双发CL-20基含铝装药水下爆炸载荷特性

基于水下爆炸理论,采用耦合欧拉-拉格朗日(CEL)方法,建立了CL-20基含铝炸药水下爆炸模型,分析了冲击波载荷和气泡动力学特性;在此基础上探究了双发CL-20基含铝装药水下爆炸冲击波时空分布规律及气泡融合特性,讨论了不完整刚性边界附近双发CL-20基含铝装药水下爆炸气泡动力学特性,得到了装药种类、破口尺寸和爆距3种关键因素对双发装药水下爆炸气泡载荷特性的影响。结果表明,与TNT装药相比,CL-20基含铝装药水下爆炸气泡半径和脉动周期更大,气泡最大半径增大了27%,脉动周期提高了65%,但气泡脉动压力小于TNT。双发CL-20基含铝装药在水平和垂直位置具有特征尖锐波峰-波谷载荷曲线和特征双峰曲线,冲击波峰值压力大于单发装药,最大增长率可达48.26%。不完整刚性边界破口尺寸、爆距增大会增加双发装药气泡射流宽度和持续时间,CL-20会加剧不完整边界对气泡动力学的影响。

铝粉含量和粒度对CL-20含铝炸药水中爆炸反应特性的影响

为了研究CL-20基含铝炸药的爆炸反应机理,利用水中爆炸实验,测量了不同铝粉含量和粒度的CL-20炸药水中爆炸的冲击波参数、二次压力波参数,计算了冲击波能和气泡能。结果表明,水中爆炸的冲击波能和气泡能表征了爆轰和二次反应两个阶段的炸药爆炸能量分配,CL-20炸药中的铝粉主要在二次反应阶段发生反应,只有少部分的铝粉参与了早期的爆轰反应。气泡脉动形成的二次压力波能描述铝粉含量和粒度对二次反应过程的影响,铝粉含量对炸药的二次反应有显著的影响;铝粉粒度对炸药的水下爆炸的初始冲击波参数、冲击波能和气泡能的影响很小,对铝粉与爆轰产物的二次反应速率影响较大。

薄钢板在CL-20基含铝炸药内爆载荷作用下的变形响应和工程预测

针对圆形钢板在内爆炸载荷作用下的变形响应问题,利用爆炸容器罐进行了一系列以六硝基六氮杂异伍兹烷(CL-20)基含铝炸药为主的内爆炸试验。以圆形钢板作为容器罐装填口的密封结构来承受装药爆炸冲击载荷,开展了100 g、200 g两种装药量下10%、20%、30%3种不同铝含量的CL-20基含铝炸药内爆炸冲击加载密封钢板的测试试验;建立了密封钢板最大残余变形挠度的工程预测模型。结果表明:铝粉在后燃烧阶段释放的能量对冲击钢板变形能起到一定作用,密封钢板的最大残余变形量取决于炸药内爆炸初始冲击波的有效冲量(正相位冲量);对于200 g装药量,随着铝含量由10%升至30%,初始冲击波有效冲量依次降低6.9%和7.8%,钢板的变形和失效程度减小,最大残余变形挠度依次减小5.3%和7.5%.

压装工艺对CL-20基炸药性能及聚能破甲威力的影响

利用常温成型和热压成型两种工艺制备了典型的CL-20基混合炸药装药,测试了其装药密度、密度均匀性、力学性能、爆速,计算了格尼系数。对Φ50mm标准聚能装药进行了破甲试验。验证了不同压装工艺条件下装填CL-20基炸药装药聚能射流对45号钢靶的侵彻深度和穿孔直径效果。结果表明,与常温成型CL-20基装药相比,热压成型工艺条件时装药的密度提高不小于1.46%,密度均匀性、爆速和格尼系数和破甲能力试验数据均有不同程度的提高,且Φ50mm标准聚能射流对45号钢靶的平均穿深从310mm提高至343mm,平均穿孔直径由18.0mm增至23.5mm。

