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熔铸传爆药配方设计毕业论文

摘要:

通过了解国内外熔铸炸药载体研究现状及现今许用熔铸炸药配方，设计一种以CL-20为固相，DNP为液相载体，运用kamlet半经验式和Urizar式计算当实际密度达到理论装药密度90%以上的爆速大于8000m·s-1的初步配方。

熔铸成预订形状，测试爆速、相容性、临界直径等，通过工艺处理及添加剂来提高药剂的冲击波感度和爆轰冲能，最终确定配方。

关键字：

熔铸炸药、载体炸药、DNP、CL-20、爆速、临界直径

Abstract：

Byunderstandingtheresearchstatusofcarriersformelt-castexplosivesandpermissiblecastexplosiveformulationathomeandabroadnow,akindofmelt-castexplosiveformulationwasdesignedthatconsistsofasolidandliquidphasebyCL-20andDNPrespectively,initialformulationwascalculatedbyusingkamletsemi-empiricalformulaandUrizar，thenfindingtheformulationwithdetonationvelocitygreaterthan8000m·s-1whentheactualdensityexceeds90%thedensityoftheoreticalcharge。

Finally,castingtheusefulformulationsbecomedesireshape,testingthedetonationvelocity,compatibilityandcriticaldiameter,inordertoimprovetheshockwavesensitivityanddetonationwecantreatprocessandaddtoadditives，thenthepromisingformulationwillbegained。

Keywords:

castexplosives,explosivesofcarrier,DNP,CL-20,detonationvelocity,criticaldiameter

1引言

1.1设计背景

随着高科技武器的快速发展，武器系统对弹药提出了更加苛刻的要求，不仅要求能高效精确的实现对目标的精确打击和毁伤，并且武器研究人员把安全性和高可靠性作为主要目标[1]。

对常见的注装法、压装法和螺旋装药法装药工艺而言，压装法是一种很古老的装药方法，用于压装法的炸药较广和压装药柱的冲击波感度比注装药柱明显的大这两个显著特点，使压装法仍然是一种主要的装药方法。

如上所述，由于压装药柱的冲击波感度明显大于注装药柱，这是由于压装药柱的结构特点所决定它受冲击波作用时，很容易产生热点而发展成为爆轰。

故当今武器系统中多采用压装传爆药柱对主装药进行起爆，小口径弹药也必须用压装法装药，为的是弹药能适时的确实起作用。

但是压装法的应用也有一定局限性，如形状复杂、药室有突起部分的弹体，采用压装法的药柱其机械性能、装药密度等也会受到限制。

其次由于钝感主装药的出现，对引信爆炸序列中的传爆药柱提出了更高要求，传统的圆柱形传爆药柱很难适应钝感主装药的可靠引爆要求。

而注装法的装药密度、机械性能、连续化等都优于压装法，且可以注装为各种形状，可以通过聚能效应来提高传爆药柱起爆能力。

但由于注装法对炸药的特殊要求，如熔铸炸药载体及高能主体炸药的选择，熔铸过程中对熔铸炸药常见的疵病如气孔、缩孔、裂纹等，这些都给熔铸炸药的配方设计及制备带来了障碍，故许多炸药的应用受到限制，例如对一些熔点较高、且接近于熔点要分解的炸药，只能以固相颗粒加入到熔化旳TNT或其它低熔点炸药中，作为注状混合炸药来使用。

