由三硝基甲苯 (TNT) 作载体, 以高能炸药如黑索今 (RDX)、奥克托今 (HMX)、硝基胍 (NQ)、Al等作固体填料, 通过调节各组分的相对含量可制成能量和用途不同的熔铸炸药。B炸药 (TNT/RDX=35/65, 少量添加剂) 是弹药装药中非常重要的一类炸药^[1-2]。TNT为层状结构, 分子间没有氢键, 只有较弱的范德华力作用, 压缩模量和压缩强度较低^[3-4]。因此, 以TNT为主要成分的B炸药力学性能较差, 压缩强度大约10 MPa, 拉伸强度小于2 MPa, 延伸率小于0.1%, 属于低强度脆性含能材料^[1], 限制了其在高性能武器系统中的应用。在B炸药的改性研究中, 本项目组^[5-8]研究了聚叠氮缩水甘油醚 (GAP) 基聚氨酯、端羟基聚丁二烯 (HTPB) 基聚氨酯、聚酯纤维、纳米橡胶微粉、季戊四醇和丙稀醛缩合的热固树脂 (123树脂) 的结构特征、添加量、固化深度、添加方式等因素对其韧性、弹性以及力学性能、安全性和爆轰性能的影响。结果表明, 改性效果较好的添加剂为123树脂、聚酯纤维和热塑性弹性体VP-401。为进一步研究添加剂对B炸药撞击感度和作功能力的影响, 制备了几种改性效果较佳的B炸药配方, 进行了较大尺寸样品的安全性试验和爆轰性能试验, 包括大药片撞击感度试验、苏珊试验和圆筒试验, 获得改性B炸药的撞击感度和作功能力变化, 探讨压缩弹性和韧性对改性B炸药撞击感度的影响, 以及添加剂含量对作功能力的影响, 以期为验证改性B炸药配方提供更多的理论和试验依据。

在B炸药 (RDX/TNT = 65/35) 中分别添加1%的热固123树脂、0.4%聚酯纤维和0.4%VP-401, 制成改性B炸药, 具体配方见表 1。先浇注成型为大药柱, 然后分别加工成Φ20 mm×10 mm药片、Φ25 mm×25 mm和Φ50 mm×100 mm药柱, 用于大药片撞击感度试验、圆筒试验和苏珊试验。

表 1(Tab. 1)

表 1 B炸药和改性B炸药配方 Tab. 1 Formulation of Comp.B and modified Comp.B explosive composition mass fraction of additive appearance ρ/g·cm-3 Comp.B TNT/RDX=35/65 - yellow 1.714 NSAF-3 123 resin, 1% yellow 1.717 NSAF-5 polyesterfibre, 0.4% yellow 1.712 NSAF-7 VP-401, 0.4% purple 1.713

表 1 B炸药和改性B炸药配方 Tab.1 Formulation of Comp.B and modified Comp.B

试验样品为Φ20 mm×10 mm药片, 药量约5 g, 放入聚四氟乙烯惰性环中, 然后装入落锤底部的样品池内, 样品装置见图 1。大药片落锤撞击试验中的落锤主要由锤体、击砧、样品池和撞针等组成, 重约20 kg, 落高范围1~12 m, 示意图见图 2。

图 1(Fig. 1)

图 1 大药片炸药样品装置 Fig.1 Device of big-bill explosive sample

图 2(Fig. 2)

图 2 落锤撞击试验示意图 1—释放装置, 2—落锤, 3—钢靶 Fig.2 Configuration of drop hammer impact test 1—release set, 2—drop hammer, 3—steel target

用高速相机拍摄跌落过程, 观察落锤撞击着靶发生点火到爆燃的过程。用2支距撞击点1 m的冲击波压力传感器测量炸药反应产生的冲击波超压, 分析炸药爆炸反应的程度。用上下法调整跌落高度, 检测炸药发生爆炸反应的区间和概率, 获得炸药的爆炸反应阈值高度, 从而评价炸药的撞击感度和安全性^[9]。

将Ф50 mm×100 mm NSAF-3炸药柱装入苏珊试验弹中, 样品照片见图 3。用空气炮 (速度＜270 m·s^-1) 将弹丸发射出炮口, 撞击正前方的靶板。弹丸撞靶后, 顶端铝帽发生破裂, 弹内装药受到冲击、挤压及摩擦等因素的作用, 结果可导致点火、甚至成长为爆轰。通过测量弹丸的飞行速度、着靶过程和冲击波超压、获得苏珊感度曲线, 综合分析和评价炸药的射弹撞击感度^[10]。

