两种新型炸药的准静态力学性能

为推动炸药在侵爆战斗部中的应用,采用万能材料试验机对HMX基压装高聚物粘结炸药(polymer bonded explosive,PBX)和DNAN基熔铸炸药的准静态力学性能进行研究。获得2种炸药在2.0×10-5 s-1~1.0×10-3 s-1应变率范围内的应力应变试验数据。结果表明:2种炸药的力学性能均具有明显的应变率效应,但前者失效应变约为后者的6倍,呈现出较大区别。基于唯象方法,建立描述2种炸药1维准静态压缩力学行为的幂指数硬化本构模型,并拟合得到本构模型参数。通过与试验结果对比表明,模型计算结果与试验结果误差小于3%,吻合较好。该研究结果可为描述2种炸药的力学行为提供参考。

DNP基熔铸炸药的力学性能和失效准则

3,4-二硝基吡唑(3,4-dinitropyrazole,DNP)基熔铸炸药由于兼具高能量和高安全性,在含能材料领域具有广阔的应用前景,研究该炸药在不同应力状态下的力学性能和失效形式,将对其工程化提供理论和试验支撑。采用美国伊斯特朗(INSTRON)5965万能材料试验机、分离式霍普金森压杆对DNP基熔铸炸药典型配方进行准静态压缩力学性能、动态压缩力学性能以及准静态拉伸力学性能测试,分析添加剂(Cellulose Acetate Butyrate,CAB)含量、应变率等因素对力学性能的影响,研究DNP基熔铸炸药在准静态压缩、动态压缩和准静态巴西劈裂条件下的失效形式。研究结果表明:DNP基熔铸炸药的抗压强度整体随应变率的升高而增加;在准静态加载下,抗压强度随着添加剂含量的增加而降低,而在动态加载下则呈相反的变化趋势,当添加剂含量达到一定值时,熔铸炸药的抗拉强度显著提高;不同加载条件下DNP基熔铸炸药满足的强度失效准则不同,其中准静态压缩符合最大剪应力准则,动态压缩符合最大拉应变准则,巴西圆盘试验符合最大拉应力准则。

基于条件变分自编码器的熔铸炸药成型缺陷快速模拟和预测

为了实现凝固缺陷的快速模拟和预测,提出了一种基于条件变分自编码器(CVAE)的熔铸炸药成型缺陷预测模型;以注液温度、冒口预热温度等工艺参数为条件,通过条件变分自编码器建立工艺参数与熔铸炸药缺陷的条件概率模型;采用多层神经网络和变分推断方法结合进行模型训练,实现了RHT和DNP基熔铸炸药凝固成型缺陷预测。结果表明,成功构建了熔铸炸药凝固过程数值模拟的条件概率分布,实现了基于仿真数据的RHT和DNP基熔铸炸药凝固缺陷预测;与有限元直接数值计算结果比较,CVAE算法计算缺陷位置的准确率可达到99%,计算时间小于2 s;CVAE在熔铸炸药缺陷概率分布建模上具有性能高、泛化性强的特点,能有效实现熔铸炸药成型缺陷的智能预测。

熔铸炸药凝固工艺与在线监测技术研究进展

熔铸炸药的凝固过程是其开发与生产的重要环节,凝固与装药质量对产品的爆轰性与安全性起着关键作用。基于国内外研究工作,从有限元仿真、凝固成型工艺以及在线检测方法3个方面系统论述了熔铸炸药凝固成型技术的发展。总结了有限元仿真在熔铸炸药浇铸和凝固过程中流场、温度场和应力场模拟方面的发展,阐述了凝固缺陷的形成以及不同工艺对凝固的作用行为,探讨了温度、应力应变、粘度以及内部结构等在线监测技术在熔铸炸药高质量精密成型技术中的应用。熔铸炸药装药仿真方法、凝固工艺优化以及在线监测技术的发展能够为凝固装备设计研发、凝固产品质量提升等提供重要理论和技术指导。未来,熔铸炸药装药凝固技术的发展需要在设备-物料模型构建、工艺设备安全、工艺条件精准控制、实时信息监控以及在线监测与自适应调控等方面进一步完善和应用。

不同温度下RDX基熔铸炸药的力学性能研究

为了探究温度对RDX基熔铸炸药的力学性能影响,采用了单轴压缩试验和直接拉伸试验,利用颗粒流数值模拟软件建立相应的数值模型并进行数值模拟试验,对不同温度下RDX基熔铸炸药的力学性能进行了研究。结果表明,研究不同温度下试样在不同应力状态阶段的微观损伤机理,发现温度显著影响试样的抗压强度、抗拉强度和弹性模量,抗变形能力明显依赖于温度。随着温度的升高,试样的峰值强度增大,弹性模量先增大后降低。根据微观裂纹、接触力链以及颗粒位移场的发育演化过程可以看出,温度越低,试样破坏后分块数越少,越容易出现应力集中现象,发生局部破坏,试样完全破坏后,裂纹数量随温度降低而减少,接触力链数量增大,颗粒位移方向由复杂分散逐渐有序,抗变形能力增大。

