为研究内相粒径对现场混装乳化炸药热感度的影响,制备了5种含不同粒径的现场混装乳化炸药基质,使用光学电子显微镜和激光粒度仪对不同转速下制备的现场混装乳化炸药基质试样的微观结构和粒径进行了观察和测试,使用爆发点测定仪测试各组炸药试样的爆发点并计算其活化能。结果表明,随着现场混装乳化炸药试样的内相粒径由13.13μm减小至3.97μm,其5s延滞期由9.96s降至3.13s,爆发点温度降低35.13K,反应活化能降低29.00kJ/mol; 炸药爆炸所需外界激发能量随内相粒径降低而降低,热感度上升,热安定性下降,在实际生产中应合理控制炸药内相粒径大小,以确保其安全生产和稳定使用、满足其爆炸性能和安定性的平衡关系。

采用色散校正的密度泛函方法、分子动力学和Monte Carlo模拟技术,对乙酸乙酯(EA)与六硝基六氮杂异戊兹烷(ε-CL-20)晶面的微观作用机制进行研究,分析了晶面特性和EA与各晶面的相互作用。结果表明,附着能模型预测真空中ε-CL-20有6个晶面,其表面积(1 0 1)>(1 1 -1)>(1 1 0)>(1 0 -1)>(0 1 1)>(0 0 2),粗糙度(1 0 -1)>(1 1 -1)>(0 1 1)>(1 0 1)>(1 1 0)>(0 0 2)。带隙最大的两个晶面为(0 0 2)(3.522eV)和(1 0 1)(3.512eV),而(1 1 0)(3.179eV)和(1 1 -1)(3.193eV)的带隙最小。EA分子通过C—H…O弱氢键、范德华力等相互作用与ε-CL-20晶面上的活性位点结合。正的吸附热和负的吸附能表明EA分子在所有晶面上的吸附均为放热过程。EA分子通过(1 1 -1)面上的袋状空隙进入晶格,形成最厚的界面溶剂层(约10Å)和最大的结合能(291.93kJ/mol)。该晶面吸附EA分子的个数和吸附能的绝对值(86.36kJ/mol)均最大,等量吸附热最小(70.99kJ/mol)。而EA分子只能吸附在(0 0 2)平坦的表面上,形成最薄的界面溶剂层(约4Å)和最小的结合能(133.11kJ/mol)。该晶面吸附EA分子的个数和吸附能的绝对值(72.21kJ/mol)均最低,而等量吸附热最大(80.29kJ/mol),其他4个晶面介于这两个晶面之间。

针对我国不敏感弹药研发中存在的问题,从不敏感弹药的概念、不敏感弹药的核心和本质、不敏感弹药的评估以及评估方法学等4个方面,分析和总结了应建立的正确认识,提出了建议。指出未来发展应注重以下4方面:(1)做好不敏感弹药方面的基础研究;(2)加强建模和仿真,逐步实现数字化设计和虚拟试验;(3)建立我国自己的评估标准体系;(4)加强顶层设计,打破专业隔阂,系统推进不敏感弹药的研发和应用。

为把握CL-20炸药技术的发展态势,在系统跟踪国外技术文献的基础上,梳理总结了国外CL-20合成、后加工和CL-20基混合炸药等相关技术的发展脉络和技术进步,对CL-20炸药技术的发展趋势进行了分析。体现在:CL-20合成与制备技术取得创新发展,高效绿色低成本新工艺技术已在实验室规模获得突破; CL-20高效后加工技术已达到实用性水平,部分先进转晶工艺已实现500g的批产规模,超细化处理的纳米级颗粒度已突破常规局限性; CL-20基混合炸药的配方不断丰富,但CL-20在炸药应用中存在溶解与晶变问题,仍待深入研究解决。指出未来应重点发展以小分子有机物为原料的CL-20合成新技术、高品质球形化CL-20晶体的制备技术以及CL-20在混合炸药制备中的抗溶解和防晶变技术研究等。

