10＃－159炸藥耐熱性能的試驗研究

黃亞峰， 王曉峰， 田 軒， 馮曉軍， 趙東奎

（西安近代化學研究所，陜西 西安 710065）

引 言

10＃－159炸藥是武器彈藥中常用的一種HMX基高能塑料黏結炸藥，主要組成為奧克托今、梯恩梯、硝化棉和復合鈍感黏結劑。由于該炸藥具有高爆速、高爆壓、感度低等特點，被廣泛地應用到穿甲彈、破甲彈等武器彈藥的裝藥中。隨著穿甲彈、破甲彈戰斗部退役年限即將到期，大量的10＃－159炸藥急需處理。如采用銷毀方式處理廢舊的10＃－159炸藥，不僅浪費資源，而且炸藥不完全燃燒產生的氣體會污染環境。軍用火炸藥對質量有嚴格的要求，廢舊火炸藥不能再次用于軍用武器彈藥。為充分挖掘利用廢舊10＃－159炸藥中高價值的奧克托今，將其回收制備成油氣田深孔彈用耐熱炸藥是一種可行的途徑。耐熱炸藥［1］在滿足耐熱性能的同時只有炸藥體積不發生明顯變化，才能滿足油氣田射孔彈的安全使用要求。因此，廢舊10＃－159炸藥回收制備成耐熱炸藥需對其耐熱性能進行研究。已有研究結果表明，TNT在溫度超過80℃時即出現融化，由固態變成液態，密度減小，體積變大，使混合炸藥藥柱變形；硝化棉燃點為160℃～170℃，在180℃的環境下發生分解放熱，可能產生熱爆炸。由于10＃－159炸藥中含有TNT和硝化棉等對熱刺激較為敏感的含能材料，對炸藥的耐熱性能會產生影響。國內對炸藥耐熱性能的研究主要針對混合炸藥本身的耐熱性能［2－7］，試驗結果是炸藥各組分耐熱性能的綜合體現，不能反映單個組分對炸藥耐熱性能的影響。

本研究采用將10＃－159炸藥中的熱敏感性含能材料用熱性能相對穩定的有機高分子材料逐一替換的方法，利用西安近代化學研究所自己研制的火炸藥藥柱熱爆炸試驗系統，研究10＃－159炸藥中熱敏感性材料對炸藥耐熱性能的影響，為將10＃－159炸藥回收制備油氣田射孔彈用耐熱炸藥提供技術支撐。

1 實驗部分

1.1 原材料準備

根據10＃－159炸藥的組成特點，將炸藥中對熱刺激較為敏感的組分硝化棉、TNT逐一換成相同質量含量的對熱刺激不敏感的氟橡膠黏結劑，制備炸藥造型粉，炸藥組成及編號見第11頁表1。將炸藥造型粉壓制成規格為Ф40mm×40mm的藥柱。

表1 炸藥編號及組成

1.2 實驗裝置

本次10＃－159炸藥熱終止試驗采用火炸藥藥柱熱爆炸試驗系統裝置，該系統裝置主要部件是防爆加熱箱體、加熱元件、控溫儀、記錄儀、控溫和測溫熱電偶等，系統結構如圖1所示?；鹫ㄋ幩幹鶡岜ㄔ囼炏到y可以承受200g TNT當量的爆炸沖擊，采用精度等級為A級的K型熱電偶和控溫精度為±0.2℃／min控調節器的溫度測控系統，可以保證加熱箱體內的溫度場各處的溫度差不大于0.5℃。

圖1 火炸藥藥柱熱爆炸試驗裝置結構圖

1.3 實驗方法

將已經分別替換了硝化棉、TNT以及硝化棉和TNT的 3 種炸藥 10＃－159－1、10＃－159－2、10＃－159－3，在火炸藥藥柱熱爆炸試驗裝置中進行180℃下的混合炸藥熱終止試驗。具體試驗過程為：試驗前，用萬分之一的分析天平精確稱量試驗藥柱的質量，用游標卡尺測量藥柱的高度和直徑；將45＃鋼加工的厚度為3mm的裝藥容器一端用帶螺紋的45＃鋼密封蓋密封，一端敞開，然后將規格為Ф40mm×40mm的試驗藥柱裝入容器中，用熱電偶測量藥柱中心的溫度；設定試驗條件：升溫速率1℃／min，終止溫度180℃，保持180℃恒定4h后停止試驗。第2d藥柱溫度降至室溫后取出藥柱，對其質量、體積進行測量和分析。

