FOX-7基混合炸药的制备及性能研究

［摘 要］ 鉴于含铝炸药（钝黑铝，DHL）在安全性和能量输出方面存在问题，使用不敏感单质炸药FOX-7（1，1-二氨基-2，2-二硝基乙烯）作为主体炸药，并以高纯度超细无定形硼粉（B）作为高能燃料、高氯酸铵（AP）作为氧化剂和产气剂、乙烯-醋酸乙烯共聚物（EVA）为黏结剂、微晶蜡作为钝感剂，基于相关理论进行配方设计与优化。最终，采用以撞击感度为判据的配方，并通过湿法球磨辅助溶剂蒸发法制备出混合炸药。该炸药具有如下主要性能：堆积密度1.469 g/cm3，撞击感度10%，摩擦感度12%，爆热8 092.9 kJ/kg，5 s延滞期爆发点303 ℃，真空安定性合格，热安定性良好。由此可得，该炸药是一种可替代DHL炸药的不敏感高能炸药。

［关键词］ 不敏感；高能；FOX-7；制备；性能

［分类号］ TJ55

Preparation and Performances of FOX-7 Based Mixed Explosives

TIAN Xin①，WANG Baoguo①，WANG Biyuan②，ZHAO Wenhu③，ZHANG Yanliang③

①School of Environmental and Safety Engineering， Central North University （Shanxi Taiyuan， 030051）

②Foreign Trade Branch， International Trade Co.， Ltd.， Shanxi Coking Coal Group （Shanxi Taiyuan， 030051）

③Shanxi North Jindong Chemical Co.， Ltd. （Shanxi Yangquan， 045000）

［ＡＢＳＴＲＡＣＴ］ Aluminum containing explosives （dull black aluminum， DHL） have issues with safety and energy output. An insensitive single-compound explosive FOX-7 （1，1-diamino-2，2-dinitroethylene） was used as the main explosive， high-purity ultrafine amorphous boron powder （B） was used as the high-energy fuel， ammonium perchlorate （AP） was used as the oxidant and gas generator， ethylene vinyl acetate copolymer （EVA） was used as the binder， and microcrystalline wax was used as the desensitizer. Based on relevant theories， the optimization design of the explosive formula was carried out. Finally， a formula based on impact sensitivity was adopted， and a mixed explosive was prepared by wet ball-milling-assisted solvent evaporation method. The packing density of this explosive is 1.469 g/cm3， with an impact sensiti-vity of 10%， a friction sensitivity of 12%， a detonation heat of 8 092.9 kJ/kg， and a five-second delay period of 303 ℃. Vacuum stability of the explosive is qualified， and the thermal stability is good. Therefore， this explosive is an insensitive high-energy explosive that can replace DHL explosives.

［KEYWORDS］ insensitive; high energy; FOX-7; preparation; performance

0 引言

炸药是武器装备实现高效毁伤的关键核心。随着时代的快速进步，炸药不仅需要拥有较高的毁伤威力，还应具备更高的安全性。为满足这种要求，不敏感弹药便应运而生［1］。FOX-7是一种新型的不敏

感单质炸药，能量水平接近黑索今（环三亚甲基三硝胺，RDX），但机械感度明显低于RDX［2-4］。

Jaidann等［2］分别对添加乙烯丙烯橡胶的FOX-7基或RDX基混合炸药进行性能分析，结果表明，FOX-7基混合炸药的安全性比RDX基的高。董军等［5］对FOX-7基、TNT基的炸药进行不敏感性试验，结果表明，FOX-7基混合炸药的不敏感性比TNT基有显著提高。

在对含硼（B）炸药进行研究时发现，B的质量分数由2%提升至10%时，炸药的机械感度和爆速与B含量呈正相关趋势；B的质量分数为20%时，混合炸药的爆热最大；B的质量分数超过20%时，随着B含量的增加，总体输出能量降低［3-4，6-7］。