分析了利用信息化技术对炸药进行管理的瓶颈和障碍,介绍了国内外近年来在射频电磁场中炸药的安全性研究进展,对炸药从射频电磁场吸收能量的方式进行了探讨,定义了炸药的射频电磁敏感度,分析了在足够的场强和电磁能量作用下,炸药表面或者内部形成热点的可能性。提出未来研究方向是:研究炸药分子在射频电磁场作用下的热力学行为,建立热力学行为与化学反应之间的关联及电磁场作用于炸药的能量耦合模型; 研究炸药在射频电磁场作用下的射频电磁敏感度; 并探索射频电磁场能量作用下炸药热点的生成机理。

为了提高通用爆破炸药的能量和安全性能,选择不敏感炸药TKX-50与高能炸药CL-20复配作为主体炸药,通过理论计算TKX-50、CL-20以及Al含量对炸药爆轰性能的影响规律,确定了混合炸药配方中各组分配比; 在此基础上通过主体炸药重结晶处理、粒度级配以及复合钝感黏结剂载体设计,制备了组成结构为33%TKX-50/30%CL-20/27%Al/4%AP/6%黏结剂的压装型TKX-50基通用爆破炸药; 按照GJB772A等相关标准试验方法测试了其机械感度、能量、不敏感性能。结果表明,经过重结晶处理,TKX-50与CL-20的机械感度明显降低,TCL-5炸药装药密度达到1.95g/cm³、爆速7895m/s、爆热8567kJ/kg,可以通过快速烤燃、慢速烤燃、子弹撞击和破片撞击4项不敏感试验考核,具有较高的能量和较好的不敏感性能,综合性能优良,是一种高能不敏感炸药。

为研究老化对HMX基塑料黏结炸药(PBX-6)制件热安全性的影响,分别开展了半径50mm的PBX-6炸药件在温度65℃、时间180d和365d以及温度55℃、时间140d和365d的加速老化试验; 设计Φ100mm炸药件的快烤和慢烤试验装置; 一个烤燃弹由2个半径50mm PBX-6炸药件组成; 对未老化、经不同温度和时间加速老化的炸药件,进行了快烤试验和慢烤试验; 讨论了加热方式和加热速率对烤燃温度和烤燃时间的影响,评估了老化PBX-6炸药件在火烧刺激或缓慢加热下的安全性。结果表明,快速烤燃试验中,炸药件经温度65℃老化365d后,其烤燃温度从311.2℃下降到260.4℃; PBX-6炸药件加速老化时间越长,其烤燃时间越短,烤燃温度越低,爆燃后对烤燃弹外壳和圆筒的破坏程度更大; 在加热速率2℃/min的慢速烤燃试验中,炸药件经温度55℃老化140d和365d后,其烤燃温度分别为218.5℃和211.9℃。随着PBX-6炸药件加速老化时间增加,其烤燃时间和烤燃温度均减少。随加热速率上升,加速老化PBX-6炸药件的烤燃时间缩短,而烤燃温度升高; 无论快烤试验或慢烤试验,由于PBX-6炸药件加速老化后,密度减少和热稳定性降低,导致老化PBX-6炸药件的烤燃时间减少,烤燃温度降低,烤燃弹的热安全性下降。

为了揭示炸药装药在过载条件下的点火机制,针对炸药抗过载性能评估装置,采用黏弹性统计裂纹(Visco-SCRAM)模型描述炸药的力学与热学行为,将Visco-SCRAM模型以二次开发的方式嵌入LS-DYNA,通过LS-DYNA对炸药装药在过载条件下的响应过程进行计算,通过炸药抗过载性能评估试验装置对DNAN基熔注炸药(RBHL-1)进行测试。结果表明,DNAN基熔注炸药(RBHL-1)的重锤阈值速度为9.0～9.5m/s,当重锤速度超过阈值速度时,炸药药柱上表面发生点火; 点火位置位于炸药装药上表面,重锤速度阈值为9.26m/s; 数值模拟与试验结果对比表明,Visco-SCRAM模型能够准确预测炸药的点火位置和重锤阈值速度,说明剪切摩擦是抗过载性能评估试验中炸药的点火机制; 同时,提高炸药装药质量及炸药中对含能材料的保护能力是提高炸药抗过载性能的重要手段。

