压装工艺对CL-20基炸药性能及聚能破甲威力的影响

王利侠，戴致鑫，周　涛，景青波，贾　铭，周　玲

(1.西安近代化学研究所，陕西 西安 710065；2.中国兵器科学研究院，北京 100089)



压装工艺对CL-20基炸药性能及聚能破甲威力的影响

王利侠1，戴致鑫1，周涛1，景青波1，贾铭1，周玲2

(1.西安近代化学研究所，陕西 西安 710065；2.中国兵器科学研究院，北京 100089)

利用常温成型和热压成型两种工艺制备了典型的CL-20基混合炸药装药，测试了其装药密度、密度均匀性、力学性能、爆速，计算了格尼系数。对Φ50mm标准聚能装药进行了破甲试验。验证了不同压装工艺条件下装填CL-20基炸药装药聚能射流对45号钢靶的侵彻深度和穿孔直径效果。结果表明，与常温成型CL-20基装药相比，热压成型工艺条件时装药的密度提高不小于1.46%，密度均匀性、爆速和格尼系数和破甲能力试验数据均有不同程度的提高，且Φ50mm标准聚能射流对45号钢靶的平均穿深从310mm提高至343mm,平均穿孔直径由18.0mm增至23.5mm。

爆炸力学；CL-20基炸药；压装工艺；聚能破甲；常温成型；热压成型

引　言

CL-20高能量密度化合物是目前能量最高的单质装药[1]，具有高密度、高爆速、高爆压和高生成热等特征，并具爆炸能量输出比HMX高10%～15%[2-4]；文献[5-6]中开展了CL-20炸药工程化应用的相关研究，获得CL-20基炸药应用于聚能装药时，在有效炸高范围内其射流的断裂时间和侵彻威力等均优于HMX基炸药。由于聚能破甲弹药的破甲威力取决于驱动源炸药的能量[7-9]，因此CL-20炸药是未来提高反坦克破甲弹药威力极有潜力的高能炸药。

炸药的成型工艺对其装药性能有显著影响，目前，混合炸药成型工艺主要为压装药工艺、铸装药工艺和近几年提出的等静压装药工艺，等静压装药工艺在国内尚处于工艺安全性等探索阶段，而铸装药工艺易在装药内部产生疵病[10-11]。迄今较少见CL-20基混合炸药的成型工艺对装药性能及聚能破甲威力试验的相关研究。为使CL-20炸药在武器装备中获得实质性的应用，本研究采用成熟的压装工艺对典型配方的CL-20基炸药的成型、装药性能等进行探索。研究了常温、加热两种温度模压条件时装药密度和装药外观质量，测试了其力学性能、爆速等，通过聚能射流威力试验，验证了CL-20基炸药在不同温度成型条件时装药对射流威力性能的影响，为其推广及工程应用提供可靠的基础性数据。

1　实　验

1.1材料及仪器

CL-20，辽宁庆阳特种化工有限公司，氟橡胶FPM2603，符合标准Q/45090448-8.96-2013，中昊晨光化工研究院有限公司。

2立升悬浮造粒机，西安托普电气有限责任公司。

1.2药柱制备

将CL-20与氟橡胶FPM2603以质量比95∶5为配方，制成混合炸药造型粉，在常温(25℃)和热压两种工艺条件下将造型粉压制成型，常温成型指在25℃下，单纯依靠增加压力能使压装药柱密度增加；热压成型是指对炸药和压模加热使炸药成型。

1.3药柱性能测试

依据国军标GJB772A-97《炸药试验方法》中方法401.2和702.1部分[12]，分别对不同成型工艺下CL-20基药柱的密度和爆速进行测试；按照国军标GJB772A-97《炸药试验方法》中的方法418.1，对不同成型工艺下CL-20基药柱压应力、压应变进行测试，试验环境温度(20± 5)℃、压缩速率(0.50±0.05)mm/min。

1.4聚能破甲威力试验

图1为聚能破甲试验装置示意图，包括聚能装药、炸高支架和叠加45号钢靶；采用Ф50mm标准聚能装药，该装药为无隔板结构，射流稳定性和一致性均较好，其装药分别为常温和热压成型的CL-20基炸药、装药密度分别为1.921g/cm3和1.951g/cm3，药型罩为紫铜，锥角48°；试验用45号钢棒材的多层叠加靶作为靶标。

试验炸高约为180mm。试验后通过测量穿透钢靶的深度、穿孔直径及靶面入孔等参数来判断CL-20基炸药在不同压制成型工艺下聚能射流的破甲威力。

图1　聚能破甲试验布置图Fig.1　Field test setup of shaped charge penetration

2　结果与讨论

2.1不同压装工艺下的压力-密度曲线

图2为CL-20基压装炸药实际压制过程的压力密度-曲线，并与热压HMX基JO-8炸药进行对比。

图2　两种炸药压制成型的压力-密度曲线Fig.2　Pressure-density curves of explosive charge by two kinds of pressing molding

