JO-6炸药耐热性试验研究.pdf

2 0 1 2 年6 月J O - 6 炸药耐热性试验研究冯晓军等 J O - 6 炸药耐热性试验研究 冯晓军王晓峰田轩黄亚峰赵东奎 西安近代化学研究所 陕西西安．7 1 0 0 6 5 [ 摘要] 为了研究J O - 6 炸药柱的耐热性能．利用自行研制的热爆炸试验系统进行了J O - 6 炸药柱的全历程试验 和l 舯℃条件下的热终止试验。搽讨了装药状态对J 0 - 6 炸药热爆炸反应温度的影响，分析丁有约柬和无约束两种 条件下嗍转晶对J O - 6 炸药柱结构和尺寸的影响。结果表明，粉态装药的热爆炸反应温度高于柱态装药。但对 晶型转变温度漫有明显影响，随着加热温度的升高．两种装药状态下的J O - 6 炸药均在l ∞℃会发生I - I M X 的转晶嗳 热同时引起茴洋整体结构的教坏，使得试样尺寸增大，密度减小。试样在无约柬条件下的结构破坏要大于有约柬 条件。 【关键词】J O - 6 炸药耐热性能热爆炸转晶 【分类号】T J 5 5T D 2 3 5 ．2 1 引言 石油射孔弹装药应具有高爆速、高爆压和良好 的耐热性能⋯。通常根据射孔弹的耐热性将其分 为以R o x 黑索今 为基的普通射孔弹、以H M X 奥 克托今 为基的高温射孔弹和以H N S 六硝基芪 为 基的超高温射孔弹等3 种m J 。国内大量使用的耐 高温射孔弹装药是以H M X 为基的J O - 6 聚奥石 炸 药，其配方为9 5 1 B I X ／3 F j ∞／1 C ／I 硅油，通常采用压 装成型工艺制作m 】。目前对于J O ．6 炸药耐热性能 的评价主要是以药粉的5s 爆发点来衡量。其耐热 性能可以达到3 2 3 ℃左右”】，但在实际应用中．J 0 - 6 炸药是以药柱状态使用，药粉与药柱的耐热性能存 在一定的差异，而且药柱的热传导、药柱尺寸的变 化、组分中H M x 晶型的转变都会对射孔弹的性能 产生很大的影响，从而影响到射孔弹的穿深和射流 的稳定性，这是药粉的耐热性能试验无法确定的。 为了更加准确地衡量J o ．6 炸药的耐热性能．指导石 油射孔弹装药的设计．本文利用自行研制的火炸药 柱热爆炸试验系统，研究了J 0 正炸药柱的耐热性 能，分析了温度对J o ．6 炸药柱性能的影响。 l 试验 1 ．1 试验装置 利用自行设计的火炸药柱热爆炸试验系统进行 J 0 _ 6 炸药柱的耐热性能试验。该系统主要由防爆 加热箱体、控温仪、记录仪、控温和测温热电偶等组 成”1 。系统结构如图1 所示。 防爆加热箱体具有良好的抗爆性能和保温性 能，可以承受2 0 0 9 n 盯当量 的爆炸冲击，加热系 统的设计和安装可以保证加热箱体内的温度场均 匀．各处温度差不大于0 ．5 ℃。控温仪采用高性能 可编程P Ⅲ 比例教分积分控制 调节器。控温精度 可达0 ．2 。C ／m i n 。记录仪可连续实时记录试验过 程的温度一时问历程。K 型热电偶用来控温和潮 温。精度等级为A 级。 1 一防辱加热箱体；2 一加热板；3 一澍温热电偶； 4 一控强热电儡；5 一试样；6 一装药容器 田l 火炸药柱热爆炸试验装置结构田 1 ．2 试验方法 采用两种方法研究J o _ 6 炸药柱的耐热性能。 第种是J O - 6 炸药柱全历程热爆炸性能测试， 研究J O - 6 炸药柱从室温开始加热，直到发生热爆炸 反应的全过程中试样温度的变化。试验时将J O - 6 炸药压制成g 良t o m mx4 0 m m 的药柱，装入用4 5 。钢 加工成的装药容器中。容器壁厚为3 m m ，下墙用带 螺纹的金属靖盖密封。上端敞开，用热电偶测量试样 中心的温度变化。以1 ℃／m l n 的恒定升温速率加热， 直到试样发生热爆炸反应。同时为了分析试撵状态 对J o _ 6 炸药热爆炸性能的影响．也进行了相同试验 ’椭日膏2 0 l i - 1 2 - 3 0 基盘疆目目瞳史炸砖基确辩聃嘎。 怍，r 冯晓军 1 9 7 6 一 ．男．* 士．青罐工程辱．主鼻从●炸药生产黼拉木- 隗．E m d { h 孽i 瑚●L 6 3 ．嘲 万方数据 2 爆破器材政p l 舶i v e M a t e r i a h第4 l 卷第3 期 条件下的粉状J o _ 6 炸药全历程热爆炸性能测试。 第二种是在1 8 0 ℃进行热终止试验，研究H M X 的转晶影响。