CN108623424A - 一种添加高活性Ti/2B纳米粉体材料的炸药及其制备方法 - Google Patents

一种添加高活性Ti/2B纳米粉体材料的炸药及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种添加高活性Ti/2B纳米粉体材料的炸药及其制备方法，属于纳米含能材料技术领域。本发明将自制备的高活性Ti/2B纳米粉体材料，作为混合炸药的高能添加剂，进行配方设计，并使用常规的炸药混合方法，采用冷等静压或浇注成型，制备出的药柱，密度达2.68g/cm3，爆压达285KPa，耐温达1600℃，其爆压值明显高于同等药量的普通炸药爆压值。本发明所提供的高活性Ti/2B纳米粉体材料作为添加剂的炸药配方的制备工艺，采用了冷等静压成型工艺，其材料活性基本没有损失。本发明制备的高活性Ti/2B纳米粉体材料炸药，可应用于火炸药、战斗部等领域，可显著提高炸药装填密度、能量密度及爆炸毁伤效应。

Description

一种添加高活性Ti/2B纳米粉体材料的炸药及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种添加高活性Ti/2B纳米粉体材料的炸药及其制备方法，属于纳米含能材料技术领域。
背景技术
硼(B)作为一种高能燃烧剂，其燃烧热值达1264.17KJ/mol，这是众所公认的，而钛(Ti)也同样具有很高能量。美国、英国、以色列、俄罗斯等开展了广泛的基础研究，美国目前重点研制纳米B粉的制备及B粉与Ti粉的复合，在成型方面主要有冷等静压成型，液压成型以及粘结固化成型等多种成型方法；美国目前达到10g级的试验。在爆炸机理和能量释放研究方面，美国的克级试验爆温达到1900～2100℃；密度达1.87g/cm3，能量释放达23.71KJ/g，耐温达1400℃。
硼的热值是铝的2倍多，在配方相同的情况下，硼化合物推进剂的比冲达到10kN/kg，远大于镁、铝化合物。可在军工、宇航领域，作为高性能吸气式固体火箭冲压发动机的燃料。金属粉作为高能燃料广泛应用于含能材料，其氧化还原反应所释放的大量热已成为提高弹药毁伤威力和射程的重要途径之一。在高效毁伤的火炸药领域研究发现，将金属粉纳米化，利用纳米材料的表面效应，能大幅提高金属粉的化学反应活性，并将得到许多更优异的性能，如烟火药中掺入纳米金属粉体，可提高烟火药燃烧的稳定性和持久性；炸药中添加金属粉能提高爆热，并大幅提高做功能力；在推进剂中能提高燃速，因此，纳米金属粉的应用能提高炸药做功能力、改善火药燃烧性能。
发明内容
本发明的目的是提供一种添加高活性Ti/2B纳米粉体材料的炸药及其制备方法，该方法是将自制备的高活性的Ti/2B纳米粉体作为炸药添加剂，应用到高能混合炸药中，并设计了以黑索今(RDX)为主炸药的配方制备的炸药，可应用在火炸药或战斗部上。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
一种添加高活性Ti/2B纳米粉体材料的炸药，包括：高活性的Ti/2B纳米粉体、铝粉和非活性炸药粉体；所述非活性炸药粉体的质量为炸药质量的72％；所述高活性的Ti/2B纳米粉体的质量为炸药质量的15～25％；所述铝粉的质量为炸药质量的3％～13％；所述非活性炸药粉体由高氯酸铵、RDX和胶黏剂构成；所述高氯酸铵的质量为炸药质量的36％；RDX的质量为炸药质量的25％；所述胶黏剂的质量为炸药质量的11％；所述胶黏剂由89％HTPB、10％固化剂TMI、1％二月硅酸二甲基锡组成。