一种CL-20基压装混合炸药JWL状态方程参数研究

对六硝基六氮杂异伍兹烷(CL-20)基压装混合炸药爆轰产物JWL状态方程参数进行了研究。采用直径25mm标准圆筒试验研究了CL-20基压装炸药(C-1,CL-20/钝感粘结剂(质量比)=94.5/5.5)的驱动做功能力,获得了圆筒壁膨胀速度、位移与时间的关系;应用考虑与爆轰参数封闭的炸药JWL状态方程参数数据处理方法得到该炸药的JWL状态方程参数,应用参数进行圆筒模型数值模拟,与试验结果对比,发现速度误差低于2%,位移误差低于1%;对比了本研究参数与国外类似炸药参数在做功能力上的差异,结果表明,LX-19和PBXC-19的格尼速度比C-1炸药分别高2.02%和2.20%。

CL-20基含铝炸药组分微结构对其爆炸释能特性的影响

为了改善铝粉在CL-20基含铝炸药中的反应动力学特性,利用溶剂-非溶剂法制备了CL-20/Al复合颗粒,实现了CL-20与Al在微结构上的紧密结合,通过直接法制备了由CL-20/Al复合颗粒构成的组分质量分数为85%CL-20/10%Al/5%黏结剂的含铝炸药,并与常规法制备的相同组成的CL-20基含铝炸药进行了机械感度、爆热、爆炸罐试验和圆筒试验等结果的对比。结果表明,CL-20/Al复合颗粒会使含铝炸药的撞击感度略有提高,而摩擦感度不变,但总体上对机械感度影响不大;通过CL-20/Al在微结构上的复合,缩短了Al粉与爆轰产物之间的扩散距离,可以显著改善Al粉的反应动力学性能,提高Al粉在含铝炸药爆炸过程中的反应完全性,促使部分Al粉在爆轰区内参与反应,相比于常规法制备的相同组成的含铝炸药,可使含铝炸药的爆热从6787 J/g提高至6930 J/g,爆炸罐内爆炸场最高温度从544.3℃提高至661.2℃,格尼系数由2.88 mm/μs提高至3.10 mm/μs。

CL-20/TNT共晶炸药的分子动力学研究

运用分子动力学(MD)方法,选择凝聚态分子势能优化力场(COMPASS),对六硝基六氮杂异伍兹烷(ε-CL-20)、2,4,6-三硝基甲苯(TNT)晶体及其等摩尔比的CL-20/TNT混合炸药和共晶炸药进行不同温度下恒定粒子数等压等温(NPT)系综模拟研究.结果表明,CL-20/TNT共晶的内聚能密度(CED)和结合能随温度的升高逐渐减小;共晶的CED比混合炸药的大,结合能是混合炸药的2倍多,预示其稳定性明显增强.对相关函数和局部放大结构显示共晶中组分分子间作用主要来自TNT中H和CL-20中O以及CL-20中H和TNT中O之间形成的氢键.通过波动法求得的弹性力学性能结果表明,CL-20/TNT共晶的拉伸模量(E)、体积模量(K)和剪切模量(G)介于ε-CL-20和TNT晶体之间,且随温度的升高而下降,符合一般预期;但共晶炸药的柯西压(C12-C44,Cij弹性系数)、K/G和泊松比(ν)均比其组分炸药ε-CL-20和TNT高得多,预示该共晶具有异常高的延展性和弹性伸长,主要是二组分呈层状交替排列且之间存在较强相互作用所致.

一种CL-20基混合炸药等静压装药工艺安全性分析

为确保炸药在等静压装药工艺过程中的安全性，对一种CL-20基混合炸药（GMD．15）的本质安全性及其与接触材质的相容性进行了分析；运用数值模拟、力学性能测试、热安全性能测试手段，重点分析了GMD-15等静压压制工艺过程中的受力安全性以及热安全性。数值模拟表明：140MPa条件下，等静压压制药柱的温升为7℃，小于普通模压（29℃）；力学性能测试中以／〉5MPa／s的应力率对GMD-15药柱施加压应力，药柱没有发生爆炸或者燃烧：热安全性能测试中以1．5～2．0℃／min的升温速率对GMD．15药粉进行加热，190℃药粉方发生反应，将GMD．15药柱在108℃左右恒温3h，未发生反应。分析认为，等静压压制GMD-15工艺过程安全，不会导致炸药发生热爆炸。

