CN116283456B - 一种热不敏感型含铝混合炸药及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种热不敏感型含铝混合炸药及其制备方法，包括两层核壳结构，从内向外依次为内核结构和外核结构，内核结构包括单质炸药和粘结剂体系，外核结构包括热不敏感型复合铝粉添剂；其中单质炸药含量占总重的65％～85％、粘结剂体系占总重的4％～8％、热不敏感型复合铝粉添加剂占总重的10％～30％。本发明采用上述结构的一种热不敏感型含铝混合炸药及其制备方法，可显著提高含铝混合炸药在高温或火灾等热刺激下的安全性，保证含铝混合炸药在运输、贮存和使用过程中的安全性。
Description
技术领域
本发明涉及复合含能材料技术领域，特别是涉及一种热不敏感型含铝混合炸药及其制备方法。
背景技术
含铝混合炸药由炸药组分、粘结剂体系及金属铝粉组成。金属铝粉的加入大幅提高了炸药的爆热和做功能力，因此广泛应用于各国现役的武器装备中，常用于装填水下弹药、防空弹药、反坦克穿甲弹和爆破弹，也常用于军用或民用的工程爆破弹药中，含铝混合炸药武器弹药中的使用量可谓占据了半壁江山。
高效毁伤长期以来都是武器弹药制造所追求的首要目标，这使得炸药的设计理念往往过于追求其能量水平与毁伤能力，而忽视了对其安全性能方面的考量。然而，现代战争复杂的战场环境使得武器装备中的弹药需要经受更严苛的安全考验。因此，不敏感炸药的概念应运而生，即在热、外力撞击、冲击波、静电以及射流等刺激作用下不发生比燃烧反应严重的炸药。有数据统计表明，自上世纪六十年代以来，因热刺激导致的炸药爆炸占弹药意外事故原因总量的70％左右，且通常会对武器系统和周围人员造成难以估量的损失。可见，以高温和火灾为代表的热刺激是弹药安全事故最常见的原因。因此，无论武器弹药先进与否，应首先提高其中炸药对热刺激的不敏感性，以最大程度上降低或避免弹药在战场环境中发生意外事故的概率。
因此，针对含铝混合炸药，如何在保证其爆热和做功能力的同时，提高其热不敏感性能，使含铝混合炸药在热刺激条件下具有很好的安全性，是现阶段研究与发展含铝混合炸药的主要方向之一，同时也是提高武器装备战场生存能力最基础和最有效的手段。
发明内容
本发明的目的是提供一种热不敏感型含铝混合炸药及其制备方法，可显著提高含铝混合炸药在高温或火灾等热刺激下的安全性，保证含铝混合炸药在运输、贮存和使用过程中的安全性。
为实现上述目的，本发明提供了一种热不敏感型含铝混合炸药及其制备方法，包括两层核壳结构，从内向外依次为内核结构和外核结构，内核结构包括单质炸药和粘结剂体系，外核结构包括热不敏感型复合铝粉添剂；
其中单质炸药含量占总重的65％～85％、粘结剂体系占总重的4％～8％、热不敏感型复合铝粉添加剂占总重的10％～30％。
优选的，单质炸药为NTO、HMX、RDX、CL-20中的一种或几种。
优选的，粘结剂体系包括粘结剂、增塑剂和乙酸乙酯粘结剂、增塑剂和乙酸乙酯的固液比为1：1～2：15～35(W/V)。
优选的，粘结剂为3,3-二叠氮甲基氧丁环、氟橡胶F2311、醋酸纤维素中的一种。
优选的，增塑剂为己二酸二辛酯、邻苯二甲酸二丁酯中的一种。
优选的，热不敏感型复合铝粉添加剂包括微米铝粉、三氯化铝和纳米活性氧化铝。
优选的，微米铝粉、三氯化铝和纳米活性氧化铝的质量比为80：5～15：2～10。
一种热不敏感型含铝混合炸药的制备方法，包括以下步骤：
(1)配制炸药水悬浮液