一种添加高活性Ti/2B纳米粉体材料的炸药及其制备方法，具体步骤如下：
步骤一、将三氧化二硼及镁粉过80～200目筛，将三氧化二硼和镁粉混合均匀后，加热到450～500℃进行反应，持续反应1～1.5h后，降到室温，用稀盐酸冲洗，再用蒸馏水冲洗，过滤并烘干，得到干燥粉体。在干燥粉体中，加入硼氟酸钾(KBF4)和氟氢化钾(KHF2)的混合物，加热到500℃～900℃，持续反应1.5～2h，降到室温后，用稀盐酸冲洗，然后用蒸馏水冲洗，过滤并烘干得到单质硼粉体。
所述三氧化二硼与镁粉的摩尔比为1:4～1:2；
所述的稀盐酸浓度为30％～45％；
所述KBF4和KHF2的混合质量比为19:15，分别占三氧化二硼质量的95％、75％；
步骤二、在一定实验条件下，将步骤一所得单质硼粉体过30～80目筛，使用高能纳米冲磨机，采用干法球磨，同时采用循环冷却水保证球磨温度在20℃以下，采用直径为3.2mm的碳化钨合金磨球，不锈钢研磨罐与碳化钨合金磨球的容量比为10:1，碳化钨合金磨球与单质硼粉体用料质量比为65:1～85:1，球磨1～1.5h后，得到纳米硼粉。
步骤三、在一定实验条件下，将步骤二所得纳米硼粉和粒径为40～100μm的钛粉，使用高能纳米冲磨机，采用湿法球磨，加入不锈钢研磨罐中混合；不锈钢研磨罐与碳化钨合金磨球的容量比为10:1，加入保护液，所述保护液的加入质量为所述钛粉和硼粉总质量的1/2，球磨速度300rpm～450rpm，1.5～2h后取出球磨产物，即得高活性Ti/2B纳米粉体。所述钛粉与纳米硼粉的摩尔比为1:2；
所述的一定实验条件为低温(温度低于20℃)、干燥、氩气保护；
所述的保护液为正己烷或正庚烷；
步骤四、称量好活性炸药配方所有组分，依次按高氯酸铵、胶黏剂、铝粉、高活性Ti/2B纳米粉体材料和RDX的顺序，机械混合均匀，干燥，得到活性炸药混合粉，采用冷等静压机压制或浇注成药柱。
有益效果
1、本发明所提供的高活性Ti/2B纳米粉体材料作为添加剂的炸药的制备工艺，采用了冷等静压成型或浇注成型工艺，其材料活性基本没有损失。
2、本发明制备的高活性Ti/2B纳米粉体材料炸药药柱，密度达2.68g/cm3，爆压达285KPa，耐温达1600℃，其爆压值明显高于同等药量的普通炸药爆压值。
3、本发明制备的高活性Ti/2B纳米粉体材料炸药，可应用于火炸药、战斗部等领域，可显著提高炸药装填密度、能量密度及爆炸毁伤效应。
附图说明
图1为高活性Ti/2B纳米粉体材料在炸药中装填的位置；
图2为高活性Ti/2B纳米粉体材料爆炸实验装置结构及其起爆试验装置照片。
具体实施方式
以下结合本发明实验结果给出实施例以对本发明作进一步说明：
实施例1：
一种添加高活性Ti/2B纳米粉体材料的炸药，包括：57.6g高氯酸铵、20.8g铝粉、24g高活性Ti/2B纳米粉体材料、40g RDX，与自制的胶黏剂17.6g；所述胶黏剂由14.4gHTPB、1.76g固化剂TMI、1.44g二月硅酸二甲基锡组成。
一种添加高活性Ti/2B纳米粉体材料的炸药及其制备方法，具体步骤如下：
(1)单质硼粉的合成
将三氧化二硼及镁粉过80目筛后，称取三氧化二硼100g，镁粉180g，混合10min，加热到700℃，持续反应1h，降温后用浓度为30％的盐酸冲洗，然后用蒸馏水冲洗，过滤并烘干，得到产物待用。
添加95g的KBF4及75g的KHF2混合物到上述产物中，加热到900℃，持续1h，降温后用浓度为30％的盐酸冲洗，然后用蒸馏水冲洗，过滤并烘干得到30g单质硼粉体。
(2)纳米硼粉的制备