基于凝固前沿演变特征的熔铸装药成型工艺参数智能优化

熔铸装药成型过程中药浆凝固前沿的轮廓特征与成型后药柱内的缩孔缩松等缺陷具有显著相关性。为改善熔铸装药成型质量,提出凝固前沿轮廓特征度量指标,探究该指标与药柱缩孔缩松体积和最大孔隙率等缺陷的相关性。通过熔铸装药温度场仿真数据集训练装药关键工艺参数与药浆二维瞬态温度场的B样条神经网络模型,进而建立工艺参数与指标参数的代理模型,再基于遗传算法以极大化凝固前沿轮廓特征度量指标为目标,对装药关键工艺参数进行优化。研究结果表明:工艺参数组由初始参数P^(0)=[100,85,0.25,0.25,90,5,0.6]^(T)优化至最佳参数P^(*)=[91.725,94.961,0.498,0.151,100,6,0.595]^(T)后,缩孔缩松体积和最大孔隙率等成型质量参数由19.832 mm^(3)和4.71%降至3.129 mm^(3)和0.66%,实现了熔铸装药成型质量的快速预测和优化;新提出的方法为熔铸装药的工艺优化提供了新思路和新策略,为高性能装药的发展贡献了解决方案,对提高生产效率、降低成本以及确保成型质量一致性具有借鉴意义。

高效液相色谱法测定一锅法制备的1-甲基-3,4,5-三硝基吡唑及其3种中间产物的含量

通过优化柱温、流动相、流量等色谱条件,采用高效液相色谱法测定一锅法制备的1-甲基-3,4,5-三硝基吡唑(MTNP)及中间产物1-甲基-4-硝基吡唑(4-MNP)、1-甲基-4,5-二硝基吡唑(4,5-MDNP)、1-甲基-3,5-二硝基吡唑(3,5-MDNP)的含量。反应液经乙腈稀释后,添加适量内标2-硝基甲苯,采用优化的色谱条件测定。以AT.C18色谱柱为固定相,在柱温30℃,流动相体积比45∶55的乙腈和0.1%(体积分数)乙酸溶液的混合溶液,流量1.0 mL·min^(−1)下等度洗脱分离4种目标物,在检测波长265 nm下采用内标法进行定量。结果显示:4种目标物的分离度大于2.5,其质量浓度分别在10.00~250.00 mg·L^(−1)(MTNP和4-MNP)和10.00~350.00 mg·L^(−1)(4,5-MDNP和3,5-MDNP)内和峰面积比值呈线性关系,检出限(3S/N)为0.40~0.80 mg·L^(−1),加标回收率为97.3%~105%,测定值的相对标准偏差(n=6)小于1.0%。

聚合物对DNAN及其熔铸炸药力学性能的影响

为了研究聚烃、聚酯、聚氨酯、聚醚各类聚合物对2,4⁃二硝基苯甲醚(DNAN)及其混合炸药力学性能的影响规律,采用X射线无损检测法研究了微晶蜡(WAX)、聚异丁烯(PIB)、聚丁二酸丁二醇(PBS)、聚己二酸己二胺(PA)、聚3,3,⁃二(硝酸酯基甲基)氧丁环(PBNMO)与DNAN的物理互熔性;通过显微镜观测含聚合物试样的凝固过程,分析了试样在凝固过程中的结晶特征,计算了样品的凝固线速率;在优选的聚合物基础上,采用材料试验机研究了聚合物含量对DNAN及混合炸药力学强度影响规律;分析了聚合物对DNAN及DNAN基混合炸药力学性强化机理。结果表明,与DNAN分子具有氢键或π键作用的PBS、PA、PBNMO可与DNAN试样良好互熔;可熔聚合物的加入使DNAN结晶固液界面平滑,凝固线速率降低54%以上,其中PBNMO对DNAN结晶形貌及凝固线速率改善最为明显;PBNMO可显著提高DNAN及其混合炸药试样的力学性能,添加2%PBNMO可使混合炸药抗拉强度、抗剪强度提高100%以上;机理研究表明,可熔聚合物通过改善试样微观凝固形貌,形成“钢筋混凝土”结构,达到减少材料内部缺陷、提高裂纹生长阻力的效果进而增强DNAN基混合炸药力学性能。

