Impact and Friction Sensitivity of Energetic Materials：Methodical Evaluation of Technological Safety Features

Key methods developed and used in the USSR and in the Russian Federation to determine the impact and friction sensitivity of energetic materials and explosives have been discussed.Experimental methodologies and instruments that underlie the assessment of their production and handling safety have been described.Studies of a large number of compounds have revealed relationships between their sensitivity parameters and structure of individual compounds and compositions.The range of change of physical and chemical characteristics for the compounds we examined covers the entire region of their existence.Theoretical methodology and equations have been formulated to estimate the impact and friction sensitivity parameters of energetic materials and to evaluate the technological safety in use.The developed methodology is characterized by high-accuracy calculations and prediction of sensitivity parameters.

RDX粒度对机械感度的影响

系统研究了RDX粒度对撞击感度和摩擦感度的影响,实验测试的RDX平均粒径为1.5～124μm,并在此粒度范围内分为5个粒度等级。其中撞击感度用特性落高法表示,摩擦感度用特性正压力表示。结果表明:炸药的撞击感度、摩擦感度均随粒度的减小而降低。从理论上分析了炸药粒度变化对机械感度影响的机理。

超细RDX爆轰感度与撞击感度、摩擦感度的研究

采用纯超细RDX与工业RDX ,以及以超细RDX和工业RDX为主体、采用相同配方和制备工艺制取的高分子粘结炸药对比的方式 ,在相同的实验条件下 ,对撞击感度、摩擦感度、爆轰感度进行了测试和研究 ,得出超细RDX无论是纯品还是高分子粘结炸药 ,其撞击感度、摩擦感度均低于工业RDX ,而爆轰感度优于工业RDX的结论。

含CL-20的改性双基推进剂的机械感度

研究了六硝基六氮杂异戊兹烷(CL-20)的含量和燃烧催化剂对含CL-20的改性双基(CL-20-CMDB)推进剂机械感度的影响,并将CL-20-CMDB推进剂的机械感度与含3,4-二硝基呋咱基氧化呋咱的改性双基(DNTF-CMDB)推进剂、含N-脒基脲二硝基酰胺的改性双基(FOX-12-CMDB)推进剂、几种定型的双基(DB)和含奥克托今的改性双基(HMX-CMDB)推进剂进行了比较。结果表明,CL-20-CMDB推进剂比有相似组成的DNTF-CMDB和FOX-12-CMDB推进剂的撞击感度高,比DNTF-CMDB推进剂的摩擦感度高,比FOX-12-CMDB推进剂的摩擦感度低。它比已定型的几种DB推进剂的撞击感度低(CL-20含量大于8%时)、摩擦感度高;比已定型的HMX-CMDB推进剂的撞击感度和摩擦感度都高(两种推进剂的氧化剂含量相当时)。

六硝基六氮杂异伍兹烷的感度

测定了六硝基六氮杂异伍兹烷（ Ｈ Ｎ Ｉ Ｗ） 的撞击感度、摩擦感度、热感度及静电火花感度。 Ｈ Ｎ Ｉ Ｗ 的 Ｈ５０ （５ｋｇ落锤） 为２０ ～２７ｃｍ ； ε Ｈ Ｎ Ｉ Ｗ 的摩擦感度１００ ％ （ 摆角９０ ±１°， 表压３ ．９２ ±０ ．０７ Ｍ Ｐａ） 或９２ ％ （ 摆角８０ ±１°， 表压２ ．４５ ±０ ．０７ Ｍ Ｐａ） ，爆发点（５ｓ 延滞期）２８３ ．９ ℃，５０ ％ 发火电压 Ｖ５０ 为４ ．６１ｋ Ｖ，５０ ％ 发火能量 Ｅ５ ０ 为０ ．１０６ Ｊ。

ε-HNIW基传爆药的制备与表征

用水悬浮分散包覆工艺制备了ε-HNIW造型粉,利用FT-IR及SEM和DSC对其进行了表征。结果表明,包覆剂Estane可有效包覆ε-HNIW,包覆表面光滑且棱角减少;Estane与ε-HNIW的相容性为1级;与ε-HNIW原料相比,包覆样品的撞击感度和摩擦感度均有所降低,特性落高H50由17cm升至44cm,摩擦爆炸概率P由100%降至68%;包覆后ε-HNIW的爆速为8923m/s,是一种新型高能钝感传爆药。

超细高氯酸铵(AP)微观结构对机械感度的影响

采用机械研磨法细化高氯酸铵(AP),采用扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、撞击和摩擦感度试验方法研究不同状态AP粒子的微观结构和机械感度。结果表明:超细AP样品的机械感度受到多种微纳结构因素的共同影响,多种因素差异使超细AP样品的撞击感度和摩擦感度表现出与某单个因素间不存在必然联系,各因素对撞击感度和摩擦感度的影响程度不同也使各超细AP样品的撞击感度和摩擦感度表现出不一致的顺序;并用热点理论分析了超细AP微观结构对机械感度的影响。