在低温(低于20℃)、干燥、氩气保护下，将步骤一所得单质硼粉体过30目筛，使用高能纳米冲磨机，采用干法球磨，采用直径为3.2mm左右碳化钨合金磨球，不锈钢研磨罐与碳化钨合金磨球的容量比为10:1，碳化钨合金磨球与单质硼粉体用料质量比为70:1，球磨1～1.5h后，球磨速度250rpm，球磨1.5h后，得到纳米硼粉。
(3)高活性Ti/2B纳米粉体的制备
在低温(低于20℃)、干燥、氩气保护下，将所得的纳米硼粉和44μm的钛粉，使用高能纳米冲磨机，采用湿法球磨，纳米硼粉和44μm的钛粉以1:2的摩尔比混合，总重为260g，加入不锈钢研磨罐中，不锈钢研磨罐与碳化钨合金磨球的容量比为10:1，加入钛粉和硼粉总质量1/2的正己烷作保护液，球磨速度300rpm，2h后取出研磨产物，即得高活性Ti/2B纳米粉体，粒径为30～40nm。
(4)两种炸药粉体的制备
按照表1所述实施案例1中炸药的配比，称量高氯酸铵57.6g、铝粉20.8g、高活性Ti/2B纳米粉体材料24g、RDX40g，与自制的胶黏剂17.6g，依次按高氯酸铵、胶黏剂、铝粉、高活性Ti/2B纳米粉体材料、RDX的顺序，机械混合均匀，干燥，得到活性炸药混合粉160g；称量高氯酸铵57.6g、铝粉44.8g、RDX40g，与自制的胶黏剂17.6g，依次按高氯酸铵、胶黏剂、铝粉、高活性Ti/2B纳米粉体材料、RDX的顺序，机械混合均匀，干燥后，得到不含高活性Ti/2B纳米粉体材料的炸药粉体160g。
(5)两种炸药药柱的成型
称取所得已干燥的活性炸药混合粉重42g，置于直径50mm的模具中，冷等静压成直径为50mm、厚8～10mm的活性药柱3个，平均密度为2.23g/cm3；称取干燥的非活性炸药粉体42g，置于直径50mm的模具中，冷等静压成直径为50mm、厚8～10mm的炸药药柱3个，平均密度为1.75g/cm3。
(6)活性材料的爆炸实验
将制备的活性药柱和炸药药柱按图1的位置放置，在空气自由场的试验环境中，进行爆炸实验，采用高频摄像系统，测试其爆压值。
实施例2：
一种添加高活性Ti/2B纳米粉体材料的炸药，包括：57.6g高氯酸铵、12.8g铝粉、32g高活性Ti/2B纳米粉体材料、40g RDX，与自制的胶黏剂17.6g；所述胶黏剂由14.4gHTPB、1.76g固化剂TMI、1.44g二月硅酸二甲基锡组成。
一种添加高活性Ti/2B纳米粉体材料的炸药及其制备方法，具体步骤如下：
(1)单质硼粉的合成
将三氯化硼及镁粉过200目筛后，称取三氯化硼350g，镁粉180g，混合10min，加热到700℃，持续反应1h，降温后用40％的盐酸冲洗，然后用蒸馏水冲洗，过滤并烘干，得到产物待用。
添加95g的KBF4及75g的KHF2混合物到上述产物中，加热到900℃，持续1h，降温后用40％的盐酸冲洗，然后用蒸馏水冲洗，过滤并烘干得到单质硼粉体28g。
(2)纳米硼粉的制备
在低温(低于20℃)、干燥、氩气保护下，将所得单质硼粉体过30目筛，使用高能纳米冲磨机，采用干法球磨，采用直径为3.2mm左右碳化钨合金磨球，不锈钢研磨罐与碳化钨合金磨球的容量比为10:1，碳化钨合金磨球与单质硼粉体用料质量比为70:1，球磨速度250rpm，球磨1.5h后，得到纳米硼粉。
(3)高活性Ti/2B纳米粉体的制备
在低温(低于20℃)、干燥、氩气保护下，将步骤二所得纳米硼粉和44μm的钛粉，使用高能纳米冲磨机，采用湿法球磨，纳米硼粉和44μm的钛粉以1:2的摩尔比混合，总重为260g，加入不锈钢研磨罐中，不锈钢研磨罐与碳化钨合金磨球的容量比为10:1，加入钛粉和硼粉总质量1/2的正己烷作保护液，球磨速度300rpm，2h后取出研磨产物，即得高活性Ti/2B纳米粉体，粒径为50～60nm。