室温下，取一定量的一种或几种单质炸药投入去离子水中，充分搅拌，获得炸药水悬浮液；
(2)配制粘结剂体系溶液
取一定质量的粘结剂和增塑剂加入到锥形瓶中，随后加入适量乙酸乙酯作为溶剂，在一定温度下搅拌一段时间，使粘结剂体系在溶剂中充分溶解，配制成粘结剂体系溶液；
(3)配制热不敏感型复合铝粉添加剂
室温下，采用声共振混合仪将一定量的微米铝粉、三氯化铝和纳米活性氧化铝混合分散均匀，倒入烧杯中备用，该混合物粉末即热不敏感型复合铝粉添加剂；
(4)单质炸药的包覆
将配制好的炸药水悬浮液倒入水浴烧杯中，利用水浴温度使单质炸药水悬浮液体系温度维持在40～50℃，开启搅拌并保持一定速率，向单质炸药水悬浮液体系中滴加步骤二所配制好的粘结剂体系溶液，滴加完成后保温一段时间。随后将溶液体系升温至60℃以驱散乙酸乙酯，待乙酸乙酯除尽后，缓慢将体系温度降至20℃以下。最后经过滤、乙醇洗涤、晾干，得到白色颗粒；
(5)将步骤(3)中已混合均匀的热不敏感型复合铝粉添加剂倒入水浴烧杯中，在55～70℃下，逐渐向烧杯中加入步骤(4)获得的白色颗粒，同时摇动烧杯，使得热不敏感型复合铝粉添加剂充分并均匀地包裹在白色颗粒表面，得到呈灰白色的颗粒，即热不敏感型含铝混合炸药。
优选的，步骤(1)中单质炸药与去离子水的用比为1:5～15。
优选的，步骤(2)中的一定温度为30～50℃。
本发明的有益效果：
1、本发明所涉及的热不敏感型含铝混合炸药，其热不敏感特性是由热不敏感型复合铝粉添加剂的加入实现的，具体发挥作用的是添加剂中的三氯化铝。三氯化铝在热刺激下首先发生升华，其升华温度在180～200℃左右。因此，当含有三氯化铝的含铝混合炸药遇到火灾或强烈的外界热刺激时，首先会通过三氯化铝的升华作用产生一定量的气体，且这一过程相对缓慢，从而使得装填炸药的战斗部壳体内部的压力缓慢上升并达到壳体的疲劳极限。此时未到达本发明所涉及的炸药组份的点火温度，因此不会发生由炸药组份快速分解所引起的气体的剧烈释放。弹药壳体将只发生较为温和的破裂，而不会发生爆炸或爆轰等剧烈的反应。与常用的现役含铝混合炸药相比，本发明所涉及的含铝混合炸药降低了弹药热反应的剧烈程度，减少了弹药发生意外事故的概率，体现了出色的热不敏感性。
2、三氯化铝的升华过程是吸热反应，在此过程中消耗了混合炸药体系中的部分热量，提高了混合炸药中炸药组份热分解温度，在一定程度上提高了混合炸药的热稳定性。
3、本发明所涉及的热不敏感型含铝混合炸药中，使用微米铝粉、纳米活性氧化铝和三氯化铝共同组成热不敏感型复合铝粉添加剂。其中，微米铝粉是混合炸药中常见的金属添加剂，起到提高混合炸药爆热的作用。所用纳米活性氧化铝和三氯化铝中均含有铝元素，且均可以在炸药爆轰所提供的高温下分解出单质铝，进而继续与氧气发生氧化还原反应生成Al2O3，并放出热量。因此，本发明中纳米活性氧化铝和三氯化铝的加入，不仅有助于含铝混合炸药体现热不敏感性，还有利于维持甚至提高含铝混合炸药的能量水平。
4、本发明所涉及的热不敏感型含铝混合炸药中，三氯化铝在潮湿的环境下会吸收空气中的水分，释放酸性物质(盐酸)，可能会对壳体和炸药的安全性造成一定的影响。本发明的混合炸药配方中，纳米活性氧化铝具有极强的吸水能力，可将环境中存在的少量水分吸收，抑制了酸性物质的释放，保证了混合炸药在贮存、运输和使用过程中的质量安全性，并在一定程度上提高了混合炸药的环保特性。