CL-20混合炸药的爆轰波结构

基于爆轰数值模拟计算,分析了CL-20混合炸药爆轰反应的特征,设计了炸药与窗口的界面粒子速度测量实验装置;采用激光干涉法,测量了C-1炸药(CL-20/粘合剂/94/6)与窗口的界面粒子速度;运用先求导、再分段拟合的方法,对界面粒子速度随时间的变化曲线进行了数据处理,确定了炸药爆轰CJ点对应的时间位置;根据CJ点对应的粒子速度,计算获得了炸药的爆轰反应区宽度和CJ爆轰压力。结果显示:密度为1.943 g/cm^3的C-1炸药的爆轰反应时间为38 ns,CJ压力为34.2 GPa。

局部高温诱发CL-20/TNT共晶炸药内反应流传播的ReaxFF分子动力学模拟

为了更好地理解含能材料热点火以及热点成长现象和机理,采用基于第一性原理的Reax FF反应力场分子动力学方法模拟了CL-20/TNT共晶炸药内反应流传播的时空行为和初始化学反应过程。通过NVT系统和Berendsen温度耦合方法对含能材料两端连续快速加热并维持在高温条件激发反应流的产生和传播,并采用两种不同的热载荷(3000,4000 K)比较温度差异对初始热分解速率的影响。两端热载荷为4000 K时,热冲击传播过程中粒子瞬时平动速率可达0.5 km·s^(-1),高于3000 K时的情况。于此同时,两端高温将引发含能材料逐渐发生分解反应,同温度条件下,共晶中CL-20的分解速率高于TNT。另外,热载荷温度越高,共晶完全分解所需的时间越少。产物识别分析显示,CL-20/TNT共晶热分解的主要产物为NO_2,NO,H_2O,N_2,CO,CO_2,HONO,H_2O_2,CHON,H_2N,CH_2O,其中,NO_2是初始热分解产物,而最终产物为N_2,CO_2和H_2O。

GAP/CL-20基PBX炸药固化温度的分子动力学模拟与实验研究

为了深入了解GAP/CL-20基混合炸药的固化机理和固化工艺,采用分子动力学的方法对混合炸药药浆在不同温度下的固化交联情况进行了数值模拟,用非等温差热扫描法对混合炸药的特征固化温度进行了测试和分析,并对模拟结果进行了验证。结果表明:在不同的模拟时间和模拟温度下,混合炸药药浆的交联点数有较大差别,在345K、500ps时交联点可以达到13个;差热扫描结果表明,随着升温速率的升高,固化放热峰特征温度均不断升高,采用外推法得出的最优固化温度为346K。分子动力学模拟结果与实验结果基本一致,可以为热固性混合炸药的固化工艺提供参考。

不同铝氧比CL-20基含铝炸药深水爆炸能量输出特性

为研究CL-20基含铝炸药在深水爆炸所特有的高静水压环境中的能量输出特性,使用深水爆炸压力罐模拟500 m深水环境,进行6组不同铝氧比CL-20基含铝炸药深水爆炸实验。通过实验数据对高静水压条件下深水爆炸能量输出规律及能量输出结构进行分析。实验结果表明:深水爆炸冲击波峰值压力、比冲击波能、比气泡能和机械能均随铝氧比的增大先升高后降低,冲击波峰值压力符合相似律关系;损失能与其随测试距离的增加速率在铝氧比为0.24~0.88时均先升高后降低,分别在0.67和0.46时到达峰值,故可以通过改变铝氧比对深水爆炸远场能量利用效率进行调控;深水爆炸能量利用率随铝氧比的增大持续降低,机械能在0.46~0.67时维持平台值;通过调节铝氧比可在维持较高深水爆炸机械能前提下,改变比冲击波能和比气泡能的能量输出占比。

悬浮液法制备高纯度CL-20/HMX共晶炸药

采用悬浮液法制备了CL-20/HMX(摩尔比为2∶1)共晶炸药,利用X射线粉末衍射(XRD)和差示扫描量热法(DSC)研究了CL-20/HMX共晶炸药的结构和热分解特性,并计算了其纯度;采用扫描电镜(SEM)对比分析了CL-20/HMX共晶炸药和混合炸药的表面形貌,并测试了其撞击感度。结果表明,随着搅拌时间的增加,CL-20/HMX共晶炸药在13.184°处的衍射峰强度越来越强,在12.537°、22.972°处的衍射峰强度越来越弱;CL-20/HMX共晶炸药分解过程只有一个放热分解阶段,随着搅拌时间的增加,放热峰发生偏移,16h后维持在241℃左右;CL-20/HMX共晶炸药的纯度为88.5%,结晶体为规则的立方体结构,粒径约为12μm;特性落高H50为67.54cm,比原料CL-20、原料HMX、CL-20/HMX混合炸药分别高45.56、37.54、39.00cm。