(4)两种炸药粉体的制备
按照表1所述实施案例2中炸药的配比，称量高氯酸铵57.6g、铝粉12.8g、高活性Ti/2B纳米粉体材料32g、RDX40g，与自制的胶黏剂17.6g，依次按高氯酸铵、胶黏剂、铝粉、高活性Ti/2B纳米粉体材料、RDX的顺序，机械混合均匀，干燥，得到活性炸药混合粉160g；称量高氯酸铵57.6g、铝粉44.8g、RDX40g，与自制的胶黏剂17.6g，依次按高氯酸铵、胶黏剂、铝粉、高活性Ti/2B纳米粉体材料、RDX的顺序，机械混合均匀，干燥后，得到不含高活性Ti/2B纳米粉体材料的炸药粉体160g。
(5)两种炸药药柱的成型
称取所得已干燥的活性炸药混合粉重42g，置于直径50mm的模具中，浇注成直径为50mm、厚8～10mm的活性药柱3个，平均密度为2.28g/cm3；称取干燥的非活性炸药粉体42g，置于直径50mm的模具中，浇注成直径为50mm、厚8～10mm的炸药药柱3个，平均密度为1.68g/cm3。
(6)活性材料的爆炸实验
将制备的活性药柱和炸药药柱按图1的位置放置，在空气自由场的试验环境中，进行爆炸实验，采用高频摄像系统，测试其爆压值。
实施例3：
一种添加高活性Ti/2B纳米粉体材料的炸药，包括：57.6g高氯酸铵、4.8g铝粉、40g高活性Ti/2B纳米粉体材料、40g RDX，与自制的胶黏剂17.6g；所述胶黏剂由14.4g HTPB、1.76g固化剂TMI、1.44g二月硅酸二甲基锡组成。
一种添加高活性Ti/2B纳米粉体材料的炸药及其制备方法，具体步骤如下：
(1)单质硼粉的合成
将三氧化二硼及镁粉过100目筛后，称取三氧化二硼100g，镁粉180g，混合10min，加热到600℃，持续反应1h，降温后用45％的盐酸冲洗，然后用蒸馏水冲洗，过滤并烘干。
加入95g的KBF4及75g的KHF2混合物，加热到800℃，持续1h，降温后用45％的盐酸冲洗，然后用蒸馏水冲洗，过滤并烘干得到单质硼粉体28.5g。
(2)纳米硼粉的制备
在低温(低于20℃)、干燥、氩气保护下，将所得单质硼粉体过30目筛，使用高能纳米冲磨机，采用干法球磨，采用直径为3.2mm左右碳化钨合金磨球，不锈钢研磨罐与碳化钨合金磨球的容量比为10:1，碳化钨合金磨球与单质硼粉体用料质量比为75:1，球磨速度250rpm，球磨1.5h后，得到纳米硼粉。
(3)高活性Ti/2B纳米粉体的制备
在低温(低于20℃)、干燥、氩气保护下，将步骤二所得纳米硼粉和44μm的钛粉，使用高能纳米冲磨机，采用湿法球磨，纳米硼粉和44μm的钛粉以1:2的摩尔比混合，总重为260g，加入不锈钢研磨罐中，不锈钢研磨罐与碳化钨合金磨球的容量比为10:1，加入钛粉和硼粉总质量1/2的正己烷作保护液，球磨速度300rpm，2h后取出研磨产物，即得高活性Ti/2B纳米粉体，粒径为70～80nm。
(4)两种炸药粉体的制备
按照表1所述实施案例3中炸药的配比，称量高氯酸铵57.6g、铝粉4.8g、高活性Ti/2B纳米粉体材料40g、RDX40g，与自制的胶黏剂17.6g，依次按高氯酸铵、胶黏剂、铝粉、高活性Ti/2B纳米粉体材料、RDX的顺序，机械混合均匀，干燥，得到活性炸药混合粉160g；称量高氯酸铵57.6g、铝粉44.8g、RDX40g，与自制的胶黏剂17.6g，依次按高氯酸铵、胶黏剂、铝粉、高活性Ti/2B纳米粉体材料、RDX的顺序，机械混合均匀，干燥后，得到不含高活性Ti/2B纳米粉体材料的炸药粉体160g。