超细HNIW机械感度的研究

采用喷射结晶的方法对HNIW(六硝基六氮杂异伍兹烷或CL-20)进行了细化,细化后HNIW的平均粒径为193.5nm。对超细HNIW的撞击感度及摩擦感度进行了研究。试验结果表明:与粗颗粒HNIW相比,超细HNIW的撞击感度明显降低,50%落高值从7.94cm增大为33.9cm;而摩擦感度变化不大,爆炸概率从74%增加到80%。

纳米LaCoO_3对RDX基混合炸药的热分解特性和感度的影响

用DSC和DTA研究了LaCoO3对含AP的RDX基混合炸药热分解特性的影响。结果表明,纳米LaCoO3对含有AP的RDX基爆炸混合物的热分解具有一定的催化作用;纳米LaCoO3使RDX基混合炸药的撞击感度和热感度降低,摩擦感度增大。

DADE及其混合炸药的机械感度

为了解DADE以及含DADE的混合炸药的安全性能,用显微镜研究了DADE混合炸药降感机理。结果表明,在相同的试验条件下,DADE与TATB、NTO的机械感度相当,具有优良的安全性能;DADE粒度的大小对其感度影响很大,感度随粒度的减小而升高;在B炸药配方中,用DADE部分代替RDX后感度没有明显改变,完全代替RDX后降感效果十分明显。研究表明,DADE颗粒的合理级配以及表面包覆是降低DADE机械感度的重要途径。

二茂铁种类对超细AP/二茂铁体系感度的影响

采用撞击感度、摩擦感度和热分解特性测试方法,研究了二茂铁种类对超细AP/二茂铁体系感度的影响。结果表明,本研究所涉及的二茂铁衍生物均使超细AP/二茂铁催化剂混合物的撞击感度和摩擦感度显著升高;超细AP/二茂铁催化剂体系的撞击感度与二茂铁催化剂的铁含量不存在相关关系,而超细AP/二茂铁催化剂体系的摩擦感度与二茂铁催化剂的铁含量存在正相关关系;某些二茂铁催化剂(SH-F-1、SH-F-2、SH-F-3、GFP、SH-F-5)/超细AP体系的DSC曲线中AP的晶型转变峰之前出现新的放热峰,表明其热感度较大。

不同粒度及包覆改性高氯酸铵的热分解性能和安全性能研究

采用扫描电子显微镜和X射线衍射仪对不同粒度及包覆改性高氯酸铵(AP)颗粒的分散性及晶相进行了表征,并通过差示扫描量热法和机械感度测试研究不同AP样品的热分解性能和安全性能。结果表明,随着AP粒度增加,颗粒分散性得到一定改善,相同粒度的包覆改性AP分散性优于普通AP;不同粒度及包覆改性AP的晶相均一致;AP粒度越小,其热分解性能越好,对于粒度相同的AP,包覆改性对其热分解性能影响不大;随着AP粒度增加,其撞击感度和摩擦感度均降低,平均粒径(d_(50))分别为1μm、3μm和6μm的AP其撞击感度和摩擦感度分别为96%、80%、64%和28%、28%、16%;包覆改性可以明显降低AP的感度,d_(50)为3μm的包覆改性AP与粒度相同的普通AP相比,撞击感度和摩擦感度分别降低了28%和16%。

超细Si粉对Si/Pb_3O_4延期药热反应活性和摩擦感度的影响

采用机械球磨法,通过对球磨时间、介质流速等参数的控制,最终得到平均粒度d50=1.75μm的超细Si粉,并进行了粒度和SEM分析。结果表明,随着Si/Pb3O4延期药中超细Si粉含量的增加,其反应放热峰提前,放热量增加,但摩擦感度也相应增加。其中,超细Si粉含量为60%的样品不但具有较高的反应放热量,而且摩擦感度很低。因此,选定60%作为普通Si粉与超细Si粉在级配使用时最为合理的比例。

环境温度对烟火药剂混触机械感度的影响研究

对烟花爆竹药剂典型氧化剂与还原剂的二元混合物在不同温度的条件下进行撞击感度及摩擦感度测试,分析不同氧化剂、还原剂及温度对二者混触的影响规律。结果表明:含有硫磺的药剂撞击感度值较大,含有镁铝合金粉的药剂摩擦感度值较大;随着温度升高,药剂的撞击感度值升高,而不同药剂的摩擦感度值表现出不同趋势,这与机械撞击和摩擦作用下起爆机理不同有很大的关系,并从理论上对实验结果进行分析。