图 3(Fig. 3)

图 3 苏珊试验样品 Fig.3 Samples used in the Susan test

Φ25 mm×25 mm NSAF-3炸药的圆筒试验装配照片见图 4。示波器TDS-520型, 分辨率8bit, 采样速度1×10⁸ s^-1, 记录时间大于10 μs; 高速转镜式相机SJZ-15型, 扫描速度3.00 mm·μs^-1。试验时, 用电探针和示波器测量爆速; 用高速转镜式相机测定圆筒2/3处径向膨胀距离与时间的变化关系, 用式 (1)^[11]拟合测试数据。

图 4(Fig. 4)

图 4 Φ25 mm×25 mm圆筒试验装置照片 Fig.4 Photograph of the Φ 25 mm×25 mm cylinder test set-up

式中, t为圆筒壁膨胀的时间, μs; a₁、a₂、a₃、a₄为待定系数; R为圆筒外壁距圆筒中心轴线的距离, mm; R₀为圆筒外壁距圆筒中心轴线的初始距离, mm。用公式组 (2) 计算圆筒径向不同膨胀距离的壁速度和比动能^[11]。

式中, U为圆筒壁的速度, mm·μs^-1; E为圆筒壁的比动能, kJ·g^-1。

用嵌入压力计的方法, 测试了Φ20 mm×10 mm Comp.B撞击试验中的受力状况, 其典型撞击压力曲线见图 5。图中横坐标0时刻为弹头接触靶针的时刻。

图 5(Fig. 5)

图 5 B炸药典型撞击压力曲线 Fig.5 Typical impact pressure profiles of Comp.B

从图 5可知, 对Ф20mm×10 mm B炸药, 落高5 m时, 炸药最大受力达到约0.50 GPa, 然后逐渐降低, 压力作用时间达到约700 μs, 表明此时炸药未发生反应; 落高7.25 m时, 撞击后炸药受力达到约0.30 GPa, 然后压力持续增长, 最高达到约0.80 GPa, 表明B炸药发生了反应。即, 需要一定的阈值高度, B炸药跌落撞靶才能发生爆燃反应。

对Comp.B和改性B炸药 (NSAF-3、NSAF-5和NSAF-7) 进行了大药片撞击感度试验, 在阈值高度附近落锤跌落着靶瞬间以及收集残骸照片见图 6, 试验汇总结果见表 2。

图 6(Fig. 6)

图 6 改性B炸药撞靶和残骸照片 Fig.6 Photographs of modified Comp.B after impact on target and scrap

表 2(Tab. 2)

表 2 4种炸药的大药片落锤撞击试验结果 Tab. 2 Results of big-bill drop hammer impact test for four explosive samples explosive results H /m Comp.B 5 m, deflagration (20.74) 4.5 m, deflagration (20.63) 4 m, no reaction 3 m, no reaction 4-4.5 NSAF-3 8.0 m, deflagration (22.82) 7.5 m, deflagration (19.51) 7 m, no reaction 6 m, no reaction 7-7.5 NSAF-5 7.0 m, deflagration (18.65) 6.0 m, deflagration (16.34) 5.5 m, no reaction 5 m, no reaction 5.5-6.0 NSAF-7 6.5 m, deflagration (17.28) 6.0 m, deflagration (16.21) 5.5 m, no reaction 5 m, no reaction 5.5-6.0 Note: The data in brackets are overpressure of shock wave; H is the threshold of deflagration reaction.

