基于TANPyO的PBX炸药爆炸性能研究

何志伟，孟 涛，郭子如，刘 锋，汪扬文，李远园

(安徽理工大学化学工程学院，安徽 淮南 232001)

近年来，由于对石油资源需求的日益增长，造成石油开采的环境对于开采条件越来越严苛，对石油井下使用的爆破器材提出了更高的应用标准。这是由于石油资源的不可再生性与不可替代性所造成的。毕竟，射孔弹的性能与石油开采的产油率关联十分密切[1-2]。同时，在军用的低易损炸药中对主体炸药的钝感性有一定要求且不能对爆炸威力有所影响，确切来说就是提高低易损炸药的高能钝感性[3]。因此，研发一种满足上述要求的新型高能密度材料非常有必要，此外新型高能含能材料的爆炸性能也需进行更进一步的研究。

2,4,6-三氨基-3,5-二硝基吡啶-1-氧化物(TANPyO)作为一种深受国内外学者热切研究的新型高能量密度含能材料[4]，其合成是通过硝化和氧化反应的制备过程在以2,6-二硝基吡啶为原料的基础上制备所得。TANPyO因其具有良好的热安定性[5-6]、较低感度和良好的爆炸性能，在国内外受到广泛的研究[7-8]。TANPyO就其综合性能表现来说，与1,3,5-三氨基-2,4,6-三硝基苯(TATB)大致相当，而要优于六硝基芪(HNS)和2,6-双苦氨基-3,5-二硝基吡啶(PYX)，并且TANPyO原料成本和工艺要比上述物质低，但由于TANPyO药柱易断裂，压制成型难度大，可以在不影响其耐热钝感特性的前提条件下，在单质TANPyO中混入黏结剂制成造型粉，从而很好地改善TANPyO的成型性能。所以，TANPyO可以替代1,3,5-三氨基-2,4,6-三硝基苯(TATB)、六硝基芪(HNS)、2,6-双苦氨基-3,5-二硝基吡啶(PYX)等耐热炸药[9-12]，有望成为一种新型的低感度、低成本、高爆炸性能含能材料[13]，在石油射孔弹、低易损炸药等领域具备较大的应用前景。

当前，关于TANPyO耐热性能的研究已有大量研究报道，但关于其爆炸效应和破甲穿深等方面研究较少。本文通过对TANPyO基PBX炸药进行爆速、感度[14]和聚能穿孔[15-16]等方面研究，并与多种常规高能耐热炸药进行对比实验，从而对TANPyO这种高能量密度材料在耐热石油射孔弹和低易损炸药等方面得到更好的拓展与应用提供理论支持。

1 试验装置和材料

1.1 试剂与仪器

试剂：TANPyO，实验室自制，结构如图1所示[17]；8701炸药和TATB为实验室自制；PYX，西安近代化学研究所；HNS和RDX，甘肃银光化学工业有限公司；氟橡胶F2311，乳白色半透明固体，中蓝晨光化工研究设计院有限公司；丁腈橡胶NBR，兰州石化公司合成橡胶厂；乙酸乙酯(分析纯)，天津市科密欧化学试剂有限公司；液体石蜡，南阳石蜡精细化工厂。

图1 TANPyO结构式Fig.1 Molecular of TANPyO

仪器：MFB-500型起爆器，渝荣防爆电器有限公司；日本JEOLJSM-6380LV型扫描电子显微镜；TSN-632M型32通道爆速测定仪，法国Chrono Meter公司；钢靶、压药钢质模具，南京赛格精密模具有限公司；油压机，东莞铭锵机械有限公司。

1.2 样品制备

TANPyO基PBX样品是在主体炸药TANPyO的基础上，添加的黏结剂为氟橡胶F2311和丁晴橡胶NBR，在实验室中采用溶剂-悬浮-蒸馏法制备所得，并以不添加黏结剂的TANPyO基PBX样品炸药作为空白对照实验组。

首先在单口圆底烧瓶中倒入200 mL乙酸乙酯，接着将称取好的0.5 g橡胶加入烧瓶中，将其置于70 ℃的水浴加热30 min，得到氟橡胶的乙酸乙酯溶液，冷却至室温备用。在500 mL带搅拌桨的三口圆底烧瓶中加入装有120 mL蒸馏水和称取好的10 gTANPyO，通过恒压漏斗缓慢加入适量氟橡胶F2311乙酸乙酯溶液、液体石蜡和少量邻苯二甲酸二丁酯，在50 ℃的恒温水浴条件下，反应体系进行减压蒸馏，蒸馏结束后升高温度至75 ℃保持10 min，直到冷却至室温。将减压抽滤所得的产物经过多次洗涤后在60 ℃水浴烘箱中干燥至恒重，制备出以氟橡胶F2311包覆的TANPyO，记为样品1。重复上述流程，制备出以丁晴橡胶NBR包覆的TANPyO，记为样品2；以氟橡胶F2311与丁腈橡胶(NBR)按比例混合的黏结剂包覆的TANPyO，记为样品3。上述样品添加的黏结剂质量分数均为0.5%。

