CN103113171A

CN103113171A - 一种氢化钛型高能混合炸药及其制备方法

Info

Publication number: CN103113171A
Application number: CN2013100849131A
Authority: CN
Inventors: 马宏昊; 薛冰; 沈兆武
Original assignee: University of Science and Technology of China USTC
Current assignee: University of Science and Technology of China USTC
Priority date: 2013-03-18
Filing date: 2013-03-18
Publication date: 2013-05-22
Anticipated expiration: 2033-03-18
Also published as: CN103113171B

Abstract

本发明公开了一种氢化钛型高能混合炸药及其制备方法，特征是该炸药的高能添加剂为氢化钛；将氢化钛粉末于100-110℃加热2小时以上，烘干，钝化；将单组分炸药和钝感剂石蜡于80-90℃熔融，钝化；按质量百分比将氢化钛5-30%、单组分炸药65-90%和钝感剂石蜡3-5%混合搅拌均匀，即制得本发明的高能混合炸药；所述单组分炸药选自黑索金、梯恩梯、太安或奥克托今。本发明制备的混合炸药各组分相容性好，具有良好的稳定性；爆炸后峰值压力高，比冲量大；该高能混合炸药最大密度为2.3g/cm³，最大爆热为8.5MJ/kg；本发明以氢化钛作为高能添加剂，在提高混合炸药能量输出的同时，可以满足安全、长期储存要求。

Description

一种氢化钛型高能混合炸药及其制备方法

技术领域

本发明属于炸药制备技术领域，具体涉及使用金属氢化物作为添加剂制备的氢化钛型高能混合炸药及其制备方法。

背景技术

炸药作为一种特殊的能源，在军事和国民生产中有着重要的应用。世界上已合成的单质炸药有上百种，但真正直接应用的很少。为了更好的发挥已合成高能炸药的作用，便于安全可靠地装填使用，绝大部分必须制成混合炸药。为提高炸药的能量输出性能，通常向炸药中加入高能添加剂。金属氢化物由于有强烈的还原性，氧化反应热高，气体生成体积大，以及可促进较稳定的成分点燃等性质，可作为高威力混合炸药的高能添加剂。目前见诸报道的，例如美国专利USP3012868，其中采用的金属氢化物高能添加剂主要为氢化镁（MgH₂）。由氢化镁制备的高能混合炸药具有较好的能量输出特性，但氢化镁化学性质不稳定，容易与空气或水发生快速的化学反应，氢化镁与水反应能够释放出氢气，氢气是一种易燃易爆气体，炸药内部氢气的积累会给炸药的储存和运输带来巨大的困难。根据已可从网上查看到的南京理工大学姚淼、陈利平等人发表在《纳米材料》的待刊文献（JournalofNanomaterials，Volume2013，ArticleID864985）“纳米氢化镁对黑索金热分解行为的影响”(EffectofnanomagnesiumhydrideonthethermaldecompositionbehaviorsofRDX)一文中的研究表明，每摩尔黑索金的表观活化能为260.57千焦耳，而每摩尔氢化镁和黑索金混合成分的表观活化能则下降为202.74千焦耳，并且两者的热分解临界温度均在230摄氏度左右，这说明氢化镁和黑索金混合物的热稳定性相较黑索金单质降低很多，氢化镁和黑索金的相容性不好。

根据科林斯（L.W.Collins）发表在《危险材料》（JournalofHazardousMaterials,1982(5),325-333）“氢化钛/高氯酸钾烟火剂的稳定性和相容性”（ThestabilityandcompatibilityofTiH_X/KClO₄pyrotechnics)一文中的研究表明，氢化钛和强氧化剂高氯酸钾混合物的热分解临界温度超过500摄氏度，说明氢化钛与强氧化剂共存时能够保持较好的热安定性，另根据美国海军海上作战中心索雷森（D.N.Sorensen）发表在《量热和热分析》(JournalofThermalAnalysisandCalorimetry,Vol.85，2006，1,151–156)“老化氢化钛/高氯酸钾烟火剂热降解的研究”（Investigationofthethermaldegradationoftheagedpyrotechnictitaniumhydride/potassiumperchlorate)一文中的研究表明，氢化钛在强氧化环境下储存25年后释氢仅为0.011%，所以将氢化钛引入到高能混合炸药制备能保证产品的稳定性。氢化钛能量密度高，化学性质较稳定，不受空气和水分的影响，与部分单质炸药相容性好。由氢化钛和单质炸药制成的高能混合炸药爆轰时，氢化钛快速分解生成氢和钛，随后迅速燃烧，二者燃烧热值都很高，被氧化时释放出大量的热，提高了炸药的能量，混合炸药的后燃效应明显，并且氢化钛原料来源广泛，生产技术成熟，工业品性能稳定、价格便宜，这些特点使得其在一些工况下能有好的应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种以氢化钛作为含能添加剂的高能混合炸药及其制备方法，以克服现有技术的上述缺陷，使得在提高混合炸药能量输出的同时，满足安全、长期储存要求。