分两种状态进行，一种是药柱在约束 条件下的热终止试验，将0 4 0 r a m 4 0 m m 的J O - 6 炸 药柱约束在金属壳体内，只留上端盖敞开；另一种是 将0 4 0 r a mX4 0 m m 的炸药柱在无约束条件下进行热 终止试验。试验从室温开始以1 ℃／m i n 的恒定升温 速率加热到1 8 0 ℃，恒温4h 后停止试验，让试样在 防爆加热箱内缓慢冷却到室温状态 冷却到室温大 约需要Z 4 h 后取出试样，对其进行分析。 2 结果与讨论 2 ．1 j o - 6 炸药全历程热爆炸试验 通过试验得到的粉态装药和药柱装药的J O - 6 炸药热爆炸全历程温度变化曲线如图2 所示。 图2J O - 6 炸药全历程热爆炸温度曲线 由图2 所示的J O - 6 炸药试样全历程热爆炸温 度一时间变化曲线分析可知，无论是粉态装药还是 药柱装药，随着环境温度逐渐升高，试样的温度也逐 渐升高，当温度达到1 8 0 ℃左右时，两种装药状态的 升温曲线上均出现了一恒温段。由于试验过程中环 境温度是以l ℃／m i n 的速率逐渐升高，出现恒温段 说明试样内部发生了吸热反应。对于粉态装药，该 恒温段持续了大约2 5 m i n ，对于药柱装药，该恒温段 持续了大约1 6 m i n ，然后试样温度又以1 ℃／r a i n 的 升温速率继续升高。当粉态装药的J O 石炸药中心 温度达到2 4 6 ．1 ℃左右时，试样发生了整体快速的 热爆炸放热反应，而对于药柱装药的J O - 6 炸药，当 中心温度达到2 3 7 ．9 ℃时发生了快速的热爆炸放热 反应。这说明在0 4 0 m m 4 0 r a m 的相同装药尺寸 下，粉态装药的J O - 6 炸药热爆炸温度在2 4 6 ．1 ℃左 右，而药柱装药的J O - 6 炸药热爆炸温度在2 3 7 ．9 0 C 左右。粉态装药的热爆炸温度略高于药柱装药的热 爆炸温度，这主要是由两种装药状态的空隙率不同 引起。粉态装药的空隙率大，在加热过程中试样局 部分解放出的热量会快速地传递到空气间隙中，导 致试样不易形成热点或局部形成的热点不易扩散成 长；而对于药柱装药，在加热过程中试样局部反应放 出的热量会快速地积聚形成自加速分解反应的热 点，而且局部的分解放热会以热传导的方式快速向 与其紧密接触的试样传播，引起热点的快速扩散成 长，最终导致不可逆的整体放热反应。 J O - 6 炸药在这两种装药状态下的热爆炸升温 曲线都在1 8 0 ℃左右出现恒温段．这是由于J O - 6 炸 药配方中的H M X 发生了口- H M X 向 H M X 的晶型 转变吸热所致H J ，从图2 的温度变化曲线可以得出， 装药状态对H M X 的晶型转变温度没有明显的影 响。对图2 的温度变化曲线进行处理，将加热环境 对试样提供的1o C ／r a i n 的温度变化减去，得到试样 内部由于自身反应引起的温度变化曲线如图3 所 示，可以看出在发生H M X 的晶型转变之前，两种装 药状态下试样内部没有明显的温度变化，而在发生 晶型转变时试样内部温度变化曲线上有一吸热峰。 通过判读可以得到，无论是粉态装药还是药柱装药， 由于H M X 的晶型转变吸热引起的试样温度降低程 度基本相同，大约为1 6 ．4 ℃左右，J O - 6 炸药的比热 大约为1 ．0 5 k J ／ k g K B J ，因此，可以得到单位质 量J 0 _ 6 炸药发生晶型转变时吸收的能量大约为 1 7 ．1I 【J 。对这两种装药状态下的吸热峰区间进行 温度差对时问积分，得到粉态装药的积分值为 4 2 7 ．9 ，药柱装药的积分值为5 2 2 ．6 ，该值虽然没有 明确的物理意义，但可用于衡量晶型转变吸热对试 样内部温度变化的影响程度，可以看出晶型转变吸 热对药柱装药内部温度变化的影响明显大于粉态装 药内部温度的变化。 图3J O - 6 炸药全历程温差曲线 2 ．2J O 石炸药热终止试验 图4 为J o _ 6 炸药柱在有约束和无约束两种条 件下热终止试验的试样内部温度随时间变化曲线。 由图4 可以看出，约束对于试样内部温度的变 化和H M X 晶型转变温度均没有明显的影响，曲线 在1 8 0 ℃恒温段开始出现的温度降低 图中温度曲 线的“波谷”段 是由于H M X 在1 8 0 ℃时发生了由 万方数据 2 0 1 2 年6 月J 0 - 6 炸药耐热性试验研究冯晓军辱 z ／r a i n 田4J O _ 6 炸药热终止试验温度曲线 ．S - H M X 向参H M x 的晶型转变吸热所致。