定的形變，試驗管殼內(nèi)有大量的反應后固體殘渣。熱分析研究認為，TATB熱分解分為兩步：第1步先生成中間體，中間體分解并生成NO、CO等氣體，剩余凝聚相為碳氫化合物的“炸藥焦”；第2階段為“炸藥焦”分解釋放CO2等氣體。熱分解后殘余黑色物質(zhì)疑似為“炸藥焦”。

圖5 φ6mm×5mmTATB(1號樣品)試驗后黑色殘留物照片

圖6 φ6mm×10mmTATB(2號樣品)試驗后黑色殘留物照片

圖7為1號樣品升溫速率為3.3℃/h烤燃試驗前后表面和斷面的掃描電鏡（SEM）照片。

圖7 1號樣品烤燃試驗前后的掃描電鏡照片

從圖7（a）可以看出，試驗前TATB形貌較為完整，為晶體結構。圖7（b）試驗后的TATB形貌發(fā)生了明顯變化，藥劑因受熱分解，形貌變的不規(guī)則，出現(xiàn)了絮狀多孔物質(zhì)，TATB的形貌完全消失。

對試驗前后的樣品進行了紅外分析，如圖8所示。

圖8 試驗前后TATB的紅外圖譜

由圖8可見試驗前后TATB的特征紅外吸收峰有了很大的變化，試驗后的固體殘渣基本沒有TATB中官能團的吸收峰，說明樣品在3.3℃/h的升溫速率下，僅發(fā)生的熱分解反應較完全。

圖9為1號樣品在5℃/min升溫速率下的溫度時間曲線。圖10為2號樣品在5℃/min升溫速率下的溫度時間曲線。

圖9 φ6mm×5mmTATB藥柱（1號樣品）在5℃/min升溫速率下的溫度——時間曲線

圖10 φ6mm×10mmTATB藥柱（2號樣品）在5℃/min升溫速率下的溫度——時間曲線

由圖9可以看出，在升溫初期，因TATB藥柱溫度較低，藥柱表面的升溫速率明顯滯后于控溫位置處的升溫速率。當溫度升至320℃左右時，升溫速率有所增加，這是由于TATB藥柱內(nèi)部的熱積累導致了自加熱現(xiàn)象。由圖10可看出當藥柱表面溫度達到360℃左右時，突然躍遷到375℃左右，該過程在5s內(nèi)完成，說明TATB在360℃發(fā)生了自發(fā)火現(xiàn)象。

圖11為1號樣品和2號樣品在15℃/min升溫速率下的溫度時間曲線。

圖11 TATB藥柱在15℃/min升溫速率下的溫度——時間曲線

從圖11可以看出，隨著升溫速率的增加起始反應溫度在427℃左右。從理論上講，不同的升溫速率對樣品會產(chǎn)生不同的熱沖擊速率，樣品在單位時間內(nèi)發(fā)生反應的質(zhì)量隨升溫速率的增加而增大，從而使放熱速率增加，導致分解峰溫向高溫區(qū)移動。藥量的增加也使放熱峰的溫度增大。

2.2 烤燃現(xiàn)象及分析

圖12為不同尺寸TATB藥柱在不同升溫速率下的試驗結果照片，熱烤試驗結果見表2。從圖12可以看出，1~2號樣品在3.3℃/h的升溫速率下的試驗結果大致相同，管殼完好無損，試驗后均留有圓柱形黑色物質(zhì)。

圖12 不同尺寸TATB藥柱在不同升溫速率下試驗結果照片

表2 兩種不同尺寸的TATB熱烤試驗結果

Tab.2 The cook-off test results of TATB with two different size

從圖12可以看出，5℃/min升溫條件下藥劑反應將管殼的底面切開一部分，基本沒有藥劑反應殘渣；而15℃/min升溫條件下由于藥劑反應將管殼的底面完整切掉，底面有一些形變，沒有藥劑反應殘渣。從剩余樣品的試驗結果可以看出，隨著裝藥量的增加，以及試驗條件嚴酷程度的增加，反應的劇烈程度也明顯增大。

從傳熱學的角度來分析，表面熱阻無窮大炸藥處于絕熱狀態(tài)，最終必然導致熱爆炸或點火的發(fā)生。

因此，當處于密閉條件下的藥柱受熱后，發(fā)生熱分解放出氣體，使體系內(nèi)的壓力上升，一旦在炸藥內(nèi)部形成熱點，點火后更有利于DDT現(xiàn)象的發(fā)生。

3 結論

（1）限制條件下的程序升溫烤燃試驗結果表明，在3.3℃/h升溫速率下的2種尺寸藥柱只發(fā)生熱分解反應，在5℃/min和10℃/min升溫速率下藥柱發(fā)生燃燒反應，均沒有發(fā)生爆炸現(xiàn)象。

（2）隨著升溫速率的增加，TATB的起始反應溫度大致呈現(xiàn)增大的趨勢。

（3）反應的劇烈程度隨著裝藥量和升溫速率的增加而增大。從試驗中測得的雙放熱峰來看，惡劣的升溫條件會使藥柱局部達到臨界反應溫度，造成藥柱的局部反應。

[1] Veera M B, Dabir S V, Tushar K G, et al. 2,4,6-Triamino- 1,3,5-trinitrobenzene (TATB) and TATB- based formulations- A review[J].Journal of Hazardous Materials, 2010 (181) :1-8.

[2] D. M. Badgujar, M. B. Talawar, S.N. Asthana, et al. Advances in science and technology of modern energetic materials: an overview[J].Journal of Hazardous Materials,2008(151):289- 305.

[3] MIL-DTL-23659E. Detail specification initiators, electric, general design specification for[S]. 2007.

Cook-off Test of Micron Size TATB under Restrictive Condition

ZHANG Wen-yi1,WANG Yin2, WANG Tian-bao3, TONG Hong-hai2,QIN Guo-sheng2,ZHOU Mi2,LI Jiao2

（1. Department of Command and Tactic in Police Affairs of Jiangsu Police Institute, Nanjing,210031；2 Science and Technology on Applied Physical Chemistry Laboratory, Shaanxi Applied Physics and Chemistry Research Institute, Xi’an, 710061；3. Military Representative Office of the Army Equipment Department in Xi 'an, Xi 'an, 710025）

In order to obtain the characterization of TATB under cook-off condition, the cook-off tests of TATB cylinder used in exploding foil initiator under restrictive condition were carried out with various temperature increasing rates. The results show that the initial reaction temperature takes on the increscent trend with the increasing heating rate. The TATB explosive cylinders of two sizes just decomposed at the heating rate of 3.3℃/h, and black remain was obtained. While no explosion phenomena turned up under the condition of 5℃/min and 15℃/min, the explosive was just burned or incompletely burned. The reaction intensity went up as the charge weight and temperature rate increasing.

TATB；Cook-off test；Thermal safety

TQ564

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2019.06.012

1003-1480（2019）06-0047-04

2019-11-18

章文義（1972 -），男，工學博士，主要從事爆炸防控技術研究。