损伤对DNAN基熔铸炸药点火后反应增长的影响

为了研究损伤对2,4-二硝基苯甲醚(DNAN)基熔铸炸药点火后反应增长的影响,获取反应增长过程特性参数,对预置了不同损伤的5组样品开展了点火后反应增长的试验研究。采用单色光屏蔽技术屏蔽炸药反应过程中产生的强光干扰;采用高速相机加装单色光透镜观察记录整个反应增长过程,获得炸药反应增长过程的图像演化;采用压力测试系统测量反应容器内压力变化过程,获得反应增长过程压力变化。结果表明,DNAN基熔铸炸药点火后反应增长过程主要包括点火、缓慢反应和快速反应等阶段;试验中样品点火延滞时间随着损伤的增加而减少,受挤压形成1.26%损伤的样品除外;5组样品点火延滞时间均值为1.140ms;缓慢反应持续时间随着损伤程度的增加不断减少直至为0,损伤的出现加速了反应增长的进程;在快速反应阶段,反应持续时间和容器内最大压力均随着损伤程度的增加而减小;最大压力变化率随着损伤程度的增加先变大后减小,但均大于没有损伤的样品;在受高温刺激具有0.44%损伤程度的样品中,最大压力变化率为13.67MPa/ms。

基于B样条神经网络的熔铸装药温度场预测

熔铸装药过程中模具内部温度场分布及其变化规律对装药质量具有重要影响。建立基于B样条神经网络的水/油浴熔铸装药工艺瞬态温度场预测模型,通过数值仿真的正交试验,获得不同工艺条件下熔铸装药温度场演变的数据样本;利用B样条神经网络对数据样本进行训练,得到水/油浴工艺的温控参数与药柱内部温度场之间的关系模型,实现温度场及其凝固前沿演变的快速准确预测。所得成果为熔铸装药的温控参数优化和在线控制提供了高效预测方法,为解决熔铸装药智能化发展中的物理场预测问题提供了方法的借鉴。

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%。

水热法合成3-硝基吡唑的工艺优化

为解决合成3-硝基吡唑(3-NP)时重排时间长、重排试剂毒性大、N-硝基吡唑(N-NP)易升华等问题,以N-硝基吡唑为原料,采用水热法以二甲苯作为重排溶剂制备了3-NP;并采用显微镜和红外光谱对其结构进行了表征。对水热法重排反应温度、反应时间、填充度等因素进行了优化。结果表明,该方法较佳反应条件为:反应温度180℃,保温时间3h,填充度为15%,对应理论压力为6.130MPa,此时3-NP得率为100%,产品纯度稳定在99%以上,该工艺所得产物无需进行后处理可直接使用;重排溶剂二甲苯在水热法中固液体积比(N-NP∶二甲苯)为1∶3时产品得率较高,大大节约了溶剂成本,重排试剂价格低、易得、毒性小,水热法有望替代传统合成3-NP工艺。

约束对DNAN基熔铸炸药点火反应特性的影响

为了探究约束对2,4-二硝基苯甲醚(DNAN)基熔铸炸药点火反应特性的影响,设计了不同壁厚条件下单端点火试验和相同壁厚的爆轰试验;基于爆炸相似理论,通过对比爆轰试验与点火试验产生的冲击波超压,估算了炸药在点火试验中产生的等效反应药量。结果表明,DNAN基熔铸炸药在一般约束条件下(壁厚小于10mm),经黑火药引燃后仅发生燃烧反应;在强约束条件下(壁厚20、30、40及50mm)反应更为剧烈,但未发生典型的燃烧转爆轰过程,反应烈度为爆燃或爆炸级。DNAN基熔铸炸药发生反应的等效反应药量随着管体壁厚增大,爆炸百分比从23.9%依次增加至34.8%、77.3%及78.7%。可知在一定范围内增强约束条件,炸药燃烧进程会随之加快,反应更为剧烈,但当约束条件足够强时,这种促进作用将不再明显。

低熔点含能化合物研究进展

综述了苯环类、氮杂环类、氮氧杂环类、烷烃类及含能离子盐类低熔点含能化合物的国内外研究现状、合成方法、物理化学性质与爆轰性能,并分析了其性能优劣及实际应用所面临的问题等,对比不同分子主体结构和官能团对化合物性能的影响,探索今后含能材料的重点研究方向以便设计出更好的低熔点化合物,更好地满足熔铸炸药应用要求。指出DFTNAN、DNP、DNBF、BOO、BODN、TNTON等化合物性能优良,可以作为取代TNT作为新型熔铸炸药载体;可以尝试以四唑为基础原料,引入不同性能优良的基团,如:—N 3、—F、—ONO 2、—NHNO 2等,设计新型低熔点含能化合物。附参考文献114篇。