表1 和表 2 为在两种装药条件下，热终止试验后试样尺寸、密 度及质量的变化分析。图5 为试验结束后样品的变 形照片。 表1J O ．6 炸药无约束条件下热终止试验 表2J O - 6 炸药约束条件下热终止试验 馘 试验前试骺徽 上3 9 ．9 4 上3 9 ．舒 - o ．1 8 尺枷3 鲫9 ．9 1 ；～3 9 ．9 0 一0 3 高4 0 ．5 6 高4 2 ．7 5 5 ．4 0 蠹目旷 B ∞。’ l - 7 5 21 ．6 6 3- 5 ．0 6 质量飞8 8 ．8 2 7 7 8 8 ．6 9 8 2- 0 ．1 5 一 - b 无约束； b 有约柬 图5 试验后样品变形情况 由表1 和表2 及图5 的结果分析可以看出。当 J O - 6 炸药柱无约柬时，在1 8 0 ℃恒温4h 后终止试 验，试样整体结构完整性已经破坏．试样表面和内部 出现了很多大的裂纹，尺寸发生了变化，径向尺寸增 大5 ％，轴向尺寸增大4 ．5 ％，轴向和径向的尺寸增 大比例基本相同，试样密度减小了1 3 ．3 ％，质量损失 约0 ．1 7 ％；而J o 石炸药在约束条件下进行1 8 0 ℃恒 温4h 后终止试验，试样的整体结构比较完好，出现 的裂纹较少，径向尺寸略有缩小．但轴向尺寸发生了 大的变形。增大了5 ．4 ％，而且沿轴向上端未约束方 向出现明显的凸起，试样密度减小了5 ．0 8 ％，试样失 重比无约束条件下的略小，为0 ．1 5 ％。 试样结构和尺寸的变化一方面是由于加热后． 试样发生了热膨胀，内部产生了热应力。使得试样产 生了胀大和裂纹；另一个更重要的原因是由于J O - 6 炸药配方中的H M X 在1 8 0 e C 时发生了转晶变化，伊 H M X 的晶体密度为1 ．9 0 5g ，c 一，而／i - H M X 的晶体 密度为1 ．S 0 9 ／e m ”1 ，因此转晶的变化使得H M x 晶 体的体积发生胀大，从而引起试样结构和尺寸的变 化。当试样段有约束时，其膨胀在轴向和径向同时 进行，因此轴向和径向的尺寸变化比例基本相同；当 试样被约束在上端开口的容器中时，径向膨胀受到 了限制，试样只能沿着轴向无约束端膨胀，所以出现 在无约束端的轴向凸起。从图5 的对比也可以看 出，在有约束作用时，可以减少药柱由于H M x 的晶 型转变引起的结构整体破坏。 由表中结果分析还可以看出．试样在1 ∞℃热 终止试验时发生了失重，分析认为这主要是由炸药 配方中的氟橡胶在1 8 0 6 C 时的热失重引起，由资 料⋯1 知，氟橡胶在1 8 0 ℃的热失重大约为0 ．0 5 8 ％， J O - 6 炸药配方中氟橡胶古量为3 ％，通过计算其失 重大约为0 ．1 7 4 ％，其值与无约柬条件下的失重值 基本相同。当有壳体约束时，氟橡胶的热失重会受到 一定的限翻。从而使得试样的失重量略有减小。 3 结论 1 装药状态对m Ⅸ的转晶温度没有明显的影 响，但对J O - 6 炸药热爆炸反应温度有影响，在装药 尺寸下．糟态装药热爆炸温度在2 4 6 ．1 ℃左右．而药 柱装药热爆炸温度在2 3 7 ．9 ℃左右，耪态装药的热 爆炸温度略高于药柱装药的热爆炸温度。 2 1 8 0 ℃左右时J o ．6 炸药中的H M x 会发生卢 H M X 向 H M X 的晶型转变而吸热，晶型转变吸热 对药柱装药内部温度变化的影响明显大于对粉态装 药内部温度的变化，晶型转变同时会引起药柱体积 胀大，使药柱产生大量裂纹．药柱整体结构完整性受 到破坏。 下转年7 页 万方数据 2 0 1 2 年6 月 硝酸钾抑制硝酸铵A N Ⅳ一A N Ⅲ相变的效应及其在粉状乳化炸药中的应用张凯铭等．7 ． [ 5 ] 【6 ] [ 7 ] [ J ] ．M a t e r ．L e f t ．，2 0 0 8 ，6 2 1 2 ．1 3 1 7 5 7 ．1 7 6 0 ． O o m m e nC ．，J a l nS ．R ．A m m o n i u mN i t r a t e AP r o m i s i n g R o c k e tP r o p e l l a n tO x i d i z e r [ J ] ．J ．H a z a r d ．M a t e r ．， 1 9 9 9 。6 7 3 2 5 3 - 2 8 1 ． W uH ．B ．．C h a r tC ．