5,5’-联四唑-1,1’-二氧二羟胺(HATO)的机械感度影响因素研究

对不同工艺制备HATO的晶型和粒度与机械感度的关系进行了分析,结果显示,鳞片状HATO撞击感度稍高,不同晶型和粒度HATO的摩擦感度在统计学上差别不大;将HATO晶体用胶体磨处理后,HATO的撞击感度增加,而摩擦感度降低;粘结剂ETPE的加入会显著增加HATO的撞击感度和摩擦感度,石墨的加入则显著降低混合炸药的机械感度。分析认为,试样装填的密度、击柱间空隙等装填状态及试样本身的摩擦系数,都会影响热点的产生,从而影响炸药的撞击感度。现有的撞击感度和摩擦感度的测试装置反映危险品的机械感度有局限性,设计同时体现炸药的撞击和摩擦的斜向撞击装置可能更能体现火炸药的机械感度。

丁羟推进剂RDX填料表面包覆对其安全性能的影响研究

为了降低HTPB/RDX复合推进剂的机械感度,以一种高聚物(HP-2)为主要包覆剂,采用相分离法对其RDX填料进行了表面包覆。通过SEM、XPS及粒度分析仪对样品的包覆效果进行了表征,对包覆前后样品及推进剂的撞击感度、摩擦感度和热安定性进行了测试和分析。结果表明:和未包覆的RDX相比,经过适当包覆的样品撞击感度和摩擦感度都得到了明显降低,撞击感度特性落高升高了15.1cm,摩擦感度爆炸概率由92%降低到24%。采用这种表面包覆过的RDX制得的推进剂的撞击感度和摩擦感度也明显降低,撞击感度特性落高由51.04cm升高到62.24cm,摩擦感度爆炸概率由100%降低到72%。并对高聚物HP-2包覆的降感机理进行了分析。

2,6-二氨基-3,5-二硝基吡啶-1-氧化物的精制

研究了2,6-二氨基-3,5-二硝基吡啶-1-氧化物(ANPyO)经酰化、重结晶和还原的新精制工艺,考察了精制工艺条件对ANPyO纯度、粒径分布、机械感度、摩擦感度和微观结构的影响。对比了新精制工艺样品和三氟乙酸精制样品的酸度、熔点、热安定性和撞击感度。结果表明,精制中间体2,6-二乙酰氨基-3,5-二硝基吡啶-1-氧化物采用DMF作溶剂重结晶,氨气作胺化剂,50℃条件下所得ANPyO产物总收率为90.5%,纯度为99.5%,样品的粒度、微观结构和安全性能较理想。新精制工艺所得产物pH为6.3,熔点355℃,真空安定性0.01 mL·g-1,撞击感度257 cm,摩擦感度2%,性能显著优于三氟乙酸精制所得ANPyO产物。

超细CL-20/Cr_2O_3复合物的制备、表征与性能

为降低六硝基六氮杂异戊兹烷（简称HNIW,CL-20）的机械感度，采用溶胶-凝胶法结合超临界干燥技术，制备出了平均粒径为1-2μm的超细CL-20／Cr2O3复合含能材料。用扫描电镜（SEM）和傅里叶变换红外光谱（FT-IR）对CL-20／Cr2O3复合物的形貌、粒径大小、复合方式进行了表征，并对其撞击感度、摩擦感度进行了测试。结果表明，CL-20与多孔性Cr2O3气凝胶之间为物理复合，超细CL-20／Cr2O3复合物撞击感度的特性落高值提高了230．2％，摩擦感度降低了30％。

双核二茂铁衍生物(DFD)分子结构对超细AP/DFD二元体系撞击感度的影响

从双核二茂铁衍生物(DFD)分子结构入手,分析了DFD与AP之间的反应特性,研究了DFD分子结构特性与超细AP/DFD二元体系撞击感度间的结构-性能关系。找到了用于分析DFD与AP之间反应特性的DFD分子特征参数。结果表明,双核二茂铁衍生物负电性二茂铁基的静电势、NH_4^+-DFD分子平均结合能与超细AP/DFD二元体系的撞击感度直接相关。由于DFD分子结构的差异,桥联基团为亚甲撑的DFD组和对称性分子结构的DFD组的两个参数与超细AP/DFD二元体系撞击感度的相关性不同。对于桥联基团为亚甲撑的DFD,分子中负电性二茂铁基的静电势越小,NH_4^+-DFD分子平均结合能越大,超细AP/DFD混合物的撞击感度越高;对于对称性DFD,负电性二茂铁基的静电势和NH_4^+-DFD分子的平均结合能越小,DFD分子的前线轨道能级越大,超细AP/DFD混合物的撞击感度越高。

低易损性硝基胍炸药的爆炸安全性能研究

通过实验,测定了硝基胍为基的混合炸药的冲击感度、摩擦感度和爆轰感度。分析了硝基胍的晶形、颗粒度、装药密度、装药直径等对其爆轰感度的影响原因。认为β晶形的硝基胍从能量安全性能比和爆炸安全性能两个方面都很适宜于作为低易损性炸药的组份。