CL-20/RDX共晶炸药的制备与性能测试

为了研究六硝基六氮杂异伍兹烷/环三亚甲基三硝胺(CL-20/RDX)共晶炸药的性能,采用喷雾干燥法制备了质量比为1∶1的CL-20/RDX共晶炸药;通过扫描电镜(SEM)观察了共晶炸药的形貌;采用粉末X-射线衍射法与红外光谱法测试了共晶炸药的结构;采用差示扫描量热法(DSC)测试了共晶炸药的热性能;通过感度实验分别测试了共晶炸药的撞击感度与摩擦感度。结果表明,CL-20/RDX共晶呈球形,粒径在1~5μm;CL-20/RDX共晶的衍射图与CL-20和RDX的衍射图均不完全相同,衍射峰有明显的位移;CL-20/RDX共晶炸药的热分解温度为222.8℃,比CL-20低30℃左右,比RDX低20℃左右,说明共晶的生成对其热性能有较大影响;CL-20/RDX共晶炸药的撞击感度为76%,特性落高为26.9cm,摩擦感度为64%,其机械感度较CL-20有大幅降低,表明共晶炸药的感度显著降低,安全性能得到明显提高,进一步说明共晶在含能材料改性和降感方面的优势。

晶体缺陷对CL-20/NQ共晶炸药性能影响的理论研究

为了研究晶体缺陷对六硝基六氮杂异伍兹烷(CL-20)/硝基胍(NQ)共晶炸药的稳定性、感度与爆轰性能的影响,建立了"完美"型与含有晶体缺陷(掺杂、空位与位错)的CL-20/NQ共晶炸药模型。采用分子动力学方法,预测了各种模型的性能,得到了不同模型的结合能、引发键键长分布、键连双原子作用能、内聚能密度及爆轰参数并进行了比较。结果表明,与"完美"型晶体相比,缺陷晶体的结合能减小幅度为4.29%～24.33%,表明分子之间的相互作用力减弱,炸药的稳定性降低。缺陷晶体的引发键键长增大幅度为0.78%～6.04%,而键连双原子作用能减小幅度为2.86%～20.03%,内聚能密度减小幅度为2.46%～12.72%,表明炸药的感度升高,安全性变差。由于晶体缺陷的影响,炸药的密度、爆速与爆压减小幅度分别为0.58%～7.57%、0.43%～5.99%、1.19%～15.31%,表明能量密度与威力减小。因此,晶体缺陷会对CL-20/NQ共晶炸药的稳定性、感度与能量特性产生不利影响,其中空位缺陷对炸药性能的影响更为显著。

典型CL⁃20和HMX基压装炸药爆炸驱动特性对比

为了考察六硝基六氮杂异伍兹烷(CL-20)基炸药较典型奥克托今(HMX)基炸药的爆炸驱动性能提升幅度,选取典型CL-20基压装混合炸药和HMX基压装混合炸药(JO-8)开展了爆速、爆压、标准圆筒对比实验测试,并设计了预制破片驱动装置和聚能装药结构,分别开展炸药径向、轴向驱动静爆/静破甲威力实验,实测了爆炸驱动破片的速度以及射流对钢靶静破甲深度。结果表明,CL-20基炸药(密度为1.95 g·cm^(-3))的爆速、爆压和格尼系数较JO-8炸药(密度为1.83 g·cm^(-3))分别提高4.8%、16.7%和3.5%。在相同结构下,CL-20基炸药驱动预制破片速度、动能较JO-8炸药分别提高5.1%~7.3%、10.5%~15.1%;在5.5倍装药直径(CD)炸高条件下,装填CL-20基炸药的聚能装药较装填JO-8炸药的静破甲能力提高3.2%~12.6%。