本文中，为研究一种新型不敏感高能混合炸药，采用湿法球磨辅助溶剂蒸发法对FOX-7基不敏感高能混合炸药进行制备，并对其主要性能进行测试和分析。

1 理论与实验

1.1 理论分析

为了提高炸药的不敏感性，可以采取以下措施。首先，改进炸药的化学配方，选择更稳定的化学物质作为主要成分，例如奥克托今（HMX）或RDX；其次，添加特殊的抑制剂、缓冲剂等添加剂，以减少炸药对外界刺激的敏感性；此外，优化炸药的结构，改进晶体结构和包覆材料，使炸药更加稳定和抗冲击；最后，通过改变炸药晶体结构、粒度和密度等参数，降低炸药对外界刺激的敏感性，进而降低意外事故的风险［8］。

为达到炸药高能目的，通常采取改进配方、增加氧化剂含量、添加特殊添加剂以及优化炸药结构等方法。在配方研究方面，选择具有更高能量的化学物质作为主要成分，如HMX；增加氧化剂含量可以提供更多氧气供燃烧反应使用，常用的氧化剂包括硝酸盐和高氯酸盐；添加金属粉末或氢化物等特殊添加剂可以提高燃速和能量密度；优化炸药结构，包括改进晶体结构和包覆材料，可以使炸药更加紧密和稳定，提高能量释放效率。

这些方法可以有效地提高炸药的能量性能［8］。

EXPLO5是通过在设定的温度和压力下，基于化学平衡、自由能最小化、Chapman-Jouguet爆轰理论，对混合炸药的配方进行模拟，并对配方的爆速、爆压、爆热和爆温等爆炸参数进行计算的一款软件［9］。

1.2 配方确定

为实现不敏感、高能量的目的，选取常温下相对稳定、具有较高爆速的FOX-7代替钝黑铝（DHL）中的RDX作为混合炸药的主体炸药；为实现提高混合炸药爆热的目的，选取质量热高、比表面积大的硼B代替原配方的铝Al作为高能燃料；为实现提高产物做功能力的目的，选取气体量大、氧化性强的高氯酸铵（AP）作为氧化剂和产气剂；为实现增加各组分之间黏结性的目的，选取黏结性强、可降低炸药体系刚性的乙烯-醋酸乙烯共聚物（EVA）代替原配方的硬脂酸（SA）作为黏结剂；为实现降低混合炸药机械感度的目的，选取熔点较高、热稳定性和延展性良好的微晶蜡作为不敏感添加剂。

以爆热不低于1.8倍TNT当量为标准，通过EXPLO5程序计算组分配方。然后，以撞击感度为判据，确定混合炸药的质量比m（FOX-7）m（B）m（AP）m（EVA）m（微晶蜡）=6620932。理论密度为1.868 g/cm3。爆轰参数：爆热为8 712.06 kJ/kg，爆温为4 640.48 K，装药密度为1.680 g/cm3时的爆速和爆压分别为7 232.66 m/s、23.81 GPa。

1.3 试剂与仪器

FOX-7、DHL，工业级，甘肃银光化学工业集团有限公司；EVA，工业级，苏州乔顺塑化有限公司；B，纯度大于92%，粒径小于1 μm，营口辽滨精细化工有限公司；AP，工业级，国营东方化工厂；微晶蜡，工业级，济宁华凯树脂有限公司；无水乙醇，化学纯，山西三维集团股份有限公司;表面活性剂，Novec 7200，美国3M有限公司。

KQ-300DE型数控超声波清洗器，昆山市超声仪器有限公司；

AHX-871型烘箱，南京理工大学机电总厂；标准筛，40目（孔径0.45 mm），浙江省上虞市第一筛具厂；PM400型行星式球磨机，德国Retsch公司；

WL-1型撞击感度测试仪、WM-1型摩擦感度测试仪、YC-2C型真空安定性测试仪，四川致研精诚科技有限公司；131型差示扫描量热仪，美国热电公司；爆速测试仪，13通道，测时误差不大于30 ns，