众所周知，传爆药是一类由猛炸药组成的物质，其冲击波感度高于相应的主装药。

在实际的使用中，人们通常把传爆药制成导爆管、导爆药柱、传爆管、传爆药柱、扩爆元件及爆炸逻辑网络等元件。

传爆药品种、能量、传爆方式、安全性及其同主装药的匹配关系，是武器和引信设计人员必须考虑的重要问题[2]。

在设计引信时，以前往往重视可靠性，忽视安全性，造成武器在战场上生存能力差，有时出现意外事故，因此，二者必须同时兼顾。

在传爆药的发展史上大概经历了单质炸药、熔铸炸药、挠性炸药及钝化黑索金及其他猛炸药等阶段，这是人类对能量和安全性双重要求下而不断改进配方的结果。

传爆药是邻近主装药的用以传递和扩大爆轰波的炸药，故其作为主发装药应有足够的起爆能力用于起爆主装药，而作为被发装药则应有足够的冲击波感度，以便能被雷管可靠起爆。

而对于现今的压装传爆药柱而言，弱的力学性能、密度低及在压装时的危险性等的考虑，所以决定探索熔铸传爆药的可行性。

1.2设计目的及意义

高能炸药的固相颗粒加入到熔融态炸药基质中形成悬浮状流动态进行铸装的混合炸药统称为熔铸炸药。

在20世纪初以TNT为基的熔铸炸药开始广泛替代以苦味酸为基的易熔混合炸药，普遍装填于榴弹、反坦克、破甲弹、地雷、火箭弹、导弹等各类弹药，曹端林等[3]对现今国内外熔铸炸药载体进行了综述，介绍了近20年来发展的18种熔铸炸药载体的物化性能、爆轰性能及合成方法，分析了它们作为载体炸药的优缺点；RaviPasupala[4]等对20多种载体炸药进行了综述，对其结构式、性能参数和合成路径进行了全面的介绍。

通过了解，发现以TNT为载体的熔铸炸药在军用混合炸药的比例曾高达90%以上。

由于熔铸炸药成本低廉、成型性能好、适应各种形状药室的装药、自动化程度高等，故其在军用混合炸药中的地位还无可替代。

由于熔铸炸药各方面的优越性能，对设计一种熔铸传爆药配方以满足其在传爆序列中可靠而稳定的传递和扩大爆轰波的作用带来了可能。

但对于绝大多数熔铸炸药来说，粗结晶、缩孔、气孔、裂纹等均为其生产、制造过程中的疵病。

粗结晶的药柱结构疏松，密度和强度都较低，当炮弹发射时，在惯性的作用下，可能使药柱破裂摩擦而造成膛炸，且粗结晶药柱的爆轰感度低，还容易引起药柱起爆不安全等。

药柱中的缩孔、气孔和裂纹，都会使药柱强度降低，产生应力集中现象，在炮弹发射时导致膛炸。

所以注装工艺的主要任务就是要获得无疵病的优质药柱，这样才能保证熔铸药柱的力学性能、安全性和能量输出等。

郑宝辉等[5]对国内外熔铸炸药的研究现状和发展趋势进行了研究，提出了熔铸炸药是目前战斗部最主要的装药方式之一，但是现有以TNT为载体的熔铸炸药配方在能量、安全性、装药质量和力学性能等方面存在明显缺陷。

主要为以TNT为载体的熔铸炸药存在着渗油、空隙、机械性能差等特点，且其能量性能主要取决于基本药的含量，基本药含量越高能量越高，但随着基本药含量的变高其粘度就会变大，使其铸装性能下降，以至无法装填。

而熔铸炸药中炸药熔融体系的流变性是影响其浇铸性能、成型性能和产品质量的主要因素，通过采用表面光滑的球形固相材料、进行颗粒级配、加入添加剂等都是改善流变性能的有效方法。

为改善熔铸炸药的工艺性能，李俊龙[6]等认为一般可以加入添加剂以改变黏度，利用加入适量电性的表面活性物质，可使其首先吸附在主体炸药粒子表面，减少熔铸炸药流动的内摩擦，既起到润滑的作用，又可防止主体炸药粒子过多地吸附熔态炸药载体，使游离的炸药载体增多，降低熔融炸药的黏度，便于工艺操作。

反之如果粘度太小，同样可以加入添加剂来改变。

王政等[7]以球形化RDX/DNAN为基的高致密熔铸装药的可行性和优越性进行了研究，结果表明相同配比下球形化RDX的TNT基高致密炸药相对于使用普通RDX的TNT基高致密熔铸炸药，其密度更高，冲击波感度更低。