表 2 4种炸药的大药片落锤撞击试验结果 Tab.2 Results of big-bill drop hammer impact test for four explosive samples

从表 2可知, 跌落高度大于爆炸反应阈值时, 冲击波超压随跌落高度的上升而增加。B炸药的爆炸反应阈值为4~4.5 m。NSAF-3, NSAF-5, NSAF-7爆炸反应阈值分别提高了1.5, 1.5 m和3 m, 表明改性B炸药的撞击感度降低, 安全性提高。但是, 三种添加剂对B炸药的改性机理和效果有所不同。

NSAF-5炸药用0.4%聚酯纤维改性。因为聚酯纤维属于半刚性的有机纤维, 具有较高的弹性模量和强度, 作为固相填料均匀分散到B炸药体系中, 以单根纤维、小束纤维及大束纤维等多种形式存在, 成为改性B炸药体系的共同支柱而起增强压缩弹性和韧性作用。NSAF-7炸药用0.4% VP-401改性。因为VP-401是由丙烯腈与丁二烯共聚形成的网状非晶态化合物, 虽然不能与TNT互溶, 但作为固相填料能均匀分散到B炸药体系中。同时, VP-401分子与TNT和RDX分子间均有较强的氢键作用, 改善了TNT晶体与RDX晶体之间的界面作用, 增强改性B炸药的弹性和韧性。NSAF-3炸药用1.0%123树脂改性。这是因为123树脂为季戊四醇和丙稀醛缩合成的粘稠状预聚物, 与TNT能部分互溶, 比较均匀地分散于TNT/RDX体系, 对感度较高的RDX颗粒起到良好的包覆作用。123树脂分子与TNT和RDX分子间均有较强的氢键作用, 123树脂的固化反应是不饱和双键打开进行交联, 固化后在多相体系间形成笼状结构^[12]。上述123树脂的综合作用, 能显著改善B炸药压缩和拉伸的弹性及韧性。

大药片落锤撞击受力和点火分为两个过程。首先是力学加载过程, 其次是热点形成和爆炸反应过程, 即化学反应过程。若改性B炸药的弹性和韧性得到改善, 那么需要更大的机械能才能使药片产生缺陷和损伤, 进而形成“热点”并发展为爆炸反应, 即爆炸阈值增加, 因此, 改性B炸药的撞击感度降低, 安全性提高。

对123树脂改性的B炸药 (NSAF-3) 进行了一组6发的苏珊试验, 部分试验残骸照片见图 7, 试验汇总结果见表 3。以撞靶速度v为横坐标, 撞靶后的TNT当量为纵坐标, 绘制苏珊感度曲线见图 8。

图 7(Fig. 7)

图 7 NSAF-3苏珊试验残骸照片 Fig.7 Photographs of unreactive scrap after Susan test for NSAF-3 explosive

表 3(Tab. 3)

表 3 NSAF-3炸药的苏珊试验结果 Tab. 3 Results of Susan tests for NSAF-3 explosive No. m/g v/m·s-1 Δp/kPa TNT equivalence/g η/% 1# 338.5 258 53.3 230 58.2 2# 338.0 207 51.7 215 54.4 3# 339.0 171 31.1 85 21.5 4# 337.0 148 38.3 124 31.5 5# 338.5 102 67.1 350 88.5 6# 338.0 57 64.2 322 81.5 Note: m is the mass; V is the velocity of impact on target; Δp is the overpressure of shock wave; η is the relative energy release.

表 3 NSAF-3炸药的苏珊试验结果 Tab.3 Results of Susan tests for NSAF-3 explosive

图 8(Fig. 8)

图 8 NSAF-3炸药的苏珊感度曲线 Fig.8 Curve of Susan sensitivities for NSAF-3 explosive

苏珊感度试验中, 苏珊弹撞靶的动态反作用力为0.5~1.5 GPa。除撞击速度外, 样品的弹性和韧性、均匀性、损伤和破碎程度均影响试验结果。文献[13]报道, PBX-6炸药在弹速125 m·s^-1的苏珊试验中, 铝壳发生了较大变形, 炸药随铝壳发生塑性流动, 已发生了部分损伤和破碎, 其破碎程度与PBX-6炸药的弹性和韧性密切相关。延迟时间大约450 μs时, PBX-6炸药才发生点火爆炸。

TNT的压缩和拉伸强度较低^[14]是熔铸炸药脆性的本质原因。虽然加入1%的123树脂能改善炸药的弹性和韧性, 但是仍属于强度较低的炸药。苏珊弹撞靶至爆炸前的几百微秒范围内, 熔铸炸药随壳体发生塑性变形过程中已发生破碎, 其破碎程度严重影响熔铸炸药的爆炸百分数, 即相对释放能。在本研究开展的一组苏珊感度试验中, 试验样品5^#和6^#出现了弹速小而相对释放能较大的现象。这是因为弹速小时, NSAF-3炸药随壳体发生塑性变形中破碎程度小, 使爆燃反应能维持较长时间, 参与反应的炸药比例增加, 其相对释放能较大。但是, 有关苏珊试验中弹速和炸药破碎程度对相对释放能的综合影响有待深入开展。