2 結果與討論

2.1 替代后炸藥180℃下恒溫4h的熱終止試驗

3種炸藥的熱終止試驗數據處理得到圖2。由圖2所示可知，3種替代后的炸藥在180℃下的恒溫試驗中，在升溫階段，3種炸藥內部的溫度隨著環境溫度按照1℃／min的升溫速率呈直線狀升高。當環境溫度升高到180℃時，加熱系統停止升溫加熱，保持環境溫度為180℃。而此時，炸藥內部溫度卻出現了明顯的溫度下降的吸熱峰。這主要是因為，混合炸藥中的奧克托今（HMX）在180℃下出現晶型轉變，迅速吸收熱量，由于環境溫度向炸藥內部進行的熱量傳遞速度較炸藥吸熱速度慢，不能補償奧克托今因轉晶吸熱而引起的溫度下降，所以才出現溫度下降的吸熱峰。對比10＃－159－1、10＃－159－2、10＃－159－3炸藥的180℃熱終止試驗圖可知，10＃－159－2炸藥（含有硝化棉）出現溫度下降的吸熱峰前的最高溫度較10＃－159－1（含 TNT）炸藥和10＃－159－3（不含硝化棉和 TNT）炸藥的最高溫度要高出將近3℃。這是因為，10＃－159－2炸藥中含有的少量硝化棉在溫度高于170℃時就出現緩慢分解放熱的緣故。因此，當環境溫度達到設定的180℃時，雖然藥柱熱爆炸試驗系統的加熱裝置停止加熱，但由于硝化棉分解放出的熱量促使藥柱內部的溫度繼續上升，所以硝化棉分解完全時，炸藥內部溫度達到最大。

圖2 3種炸藥180℃熱終止試驗

由圖2可知，10＃－159－2炸藥（含有硝化棉）在經歷4h的恒溫后，沒有發生熱爆炸，說明10＃－159－2炸藥中的硝化棉雖在180℃下分解放熱，但因其含量較少，放出的熱量不足以使炸藥發生熱爆炸。

2.2 3種炸藥熱終止試驗后的質量、體積變化

對3種炸藥熱終止試驗前、后的質量進行稱重，測量藥柱試驗前、后的高度以及上、中、下3個不同部位的直徑，計算藥柱的體積，數據見第12頁表2。由表2中數據可知，10＃－159－3炸藥的質量減少量只有10＃－159－1炸藥的二分之一，10＃－159－2炸藥的四分之一。這是因為，10＃－159－3炸藥只含有主炸藥奧克托今和熱性能較穩定的高分子有機化合物，在180℃下恒溫4h對其影響不明顯。對比10＃－159－1炸藥（含TNT）與10＃－159－2炸藥（含硝化棉）的質量和密度變化率數據可知，10＃－159炸藥中TNT的含量較硝化棉含量高，在熱終止試驗后，10＃－159－1炸藥（含 TNT）的質量減少率相當于10＃－159－2炸藥（含硝化棉）減小率的一半，但是其密度變化率卻比10＃－159－2炸藥高出18.5%。出現此種現象的原因是，180℃下熱終止試驗中，TNT由固態變成液態，繼而有少部分從藥柱中揮發出去，但是大部分以液態增塑劑的形式與有機高分子形成有機體，而硝化棉在此溫度下基本完全分解，所以含硝化棉的10＃－159－2炸藥質量減少明顯；當TNT由固態變成液態時，其密度由1.6g·cm－3降低到1.4g·cm－3，體積明顯增大，致使藥柱體積明顯變大，而硝化棉在熱分解時，其體積沒有明顯發生變化。所以，含硝化棉的10＃－159－2炸藥密度變化率反而比含TNT的10＃－159－1炸藥小。

表2 3種炸藥熱終止試驗后的質量、體積變化

耐熱炸藥中如含有硝化棉，高溫時，硝化棉分解使炸藥質量減少，密實性降低，導致密度下降，炸藥的爆速降低，影響深孔彈的穿深；耐熱炸藥中如含有TNT，高溫時，炸藥體積變大，密度下降，炸藥爆速降低，影響深孔彈的穿深。同時，由于炸藥體積變大，炸藥擠壓射孔彈殼體，存在安全隱患。

3 結論

對10＃－159炸藥中不同含能組分取代后的3種炸藥進行了180℃下恒溫4h的熱終止試驗，得到以下結論：

1）溫度在180℃以上時，雖然硝化棉發生分解放熱反應，但由于其含量較少，10＃－159炸藥不存在熱爆炸現象。

2）高溫時，TNT由固態變成液態，體積明顯增加，TNT對10＃－159炸藥的體積變化的影響較大。

在將10＃－159炸藥回收制備成油氣田射孔彈用耐熱炸藥時，為了射孔彈的安全使用，必須除去炸藥中的TNT；為了提高射孔彈的穿深，必須去除炸藥中的硝化棉。

［1］ 黃亞峰，王曉峰，馮曉軍，等.高溫耐熱炸藥的研究現狀與發展［J］.爆破器材，2012，41（6）：1－4.

［2］ 王曉峰，戴蓉蘭，涂健.傳爆藥的烤燃試驗［J］.火工品，2001（2）：5－7.

［3］ 馮曉軍，王曉峰，韓助龍.炸藥裝藥尺寸對慢速烤燃響應的研究［J］.爆炸與沖擊，2005，25（3）：285－288.

［4］ 孫國祥，梁永貞，黨蘭.油氣井射孔彈用炸藥［J］.測井技術，1996，20（4）：297－302.

［5］ 孫國祥，王曉峰，孫富根，等.油氣井射孔器用炸藥及其安全性［J］.爆破器材，2002，31（2）：4－7.

［6］ 楊朝卿，馮國富，戴蓉蘭.射孔彈用炸藥藥柱耐熱試驗研究［J］.爆破器材，1992（3）：8－11.

［7］ 馮曉軍.火炸藥藥柱熱爆炸試驗系統研制報告［R］.西安：二○四所檔案館，2006.