kE f f e c t so fP o t a s s i u mN i t r a t eo n t h eS o l j dP h a s eT r a m i t i o n0 fA m m o n i u mN i t r a t eP a r t i c l e s 【J 】．A t m o s ．E n v i r o n ．，2 0 0 8 ，4 2 2 3 1 3 - 3 2 2 ． L a n gA ．J ．．V y a z o v k i nS ．A m m o n i u mN i t r a t e P o l y m e r G l a s s e s AN e wC o n c e p tf o rP h a s ea n dT h e r m a lS t a b i l i z a t i o no fA l l l m o n i l n nN i t r a t e [ J ] ．J ．P h y s ．C h e m ．B ， [ 8 ] [ 9 ] [ J 0 ] 2 0 0 8 ．1 1 2 3 6 1 1 2 3 6 - 1 1 2 4 3 ． 倪欧琪，张兴明，孔德让，等．岩石粉状乳化炸药及其 制造方法中国，1 5 6 6 0 3 9 [ P ] ．2 0 0 5 4 1 1 9 ． 倪欧琪，吴洁红。张兴明，等．煤矿许用粉状乳化炸药 及其制造方法中国，1 3 3 6 3 5 5 [ P ] ．2 0 0 2 - 0 2 - 2 0 ． 倪欧琪，张兴明．唐双凌，等．粉状乳化炸药的制备方 法中国，1 7 6 5 8 5 3 [ P ] ．2 0 0 6 4 5 - 0 3 ． 李艺，惠君明．几种添加剂对硝酸铵热稳定性的影响 [ J ] ．火炸药学报，2 0 0 5 ，2 8 1 7 6 - 8 0 ． T h eE f f e c to fP o t a s s i u mN i t r a t eo nI n h a b i t i n gA N l v A N ⅢP h a s eT r a n s i t i o no fA m r a o n i u i n N i t r a t ea n dI t sA p p l i c a t i o ni nP o w d e r yE m u l s i o nE x p l o s i v e Z H A N GK a ／m l n g o o ，N Io u q i ∞。Y UZ h e n q u a n ∞ 堇 S c h o o lo fC h e m i c a lE n g i n e e r i n g ，N a n j i n gU n i v e n l t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y J i a n g s uN a n j i n g ，2 1 0 0 9 4 N a t i o n a lQ u a l i t yS u p e r v i s i o na n dI n s p e c t i o nC e n t e rf o rI n d u s t r i a lE x p l o s i v eM a t e r i a l s J i a n g s uN a n j i n g ，2 1 0 0 9 4 [ A B S T R A C T ] T h i sp a p e rs t u d i e st h ee f f e c t o fp o t a s s i u mn i t r a t e K N O o ni n h a b i t i n gt h eA N Ⅳ一A N - p h a s et r a n s i t i o n o fa m m o n i u mn i t r a t e N H 4 N 0 3 a n di t sa p p l i c a t i o no ni m p r o v i n ga n t i c a k i n gp r o p e r t yf o rp o w d e r ye m u l s i o ne x p l o s i v e ．