对提高配方的安全可靠性提供了新思路。

李子锋等[8]研究了添加剂对B炸药（40TNT/60RDX）流变性的影响，实验后发现：

具有极性基团和非极性基团的两部分添加剂，其极性基团优先吸附在RDX表面，非极性基团则起到隔离RDX和TNT的作用；添加剂非极性基团的结构对降低40TNT/60RDX的黏度有一定的影响，带侧链结构的添加剂的降黏效果比直链结构添加剂明显。

而主体炸药的能量性能又是决定熔铸炸药输出能量的又一关键因素，NTO、HMX、TATB、CL-20等高能量密度材料由于对炸药的能量密度越来越高的要求而应运而生。

这些对传爆药的高能输出提供了可能。

通过研究国内外熔铸炸药载体和高能炸药来设计一种熔铸传爆药配方以达到对现今要求的钝感主装药的可靠起爆，同时用kamlet半经验式计算当实际密度达到理论装药密度90%以上的爆速大于8000m·s-1，药柱临界直径小于0.5mm，熔点低于100℃的配方要求，用MS软件模拟等进行模拟，通过对熔铸工艺的探索和改进以制造出符合力学性能、安全性能的药柱，因此对熔铸传爆药来说这些都必须在配方设计及制备中得以解决。

2配方成分选择

参考国内外熔铸炸药配方设计，如Pentolite（50%PETN+50%TNT）、B炸药（59.5%RDX+39.5%TNT+1.0%蜡）和Cyelotol（60%～75%RDX+25%～40%TNT）等[9]，发现大多数熔铸药配方均以载体炸药和基本药的形式来设计熔铸药配方，且均以基本药来提供主要能量输出。

故现主要目的为熔铸炸药连续相和主体炸药的选择。

2.1熔铸炸药连续相选择

熔铸炸药载体可通过硝硫混酸、发烟硝酸和硝酸－乙酸酐等硝化剂硝化合成，由此可知其合成对环境和人体健康都会产生危害。

由于熔铸炸药的熔铸、成型工艺和环保要求，理想的熔铸炸药应该具有以下性质：

（1）熔点为70～120℃；

（2）低蒸汽压（较低的毒气吸入量）；（3）在熔点和化学分解开始之前有足够的电荷分离；（4）冷却时没有收缩和扩张；（5）弹药和弹壳间没有间隙；（6）高密度和优良的爆炸性能:

（7）不过早爆炸；（8）绿色合成[3]。

通过对国内外熔铸炸药研究现状的了解，蒋秋黎等[10]在寻找替代TNT的用于熔铸炸药的液相载体时，对TNAZ/DNTF最低共熔物进行了研究和表述，其性能结果如表1：

表1计算结果和实测结果对比表

炸药

密度/（g·cm-3）

爆速/（m·S-l）

爆热/（J·g-1）

TNAZ

计算值

实测值

1.84

1.64

9000

7530

6027

5168

DNTF

计算值

实测值

1.93

1.73

9250

8040

6054

5478

TNAZ/DNTF

计算值

实测值

1.88

1.73

8824

7962

6038

5454

B炸药

计算值

实测值

1.74

1.65

7757

7116

5109

4774

由表1知，TNAZ/DNTF比例为60/40时最低共熔物的熔铸密度可达92.0%最大理论密度，均高于纯的单体，其实测值为ρ=1.73g·cm-3，爆速7962m·s-1，爆热5454J·g-1，基本高于B炸药的理论值。

若作为熔铸炸药液相载体添加RDX或CL-20等高能炸药，其爆轰能量将更高，这与传统的TNT基熔铸炸药相比，能量和毁伤威力将大幅提升。

王亲会等[11]通过研究DNTF/TNT最低共熔物，然后加入高能物质HMX组成新型熔铸炸药，且发现其装药密度为l.86g·cm-3，爆速8800m·S-l，做功能力l59%TNT当量。