5、本发明所涉及的热不敏感型含铝混合炸药由核壳结构组成，粘结剂体系和热不敏感型复合铝粉添加剂分别作为内层壳和外层壳，大幅降低了处于内核的单质炸药晶体暴露于造型粉表面的概率，可显著降低混合炸药对外界机械刺激的敏感程度，从而提高混合炸药的安全性。
6、本发明的制备工艺简单、操作简便、实验条件温和、生产成本低，易于实现大规模生产。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明热不敏感型含铝混合炸药的制备流程图；；
图2为本发明实施例1-3的热不敏感型含铝混合炸药造型粉的示意图；
图3是本发明实施例1-3的热不敏感型含铝混合炸药所制药柱的示意图；
图4为本发明实施例1和实施例2的慢速烤燃结果示意图；
图5为本发明对比例1和对比例2的慢速烤燃结果示意图；
图6为本发明实施例3的慢速烤燃结果示意图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照实施例对本发明进行更全面的描述。实施例中给出了本发明的较佳实施方式。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
实施例1
室温下，向装有450mL去离子水的烧杯中加入73g HMX，搅拌均匀后获得炸药水悬浮液。向锥形瓶中加入3g氟橡胶F2311和4g己二酸二辛酯，随后倒入80mL乙酸乙酯。在水浴中将体系温度提高至42℃，充分搅拌并放置一段时间使高聚物完全溶解，获得粘结剂体系溶液。室温下，采用声共振混合仪将16g微米铝粉、3g三氯化铝和1g纳米活性氧化铝混合分散均匀，倒入烧杯中备用，即热不敏感型复合铝粉添加剂。
利用水浴，将配制好的炸药水悬浮液升温至45℃，开启搅拌并保持250r/min的搅拌速率，将配制好的粘结剂体系溶液滴加进入炸药水悬浮液中，滴加完成后保温20分钟。随后将溶液体系升温至60℃，待乙酸乙酯除尽后，缓慢将体系温度降至20℃以下。最后经过滤、乙醇洗涤、晾干，得到的白色颗粒。将在烧杯中备用的热不敏感型复合铝粉添加剂置于水浴中，在65℃下，逐渐向烧杯中加入晾干的白色颗粒，同时轻轻摇动烧杯，使得热不敏感型复合铝粉添加剂充分并均匀地包裹在白色颗粒表面，得到呈灰白色的颗粒，即本发明热不敏感型含铝混合炸药的造型粉。形貌如图2(a)所示。
实施例2
室温下，向装有700mL去离子水的烧杯中加入35g NTO和35g CL-20，搅拌均匀后获得炸药水悬浮液。向锥形瓶中加入2g醋酸纤维素和3g己二酸二辛酯，随后倒入40mL乙酸乙酯。在水浴中将体系温度提高至35℃，充分搅拌并放置一段时间使高聚物完全溶解，获得粘结剂体系溶液。室温下，采用声共振混合仪将20g微米铝粉、2.5g三氯化铝和2.5g纳米活性氧化铝混合分散均匀，倒入烧杯中备用，即热不敏感型复合铝粉添加剂。
利用水浴，将配制好的炸药水悬浮液升温至50℃，开启搅拌并保持200r/min的搅拌速率，将配制好的粘结剂体系溶液滴加进入炸药水悬浮液中，滴加完成后保温20分钟。随后将溶液体系升温至60℃，待乙酸乙酯除尽后，缓慢将体系温度降至20℃以下。最后经过滤、乙醇洗涤、晾干，得到的白色颗粒。将在烧杯中备用的热不敏感型复合铝粉添加剂置于水浴中，在70℃下，逐渐向烧杯中加入晾干的白色颗粒，同时轻轻摇动烧杯，使得热不敏感型复合铝粉添加剂充分并均匀地包裹在白色颗粒表面，得到呈灰白色的颗粒，即本发明热不敏感型含铝混合炸药的造型粉。形貌如图2(b)所示。
实施例3