对123树脂改性B炸药 (NSAF-3) 进行了3发Ф25 mm圆筒试验。同时, 应用有限元动力学程序LS-DYNA对NSAF-3炸药的圆筒试验进行了数值模拟。高速相机获得铜管膨胀曲线的实验底片见图 9, NSAF-3和Comp.B径向膨胀距离与壁速和比动能关系的比较曲线分别见图 10和图 11, 实测用VLW程序计算的NSAF-3炸药的爆速见表 4, NSAF-3与Comp.B作功能力比较结果见表 5。

图 9(Fig. 9)

图 9 NSAF-3炸药圆筒试验的铜管膨胀情况 Fig.9 Cylinder wall expansion history of cylinder test for NSAF-3 explosive

图 10(Fig. 10)

图 10 膨胀距离和壁速关系的比较曲线 Fig.10 Comparison of the expansion distance and the cylinder wall velocity

图 11(Fig. 11)

图 11 膨胀距离和比动能关系的比较曲线 Fig.11 Comparison of the expansion distance and the specific kinetic energy

表 4(Tab. 4)

表 4 NSAF-3炸药的爆速 Tab. 4 Detonation velocity for NSAF-3 explosive explosive p/GPa D/mm·μs-1 note 1 2 3 mean NSAF-3 - 7.968 7.966 7.966 7.967 measurement 27.2 7.958 computation Note: p is the detonation pressure, D is the detonation velocity.

表 4 NSAF-3炸药的爆速 Tab.4 Detonation velocity for NSAF-3 explosive

表 5(Tab. 5)

表 5 NSAF-3炸药的作功能力比较 Tab. 5 Comparison of power capability for NSAF-3 explosive explosive R-R0=5 mm R-R0=19 mm note U/mm·μs-1 ΔU/mm·μs-1 E/kJ·g-1 ΔE/kJ·g-1 U/mm·μs-1 ΔU/mm·μs-1 E/kJ·g-1 ΔE/kJ·g-1 NSAF-3 1.403 -0.033 0.985 -0.047 1.560 -0.049 1.278 -0.016 measurement 1.397 -0.039 0.976 -0.056 1.596 -0.013 1.273 -0.021 computation Comp.B 1.436 - 1.032 - 1.609 - 1.294 - Ref.[1] Note: U is the cylinder wall velocity; E is the specific kinetic energy.

表 5 NSAF-3炸药的作功能力比较 Tab.5 Comparison of power capability for NSAF-3 explosive

圆筒试验结果 (表 4) 表明, 3次平行试验测得的爆速非常接近, 平均值为7.967 mm·μs^-1, 与计算值吻合。由图 10和图 11可见, 圆筒试验获得径向膨胀距离与壁速和比动能的关系曲线与有限元动力学程序LS-DYNA数值模拟结果比较吻合。与B炸药的作功能力比较, 径向膨胀距离5 mm和19 mm处, 添加1%的123树脂的NSAF-3炸药的作功能力分别降低了4.6%和1.24%。

(1) 大药片落锤撞击试验结果表明, B炸药的爆炸反应阈值为4~4.5 m, 分别添加0.4%聚酯纤维、0.4%VP-401和1% 123树脂改性后, 其爆炸反应阈值分别提高了1.5, 1.5 m和3 m, 表明改性B炸药的撞击感度降低, 安全性提高。

(2) 苏珊感度试验的影响因素除撞击速度外, 样品的弹性和韧性、均匀性、损伤和破碎程度均影响试验结果。苏珊弹撞靶至爆炸前的几百微秒范围内, NSAF-3炸药随壳体发生塑性变形过程中已发生破碎, 其破碎程度严重影响NSAF-3炸药的爆炸百分数, 即相对释放能。

(3) 圆筒试验和数值模拟结果表明, 添加1% 123树脂的NSAF-3炸药随着密度、爆速和爆压的降低, 作功能力稍微下降。与B炸药的作功能力比较, 径向膨胀距离5 mm和19 mm处, 添加1% 123树脂的NSAF-3炸药的作功能力分别降低了4.6%和1.24%。