结果如表2：

表2DNTF/TNT的组成和性能

DNTF/%

TNT/%

熔点/℃

ρmax/g·cm-3

vD/m·S-l

0

100

80.9

1.654

6970

38

62

57

1.748

7752

62

38

80

1.819

8297

79

21

92

1.870

8709

90

10

100

1.904

8986

100

0

110

1.937

9250

从计算结果知，二者最低共熔点在80～100℃时，其密度均大于1.80g·cm-3，爆速均大于8000m·s-1，可以作为高性能载体炸药使用。

DNP为一种高能熔铸炸药载体，其熔点[4]86℃，ρ=1.81g·cm-3，爆速8240m·s-1，爆压28.80GPa，撞击感度适中，摩擦感度低，热稳定性也较好，既符合熔铸炸药载体的低熔点也具有高能量输出的特点。

相比于TNT的80.8℃，ρ=1.64g·cm-3，爆速6940m·s-1，爆压29.0GPa而言，DNP的爆速和密度都要优于TNT，这可以保证传爆药在爆炸序列中任务的完成，是一种应用前景很好的载体炸药。

现考虑以DNP、TNAZ/DNTF最低共熔物或TNT/DNTF最低共熔物为熔铸炸药连续相。

由上知，TNAZ/DNTF及TNT/DNTF与DNP的性能参数比较知其性能参数相近，考虑到熔铸过程的简单化、原料易得及经济环保等要求，再由于能量输出主要以主体炸药为主，现决定应用DNP作为熔铸炸药载体。

下为DNTF（二硝基呋咱氧化呋咱）、TNAZ（1,3,3-三硝基氮杂环丁烷）和DNP（3,4-二硝基吡唑）的结构式：

2.2熔铸炸药中主体炸药选择

2.1.1传爆药中常用主炸药及其要求

传爆药应具有足够的安全性、良好的安定性和相容性，对热、撞击、摩擦、火焰、静电放电以及各种辐射等能量的感度较低，以便于勤务处理，保证生产加工、运输和使用安全；并要求其对冲击波和爆轰波的感度较高，以保证较易起爆，且作用确实可靠。

所以熔铸传爆药配方中对主体炸药的选择应该考虑其爆轰性能和冲击波感度及原材料的易得性等，传爆药中常用单质猛炸药有太安（PETN）、黑索金（RDX）、奥克托今（HMX）、六硝基芪（HNS）等。

数十年来，RDX、HMX一直作为高能炸药的代表，特别是RDX成本相对低廉，是熔铸炸药配方的主要增能组分，广泛应用于各种战斗部装药。

RDX、HMX、HNS和PETN的性能参数，各自参数如表3：

表3火工品常用单质猛炸药的性能比较[8]

炸药名称

熔点/℃

爆发点（5s，℃）

撞击感度（10kg落锤，25cm落高的爆炸概率）

爆速/（m·s-1）

密度/（g·cm-3）

RDX

204

260

80%

8640

1.82

HMX

280

300～327

100%

9100

1.90

HNS

314

350

7100

1.70

PETN

141

222～228

100%

8500

1.74

由表1知，由表中的数据可知，HMX和PETN的撞击感度太高，与传爆药的勤务处理、生产加工等的安全性要求不符，而HNS的密度和爆速相对于RDX而言太低。

下图为HNS（2.2'，4,4'，6,6'-六硝基均二苯基乙烯）、RDX（环三亚甲基三硝胺）和HMX（环四亚甲基四硝胺）的结构式：

2.1.2现今高能炸药介绍

而对于传爆药中的主体炸药除了上述几种之外还有六硝基六氮杂异戊兹烷（CL-20）、三氨基三硝基苯（TATB）等。

TATB炸药为对高温、冲击和撞击非常钝感的高威力炸药（ρ=1.847g·cm-3，爆速7660m·s-1，爆压25.9GPa）[12],这些不利于传爆药的能量输出和传爆。

CL-20是目前获得实际使用的典型高能量密度化合物（HEDC），欧育湘等[13]介绍了CL-20在混合炸药、推进剂、发射药中的应用特点及成果，其中有些混合炸药配方如PAX-11及PAX-29等已经克服了CL-20的高感度缺点，有效的提高了炸药配方的威力；含CL-20的推进剂虽然感度较高，但其具有能量输出高、低特征信号等优点；含CL-20的发射药比含RDX的发射药能量有所提高，而感度与之相当。

