工艺参数对惰性代料高压熔铸成型质量的影响

为减少熔铸炸药的装药缺陷、提高装药密度,设计制造了一套高压熔铸成型系统,采用与典型TNT基和DNAN基熔铸炸药物理性质相近的惰性代料开展高压熔铸成型试验,研究加载压力、保压时间和加压时机对代料药柱相对密度和装药质量的影响。结果表明,高压熔铸成型过程中,除液相补缩作用被增强外,还存在糊状补缩和固相补缩作用,从而显著减少药柱的装药缺陷,提高相对密度;加载压力应在药柱的三轴压缩屈服强度和三轴压缩抗压强度之间;保压时间应超过药柱的凝固耗时;加压时机的温度应保证模具内壁尚未出现凝固层;加载压力25.45MPa、保压时间60min、加压时机80℃工况下制得的药柱无装药缺陷,相对密度高达99.90%。

2,4-二硝基苯甲醚与TNT凝固行为的差异性分析

为了解2,4-二硝基苯甲醚(DNAN)凝固缺陷的特征及产生的原因,采用量筒称量法测试了DNAN和TNT样品的液相密度,并计算出样品的体积收缩率;用工业CT和扫描电镜对DNAN和TNT药柱的凝固缺陷分布情况进行观测;用DSC和导热系数测定仪测试了DNAN和TNT药柱的热性能参数;用自制的凝固速率测试装置测试了DNAN和TNT药柱中不同部位温度随时间的变化规律,计算了不同凝固层厚度下的平均凝固线速度。结果表明,DNAN的体积收缩率为13.2%,高于TNT;其凝固缺陷的分散度高于TNT;在凝固过程初期,DNAN的平均凝固线速率与TNT相当,随着凝固层厚度的增加,其凝固速率快速增加并显著高于TNT。DNAN的凝固行为不同于TNT,不是逐层凝固,而属于中间凝固。

DNAN力学性能分析

利用Materials Studio软件计算了DNAN和TNT晶体在常温(25℃)、常压下(105Pa)的弹性模量,预估了二者受力过程中塑性变形能力的差异;通过纳米压痕试验测试了DNAN和TNT的弹性模量及塑性变形能力;采用力学性能试验机测试了其抗压性能、抗拉性能、抗剪性能,并结合分子间作用力对强度差异的原因进行了分析。结果表明,DNAN的抗压强度为5.96MPa,抗拉强度为2.57MPa,抗剪强度为0.34MPa;TNT的抗压强度为15.57MPa,抗拉强度为2.35MPa,抗剪强度为1.8MPa;DNAN和TNT在受力过程中的弹性形变均为200nm,DNAN的塑性形变为450nm,TNT的塑性形变为1 200nm,DNAN相比于TNT更容易发生脆性断裂。

DNAN基熔铸炸药工艺特性

DNAN具有良好的低易损性能,为了更好地了解其在混合炸药应用中的优缺点,从而在其配方设计中打下良好的基础,对其工艺性能进行了研究。利用扫描电镜从微观结晶上和利用CT扫描等从宏观上对DNAN和TNT的熔铸工艺特性进行了对比分析。结果表明:在相同工艺条件下,DNAN的体积收缩比TNT更大,结晶过程中更容易形成缺陷;在混合炸药中,DNAN基炸药中加入固相时容易结团,凝固过程中更容易分层,这是由DNAN炸药本身的性质决定的,但通过加入助剂和改善工艺条件可以使DNAN具有良好的工艺和能量适应性,从而更好地应用于熔铸炸药中。

TNT、DNAN和DNTF单质凝固过程中温度和缩松的数值模拟及实验研究

为了解熔铸载体炸药凝固过程中温度及缩松规律,以TNT、DNAN和DNTF 3种单质炸药为研究对象,使用铸造软件ProCAST对3种载体在铜模具中自然凝固时轴向不同位置处温度变化及总体缩松情况进行了模拟计算,并针对模拟工况进行了试验验证;通过热电偶温度传感器测量并记录温度曲线;对凝固后的药柱进行机械剖分并观察缩松情况。结果表明,TNT、DNAN和DNTF的凝固点分别为81、90和109℃;TNT及DNAN凝固偏向于逐层凝固,而DNTF凝固则接近于体积凝固;3种单质炸药凝固过程中温度模拟结果准确度高,平均误差均小于10%;缩松预测计算结果同试验结果一致;模拟计算精度能够满足工艺实践的需求。

不敏感熔铸炸药的研究现状及发展趋势

针对不敏感弹药的发展需求,对不敏感熔铸炸药的研究现状及发展趋势进行研究。综述了TNT基、DNAN基、蜡基、低共熔物载体基和新型载体基5种类型的不敏感熔铸炸药的国内外研究现状,归纳了不同类型炸药的优缺点,提出了TNT基和低共熔物基炸药是目前不敏感熔铸炸药发展的重点,指明了新型载体、低共熔物体系、不敏感单质炸药、炸药不敏感化处理和功能助剂等方面未来的主要发展方向。

TNT、DNAN、TNAZ、DNTF不可逆膨胀特性

通过不可逆膨胀、X射线衍射和扫描电镜等试验,研究了TNT、DNAN、TNAZ、DNTF等熔铸炸药载体在高低温冲击条件下的不可逆膨胀特性,从晶体特性和晶体形貌的变化规律分析了不同熔铸炸药载体不可逆膨胀的机理。研究结果表明,高低温冲击条件下,炸药晶体晶面间距和晶粒尺寸会受到影响,导致不可逆膨胀的产生。TNAZ不可逆膨胀最小,为-0.12%;TNT、DNTF次之,分别为4.2%和4.25%;DNAN不可逆膨胀最大,为7.98%。