(5)两种炸药药柱的成型
称取所得已干燥的活性炸药混合粉重42g，置于直径50mm的模具中，冷等静压成直径为50mm、厚8～10mm的活性药柱3个，平均密度为2.32g/cm3；称取干燥的非活性炸药粉体42g，置于直径50mm的模具中，浇注成直径为50mm、厚8～10mm的炸药药柱3个，平均密度为1.77g/cm3。
(6)活性材料的爆炸实验
将制备的活性药柱和炸药药柱按图1的位置放置，在空气自由场的试验环境中，进行爆炸实验，采用高频摄像系统，测试其爆压值。
表1三种实施案例中活性炸药的组成配比情况
表2三种实施案例中活性炸药药柱的密度及爆压值
表3三种实施案例中炸药药柱的密度值
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种添加高活性Ti/2B纳米粉体材料的炸药，其特征在于：包括：高活性的Ti/2B纳米粉体、铝粉和非活性炸药粉体；所述非活性炸药粉体的质量为炸药质量的72％；所述高活性的Ti/2B纳米粉体的质量为炸药质量的15～25％；所述铝粉的质量为炸药质量的3％～13％；所述非活性炸药粉体由高氯酸铵、RDX和胶黏剂构成；所述高氯酸铵的质量为炸药质量的36％；RDX的质量为炸药质量的25％；所述胶黏剂的质量为炸药质量的11％；所述胶黏剂由89％HTPB、10％固化剂TMI、1％二月硅酸二甲基锡组成。
2.制备如权利要求1所述一种添加高活性Ti/2B纳米粉体材料的炸药的方法，其特征在于：具体步骤如下：
步骤一、将三氧化二硼及镁粉过80～200目筛，将三氧化二硼和镁粉混合均匀后，加热到450～500℃进行反应，持续反应1～1.5h后，降到室温，用稀盐酸冲洗，再用蒸馏水冲洗，过滤并烘干，得到干燥粉体；在干燥粉体中，加入硼氟酸钾和氟氢化钾的混合物，加热到500℃～900℃，持续反应1.5～2h，降到室温后，用稀盐酸冲洗，然后用蒸馏水冲洗，过滤并烘干得到单质硼粉体；
所述三氧化二硼与镁粉的摩尔比为1:4～1:2；
所述的稀盐酸浓度为30％～45％；
所述硼氟酸钾和氟氢化钾的混合质量比为19:15，分别占三氧化二硼质量的95％、75％；
步骤二、在一定实验条件下，将步骤一所得单质硼粉体过30～80目筛，使用高能纳米冲磨机，采用干法球磨，同时采用循环冷却水保证球磨温度在20℃以下，采用直径为3.2mm的碳化钨合金磨球，不锈钢研磨罐与碳化钨合金磨球的容量比为10:1，碳化钨合金磨球与单质硼粉体用料质量比为65:1～85:1，球磨1～1.5h后，得到纳米硼粉；
步骤三、在一定实验条件下，将步骤二所得纳米硼粉和粒径为40～100μm的钛粉，使用高能纳米冲磨机，采用湿法球磨，加入不锈钢研磨罐中混合；不锈钢研磨罐与碳化钨合金磨球的容量比为10:1，加入保护液，所述保护液的加入质量为所述钛粉和硼粉总质量的1/2，球磨速度300rpm～450rpm，1.5～2h后取出球磨产物，即得高活性Ti/2B纳米粉体；所述钛粉与纳米硼粉的摩尔比为1:2；
所述的一定实验条件为低温、干燥、氩气保护；
所述的保护液为正己烷或正庚烷；
步骤四、称量好活性炸药配方所有组分，依次按高氯酸铵、胶黏剂、铝粉、高活性Ti/2B纳米粉体材料和RDX的顺序，机械混合均匀，干燥，得到活性炸药混合粉，采用冷等静压机压制或浇注成药柱。
3.如权利要求2所述方法，其特征在于：所述低温为温度低于20℃。
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