由图2可见，与JO-8炸药相似，CL-20基炸药装药密度随压力增加而呈逐渐增大趋势，且压力达到一定值后，压药最大密度值大于1.90g/cm3，而JO-8炸药密度略高于1.80g/cm3。对于CL-20基炸药，压制过程在合理的温度范围内，提高压药温度能增大药柱的装药密度。图2曲线显示，在较低压力阶段(≤200MPa)，药柱的装药密度随压力增加而上升的趋势较快，分析认为在此阶段散粒体炸药的压实及变形主要靠颗粒发生滑动位移而减小彼此间空隙来完成，应为炸药弹性快速变形区域；在压力较高阶段(>200MPa)，主要靠颗粒的弹塑性变形来压紧密，此时药柱密度增加缓慢，属于塑性变形区段。从曲线图和综合考虑使用的压机条件、压药模具强度及刚度要求，并从降低操作危险性的角度分析，在CL-20基炸药压制过程中，压力应控制在300MPa之内。

在压制过程中发现，常温成型CL-20基装药药柱出现了药片部分层裂及成片脱落现象，而热压成型的药柱表面光滑、致密、无可见裂纹。说明CL-20基炸药热压成型工艺优于常温成型工艺，分析原因可能是药温的提高可以降低炸药本身的机械强度，使炸药颗粒塑性和流动性增加，从而提高了炸药的可压性、药柱密度和外观质量。

因此，要想获得高密度和高质量CL-20基炸药装药，除考虑压力参数外，温度选取以不使炸药变色及药柱表面光滑无裂纹为原则，选择热压工艺的温度在90℃以下,比压取值范围230～300MPa，在此工艺条件下成型的CL-20基装药具有密度高和外观质量优良等特征。

2.2压装工艺条件对药柱密度及其均匀性的影响

研究表明[13-14]，增加装药密度是提高CL-20基炸药的爆轰性能(主要为爆轰压力和爆速)、装药力学性能和聚能破甲威力的重要途径，因此对CL-20基炸药热压、常温成型药柱的密度参数进行测试，结果见表1。

表1　热压及常温成型工艺条件下CL-20基炸药药柱的密度参数

注：Δρ为热压成型与常温成型条件下药柱密度差；IP为热压成型药柱密度较常温成型药柱密度提高的百分比。

由表1可见，常温成型CL-20基炸药药柱的密度平均值为1.921g/cm3，达到理论密度(最大密度ρmax)的96.2%；热压药柱的密度平均值为1.951g/cm3，达理论密度的98.3%，可见，热压CL-20基炸药药柱的密度比常温成型的提高至少1.46%。

研究表明[15-16]，采用精密装药技术能使聚能装药威力和破甲稳定性得到较高的提升。胡焕性[15]等研究认为，精密聚能装药在结构上要求内部密度分布的径向均匀性，以获得完全对称的爆轰波形和提高射流破甲稳定性；孙建等[16]的研究表明，得到精密装药的密度差可控制在±0.003g/cm3，使其密度接近炸药理论密度的99%。本研究测试了采用CL-20基炸药的精密热压和常温成型装药的径向密度均匀性，结果见表2，测定时分别在圆柱形药柱径向的平分四分位上取样。

表2　两种压制工艺条件的药柱径向密度差

注：ρ1为热压成型药柱的径向密度；ρ2为常温成型药柱的径向密度；Δρ=ρmax-ρmin。

由表2可见，药柱径向4个对称点热压精密药柱的径向密度差比常温压制药柱高出一个数量级，且在0.3%以下，说明CL-20基炸药的热压成型有利于装药径向密度均匀性的提高。

2.3压装工艺条件对药柱力学性能的影响

热压和常温压装的药柱力学性能测试结果见表3，试验药柱为Ф20mm×20mm的圆柱体。

表3　两种压装工艺对药柱力学性能影响的对比

注：t为测试温度；σ为压应力；ε为压应变；F为最大压力。

由表3可见，与常温压装相比，热压药柱强度增加20%以上，成型药柱的密度越大，说明装药压得越密实，抗压强度也就越大，保证了弹药的生产、运输及使用的安全可靠性及强度性能。

2.4压装工艺条件对药柱爆速及其格尼系数的影响

表4为CL-20基炸药热压药柱和常温压装药柱的爆速测试结果，ΔD代表两种压装工艺爆速差值。

表4　两种压装工艺药柱的爆速对比

由表4可知，常温成型CL-20基炸药药柱的平均爆速约9080m/s；而热压药柱的爆速均大于9210m/s，即实测热压药柱的爆速比常温药柱的增加大于1.46%。

(1)

