10＃－159炸药耐热性能的试验研究

黄亚峰， 王晓峰， 田 轩， 冯晓军， 赵东奎

（西安近代化学研究所，陕西 西安 710065）

引 言

10＃－159炸药是武器弹药中常用的一种HMX基高能塑料黏结炸药，主要组成为奥克托今、梯恩梯、硝化棉和复合钝感黏结剂。由于该炸药具有高爆速、高爆压、感度低等特点，被广泛地应用到穿甲弹、破甲弹等武器弹药的装药中。随着穿甲弹、破甲弹战斗部退役年限即将到期，大量的10＃－159炸药急需处理。如采用销毁方式处理废旧的10＃－159炸药，不仅浪费资源，而且炸药不完全燃烧产生的气体会污染环境。军用火炸药对质量有严格的要求，废旧火炸药不能再次用于军用武器弹药。为充分挖掘利用废旧10＃－159炸药中高价值的奥克托今，将其回收制备成油气田深孔弹用耐热炸药是一种可行的途径。耐热炸药［1］在满足耐热性能的同时只有炸药体积不发生明显变化，才能满足油气田射孔弹的安全使用要求。因此，废旧10＃－159炸药回收制备成耐热炸药需对其耐热性能进行研究。已有研究结果表明，TNT在温度超过80℃时即出现融化，由固态变成液态，密度减小，体积变大，使混合炸药药柱变形；硝化棉燃点为160℃～170℃，在180℃的环境下发生分解放热，可能产生热爆炸。由于10＃－159炸药中含有TNT和硝化棉等对热刺激较为敏感的含能材料，对炸药的耐热性能会产生影响。国内对炸药耐热性能的研究主要针对混合炸药本身的耐热性能［2－7］，试验结果是炸药各组分耐热性能的综合体现，不能反映单个组分对炸药耐热性能的影响。

本研究采用将10＃－159炸药中的热敏感性含能材料用热性能相对稳定的有机高分子材料逐一替换的方法，利用西安近代化学研究所自己研制的火炸药药柱热爆炸试验系统，研究10＃－159炸药中热敏感性材料对炸药耐热性能的影响，为将10＃－159炸药回收制备油气田射孔弹用耐热炸药提供技术支撑。

1 实验部分

1.1 原材料准备

根据10＃－159炸药的组成特点，将炸药中对热刺激较为敏感的组分硝化棉、TNT逐一换成相同质量含量的对热刺激不敏感的氟橡胶黏结剂，制备炸药造型粉，炸药组成及编号见第11页表1。将炸药造型粉压制成规格为Ф40mm×40mm的药柱。

表1 炸药编号及组成

1.2 实验装置

本次10＃－159炸药热终止试验采用火炸药药柱热爆炸试验系统装置，该系统装置主要部件是防爆加热箱体、加热元件、控温仪、记录仪、控温和测温热电偶等，系统结构如图1所示。火炸药药柱热爆炸试验系统可以承受200g TNT当量的爆炸冲击，采用精度等级为A级的K型热电偶和控温精度为±0.2℃／min控调节器的温度测控系统，可以保证加热箱体内的温度场各处的温度差不大于0.5℃。

图1 火炸药药柱热爆炸试验装置结构图

1.3 实验方法

将已经分别替换了硝化棉、TNT以及硝化棉和TNT的 3 种炸药 10＃－159－1、10＃－159－2、10＃－159－3，在火炸药药柱热爆炸试验装置中进行180℃下的混合炸药热终止试验。具体试验过程为：试验前，用万分之一的分析天平精确称量试验药柱的质量，用游标卡尺测量药柱的高度和直径；将45＃钢加工的厚度为3mm的装药容器一端用带螺纹的45＃钢密封盖密封，一端敞开，然后将规格为Ф40mm×40mm的试验药柱装入容器中，用热电偶测量药柱中心的温度；设定试验条件：升温速率1℃／min，终止温度180℃，保持180℃恒定4h后停止试验。第2d药柱温度降至室温后取出药柱，对其质量、体积进行测量和分析。