李海星[]研究了采用CL-20为主体炸药，并经过细化、颗粒级配等，再与HTPB、硅橡胶、GAP等热固性粘结剂组成混合炸药，然后加入增塑剂和其他添加剂，用各种注射工艺将混合炸药注射进小尺寸的沟槽中，且要确保性能参数和炸药在沟槽中传爆。

TurcotteRichard等[14]CL-20的热分解进行了研究，对CL-20在熔铸过程中的应用提供了依据。

对鉴于CL-20在混合炸药、推进剂、发射药中的应用，故考虑其在传爆药中的使用，以期能达到更高的能量输出。

在已知的四种晶型（

）中，以

CL-20密度最高、稳定性最好等，且能够和大多数粘结剂与增塑剂相容，这些优点都使HNIW在混合炸药的使用中引起了广泛的关注[15]，如多种含HNIW的塑料粘结炸药（PBX）的混合炸药配方及由HNIW与粘结剂组成的推进剂或炸药配方能显著提高武器的燃烧速度、比冲和爆炸性能。

现比较其与其它能量物质，表4汇集了三种应用最广泛的含能化合物梯恩梯（TNT）、黑索金（RDX）、奥克托今（HMX）与CL-20的能量指标及安全性能方面的比较。

表4含能化合物TNT、RDX、HMX和CL-20能量指标与安全性比较[12]

项目

TNT

RDX

HMX

CL-20

密度/g·cm-3

1.65

1.82

1.90

2.04

氧平衡/%

-74.0

-21.6

-21.6

-10.9

标准生成焓/kJ·mol-1

-45.4

92.6

104.8

460.0

爆速/km·s-1

6.9（相对密度91.64g·cm-3）

8.6（相对密度91.77g·cm-3）

9.0（相对密度91.88g·cm-3）

9.6（计算值）

爆压/GPa

19

34

39

43（计算值）

爆容/cm3·g-1

738

903

886

827

摩擦感度/N

353

120

120

54

撞击感度/N·m

15

7.4

7.4

4

闪点/℃

300

230

287

228

数值越小，感度越高。

由表2可知，CL-20与RDX和HMX相比不仅密度大，而且爆速和标准生成焓都远远大于它们，而CL-20的摩擦感度和撞击感度均大于RDX和HMX，给传爆药的勤务处理和安全生产带来了障碍，但由于对高的撞击感度可以使传爆药的更可靠起爆而高的能量输出又可以提供足够的能量来引爆主装药的考虑，同时可以通过给配方中加入钝感剂或通过改晶等方式来解决高感度的问题，而RDX的能量输出较Cl-20小，再由于CL-20在发射药、推进剂、混合炸药中得到广泛的应用和研究，但在传爆药中却非常少。

综合考虑决定用Cl-20作为熔铸传爆药配方中的主体炸药。

炸药的颗粒品质与能量性能有密切关系，颗粒品质包括外部品质（颗粒间品质）和晶体品质（颗粒内品质或内部品质）。

如CL-20的四种不同晶型所表现出的能量性能和各种感度均有所差异，因此对炸药颗粒进行适当的表面改性处理是提高炸药安全行的有效工艺方法[16]，用钝感剂包覆能有效的降低炸药的机械感度，同时过多的使用又会损耗炸药的输出能量，而含能低感包覆剂可以有效解决这个问题。

综合考虑采用晶型为

-CL-20做主体炸药。

下为TATB（三硝基均苯三胺）和CL-20（六硝基六氮杂异伍兹烷）的结构式：

2.3其他成分的选择

熔铸炸药的感度、流变性。

塑性等对熔铸炸药的能量输出、力学性能、注装工艺及安全性等起到非常重要的作用。

感度是衡量火炸药在受到一系列标准模拟作用力下能够分解、燃烧、爆炸等的难易程度，影响炸药感度的因素是多方面的，如各组分的化学、物理状态与结构、相容性等。

国内外学者己开展了大量研究工作，以寻找行之有效的改善炸药感度的途径和方法。

使用低感添加剂是降低炸药感度方便有效的方法，代表物有蜡类物质和聚乙烯吡咯烷酮[5]，Sivabaland等[17]通过超声波处理的CL-20进行了冲击和摩擦感度性试验，结果表明感度特性大大降低。