室温下，向装有650mL去离子水的烧杯中加入44g NTO和35g RDX，搅拌均匀后获得炸药水悬浮液。向锥形瓶中加入2.4g 3,3-二叠氮甲基氧丁环和3.6g邻苯二甲酸二丁酯，随后倒入82mL乙酸乙酯。在水浴中将体系温度提高至40℃，充分搅拌并放置一段时间使高聚物完全溶解，获得粘结剂体系溶液。室温下，采用声共振混合仪将12g微米铝粉、2.25g三氯化铝和0.75g纳米活性氧化铝混合分散均匀，倒入烧杯中备用，即热不敏感型复合铝粉添加剂。
利用水浴，将配制好的炸药水悬浮液升温至40℃，开启搅拌并保持250r/min的搅拌速率，将配制好的粘结剂体系溶液滴加进入炸药水悬浮液中，滴加完成后保温20分钟。随后将溶液体系升温至60℃，待乙酸乙酯除尽后，缓慢将体系温度降至20℃以下。最后经过滤、乙醇洗涤、晾干，得到的白色颗粒。将在烧杯中备用的热不敏感型复合铝粉添加剂置于水浴中，在60℃下，逐渐向烧杯中加入晾干的白色颗粒，同时轻轻摇动烧杯，使得热不敏感型复合铝粉添加剂充分并均匀地包裹在白色颗粒表面，得到呈灰白色的颗粒，即本发明热不敏感型含铝混合炸药的造型粉。形貌如图2(c)所示。
对比例1
与实施例1的不同之处在于，对比例1配方中未添加热不敏感型复合铝粉添加剂，只添加了与实施例1中热不敏感型复合铝粉添加剂相同质量的微米铝粉。
对比例2
与实施例2的不同之处在于，对比例2配方中未添加热不敏感型复合铝粉添加剂，只添加了与实施例2中热不敏感型复合铝粉添加剂相同质量的微米铝粉。
性能测试
慢速烤燃试验
为验证本发明所获含铝混合炸药的热不敏感性，分别取实施例1～3和对比例1～2所制得的样品进行慢速烤燃试验。慢速烤燃试验可评估弹药在受到高温、火灾或战场暗火等环境时的反应剧烈程度，是验证混合炸药热不敏感特性的常用方法。步骤如下：
首先采用万能材料试验机，将通过实施例1～3和对比例1～2所制得的样品分别压制成Ф40×40mm的药柱，图3(a)、图3(b)、图3(c)分别为实施例1、实施例2和实施例3所得到的热不敏感型含铝混合炸药药柱。随后将两发Ф40×40mm药柱装填入由45#钢制成的Φ40×80mm烤燃弹壳体中，拧紧端盖后以1℃/min的恒定升温速率加热烤燃弹，当烤燃弹发生响应或温度达到400℃时停止试验。试验结果如图4。
图4(a)和图4(b)分别为实施例1和实施例2的慢速烤燃结果，结果均显示烤燃弹两个端盖被冲飞，壳体完整并未出现撕裂或破裂的现象，即在烤燃过程中发生了分解或燃烧反应。因此，试验结果表明实施例1和实施例2所得到的含铝混合炸药较好的表现出了对热的不敏感特性。
图5(a)和图5(b)分别为对比例1和对比例2的慢速烤燃结果，结果均显示烤燃弹均被撕裂成了多个，即在烤燃过程中发生了爆炸反应，对热的不敏感特性较差。通过上述实施例和对比例的烤燃实验表明，本发明降低了含铝混合炸药的热不敏感特性，使得含铝混合炸药在热刺激条件下，具有很高的安全性。
图6为实施例3的慢速烤燃结果，可见慢速烤燃结束后，其燃烧弹两个端盖飞出，伴随有轻微的壳体膨胀现象，这表明其仅仅发生了分解或燃烧反应，实施例3所得到的含铝混合炸药具有较好的热不敏感特性。
爆热测试
为验证本发明所获含铝混合炸药的能量水平，采用爆热热量计分别对实施例1和对比例1获炸药样品进行了爆热测试。其结果为：实施例1所获炸药样品的爆热值为6283.26KJ/Kg，对比例1所获炸药样品的爆热值6241.54KJ/Kg。可见，采用本发明所获的含铝混合炸药的爆热值较其对比例略有上升，表明本发明有利于维持甚至提高含铝混合炸药的能量水平。