为研究3,4-二硝基呋咱基氧化呋咱(DNTF)的燃烧转爆轰(DDT)过程,采用DNTF和B炸药进行对比,开展了4种点火条件下的DDT实验,测量了反应波阵面在DDT管中的传播过程,分析了点火药量对DNTF爆轰转变距离和爆轰转变时间的影响。结果表明,DNTF在点火药量为2.0、1.0、0.5g和0.25g条件下均能被点燃,并最终转变为稳定爆轰; 随着点火药量从2.0g降低到0.25g,DNTF均能实现燃烧转爆轰,且爆轰转变距离无显著变化,均在120～150mm范围内,但引燃时间大幅度延长; 而B炸药仅能在2.0g点火药量下被点燃,且未能增长为稳定爆轰,表明对于DNTF单质炸药,点火强度的变化可对其DDT过程中的低速热传导燃烧阶段产生显著影响。

针对实验室开展某些弹药力学响应实验时存在的安全问题,制备了PBX模拟炸药并研究了其力学性能,获得了不同应变率下的力学响应过程,并与PBX9501进行了对比; 建立了PBS模拟炸药的广义黏弹性统计损伤本构模型(Vicso-SCRAM),利用有限元ABAQUS中VUMAT模块编写子程序,模拟了PBS模拟炸药的SHPB动态压缩实验,验证了所建立的损伤本构模型的有效性; 利用SEM扫描电镜观察了PBS加载前后的细观形貌。结果表明,PBS材料具有明显的应变率效应,且其静态/动态力学性能与压装PBX比较相似; PBS细观结构及损伤形貌与PBX较为相似,在准静态加载条件下PBS材料主要发生黏结剂脱粘,在动态加载条件下则以穿晶断裂为主。

为详细了解5,5'-联四唑-1,1'-二氧二羟铵(TKX-50, HATO)在不同刺激方式下的反应性,采用程序升温法(DSC-TG)、聚光点火实验、密闭爆发器实验、雷管起爆和脉冲等离子体起爆5种方式对TKX-50的燃烧和爆炸反应性进行了对比研究。结果表明,TKX-50在逐步升温加热刺激下,起始分解温度为218.87℃,分解过程是由固相直接分解为气相,分解后残余率为2.85%,放热量为2273.91J/g; TKX-50燃烧反应时间持续5.5s左右,先后经历热解反应期(0～3s)、燃烧期(3～4s)和反应结束期(4～5.5s)3个阶段,分解后有部分固体残留; TKX-50燃烧持续时间为0.91ms,燃烧压力最大值为164.2MPa,燃烧速度最大值为433.45MPa/ms; 采用雷管起爆测得TKX-50的爆热值为4900J/g,脉冲等离子体起爆测得其爆热值为5320J/g,爆轰产物主要为CO₂、CO、CH₄、N₂O、NH₃、C单质等。以上结果表明TKX-50在不同的刺激方式下反应性具有较大的区别,在持续受热以及等离子体刺激下反应更完全。

为了提高混合炸药装药的密度和爆热值,通过3D打印技术对高能球磨法制备的Al/CuO和Al/PTFE/CuO稳态分子间复合物(MIC)体系进行了MIC金属环的增材制造,并对含高热效应MIC金属环的径向梯度炸药装药进行了快速成型。通过电子显微镜(SEM)、X射线能谱分析(EDS)、热重-差示扫描量热仪(TG-DSC)等手段分别对机械球磨法制备的MIC体系(Al/CuO、Al/PTFE/CuO)复合粒子的微观结构、热分解行为、燃烧产气性能、MIC环的微观结构、密度和尺寸以及含MIC环的炸药装药的密度和爆热进行了测试表征。结果表明,高能机械球磨法制备的MIC体系中各个粒子分布均匀,未出现团聚现象,并且两者在受热过程中均表现为良好的放热行为,燃烧时具有较高的峰值压力(p_max)和增压速率; 增材制造的MIC环结构完整性较好,密度较高,并且SEM显示MIC环中各个粒子分布均匀,堆积密实,无裂痕、孔洞等明显缺陷; 含Al/CuO和Al/PTFE/CuO MIC环的双层结构径向梯度炸药装药药柱的密度分别为2.18g/cm³和2.16g/cm³,爆热分别为8373kJ/kg和8940kJ/kg,相比于纯CL-20/HMX基药柱,密度分别提高了24.8%和23.7%,爆热值分别提高了3.97%和11.01%。