对传爆药而言主要考虑药剂的冲击波感度和撞击感度，传爆药的冲击波感度不能太低以免不能被雷管可靠引爆，撞击感度同样不能太高，否则会给勤务处理及安全生产带来隐患，合适的感度不仅可以确保药柱被可靠起爆且可以对弹药的成型加工及勤务处理带来安全性保证。

现参考B炸药（59.5%RDX+39.5%TNT+1.0%蜡）的配方，决定加入1.0%的蜡作为钝感剂。

流变性是指物质在外力作用下的变形和流动性质，主要指加工过程中应力形变、形变速率和粘度之间的联系。

DawerSun等[18]通过对熔铸炸药进行数值和经验的研究，认为对熔铸炸药而言，流变性是影响熔铸炸药浇铸性能、成型性能和产品质量的主要因素，并在不同冷却温度、应力分布、粘度下进行了实验研究。

采用表面光滑的球形固相材料、进行颗粒级配、加入添加剂等都是改善流变性能的有效方法，对熔铸药常见疵病的防治起到了特别重要的作用。

利用加入适量电性的表面活性物质，可使其首先吸附在主体炸药粒子表面，减少熔铸炸药流动的内摩擦，既起到润滑的作用，又可防止主体炸药粒子过多地吸附熔态炸药载体，使游离的炸药载体增多，降低熔融炸药的黏度，便于工艺操作[5]。

反之如果粘度太小，同样可以加入添加剂来改变。

为了改变熔铸体的力学性能，现决定加入增塑剂和固化剂来提高。

李俊龙等[19]采用HNIW/HTPB分别为高能填料和粘结剂在真空浇注法下制备传爆药，在熔铸时就加入了TDI（固化剂）和DBP（增速剂），本文参考其添加比，决定以TDI/DPB比为0.5/0.5加入配方中。

3配方理论计算

3.1性能参数计算

3.1.1kamlet法计算爆速

熔铸传爆药配方成分的初步确定，鉴于R.Sundararajan等[20]通过]一种简单的方法来估计有机混合物炸药的爆速，该方法基于简单的化学计量平衡来预估，为初步确定炸药的配方提供了依据。

现提出以DNP为连续相，CL-20为固相的初步配方设计，其中CL-20/DNP分别以50/50、55/45、60/40、65/35、70/30配比[20]，运用kamlet半经验法估算各配比的爆速。

kamlet半经验法可以用于估算含碳-氢-氧-氮-氟炸药的爆速，误差一般在3%以下。

它只需要知道炸药的分子式、初始密度和生成焓，就可以算出爆轰参数。

由于蜡和固化剂、粘结剂等所占比例及其能量输出都非常小，故在计算配方爆轰参数计时不予考虑。

表5为成分主要参数，其中爆速计算公式如下：

vD=0.7062Ø

（1+1.30ρ0）（1-1）

Ø=N·

·

（1-2）

式中：

vD——炸药的爆速，km·s-1；

ρ0——炸药的初始密度，g·cm-3（ρ0=0.90ρTMD）；

N——每克炸药爆轰气体产物的物质的量，mol·g-1；

M——气体爆轰产物的平均相对分子质量；

Q——爆热，J·g-1。

表5配方主要成分及其参数

炸药

分子式

相对分子质量

密度/g·cm-3

生成焓/kJ·mol-1

CL-20

438

2.04

460.0

DNP

158

1.81

120.1

参数计算公式如下：

ρTMD=

（1-3）

Hf=

·

+

·

（1-4）

N=

（1-5）

M=

（1-6）

Q=

（1-7）

式中:

-混合炸药中各组分的体积;

-分别为RDX、DNP在配方中的含量；

a、b、c、d-分别表示质量为1kg时混合物中碳、氢、氧、氮元素组成为

。

表6kamlet法计算不同成分配比的爆速、爆热理论计算结果

成分配比（CL-20/DNP）

vD/km·s-1

ρTMD/g·cm-3

Q/J·g-1

50/50