10＃－159炸药与H781炸药的耐热性能研究

田 轩， 赵东奎， 冯晓军， 黄亚峰， 徐洪涛， 张 哲

（1.西安近代化学研究所，陕西 西安 710065；2.中国北方化学工业集团有限公司，北京 100089）

1 概述

在废旧弹药处理技术方面，国内主要以露天燃烧法为主，这种方法不仅污染环境，而且造成了大量资源浪费［1］。相比之下，国外发展了多种绿色销毁技术。其中，废旧火炸药的无公害畜力与回收利用技术取得突破，其废旧弹药中的火炸药材料可改制成其他能源材料［2－3］，如用废旧火炸药再次制造军用或民用炸药。美国国防部于2003年组织NSWC、TPL、LANL和ATK公司对几千公斤的HMX基军用弹药进行回收处理，并对不同炸药、推进剂的HMX回收产品进行性能鉴定。研究发现，使用回收HMX制备的PBX－135能够满足新武器系统的性能规范。

10＃－159炸药是一种HMX基高能塑料黏结炸药。由于该炸药具有高爆速、高爆压、低感度等特点，曾被广泛应用于破甲弹装药，目前这类废旧弹药大批需要进行处理。在民用炸药领域，H781炸药以HMX为主，作为一种耐高温混合炸药，该炸药大量用于耐高温石油射孔弹装药［4－5］。

废旧军用炸药民用化的主要技术问题在于环境适应性，即因使用环境要求的不同可能影响其使用。以H781炸药为例，该型炸药的主要应用环境为高温（180℃）、高压，而我国军用弹药的环境适应性试验温度为－54℃～71℃。因此，需对这2种炸药的耐热性、高温对使用性能的影响开展相关研究。

2 试验部分

2.1 试验原理及装置

在高温环境下炸药发生热分解反应，由于反应放热或反应产物的积累，促进反应自动加速为爆炸反应。

试验装置（如第23页图1）主要由加热炉、控温热电偶、测温热电偶、温度显示仪和记录仪等组成。试验最大药量为200g TNT当量。加热炉采用防爆加热体结构，具有良好的保温性和抗爆安全性。通过控温热电偶控制加热炉温度，控温范围为0℃～800℃，升温速率为1℃／min～10℃／min可调，升温速率控制精度误差±0.5℃／min。该装置可自动实时记录温度值。

2.2 试样制备

试验所用的炸药10＃－159和H781炸药均由西安近代化学研究所（204所）生产，成型以压装工艺为主。

图1 慢烤试验装置组成示意图

2.3 试验方案

1）热爆炸试验：以Φ40mm×40mm炸药装药为研究对象，试样置于钢制壳体中，上端开口，在试样内部插入测温热电偶，以监测试样内部中心温度，外部加热速率为1℃／min。该试验可获取炸药发生热爆炸反应的临界温度以及装药的热历程。

2）高温对装药性能的影响：选择低于热爆炸临界温度的高温环境进行长时间加载，通过对比试样在试验加载前后的性能变化来研究高温对其性能产生的影响。

3 结果与讨论

3.1 热爆炸试验结果

试验结果见图2。由图2可知，随着环境温度的持续升高，2种炸药装药在一定温度下均出现平台区，但平台出现时的装药和环境温度明显不同。以图2中10＃－159炸药为例，当10＃－159炸药装药达到170℃时升温加快，并于179.4℃时率先进入平台区，平台区持续时间为10min，此后的持续升温速率比初始升温速度快；当装药到达220℃时，装药再次快速升温至248.6℃，之后，整个装药发生热爆炸反应。相比之下，H781炸药的升温过程显得简单，该炸药达到180.3℃后进入平台区，平台区持续时间为15.8min，当炸药达到218.3℃时装药开始热爆炸反应。

图2 2种炸药的热历程曲线

根据《含能材料热分析》中对HMX炸药特性的描述，其DSC试验发现，该炸药在190℃存在β－HMX到δ－HMX的晶型转变吸热峰，这是热历程曲线中装药出现平台的主要原因。但平台出现时间和持续时间的不同表明，10＃－159中存在较强的自热反应，它缩短了整体装药的吸热时间。

3.2 高温加载试验

通过对比高温加载前、后试样的质量、尺寸变化，研究了高温加载对炸药装药的影响。其中，炸药装药尺寸均为Φ40mm×40mm；高温加载试验条件为：180℃／（4h），约束条件为钢制柱形壳体，药柱上表面与空气接触。试验完毕，待样品降至室温后，对其质量和尺寸进行测量。

1）试样参数变化。

表1为2种炸药装药试验实验前、后的质量比和体积比，根据其比值得到了高温给试样密度带来的变化。其中，样品尺寸采用五点平均法得到。

表1 试验前、后的样品状态变化

由表1可知，长时间180℃恒温试验后，两样品均出现失重情况。与H781炸药相比，10＃－159试样药柱失重率高达1.56%。另外，高温会给药柱尺寸带来一定的影响。尤其是降至室温后样品的体积比表明，高温对10＃－159试样尺寸的影响更大。在密度方面，H781炸药试验后密度是初始状态的97%，而10＃－159则低至94%。

2）高温对试样的热损伤

由于射孔弹的穿深性能直接与装药的爆速性能相关，而炸药的爆速性能与炸药密度呈正比关系，因此，10＃－159在高温下的使用性能仅为常温状态下的94%。该值还未考虑材料组分变化对爆速性能的影响。

试验前、后的试样见第24页图3。由图3可知，相比之下，试验后10＃－159试样表面出现明显黑迹，表明样品在较长时间的高温产生明显的炭化，这可能是10＃－159炸药中某些组分提前发生反应的缘故。降温后试样尺寸仍然明显增大，表明高温对试样的不可逆膨胀性能影响增强，这不仅与HMX的晶型转变有关，而且可能与某些炸药组分的相变有关。

上述试验均为常温条件和半密闭条件，那么可以想象，在真实的高温及密闭约束条件下，10＃－159炸药的热胀作用更加显著，但密闭壳体对炸药装药的限位作用始终存在，这将导致在装药内部形成巨大的内应力，进而挤压药型罩影响射流方向。

图3 试验前、后样品图

4 结论

1）热爆炸试验表明，10＃－159炸药的热安全性低于H781炸药。

2）高温加载试验表明，与H781炸药相比，10＃－159炸药经历长时间高温加载后产生明显失重，这改变了装药密度，直接导致炸药的高温使用性能降低。同时，高温给装药带来的体积变化可能在装药内部形成内应力，并通过挤压药型罩影响射流方向。

综上所述，由于10＃－159炸药在耐热性、高温使用性能方面均低于H781炸药，因此直接将其用于高温射孔装药尚存困难，尚需通过深入研究找出主要影响因素，以期为后续配方及工艺改进指明方向。

［1］ 黄鹏波，张怀智，谢全民，等.废弃常规弹药销毁技术综述［J］.工程爆破，2013，19（6）：53－56.

［2］ 仪建华，赵凤起，李尚文，等.美俄废弃火箭发动机装药绿色销毁与回收技术研究进展［D］.2006年火炸药新技术研讨会论文集.西安：西安近代化学研究所，2006：685－689.

［3］ 李静海.废弃导弹火工品中火炸药的处理与回收再利用探讨［J］.国防技术基础，2007（6）：49－52.

［4］ 白锡忠，常熹.油气井射孔弹及其应用［M］.北京：石油工业出版社，1992：79.

［5］ 冯长根.热爆炸理论［M］.北京：科学出版社，1988：192－226.