本发明的氢化钛型高能混合炸药，由单组分炸药、高能添加剂和钝感剂组成；其特征在于所述高能添加剂为氢化钛，该混合炸药的组成质量百分比为：氢化钛5-30%，单组分炸药65-90%，钝感剂石蜡3-5%。

本发明的氢化钛型高能混合炸药的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

按照以下质量百分比称取各组分：氢化钛粉末5-30%，单组分炸药65-90%，钝感剂石蜡3-5%；将氢化钛粉末于100-110℃下加热2小时以上，烘干，钝化；将单组分炸药和钝感剂石蜡于80-90℃熔融，钝化；将所有组分混合并搅拌均匀，即制得本发明的氢化钛型高能混合炸药。

所述氢化钛为纯度高于97%、粒径1-50μm的TiH_X，x=0.15～2。

所述单组分炸药选自黑索金、梯恩梯、太安或奥克托今。

本发明的炸药属于含金属氢化物的高能混合炸药。与现有的类似炸药相比较，由于本发明的炸药组分中使用了氢化钛，其能量密度高，能提高混合炸药的能量输出，并且化学性质稳定，一般条件下对于空气和水呈惰性，与部分单质炸药相容性好，在强氧化环境下热分解临界温度高，长期储存含氢量变换少，能够满足安全和长期储存的要求。

氢化钛的反应过程如下：

氢化钛分解：

TiH_x=Ti+x/2H₂

钛氧化：

Ti+O₂=TiO₂;

其中氢化钛的分解反应是吸热反应，以二氢化钛为例，其分解活化能为9.56MJ/kg；而氧化反应是放热反应：生成的TiO₂反应热值19.62MJ/kg，生成H₂O反应热值142.5MJ/kg；所以总体反应仍是放热反应，且比一般单质炸药的爆热要高很多。由于Ti和H₂的氧化放热，使得氢化钛对炸药爆轰起到增加能量的作用。

与现有的类似炸药相比较，本发明的高能混合炸药中，由于加入了质量比为5-30%的氢化钛，使其中的单组分炸药质量百分比相应降低为65-90%；氢化钛密度较大，且占有较大质量比，使得该高能混合炸药密度较大，最大密度为2.3g/cm³；高能混合炸药中各组分混合均匀，在混合炸药发生爆轰反应时，爆轰波阵面上的温度非常高，使得氢化钛快速分解生成氢和钛，这会消耗一定的能量，但其后氢和钛快速燃烧，由于氢和钛的燃烧热值都很高，在被完全氧化时放出大量的热，从而提高了该高能混合炸药的爆热，最大爆热为8.5MJ/kg。氢化钛的分解和氧化既发生在爆轰化学反应区，也发生在化学反应的产物区，这个过程产生的能量和气体使得爆炸压力维持在一个较高的水平，减缓了爆炸压力的衰减，并且延长了爆炸超压时间。实验结果表明，与单质炸药相比该高能混合炸药的比冲量大，后燃烧效应明显，爆炸超压的峰值有所提高，且超压时间延长。本发明制备的混合炸药各组分相容性好，具有良好的稳定性；爆炸后峰值压力高，比冲量大；该高能混合炸药最大密度为2.3g/cm³，最大爆热为8.5MJ/kg；本发明高能混合炸药可以通过调整氢化钛的含量以及氢化钛的含氢量来改变爆压和比冲量等特性，这将使该高能混合炸药在特定场合有很好的应用前景。

与现有的类似炸药相比较，由于本发明的高能混合炸药中加入了石蜡作为钝感剂，其具有良好的吸热、绝热、润滑、缓冲和填充作用，因此钝感效果良好；石蜡本身具有良好的安定性，且同爆炸组分的相容性良好，因此混合炸药的安定性和储存性良好；石蜡具有适当的粘结性和包覆性，可以得到颗粒均匀和自由流动性较好的造型粉，因此本高能混合炸药中的石蜡具有钝感剂和粘结剂的双重效果。