纳米压痕技术对比研究DNAN和TNT晶体的微观力学性能

通过溶剂挥发法制备了DNAN和TNT晶体;利用纳米压痕技术研究了DNAN和TNT晶体的微观力学性能(硬度和弹性模量);通过原位扫描探针成像技术(SPM)研究了DNAN和TNT晶体的压痕形貌随时间的变化差异。结果表明,DNAN晶体的平均硬度和弹性模量分别为7.82GPa和0.22GPa,TNT晶体的平均硬度和弹性模量分别为12.19GPa和0.48GPa,表明TNT抵抗变形的能力优于DNAN;随着压痕深度由118nm增至856nm,DNAN的硬度从0.61GPa降至0.22GPa;随着压痕深度由27nm增至481nm,TNT的硬度从2.9GPa降至0.48GPa,表明DNAN和TNT均存在尺寸效应。随着时间由0增至50.4min,DNAN的压痕深度由-270.99nm减至-44.28nm,TNT的压痕深度由-415.12nm减至-369.21nm,表明DNAN晶体比TNT晶体具有更明显的慢回弹性,DNAN具有更强的冲击能量吸收能力。

3,4-二硝基吡唑的晶体形貌、力学性能和感度的计算模拟

利用Material Studio(MS)软件中Morphology模块所包含的Growth Morphology(GM)、Bravais-Friedel Donnay-Harker(BFDH)和Equilibrium Morphology(EM)3种方法,计算了3,4-二硝基吡唑(DNP)的晶面参数,预测了晶体的生长习性和自然生长晶形。采用分子动力学方法模拟计算了DNP、1,3,5-三硝基甲苯(TNT)和2,4-二硝基苯甲醚(DNAN)的力学性能和感度。结果表明:3种方法计算得到的DNP晶体的形貌分别近似为梭形、短圆柱形和椭球形,综合分析,DNP晶体的形貌更可能为梭球形;DNP的拉伸模量E大于TNT和DNAN,体积模量K大于TNT而小于DNAN,剪切模量G要大于TNT和DNAN,其韧性要弱于TNT和DNAN;DNP和DNAN的引发键最大键长相同且比TNT低,DNP的内聚能密度与DNAN基本持平且均大于TNT。

微纳米CL-20颗粒级配对低共熔DNAN/TNT基熔铸炸药性能的影响

为了获得高能高强熔铸炸药,以2,4?二硝基苯甲醚(DNAN)和三硝基甲苯(TNT)为低共熔载体,六硝基六氮杂异伍兹烷(CL?20)为高能组分,采用浇铸成型工艺,成功制备了CL?20/DNAN/TNT熔铸炸药。研究了微纳米CL?20颗粒级配以及N?甲基?4?硝基苯胺、三?(2?氯乙基)磷酸酯、邻苯二酚三种功能助剂对CL?20/DNAN/TNT熔铸炸药性能的影响。对制备的CL?20基熔铸炸药分别进行了扫描电子显微镜(SEM)、粘度、密度及均一性、X射线衍射(XRD)、机械感度、力学性能以及爆速等分析测试。结果表明,当原料粗颗粒CL?20和100 nm CL?20的质量比为70:30,添加0.5%三?(2?氯乙基)磷酸酯时,制备的熔铸炸药表面光滑,内部无明显缺陷,密度均一性好,与只含有粗颗粒CL?20的熔铸炸药相比,其撞击感度降低了32.7%,摩擦感度降低了57.1%,抗压强度从7.93 MPa提高到33.74 MPa,抗拉强度从3.48 MPa提高到4.94 MPa,爆速从8188 m·s-1提高到8225 m·s-1。

DNAN及TNT基熔铸炸药综合性能比较

为了对比载体炸药2,4,6?三硝基甲苯(TNT)和2,4?二硝基苯甲醚(DNAN)、以及以它们为基的熔铸炸药的综合性能,系统研究了DNAN和TNT、以及DNAN/HMX(20/80)和TNT/HMX(25/75)熔铸炸药的流变、能量、安全、以及力学等性能。结果表明:载体炸药DNAN(6.87 mPa·s)的粘度低于TNT(9.05 mPa·s),DNAN/HMX熔铸体系的极限固含量(约80%)高于TNT/HMX熔铸体系(约75%);DNAN/HMX(20/80)和TNT/HMX(25/75)熔铸炸药的爆速分别为8336 m·s-1和8452 m·s-1,爆压分别为31.03 GPa和31.44 GPa;在1 K·min-1的慢速烤燃条件下,DNAN/HMX(20/80)和TNT/HMX(25/75)熔铸炸药的响应等级分别为燃烧反应和爆炸反应;在4.51GPa的冲击波入射压力条件下,TNT/HMX(25/75)在8~12 mm内达到完全爆轰,而DNAN/HMX(20/80)在12 mm内未能达到完全爆轰;DNAN/HMX(20/80)的抗拉和抗压强度均大于TNT/HMX(25/75)。因此可以得出结论,在能量性能基本持平的情况下,DNAN/HMX(20/80)熔铸炸药的安全及力学性能优于TNT/HMX(25/75)熔铸炸药。