式中：D为炸药的爆速；γ为炸药多方指数，由公式γ=ρ0/(0.14+0.26ρ0)计算。

结合表1中获得的密度平均值，计算得到常温成型药柱的γ值为3.0041，热压成型装药药柱的γ值为3.0142。利用式(1)和表4中爆速平均值数据，计算常温成型药柱的格尼系数为2944m/s，热压成型药柱的格尼系数为2977m/s。据此估算方法并结合参考文献[19]中数据计算得到热压成型JO-8炸药的γ值为2.966、格尼系数为2860m/s。可见高能量密度CL-20基炸药对聚能药型罩等金属壳体的加速能力均比JO-8炸药的高；且热压CL-20基炸药药柱比常温成型时对金属的加速能力更好一些。

由此可见，热压工艺成型药柱的爆速及格尼系数均比常温成型的高。

2.5压装工艺条件对破甲威力的影响

图3(a)和图3(b)分别为常温、热压成型装药的聚能破甲试验结果，射流穿靶深度和穿孔入孔直径测量结果见表5。

图3　聚能射流侵彻试验结果Fig.3　Test results of shaped charge jet penetration

压装工艺d1/mmd2/mmL/mmL/mmδ/%热压成型≥40(崩裂)7336热压成型4073503432.05热压成型≥40(崩裂)7342常温成型306321常温成型3063003103.42常温成型306308

由表5可见，热压成型装药不仅使射流穿深较常温成型装药提高了约10%，穿靶孔径也至少增大15%，由18.0mm增加至23.5mm。分析认为，可能由于常温成型装药的密度均匀性差，导致射流穿深相对偏差为3.42%，比热压成型装药射流的穿深偏差大的多。

由图3(a)的穿深结果可见，热压成型装药的射流侵彻第1靶入孔在同样靶柱直径时均出现了崩裂，而图3(b)常温成型装药射流侵入时的第1靶并未有靶柱的崩裂现象发生。分析原因是由于热压CL-20基炸药装药密度高产生的射流速度高，使得射流能量高于常温压制装药射流，作用于靶板时使压应力瞬间高速集中释放而超过材料强度极限引起大扩孔。因此热压工艺时装药密度的增加有利于射流的破甲穿深和开孔能力的提高。

3　结　论

(1)采用常温、热压成型两种工艺条件下CL-20基炸药药柱密度随压力增加呈增大趋势，最大装药密度1.95 g/cm3以上；热压工艺温度低于90℃，压力取值范围230～300MPa，此工艺下成型药柱具有密度高和外观质量光滑致密等优点。

(2)CL-20基炸药的常温和热压成型药柱密度值分别为理论密度的96.2%和98.3%；热压成型装药药柱的强度比常温成型药柱增加20%以上；热压成型药柱的爆速大于9210m/s，较常温成型药柱提高1.46%，可见热压成型药柱的各项性能均优于常温成型药柱。

(3)热压成型装药用于聚能破甲其射流威力比常温成型装药提高了约10%，对45号钢靶穿孔孔径至少增大了约15%。因此，热压装药有利于射流破甲后效的提高，综合毁伤效果好。

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Effect of Pressing Molding on the Property and Shaped Charge Penetration Power of CL-20-based PBX

WANG Li-xia1, DAI Zhi-xin1, ZHOU Tao1, JING Qing-bo1, JIA Ming1,ZHOU Ling2

(1.Xi′an Modern Chemistry Research Institute, Xi′an 710065, China；2. China Research and Development Academy of Machinery Equipment, Beijing 100089, China)

CL-20-based composite explosive charge was prepared by two techniques of room-temperature-pressing molding and thermo -pressing molding. Its charge density, density homogeneity, mechanical properties and detonation velocity were measured. Gurney coefficient was calculated. The penetration test of standard shaped charge with diameter of 50 mm was performed. The effect of shaped charge jet of CL-20 based explosive using different pressing techniques on type 45 steel target penetration depth and diameter of perforation was verified. Results show that, compared with room-temperature-pressing molding, the charge density of thermo-pressing molded CL-20-based explosive increases by no less than 1.46%. The test data of density homogeneity, detonation velocity, Gurney coefficient and penetration capability have different degrees of improvement.The average penetration depth of standard shaped charge with Φ50mm against type 45 steel target increases from 313mm to 343mm, and average penetration diameter increases from 18mm to 23.5mm.

explosion mechanics; CL-20-based PBX; pressing molding; shaped charge penetration; room-temperature-pressing molding ;thermo-pressing molding

10.14077/j.issn.1007-7812.2016.04.011

2016-01-25；

2016-03-10

国防基础研究项目

王利侠(1966-)，女，高级工程师，从事聚能战斗部技术及毁伤效应研究。E-mail:wlx201311tgy@163.com

戴致鑫(1968-)，男，高级工程师，从事炸药配方及制备工艺研究。E-mail:daizhixin@qq.com

TJ55;O385

A

1007-7812(2016)04-0056-05