利用斜波实验装置和双光源外差测速技术,开展了3种密度的HMX基塑料黏结炸药(PBX-3)的动态压缩实验,获得了PBX-3炸药的界面速度历程数据; 利用适用于斜波压缩台阶样品实验的数据处理方法,获得了3种装药密度PBX-3炸药的高压声速与粒子速度间的关系以及压力与相对比容间的关系。结果表明,随着PBX-3炸药的装药密度从1.82g/cm³增加到1.84g/cm³,其初始声速从2.45km/s增至2.68km/s; 基于斜波压缩过程对应的三阶Birch-Murnaghan等熵状态方程和实验数据处理获取的动力学参数,对PBX-3炸药的斜波动力学压缩过程进行了一维动力学模拟,计算与实验的速度波形起跳时刻基本相同,上升沿时间均约为0.4μs,3发计算与实验的速度峰值分别约为1.00、0.80和0.95km/s,计算结果可很好地描述实验过程。

为了对比载体炸药3,4-二硝基吡唑(DNP)和2,4-二硝基苯甲醚(DNAN)以及以其为基的熔铸炸药的性能,制备了不同载体的DNP基熔铸炸药和DNAN基熔铸炸药,系统研究了两种炸药的凝固特性、流变特性、安全性、能量以及力学性能。结果表明,载体炸药DNP和DNAN药柱内部形成的缩松缺陷均似漏斗状,DNP凝固过程中释放的结晶潜热小于DNAN; DNP基熔铸炸药的表观黏度大于DNAN基熔铸炸药的表观黏度; DNP基熔铸炸药的摩擦感度和撞击感度与DNAN基熔铸炸药相当,在强约束条件下两种混合炸药的慢速烤燃试验均发生爆炸反应; DNP基熔铸炸药和DNAN基熔铸炸药的爆速分别为8301m/s和7856m/s,爆压分别为29.6GPa和25.1GPa,格尼系数理论计算值分别为2.84和2.76mm/μs; DNP基熔铸炸药的抗压强度与DNAN基熔铸炸药相当,但前者的抗拉强度优于后者。得出在安全性基本相当的情况下,DNP基熔铸炸药的能量和力学性能优于DNAN基熔铸炸药。

为研究不同装药结构HMX基含铝炸药在密闭空间内的爆炸特性,开展了复合装药结构和均一装药结构样品在密闭空间爆炸的实验研究,建立了具有测温和测压功能的密闭爆炸实验装置,获得了复合装药结构样品密闭空间爆炸压力和温度数据,并与相同化学组成的均一装药结构进行了对比。结果表明,具有复合装药结构样品密闭空间爆炸冲击波峰值压力和准静态压力比相同化学组成的均一装药结构分别提高了12.7%和8.0%,通过外层高爆速炸药、内层高铝氧比炸药的内外层复合装药结构能够提高装药密闭空间的爆炸能量输出; 与均一装药结构密闭空间爆炸峰值温度745℃相比,复合装药结构峰值温度下降124℃,为621℃,但具有内外层复合装药结构样品在密闭空间中能够维持长时间600℃左右的高温环境。