E x - p e r i m e n tr e s u l t sf r o md i f f e r e n t i a ls c a n n i n gc a l o r i m e t r y D S C ，h i g h l o wt e m p o m t u r ea n dc o m p r e s s i v es t r e n g t ht e s ts h o w t h a tt h ea d d i t i o no f 2 ％K N O ，c o u l di n h a b i tA N Ⅳ一A N 。p h a s et r a n s i t i o nt o t a l l y ，i m p r o v et h ec r y s t a l l i z a t i o na n dt h e r m a l s t a b i l i t yo fN H 4 N 0 3 ，r e d u c et h ec o m p r e s s i v es t r e n g t ho fp o w d e re m u l s i o ne x p l o s i v ea n dr e s o l v ei t sc a k i n gp h e n o m e n o nd - f e e t i v e l y ． [ K E YW O R D S ] p o t a s s i u mn i t m t e ，s H l a l o n l u mn i t m t e ，p h a s et r a n s i t i o n ，p o w d e r ye m u l s i o ne x p l o s i v e 上接第3 页[ 5 ] 石健．无杵堵射孔弹的研制[ J ] ．爆破器材，1 9 9 8 ，2 7 3 J O - 6 炸药在高温下会出现热失重现象，这是 1 3 0 - 3 2 ． 由其配方中的氟橡胶在高温下的热失重引起。 [ 6 ] 赵省向J O - 6 炸药热安全性研究[ R ] ．- O 四所档案 参考文献 馆，1 9 9 5 [ 1 ] 李晋庆．几种新型石油射孔弹的研究和讨论[ J ] ．爆 [ 7 ]冯晓军火炸药柱热爆炸试验系统研制报告[ R ] - 二 破器材，2 0 0 3 ，3 2 4 2 7 - 3 0 ． 0 四所档案馆，2 0 0 6 [ 23 孙国祥，王晓峰，孙富根，等．油气井射孔器用炸药及 [ 8 ]刘子如含能材料热分析[ M ] 北京国防工业出版 其安全性[ J ] ．爆破器材，2 0 0 2 ，3 1 2 4 - 9 ． 社，2 0 0 8 [ 33 赵捍东，张会锁，王芳，等．不同炸药对聚能射流影响 [ 9 ] 董海山，周芬芬高能炸药及相关物性能[ M ] 北京 的数值模拟[ J ] ．弹箭与制导学报，2 0 0 6 S 1 2 2 9 ． 科学出版社，1 9 8 9 3 3 1 ． [ 1 0 ]兵器工业第二。四研究所．火炸药手册 第四分册 [ 4 ] 孙国祥．H 7 8 1 炸药研究报告[ R ] ．二0 四所档案馆， [ M ] 1 9 8 7 1 9 9 1 6 ． E x p e r i m e n t a lS t u d yo nH e a t r e s i s t a n c eP r o p e r t yo fJ O - 6E x p l o s i v e F E N GX i a o j “n ，W A N GX i a o f e n g ，T I A NX u a n ，H U A N GY a f e n g ，Z H A OD o n g k ．i X i ’a nM o d e mC h e m i s t _ , yR e s e a r c hI n s t i t u t e S h a n x iX i ’觚。7 1 0 0 6 5 [ A B S T R A C T ] I no r d e rt oi n v e s t i g a t et h eh e a t r e s i s t s n e ep r o p e r t i e so fJ O - 6e x p l o s i v e 。at e m p e m t u mr a m pt 曙tm l dm i s o t h e r m a lt e s tm18 0 6 Cw e r ec a r r i e do u tu s i n gt h es e l f - 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