本发明以氢化钛作为高能添加剂，在提高混合炸药能量输出的同时，可以满足安全、长期储存要求。

具体实施方式

实施例1

本实施例高能混合炸药，由以下质量百分比组分制成：TiH_1.4粉末5%，黑索金90.25%，石蜡4.75%。其中TiH_1.4粉末平均粒径为45μm。

本实施例的该高能混合炸药的具体制备方法如下：

①称取各组分：TiH_1.45g，黑索金90.25g，石蜡4.75g；

②将TiH_1.4粉末在110℃下加热2小时，烘干，钝化；

③将黑索金与石蜡在90℃下完全钝化；

④将钝化的TiH_1.4粉末与钝化黑索金混合并搅拌均匀，制得本实施例的高能混合炸药。

为进行对比实验，取高能混合炸药20g和钝化黑索金20g，分别制作得到圆柱形药包进行空中爆炸试验。药包尺寸为：直径26.5mm，高度22.1mm。实验条件：传感器与药包位于同一水平线，传感器到药包中心距离为71cm，实验数据由数字示波器采集，实验结果如下：

表1实施例1空中爆炸冲击波实验结果

实施例2

本实施例高能混合炸药，由以下质量百分比组分制成：TiH_1.4粉末20%，黑索金76%，石蜡4%。其中TiH_1.4粉末平均粒径为45μm。

本实施例的该高能混合炸药的具体制备方法如下：

①称取各组分：TiH_1.420g，黑索金76g，石蜡4g；

②将TiH_1.4粉末在110℃下加热2小时，烘干，钝化；

③将黑索金与石蜡在90℃下完全钝化；

表2实施例2空中爆炸冲击波实验结果

实施例3

本实施例高能混合炸药，由以下质量百分比组分制成：TiH_1.4粉末30%，黑索金66.5%，石蜡3.5%。其中TiH_1.4粉末平均粒径为45μm。

本实施例的该高能混合炸药的具体制备方法如下：

①称取各组分：TiH_1.430g，黑索金66.5g，石蜡3.5g；

②将TiH_1.4粉末在110℃下加热2小时，烘干，钝化；

③将黑索金与石蜡在90℃下完全钝化；

表3实施例3空中爆炸冲击波实验结果

实施例4：

本实施例高能混合炸药，由以下质量百分比组分制成：二氢化钛粉末10%，黑索金85.5%，石蜡4.5%。其中二氢化钛粉末平均粒径为4.6μm。

本实施例的该高能混合炸药的具体制备方法如下：

①称取各组分：二氢化钛10g，黑索金85.5g，石蜡4.5g；

②将二氢化钛粉末在110℃下加热2小时，烘干，钝化；

③将黑索金与石蜡在90℃下完全钝化；

④将钝化的二氢化钛粉末与钝化黑索金混合并搅拌均匀，制得本实施例的高能混合炸药。

表4实施例4空中爆炸冲击波实验结果

实施例5：

本实施例的该高能混合炸药，由以下质量百分比组分制成：二氢化钛粉末20%，黑索金76%，石蜡4%。其中二氢化钛粉末平均粒径为4.6μm。

本实施例高能混合炸药的具体制备方法如下：

①称取各组分：二氢化钛20g，黑索金76g，石蜡4g；

②将二氢化钛粉末在110℃下加热2小时，烘干，钝化；

③将黑索金与石蜡在90℃下完全钝化；

表5实施例5空中爆炸冲击波实验结果

本发明上述实施例中所用的单组分炸药也可以选用梯恩梯、太安或奥克托今，这些单组分炸药可以替代黑索金；并且氢化钛TiH_X的氢含量x可以为0.15～2之间其它数值，都能实现本发明目的。

Claims

1.一种氢化钛型高能混合炸药，由单组分炸药、高能添加剂和钝感剂组成；其特征在于所述高能添加剂为氢化钛，该混合炸药的组成质量百分比为：氢化钛5-30%，单组分炸药65-90%，钝感剂石蜡3-5%。

2.如权利要求1所述氢化钛型高能混合炸药，特征在于所述氢化钛为纯度高于97%、粒径1-50μm的TiH_X，x=0.15～2。

3.如权利要求1所述氢化钛型高能混合炸药，特征在于所述单组分炸药选自黑索金、梯恩梯、太安或奥克托今。

4.权利要求1所述氢化钛型高能混合炸药的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

5.如权利要求4所述氢化钛型高能混合炸药的制备方法，特征在于所述氢化钛为纯度高于97%、粒径1-50μm的TiH_X，x=0.15～2。

6.如权利要求4所述氢化钛型高能混合炸药的制备方法，特征在于所述单组分炸药选自黑索金、梯恩梯、太安或奥克托今。