CL-20/DNB共晶基PBXs相容性、界面作用和力学性能的MD模拟

为提高六硝基六氮杂异伍兹烷(CL-20)/1,3-二硝基苯(DNB)共晶炸药的实际使用价值,改善其安全性和力学性能,沿其(0 0 1)晶面分别添加了端羟基聚丁二烯(HTPB)和聚乙二醇(PEG)高聚物粘结剂,构建了两种CL-20/DNB共晶基高聚物粘结炸药(PBX)——CL-20/DNB/HTPB和CL-20/DNB/PEG的模型。在COMPASS力场下,对该共晶炸药及其两种PBX模型进行了295 K-NPT分子动力学(MD)模拟研究。结果表明,CL-20/DNB/PEG的结合能大于CL-20/DNB/HTPB的,预示前者的稳定性和相容性优于后者。以对相关函数g(r)揭示了粘结剂与基炸药之间界面的相互作用。与CL-20/DNB共晶炸药相比,少量粘结剂(HTPB或PEG)的加入,使弹性系数(Cij)、拉伸模量(E)、体积模量(K)和剪切模量(G)减小,而柯西压(C12-C44)和K/G值增大,表明PBX体系刚性减小,延展性增强。CL-20/DNB/HTPB的(C12-C44)和K/G值均大于CL-20/DNB/PEG的,表明前者的延展性好于后者,预示粘结剂HTPB比PEG在改变共晶炸药力学性能进而致钝的效果较好。

高性能CL－20炸药配方的研究

美国陆军最近发现了一族范围从小口径高性能聚能装药子弹药到中等口径动能坦克全备弹和大口径穿甲弹在内的高能发射药和炸药系统。按下列要求研究这些装置的含能配方：诸如系统的性能要求，配方的机械和弹道特性，系统和成份价格，易损性，和可生产性／可靠性。在配方和构件的研究中经过几年的努力，现已确定了含能配方的技术发展水平。在研究这些配方时全面调查了原料的市场供应情况，并且在该研究工作期间首先采用了几种新的原料，这样就在最大发挥配方能力的努力中使其能力达到了根限。在这种情况下，为了增加用于如先进的动能炮弹、聚能装药和穿甲弹的性能，减少或至少可以接受的感度，增加影响系统使用寿命的环境因素，尤其是各组分原料的合成等三项要求必须予以考虑。在用现代技术扩展其性能到极限，使之接近符合这些新的要求的工作中，已经很快地把精力集中于包括TNAZ和CL－20在内的高能组分的研制以及这些材料生产中的纯化工艺上。

CL-20基炸药油墨的直写成型及性能研究

以六硝基六氮杂异伍兹烷(CL-20)作为主体炸药,乙基纤维素(EC)及聚叠氮类粘结剂为粘结剂,乙酸乙酯为溶剂,配制出一种全溶性炸药油墨。采用微控直写工艺将该炸药油墨在基板上进行了书写,并对成型后所得复合物的性能进行了测试和表征。结果表明:成型样品中CL-20颗粒形貌为球形,颗粒尺寸小于1μm,均匀分布在粘结体系基体中;成型样品的密度为1.66 g/cm^3,达到理论密度的85.5%;和原料CL-20相比,复合物的撞击感度得到明显降低,特性落高比原料CL-20高出21.5cm。该配方具有良好的传爆性能,1.2mm装药宽度下,爆轰临界尺寸为0.357mm。

不同铝氧比六硝基六氮杂异伍兹烷基含铝炸药水下爆炸实验研究

为研究六硝基六氮杂异伍兹烷(CL-20)基浇注含铝炸药水下爆炸输出特性,对1.2 kg左右不同铝氧比的5种炸药配方进行水下爆炸实验。通过实验数据对冲击波超压和能量输出进行了分析。实验结果表明:配方1的冲击波峰值压力在不同距离下均最大,满足相似律关系;随着铝氧比的增加,衰减速率不断增加,而时间常数、冲击波能不满足相似律关系;在不同距离处同一配方的气泡能几乎没有变化,冲击波能和总能量在3~4 m处基本相同(4 m处最大),随后随距离增加逐渐减少;铝氧比在0.23~1.31时,冲击波能随着铝氧比增加逐渐减少,气泡能先增加后减少,在铝氧比为0.94时达到最大,总能量先增加后减少,在铝氧比为0.47时达到最大,且铝氧比在0.47~0.58时总能量维持平台值。在保证总能量最大的情况下调节铝氧比,可在一定程度上改变含铝炸药的能量输出结构,这对水下武器弹药的炸药配方设计有重要意义。