为研究斜侵彻靶板过程对装药损伤的影响,基于内聚力模型开展含装药的炮弹侵彻多层靶板的数值模拟。采用内聚力模型计算装药损伤的出现与演化,分析了两方向过载与损伤发生的关系,并且对侵彻结束后的裂纹区进行了宏观裂纹的量化,并将量化后的结果与试验进行了有效对比,验证了模型及量化方法的准确性,并研究了装药损伤与靶板倾角的关系。计算结果表明,斜侵彻情况下,横向过载的出现及不断变化导致裂纹区的出现及演化并非垂直于轴向。随着靶板后倾角度由5°增大到20°,装药的轴向过载峰值约提高0.62×10⁴g(8.5%),横向过载峰值约提高1.35×10⁴g(221.3%),装药的剩余速度从251m/s降至207m/s,量化后装药的宏观裂纹与横向的夹角增大约10°。

为了提高六硝基六氮杂异伍兹烷(CL-20)在制备、使用、贮存等过程中的安全性,通过实验和理论相结合的方法进行了CL-20基压装炸药结构成型载体设计和应用研究; 采用原位温升X射线粉末衍射仪(XRD)实验开展了不同高分子聚合物对ε-CL-20晶型转变的影响规律研究; 借助表面接触、黏附、润湿等理论测定不同高分子聚合物表面张力及其有关分量,并计算了ε-CL-20/高分子聚合物的界面参数; 依据固-固晶变机理和ε-CL-20/高分子聚合物的界面参数,构建了一种CL-20基压装炸药结构成型载体,以顺丁橡胶(BR)为主体,复配三元乙丙橡胶(EPDM)和钝感剂蜡,通过力学性能、安全性能实验优选了BR与EPDM和胶与蜡比例。结果表明,在BR与EPDM质量比3:1、胶与蜡质量比0.6的条件下,采用该结构成型载体的CL-20基压装温压炸药(52%CL-20/32%Al/10%AP/6%黏结剂)撞击感度8%,摩擦感度10%,药柱相对密度≥96.0%,且其力学性能优异,能够满足实际应用要求。

为了探究氟聚物黏结剂对高聚物黏结炸药(PBX)造型粉可压性的影响,对3种不同黏结剂(F2311、F2313、F2314)的TATB基PBX造型粉进行压制成型试验,获得了PBX造型粉的压缩位移曲线; 采用排水法和小角X射线散射技术(SAXS),得到了PBX成型样品的密度和孔隙率随温度的变化规律。结果表明,3种造型粉在载荷最大时的压缩位移与松装密度有关,松装密度越大,造型粉的压缩位移越小; PBX成型样品的密度和孔隙率均会在某个压制温度发生突变,TATB/F2311、TATB/F2313和TATB/F2314密度突变的温度分别为60、80和100℃; 3种PBX成型样品的孔隙在3～5nm和30～50nm 两个区域呈双峰分布,当压制温度高于突变温度时,40～50nm的孔隙明显降低。此外,建立了修正比能量可压性评价方法,对3种造型粉进行了可压性评价,获得的可压性系数与相对密度相关系数较好(0.9以上),验证了该方法的合理性和有效性。相同压制条件下,以F2311为黏结剂的TATB基PBX造型粉的可压性系数最大,可压性最好。

为了将增材制造技术应用到炸药成型制备中,解决常规手段难以实现的战斗部装药多样化、异形化发展问题,选用3D直写工艺和自动点胶机,完成HMX和HMX/Al药柱的打印成型; 使用流变仪测试了不同固含量对打印浆料流变性能的影响,并优化打印参数; 对打印出的药柱进行了热分解性能、微观形貌及爆轰性能测试。结果表明,固含量80%～87.5%的浆料均具有剪切变稀效果,符合假塑性流体的特征,满足打印需求; 使用黏合剂GAP/N100配置成浆料以及铝粉的加入使HMX的热分解峰温从288.2℃分别提前到244.4℃和235.5℃; HMX浆料溶剂质量保持在5～6g、打印压力8～13psi,HMX/Al浆料溶剂质量保持在2～3g、打印压力10～16psi,打印速率设置为10mm/s时成型效果较好; 3D打印成型的药柱无明显的裂纹和孔隙,HMX药柱平均密度为1.67g/cm³,爆速均值达7662.9m/s; HMX/Al药柱的平均密度为1.72g/cm³,爆热均值达到7359.41kJ/kg。