1.3 爆速与感度测试

样品爆速的测试按照GJB 772-97方法702.1来进行测试，在爆速测试中样品药柱的压药条件是：内径为15 mm的钢制模具，样品药柱的用量为5 g，在油压机的压强达到240 MPa进行测试，每组样品测试3次并选取其平均值作为实验结果。

样品的感度测试是按照GJB 772-97方法601.1和602.1分别进行撞击感度、摩擦感度测试，撞击感度的测试条件为：试验用10 kg落锤，落锤高度为(250±1) mm，样品质量(50±2) mg。摩擦感度的测试条件为：试验所用摆锤为1.5 kg，样品质量(30±1) mg，表压为(4.9±0.07) MPa，测试结果取2次平行试验的平均值。

1.4 射孔穿深测试

试验中射孔弹的弹型为DP3425-1，射孔弹的药型结构采用聚能药柱的参数进行压制所得，药型罩选用材质为铋合金粉末，内径为38 mm，锥角为30°，由冲压制成。对试验射孔弹中的炸药分别采用压罩和粘罩工艺进行压药成型，压罩是直接将药型罩放到压制模板上一次成形；粘罩是炸药在在弹壳中压制成形后，将药型罩放入锥面上用胶水进行密封。试验射孔弹的压药成型外观如图2所示，根据对射孔弹压药工艺条件和实际压制效果的要求需要将压强范围调整为2.0～5.5 MPa，保压时间为3 s，装药密度为25 g/发。

图2 射孔弹压药成形外观Fig.2 Press-charged appearance of perforation projectile

射孔穿深试验装置主要包括起爆系统(导爆索和8#工业电雷管)、射孔弹、支撑管和45#圆形钢靶，固定射孔弹时，要尽可能保持弹孔的中心线与支撑管、钢靶的轴线重合，其结构如图3所示。

图3 射孔穿深试验装置Fig.3 Perforating depth test device

1.5 爆炸威力试验

将TANPyO基PBX样品对钢锭的侵彻深度和侵彻体积与8701炸药对钢锭的侵彻深度和侵彻体积进行对比。本试验的装药结构采用圆柱型，压制参数为钢制的压药模具其内径为60 mm(见图4a)；药型罩的锥角设计为60°，直径56 mm，材质为工业紫铜Tu；试验炸高设计为80 mm，单发装药量为250 g。由于TANPyO基样品炸药药柱具有较低的感度，所以为了确保成功起爆，对用雷管引爆药柱的起爆方式中加入RDX传爆药进行起爆(见图4b)。为了获得射流侵彻靶板的孔径分布情况，将直径110 mm，高180 mm的钢锭与直径110 mm，高40 mm的钢锭进行叠加。

图4 试验药柱及起爆方式Fig.4 Test charge and initiation method

2 结果与讨论

2.1 爆速与感度分析

为了探究TANPyO基PBX炸药的爆炸性能，选择几种常见的耐热混合炸药从爆速、撞击感度和摩擦感度方面与TANPyO基PBX炸药进行比较。本实验选取以PYX、HNS、TATB为基的耐热混合炸药样品与制备的TANPyO基PBX炸药进行对比，试验结果如表1所示。