机械感度测定
为验证本发明所获含铝混合炸药对外界机械刺激的安全性，使用GJB772A中的爆炸百分数法分别测定了实施例1～3所获炸药样品的机械感度(撞击感度和摩擦感度)，结果列于表1。可见，实施例1～3所获炸药样品的撞击感度和机械杆度均小于40％，均符合使用的安全标准。
表1本发明所涉混合炸药造型粉的机械感度
Claims (8)
1.一种热不敏感型含铝混合炸药，其特征在于：包括两层核壳结构，从内向外依次为内核结构和外核结构，内核结构包括单质炸药和粘结剂体系，外核结构包括热不敏感型复合铝粉添加剂；
其中单质炸药含量占总重的65%~85%、粘结剂体系占总重的4%～8%、热不敏感型复合铝粉添加剂占总重的10%～30%；
热不敏感型复合铝粉添加剂由微米铝粉、三氯化铝和纳米活性氧化铝组成；
微米铝粉、三氯化铝和纳米活性氧化铝的质量比为80：5~15：2~10。
2.根据权利要求1所述的一种热不敏感型含铝混合炸药，其特征在于：单质炸药为NTO、HMX、RDX、CL-20中的一种或几种。
3.根据权利要求1所述的一种热不敏感型含铝混合炸药，其特征在于：粘结剂体系包括粘结剂、增塑剂和乙酸乙酯，粘结剂、增塑剂和乙酸乙酯的固液比为1：1~2：15~35（W/V）。
4.根据权利要求3所述的一种热不敏感型含铝混合炸药，其特征在于：粘结剂为3,3-二叠氮甲基氧丁环、氟橡胶F2311、醋酸纤维素中的一种。
5.根据权利要求3所述的一种热不敏感型含铝混合炸药，其特征在于：增塑剂为己二酸二辛酯、邻苯二甲酸二丁酯中的一种。
6.一种如权利要求1-5任一项所述的一种热不敏感型含铝混合炸药的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）配制炸药水悬浮液
室温下，取一定量的一种或几种单质炸药投入去离子水中，充分搅拌，获得炸药水悬浮液；
（2）配制粘结剂体系溶液
取一定质量的粘结剂和增塑剂加入到锥形瓶中，随后加入适量乙酸乙酯作为溶剂，在一定温度下搅拌一段时间，使粘结剂体系在溶剂中充分溶解，配制成粘结剂体系溶液；
（3）配制热不敏感型复合铝粉添加剂
室温下，采用声共振混合仪将一定量的微米铝粉、三氯化铝和纳米活性氧化铝混合分散均匀，倒入烧杯中备用，该混合物粉末即热不敏感型复合铝粉添加剂；
（4）单质炸药的包覆
将配制好的炸药水悬浮液倒入水浴烧杯中，利用水浴温度使单质炸药水悬浮液体系温度维持在40~50℃，开启搅拌并保持一定速率，向单质炸药水悬浮液体系中滴加步骤二所配制好的粘结剂体系溶液，滴加完成后保温一段时间，随后将溶液体系升温至60℃以驱散乙酸乙酯，待乙酸乙酯除尽后，缓慢将体系温度降至20℃以下，最后经过滤、乙醇洗涤、晾干，得到白色颗粒；
（5）将步骤（3）中已混合均匀的热不敏感型复合铝粉添加剂倒入水浴烧杯中，在55~70℃下，逐渐向烧杯中加入步骤（4）获得的白色颗粒，同时摇动烧杯，使得热不敏感型复合铝粉添加剂充分并均匀地包裹在白色颗粒表面，得到呈灰白色的颗粒，即热不敏感型含铝混合炸药。
7.根据权利要求6所述的一种热不敏感型含铝混合炸药的制备方法，其特征在于，步骤（1）中单质炸药与去离子水的用比为1:5~15。
8.根据权利要求6所述的一种热不敏感型含铝混合炸药的制备方法，其特征在于，步骤（2）中的一定温度为30~50℃。
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