2 结果与讨论

2.1 替代后炸药180℃下恒温4h的热终止试验

3种炸药的热终止试验数据处理得到图2。由图2所示可知，3种替代后的炸药在180℃下的恒温试验中，在升温阶段，3种炸药内部的温度随着环境温度按照1℃／min的升温速率呈直线状升高。当环境温度升高到180℃时，加热系统停止升温加热，保持环境温度为180℃。而此时，炸药内部温度却出现了明显的温度下降的吸热峰。这主要是因为，混合炸药中的奥克托今（HMX）在180℃下出现晶型转变，迅速吸收热量，由于环境温度向炸药内部进行的热量传递速度较炸药吸热速度慢，不能补偿奥克托今因转晶吸热而引起的温度下降，所以才出现温度下降的吸热峰。对比10＃－159－1、10＃－159－2、10＃－159－3炸药的180℃热终止试验图可知，10＃－159－2炸药（含有硝化棉）出现温度下降的吸热峰前的最高温度较10＃－159－1（含 TNT）炸药和10＃－159－3（不含硝化棉和 TNT）炸药的最高温度要高出将近3℃。这是因为，10＃－159－2炸药中含有的少量硝化棉在温度高于170℃时就出现缓慢分解放热的缘故。因此，当环境温度达到设定的180℃时，虽然药柱热爆炸试验系统的加热装置停止加热，但由于硝化棉分解放出的热量促使药柱内部的温度继续上升，所以硝化棉分解完全时，炸药内部温度达到最大。

图2 3种炸药180℃热终止试验

由图2可知，10＃－159－2炸药（含有硝化棉）在经历4h的恒温后，没有发生热爆炸，说明10＃－159－2炸药中的硝化棉虽在180℃下分解放热，但因其含量较少，放出的热量不足以使炸药发生热爆炸。

2.2 3种炸药热终止试验后的质量、体积变化

对3种炸药热终止试验前、后的质量进行称重，测量药柱试验前、后的高度以及上、中、下3个不同部位的直径，计算药柱的体积，数据见第12页表2。由表2中数据可知，10＃－159－3炸药的质量减少量只有10＃－159－1炸药的二分之一，10＃－159－2炸药的四分之一。这是因为，10＃－159－3炸药只含有主炸药奥克托今和热性能较稳定的高分子有机化合物，在180℃下恒温4h对其影响不明显。对比10＃－159－1炸药（含TNT）与10＃－159－2炸药（含硝化棉）的质量和密度变化率数据可知，10＃－159炸药中TNT的含量较硝化棉含量高，在热终止试验后，10＃－159－1炸药（含 TNT）的质量减少率相当于10＃－159－2炸药（含硝化棉）减小率的一半，但是其密度变化率却比10＃－159－2炸药高出18.5%。出现此种现象的原因是，180℃下热终止试验中，TNT由固态变成液态，继而有少部分从药柱中挥发出去，但是大部分以液态增塑剂的形式与有机高分子形成有机体，而硝化棉在此温度下基本完全分解，所以含硝化棉的10＃－159－2炸药质量减少明显；当TNT由固态变成液态时，其密度由1.6g·cm－3降低到1.4g·cm－3，体积明显增大，致使药柱体积明显变大，而硝化棉在热分解时，其体积没有明显发生变化。所以，含硝化棉的10＃－159－2炸药密度变化率反而比含TNT的10＃－159－1炸药小。

表2 3种炸药热终止试验后的质量、体积变化

耐热炸药中如含有硝化棉，高温时，硝化棉分解使炸药质量减少，密实性降低，导致密度下降，炸药的爆速降低，影响深孔弹的穿深；耐热炸药中如含有TNT，高温时，炸药体积变大，密度下降，炸药爆速降低，影响深孔弹的穿深。同时，由于炸药体积变大，炸药挤压射孔弹壳体，存在安全隐患。

3 结论

对10＃－159炸药中不同含能组分取代后的3种炸药进行了180℃下恒温4h的热终止试验，得到以下结论：

1）温度在180℃以上时，虽然硝化棉发生分解放热反应，但由于其含量较少，10＃－159炸药不存在热爆炸现象。

2）高温时，TNT由固态变成液态，体积明显增加，TNT对10＃－159炸药的体积变化的影响较大。

在将10＃－159炸药回收制备成油气田射孔弹用耐热炸药时，为了射孔弹的安全使用，必须除去炸药中的TNT；为了提高射孔弹的穿深，必须去除炸药中的硝化棉。

［1］ 黄亚峰，王晓峰，冯晓军，等.高温耐热炸药的研究现状与发展［J］.爆破器材，2012，41（6）：1－4.

［2］ 王晓峰，戴蓉兰，涂健.传爆药的烤燃试验［J］.火工品，2001（2）：5－7.

［3］ 冯晓军，王晓峰，韩助龙.炸药装药尺寸对慢速烤燃响应的研究［J］.爆炸与冲击，2005，25（3）：285－288.

［4］ 孙国祥，梁永贞，党兰.油气井射孔弹用炸药［J］.测井技术，1996，20（4）：297－302.

［5］ 孙国祥，王晓峰，孙富根，等.油气井射孔器用炸药及其安全性［J］.爆破器材，2002，31（2）：4－7.

［6］ 杨朝卿，冯国富，戴蓉兰.射孔弹用炸药药柱耐热试验研究［J］.爆破器材，1992（3）：8－11.

［7］ 冯晓军.火炸药药柱热爆炸试验系统研制报告［R］.西安：二○四所档案馆，2006.