为了探究同轴双元装药的爆轰波传播特性,采用C-J爆速差为1.81mm/μs的两种含铝炸药制备了两种典型结构的同轴双元装药,通过高速扫描法和电测法分别获取了其爆轰波形演变过程、滑移爆速,并分析了波形特征、法向爆速等参量的分布规律。结果表明,爆轰波形的演变主要发生在低爆速炸药中,波形稳定后,低爆速炸药(DNAN基含铝炸药DRLU)的轴向爆速等于高爆速炸药(DNTF基含铝炸药DOL); 当低爆速炸药位于内层时,其波形为聚心状,根据其法向爆速逐渐增大的趋势,可将其划分为初始区域、强爆轰区域、汇聚区域,其中,初始区域的法向爆速低于C-J爆速,其药量约占36%,汇聚区域药量最小,仅占5%,但其爆轰强度最高; 当低爆速炸药位于外层时,其波形为散心状,仅可将其划分为初始区域、强爆轰区域,其中,初始区域的药量约占77%,且强爆轰区域的法向爆速仅略高于其C-J爆速。

为了提升固黑铝(GHL)炸药在浇注工艺下的流变性能,将司班80、吐温80、LY-1和氟碳FS-3100等4种表面活性剂加入固黑铝炸药配方中,采用稳态流变测试方法对含不同表面活性剂药浆的流变性能进行了测试,并对非牛顿指数、屈服值、综合流变学因子和黏流活化能进行计算和分析。结果表明,司班80的加入对于固黑铝炸药降黏的效果最显著,但是在60℃、高剪切率时,FS-3100降黏效果更好; 加入FS-3100的药浆随着温度的升高,黏度随剪切速率的变化幅度增大; 司班80与LY-1都可以增大药浆的非牛顿指数; 在剪切速率为1s^-1时,黏流活化能大小排序为:LY-1>司班80>吐温80>FS-3100; 综合流变学因子大小排序为:FS-3100>司班80>吐温80>LY-1。综合对比,司班80可以最大程度地提升固黑铝炸药的综合流变性能。

为探究油相材料对现场混装乳化炸药基质抗挤压能力的影响,使用光学显微镜、激光粒度仪、水溶法和黏度计对3种油相(柴油、煤油、机油)制备的现场混装乳化炸药基质挤压前后的微观结构、粒径、硝酸铵析晶量和黏度进行了测试。结果表明,柴油、煤油和机油制备的基质样品粒径分别为6.74、2.44和1.41μm,硝酸铵析出量分别为0.0161、0.0150和0.0144g,黏度分别为105346、180076和290931mPa·s; 在受10次挤压后,粒径增长分别为37.74、4.29和2.09μm,硝酸铵析出量增长分别为0.0338、0.0261和0.0231g; 黏度增长为329438、506014和800649mPa·s; 柴油制备的基质样品受10次挤压后粒径增大5.60倍,硝酸铵析出量为未受压的2.09倍,黏度增大213%; 煤油和机油制备的基质样品受10次挤压后粒径增大1.76和1.48倍,硝酸铵析出量为未受压的1.74和1.60倍,黏度增大181%和175%,机油制备的现场混装乳化炸药基质抗挤压能力较好。

为了研究航空炸弹装药在热刺激作用下的响应规律,基于Fourier定律和Arrhenius化学反应动力学模型,建立了航空炸弹装药烤燃过程的计算模型,研究了炸药基础材料参数(导热系数和比热容)的变化对慢烤过程中炸药响应特性的影响; 进行了航空炸弹装药的快速烤燃和慢速烤燃实验,并将模拟结果和实验结果进行了对比。结果表明:烤燃过程中炸药响应特性的模拟结果与实验结果相吻合,快速烤燃条件下和慢速烤燃条件下装药反应时间的仿真误差分别约为-5.2%和1.2%,表明所建立的模型可较好地模拟航空炸弹的快速烤燃和慢速烤燃过程; 炸药基础材料参数的变化对装药慢速烤燃过程有较大影响,随着传热系数的增大,反应温度下降且反应时间提前; 随着比热容的增大,反应温度上升且反应时间延长。