表1 试验样品的爆速与机械感度

从表1的试验结果可知，纯TANPyO炸药的爆速达到7 146 m/s，以TANPyO为基的3种PBX炸药的爆速在7 200 m/s左右，低于以HNS和TATB为基的PBX炸药的爆速，爆速降低约200 m/s，但要高于PYX基PBX炸药的爆速，提高了300 m/s左右，其中以样品TANPyO与黏结剂丁晴橡胶相结合的炸药爆速最高为7 282 m/s。3种样品密度均在1.78 g/cm3左右，比TATB基PBX样品装药密度小，与HNS基PBX样品装药密度相近，明显大于PYX基PBX样品装药密度，装药密度提高了0.05 g/cm3。上述试验结果表明了TANPyO为基的PBX炸药达到常用的耐热混合炸药标准，能够成为一种可替代现有耐热炸药系列的新型高能钝感的耐热炸药。炸药中黏结剂的添加提高了混合炸药中主体炸药的含量，保证可靠有效的破甲威力；此外，含氟高聚物还具有良好的物理化学稳定性、耐热性和抗老化性，在混合炸药各组分中有着良好的相容性，同时具有改善PBX样品的压制成形性。在3种TANPyO基PBX炸药样品中以添加NBR的样品2爆速最大，添加氟橡胶F2311的样品1与添加氟橡胶F2311与丁腈橡胶(NBR)比例混合的样品3爆速相近，这是由于黏结剂中的氟橡胶包覆TANPyO过程中，带有负电荷的氟原子与硝基氧原子结合，会产生电荷的诱导效应；同样，黏结剂NBR中-CN与硝基氧原子引起电荷的诱导效应，并且NBR中-CN电负性要强于氟橡胶带有负电荷的氟原子，因此在混合炸药体系中NBR对TANPyO的包覆形成的界面更稳定，爆炸反应程度更深，体现出样品2的爆速比样品1的爆速高，但是NBR的耐热性和抗氧化性不如氟橡胶，所以，在深油井开采等特殊环境对射孔弹有着耐高温性能要求的NBR耐热炸药就不适合使用。

从表1的试验结果可知，采用黏结剂包覆的PBX样品的撞击感度和摩擦感度都得到不同程度的改善，有着明显地降低，大大提高了炸药的安全可靠性。其主要原因可以分为两个方面：首先主体炸药TANPyO是一种高能钝感材料，其感度性能低且能量密度高；另一方面也是主要由于黏结剂的添加，在含氟高聚物的包覆下感度进一步得到改善。撞击感度和摩擦感度热点的生成机理是通过相对位移或压缩空气生热形成，因此在黏结剂包覆下的主体物质TANPyO颗粒表面形成致密、弹性的薄膜，从某种程度上实现了降低撞击、摩擦对该物质的机械作用。3种制备所得的TANPyO基PBX样品炸药在撞击感度和摩擦感度方面表现要比PYX基PBX样品炸药分别低约64%，34%；比HNS基PBX样品炸药分别低约28%，12%；其与TATB基PBX样品炸药在撞击感度方面接近，摩擦感度比TATB基PBX样品炸药高约8%，多方面综合考虑下，能够满足石油射孔与低易损炸药高能钝感要求，该物质对于低易损炸药、石油深井射孔等方面存在潜在的应用价值和重要研究意义。

2.2 SEM形貌分析

对添加氟橡胶和丁晴橡胶进行包覆的样品1、2及未包覆TANPyO用扫描电镜(SEM)进行微观形貌观察，结果如图5所示。

图5 样品微观形貌Fig.5 Microstructure of samples

由图5a可以看出，被F2311包覆后的TANPyO颗粒显著变大，外形呈球状且颗粒表面变得光洁；由NBR包覆TANPyO后的照片(见图5b)可以看出，包覆后的TANPyO颗粒变大，表面为不规则形状并具有一定的光滑度；由未进行包覆的TANPyO的照片(见图5c)可知，其结构多为块状并包含少许片状，外形粗糙不规则，颗粒颜色灰暗。由电镜扫描得到的微观形貌进一步解释添加NBR和F2311包覆TANPyO降低感度的原因。

2.3 射孔穿深分析

为比较TANPyO基PBX样品中添加的黏结剂种类的不同以及不同压药工艺对射孔穿深能力的影响，试验选取PBX样品射孔弹6发，根据压药工艺压罩和粘罩分为两组，每组中的3发射孔弹添加的黏结剂依次为F2311、NBR和F2311+NBR，两组中黏结剂的种类和含量相同。对选取的6发射孔弹分别进行破甲射孔穿深试验，并对试验结果(见表2)进行分析，钢靶破甲射孔穿深的试验效果图如图6所示。

表2 射孔弹的射孔穿深测试结果

图6 钢靶破甲射孔情况Fig.6 Effect of penetration and perforation of steel targets

由表2可知3种添加黏结剂的PBX样品射孔深度均超过120 mm，其中射孔深度、破甲效果最好的是加入黏结剂F2311+NBR的PBX样品，黏结剂NBR的PBX样品次之，黏结剂F2311的PBX样品表现最差。在F2311+NBR的PBX样品中粘罩和压罩的穿深好且稳定，射孔深度均超过135 mm，入射口径规则并且入射直径大,口径误差不超过0.2 mm，由此说明炸药爆炸形成的聚能射流量大。此外，破甲入射孔分布趋近于钢靶中心处说明射孔能量集中，方向性好；含NBR的PBX样品接近于上述PBX样品效果，粘罩和压罩的射孔穿深也均超过130 mm，射孔直径大小也近似于相同；含F2311的PBX样品在射孔穿深和入射口径等方面效果最弱。3组射孔弹样品在穿孔深度、口径大小及射孔位置等方面，压罩的效果要比粘罩效果好。