基于热压耦合护理工艺的熔铸炸药凝固过程数值模拟

为了消除熔铸炸药装药过程中形成的药柱内部缺陷,分别以三硝基甲苯(TNT)、二硝基苯甲醚(DNAN)基熔铸炸药为研究对象,模拟分析了不同工艺条件下药料内部缺陷的形成机制及其晶体形态的演变规律,并结合加压补缩、冲头保温和水浴降温等工艺探索凝固护理对熔铸炸药成型质量的影响规律。结果表明,药柱在单一加压护理工艺下由外向内逐层凝固,容易在芯部形成V字型缩孔与缩松区域,且护理温度越高、缺陷区域越大;进一步结合冲头保温与水浴降温等护理工艺不仅可以促进药料的纵向梯度凝固及其内部缺陷的可控迁移,还可以借助水浴环境有效提高其换热效率以缩短凝固周期,从而实现“微缺陷”或“零缺陷”药柱的高效率制备。

DNAN/RDX熔注炸药发射安全性模拟试验研究

DNAN基熔注炸药因优异的安全性能在世界范围内正广泛替代TNT基熔注炸药,但国内目前鲜有关于其在发射过载环境下的安全性研究报道,严重限制了国内榴弹等高膛压火炮用DNAN基熔注炸药的配方研制。为此,以DNAN/RDX(40/60)熔注炸药为对象,基于炸药抗过载装置,利用整形器技术进行波形整形,获得了与发射过载相似的载荷特征,建立了炸药装药发射安全性模拟试验装置,并采用临界底隙判据对炸药的发射安全性展开定量研究。结果表明:∅15 mm×14 mm的DNAN/RDX配方药柱在打击速度为2.85 m/s条件下,所受载荷峰值为306 MPa,脉宽为7.85 ms,临界底隙为3.19 mm;在打击速度为6.66 m/s条件下,药柱所受载荷峰值为681 MPa,脉宽5.99 ms,临界底隙为1.31 mm;在打击速度为9.26 m/s条件下,药柱所受载荷峰值为1100 MPa,脉宽5.58 ms,临界底隙为1.0 mm。根据药柱临界底隙随发射载荷幅值的变化规律,同一载荷下DNAN/RDX(40/60)临界底隙比B炸药大10%以上。

三种典型熔铸载体及其悬浮液的流变特性

为了对比不同载体对熔铸炸药悬浮液流变特性的影响,使用Haake MarsⅢ流变仪对TNT、DNAN、DNP的HMX悬浮液的流变性能进行了测试,分析了载体种类、剪切速率、体系温度、固相颗粒含量、颗粒级配对悬浮液流变性能的影响。结果表明,3种载体在熔融态时均为牛顿流体,而其悬浮液均表现出剪切变稀的性质;当温度在95~110℃时,熔融态载体单质的黏度变化均不超过12%;相同温度条件下,载体及其悬浮液表观黏度大小关系为:DNP>TNT>DNAN;当奥克托今(HMX)大小颗粒粒径比约为7、体积比为2时,3种载体悬浮液的表观黏度均为最低;将相对黏度和相对固含量的关系用Krieger-Dougherty函数进行拟合,结果表明3种载体均能较好地适用该模型,待拟合指数与熔铸载体的黏度和剪切速率均呈负相关。

熔铸炸药载体的研究评述

综述了熔铸炸药载体的国内外研究现状,包括苯环类、杂环类、脂肪类、含能盐类等四类,介绍了近20年来发展的18种熔铸炸药载体的物理化学性能、爆轰性能与合成方法,分析了它们作为熔铸炸药载体的优缺点,为促进上述低熔点炸药更好地应用到熔铸炸药配方中提供参考。

国外火炸药技术发展新动向分析

在系统跟踪近3年来国外研发动态的基础上,综述了新型熔铸炸药、火炸药绿色与安全工艺技术、富氮化合物、先进发射装药技术和火炸药新概念新技术等的最新研究与进展,从5个方面详细分析了研究新动向:美国陆军开启二硝基茴香醚基不敏感熔铸炸药的应用时代;CL-20合成与制备工艺技术的蓬勃发展;富氮化合物合成研究不断推陈出新;先进发射装药技术日趋成熟并推向应用;火炸药新概念和新技术探索研究取得可喜成果。附参考文献23篇。

DNTF基熔铸炸药的金属加速作功能力

用圆筒试验获得含铝和不含铝两种配方的DNTF基熔铸炸药的筒壁膨胀速度、比动能和格尼系数的变化规律,研究了其金属加速作功能力,并与Octol炸药进行了对比。结果表明,DNTF可显著提高混合炸药的金属加速作功能力;加入少量铝粉虽然会降低初始筒壁速度,但在圆筒膨胀后期,筒壁速度可超过不含铝配方,且提高了DNTF基熔铸炸药的持续金属加速作功能力;与Octol炸药相比,含铝DNTF基熔铸炸药的格尼系数提高了6.2%。