中国核物理研究院；WJ2287型爆热热量计，西安近代化学研究所；FCY-1A型爆发点测定仪，鹤壁市鑫泰高科仪器制造有限公司。

1.4 制备过程

使用湿法球磨辅助溶剂蒸发法制备FOX-7基混合炸药，工艺流程如图1所示。

10 g量级FOX-7基混合炸药的制备过程如下：

1）分别称取FOX-7 6.600 g、B 2.000 g、AP 0.900 g，干混并搅拌均匀，得到混合物。

2）称取EVA 0.300 g、微晶蜡0.200 g、表面活性剂0.001 g、无水乙醇150.000 g，利用数控超声波清洗器进行振荡混合，制备出混合溶液。

3）将1）、2）步所得物料放于球磨罐中，按料球

质量比120的比例，称取若干粒径为0.6～2.0

mm的氧化锆球磨珠加入球磨罐，盖好球磨罐并放入球磨机中。后设置球磨转速为2 000 r/min，时间为6 h，接通冷却水，保持循环冷却水温度在16～23 ℃，启动按钮进行球磨，得到悬浮液。

4）将球磨后的悬浮液进行溶剂蒸发，并利用冷凝回流装置将无水乙醇溶剂进行冷凝回收。

5）将蒸发干燥后的样品过40目的标准筛，最终收集得到混合炸药，并进行性能测试。

该制备工艺具有以下特点：干混预处理、湿法球磨辅助工艺使各组分物质充分混合;蒸发溶剂工艺使得包覆更均匀，有利于降低机械感度;冷凝回收工艺使溶剂可再次利用，具有绿色、经济的特点。

2 性能测试

2.1 堆积密度

按照GJB 772A—1997《炸药试验方法》［10］402.1干法对FOX-7基混合炸药和DHL炸药进行堆积密度测试，结果如表1所示。

由表1可知，FOX-7基混合炸药比DHL炸药的堆积密度大0.071 g/cm3。

分析认为：FOX-7的理论密度（1.885 g/cm3）比RDX（1.820 g/cm3）大；B的理论密度（2.300 g/cm3）比Al（2.700 g/cm3）小；AP的理论密度为1.950 g/cm3；EVA的相对密度（0.910 g/cm3）比SA（0.840 g/cm3）大；100号微晶蜡的理论密度（0.870 g/cm3）比80号微晶蜡（0.920 g/cm3）小。

上述因素综合导致FOX-7基混合炸药比DHL炸药的堆积密度大。

2.2 机械感度

按照GJB 772A—1997《炸药试验方法》［10］601.1爆炸概率法和602.1爆炸概率法分别对FOX-7基混合炸药、DHL炸药进行撞击感度和摩擦感度测试，结果如表2所示。

由表1可知，FOX-7基混合炸药比DHL炸药的撞击感度和摩擦感度分别低30%和68%。

对FOX-7基混合炸药和DHL炸药中各组成成分的实验数据进行分析。分析认为：FOX-7撞击感度和摩擦感度（均为10%）比RDX的撞击感度和摩擦感度（70%、76%）低；含B炸药比含Al炸药的撞击感度低1%左右，摩擦感度低5%左右［12］；AP的撞击感度为32%、摩擦感度为28%［13］。EVA的断裂韧性为300 kJ/m2、冲击韧性为100.0 kJ/m2；SA的断裂韧性为30 kJ/m2、冲击韧性为12.5 kJ/m2；故使用EVA能承受更大的拉伸和冲击力。上述因素综合导致FOX-7基混合炸药的机械感度比DHL低。因此，FOX-7基混合炸药具有更好的安全性。

2.3 爆热

按照GJB 772A—1997《炸药试验方法》［10］701.1恒温法和绝热法进行爆热测试。FOX-7基混合炸药的爆热（8 092.9 kJ/kg）高于DHL炸药（6 443.0 kJ/kg［14］）。

分析认为：相比RDX（能量密度1 500.0 kJ/kg），FOX-7能量密度（1 900.0 kJ/kg）较高；B的质量热为5 146.0 kJ/kg、体积热为2 754.0 kJ/m3，Al的质量热为3 100.0 kJ/kg、体积热为1 190.0 kJ/m3，B比Al具有更高的体积热和质量热；AP的燃烧热为9 471.5 kJ/kg［13］；EVA的爆热（150.0 kJ/kg）比SA（-45.0 kJ/kg）更高。上述因素综合导致FOX-7基混合炸药的爆热比DHL炸药高。因此，FOX-7基混合炸药具有更高的能量输出。