通过对表2射孔弹射孔试验参数的分析可知，以TANPyO为主体装药的3种PBX样品中尤其以加入黏结剂F2311+NBR的PBX样品射孔穿深性能好，其表现为射孔规则，穿深稳定且最深，由此说明这种TANPyO混合耐热炸药爆炸产生的爆轰能量大，利用效率高，用于聚能射流能量更集中。聚能射流过程中的射孔穿深是爆轰产物形成的聚能气流作用在钢靶的结果，由于聚能气流的能量集中程度不高，但可以通过集中动能大大提高能量的集中程度，因此，射孔穿深的核心关键在于爆炸产物沿射流方向的速度分布和质量分布，此外，根据表中测试的试验结果可知样品中的黏结剂组分对于炸药的聚能射流产生一定影响，进而影响射孔穿深能力。此次试验采用的是易碎性能好，在压垮期间能量损失可以忽略不计，产生的剪应力和切应力较小的铋合金粉末药型罩，这种药型罩下形成的聚能射流能量集中，有利于改善射孔弹在射孔穿深方面的应用。

2.4 爆炸威力分析

选用8701炸药作为研究TANPyO基PBX样品爆炸威力的参照并对二者进行爆炸威力测试，测试结果如表3所示。根据爆炸威力测试原理，通过数值模拟来模拟药柱爆炸形成的聚能射流侵彻靶板过程(见图7)。

表3 爆炸威力试验结果

图7 射流侵彻靶板的数值模拟Fig.7 Numerical simulation of jet penetrating target plate

由表3爆炸威力测试结果可知，从侵彻深度来看样品3与8701炸药的作功能力，二者间的差距并不大，样品3的作功能力只比8701炸药低6.6%；但从侵彻靶板的体积来看，二者间差距较大，样品3的作功能力要比8701炸药低29.4%。产生这种情况的原因主要是TANPyO药柱压制的成形性不好，在药柱压制过程中各部分受力不均匀，有咯吱声音出现，说明其流动性差，从而影响药柱密度的均匀分布，甚至出现药柱的断层或裂纹，进而表现出对靶板侵彻深度和侵彻体积的差异。

3 结论

1)TANPyO基PBX样品炸药的爆速比常规钝感炸药HNS和TATB基PBX样品的爆速要低一点，但要高于PYX基PBX样品的爆速。TANPyO基PBX样品的撞击感度比PYX基PBX样品要低约64%，比HNS基PBX样品低约28%，与TATB基PBX样品接近；TANPyO基PBX样品的摩擦感度比PYX基PBX样品要低约34%，比HNS基PBX样品低约12%，比TATB基PBX样品高约12%。由此可以看出TANPyO作为一种新型高能钝感含能材料，其高聚物黏结炸药能够像常规钝感炸药应用于民用或军用领域中，具有较大的应用价值。

2)TANPyO经过F2311和NBR包覆后的颗粒较未添加黏结剂包覆的颗粒显著变大，表面规则性与光洁程度好；通过感度测试进一步表明，在添加有黏结物质的包覆能够一定程度上提高TANPyO的钝感性能。

3)3种TANPyO基PBX样品炸药均具有良好的射孔穿深性能，射孔穿深达120～140 mm，其中射孔深度、破甲效果最好的是加入黏结剂F2311+NBR的PBX样品，穿深均达到135 mm以上，入射孔口径大且规则，入射孔大都分布在钢靶中心处，射孔位置准确。含NBR的PBX样品在入射口径及其分布位置等方面接近于F2311+NBR的PBX样品效果，射孔穿深也均超过130 mm；含F2311的PBX样品入射孔口径较小，入射孔多数偏离钢靶中心，穿深能力较差达到120 mm。测试结果表明，压罩射孔弹的爆炸效果要比粘罩射孔弹好。

4)爆炸威力试验结果表明，在以8701炸药为基准的条件下，TANPyO基PBX样品的侵彻深度和侵彻体积分别达到93.4%，70.6%，入射口径只比8701炸药小3 mm，达到28 mm。表明TANPyO基PBX样品的爆炸威力虽然低于8701炸药，但是基本达到常用PBX的爆炸性能。