2.4 5 s延滞期爆发点

按照GJB 772A—1997《炸药试验方法》［10］606.15 s延滞期法进行爆发点测试。FOX-7基混合炸药与DHL炸药的爆发点分别为303 ℃和287 ℃。

分析认为：FOX-7爆发点（230 ℃）比RDX（204 ℃）高26 ℃；B（粉末在空气中的发火点为900 ℃）比Al（粉末在空气中的发火点为800 ℃）的爆发点高100 ℃［8］；AP的爆发点为435 ℃［14］；EVA（软化点为350 ℃）比SA（软化点为220 ℃）的软化点高130 ℃。综合上述4种因素认为，FOX-7基混合炸药具有更高的5 s延滞期爆发点。因此，FOX-7基混合炸药具有更好的安全性。

2.5 真空安定性

按照GJB 772A—1997《炸药试验方法》［10］501.2压力传感器法进行真空安定性测试，FOX-7基混合炸药和DHL炸药平均放气量分别为0.12 mL和0.56 mL。

分析认为：FOX-7的平均放气量（0.08 mL）比RDX（0.37 mL［15］）低0.29 mL；高纯度超细无定形B和Al的平均放气量均为0 mL；AP的平均放气量为0 mL；EVA的平均放气量（0.03 mL）比SA

（0.15 mL）低0.12 mL。上述因素综合导致FOX-7基混合炸药比DHL的放气量少；故FOX-7基混合炸药真空安定性更优秀，表现出较好的热安定性。

2.6 差示扫描量热法分析

对FOX-7基混合炸药和DHL炸药进行了DSC测试，结果如图2所示。

由图2可见，FOX-7基混合炸药的DSC曲线包含1个吸热峰和1个放热峰，分别对应微晶蜡熔化和FOX-7热分解过程。DHL炸药的DSC曲线包含1个吸热峰和1个放热峰，分别对应RDX晶型转变和热分解过程。FOX-7基混合炸药在204～218 ℃范围时表现为放热反应，DHL炸药在205.3 ℃出现吸热峰，表现为物质吸热分解反应；FOX-7基混合炸药放热峰（236.2 ℃）比DHL炸药（244.0 ℃）更尖锐，说明FOX-7基混合炸药的放热过程更集中。

将2种样品的DSC曲线进行对比后发现，当升温速率为10 ℃/min时，FOX-7基混合炸药的分解峰较DHL炸药提前了7.8 ℃。

表现出其热安定性较差；由于2.4中FOX-7基混合炸药比DHL炸药的5 s延滞期爆发点高16 ℃，表现出其热安定性较好。尽管在具体结果上有一定差距（主要由试验环境和空气潮湿等因素导致），但DSC中，FOX-7基混合炸药的分解峰高于200 ℃，因此，具有较好的热安定性效果。

3 结论

1）通过Expol 5计算，并以爆热不低于1.8倍TNT当量和撞击感度低于40%为判据，确定配方的质量比m（FOX-7）m（B）m（AP）m（EVA）m（微晶蜡）=6620932时，可获得最佳效果。计算所得爆轰参数：爆热为8 712.06 kJ/kg，爆温为4 640.48 K，爆压为23.81 GPa，爆速为7 232.66 m/s。

2）利用湿法球磨辅助溶剂蒸发法制备出FOX-7基混合炸药，使原料混合和包覆更均匀。

3）主要性能测试结果表明：FOX-7基混合炸药的堆积密度为1.469 g/cm3，撞击感度为10%，摩擦感度为12%，爆热为8 092.9 kJ/kg，5 s延滞期爆发点为303 ℃；真空安定性合格；热定性良好。

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收稿日期：2023-10-15

第一作者：田鑫（1998—），男，硕士，主要从事含能复合物的研究。E-mail：1329234955@qq.com

通信作者：王保国（1970—），男，副教授，硕导，主要从事新型传爆药、新型火工药剂和新型火工品技术的研究。E-mail：2086139461@qq.com