2,4-二硝基苯甲醚（DNAN）基熔铸炸药研究进展

随着弹药安全性要求的不断提升,传统2,4,6-三硝基甲苯(TNT)基熔铸炸药在制造、运输和使用过程中暴露出的问题使其安全性不能达到钝感弹药的技术要求,2,4-二硝基苯甲醚(DNAN)基熔铸炸药是近年来逐渐发展起来的一类可以替代TNT基炸药的钝感炸药。本文在系统跟踪近十年来国内外研究动态的基础上,综述了DNAN的合成及性能,DNAN基熔铸炸药爆炸特性、安全性、安定性、贮存特性、易损性、力学特性及流变特性等最新的研究与进展。展望了DNAN基熔铸炸药研究的热点和难点。     

大当量DNAN 基熔铸炸药装药质量控制方法

为控制在装药工艺中大当量熔铸炸药装药的质量,提出一种铸炸药装药质量控制方法。分析了装药缺陷 产生的原因,根据产品的结构特点,设计了装药工艺,通过工艺过程控制措施消除装药疵病,利用ANSYS 软件对 注装法进行了仿真计算,得出一套最佳工艺参数,并通过典型产品应用进行验证。应用结果表明：该方法消除了缺 陷,产品总质量符合指标要求,装药质量得到显著提高。     

DNAN及TNT基熔铸炸药综合性能比较

为了对比载体炸药2,4,6-三硝基甲苯(TNT)和2,4-二硝基苯甲醚(DNAN)、以及以它们为基的熔铸炸药的综合性能,系统研究了DNAN和TNT、以及DNAN/HMX(20/80)和TNT/HMX(25/75)熔铸炸药的流变、能量、安全、以及力学等性能。结果表明:载体炸药DNAN(6.87 m Pa·s)的粘度低于TNT(9.05 mPa·s),DNAN/HMX熔铸体系的极限固含量(约80%)高于TNT/HMX熔铸体系(约75%);DNAN/HMX(20/80)和TNT/HMX(25/75)熔铸炸药的爆速分别为8336 m·s~(-1)和8452 m·s~(-1),爆压分别为31.03 GPa和31.44 GPa;在1 K·min~(-1)的慢速烤燃条件下,DNAN/HMX(20/80)和TNT/HMX(25/75)熔铸炸药的响应等级分别为燃烧反应和爆炸反应;在4.51GPa的冲击波入射压力条件下,TNT/HMX(25/75)在8～12 mm内达到完全爆轰,而DNAN/HMX(20/80)在12 mm内未能达到完全爆轰;DNAN/HMX(20/80)的抗拉和抗压强度均大于TNT/HMX(25/75)。因此可以得出结论,在能量性能基本持平的情况下,DNAN/HMX(20/80)熔铸炸药的安全及力学性能优于TNT/HMX(25/75)熔铸炸药。     

DNAN 基熔铸炸药工艺特性

DNAN具有良好的低易损性能,为了更好地了解其在混合炸药应用中的优缺点,从而在其配方设计中打下良好的基础,对其工艺性能进行了研究。利用扫描电镜从微观结晶上和利用CT扫描等从宏观上对DNAN和TNT的熔铸工艺特性进行了对比分析。结果表明:在相同工艺条件下,DNAN的体积收缩比TNT更大,结晶过程中更容易形成缺陷;在混合炸药中,DNAN基炸药中加入固相时容易结团,凝固过程中更容易分层,这是由DNAN炸药本身的性质决定的,但通过加入助剂和改善工艺条件可以使DNAN具有良好的工艺和能量适应性,从而更好地应用于熔铸炸药中。     

DNAN 基高威力钝感熔铸炸药装药工艺应用

针对TNT熔铸炸药不能满足钝感弹药标准的问题,提出一种以2.4-二硝基苯甲醚(DNAN)为熔融介质配制钝感熔铸炸药的装药工艺。基于国内外的研究成果,分析DNAN基炸药相比于TNT基炸药的主要优点,从可行性、安全性、工艺路线及关键技术出发进行研究,并进行了装药工艺应用性能指标检测试验。试验及应用结果表明:试制的RBUL-2高威力熔铸炸药装药密度高,水下爆炸能量大于2倍TNT当量,提高了战斗部爆炸载荷和毁损威力,并已在××新型产品研制中得到应用。     

正交试验法研究DNAN基熔铸炸药的装药工艺

以典型的2,4-二硝基苯甲醚(DNAN)基热塑态熔铸炸药——MX-2为研究对象,采用正交试验法对影响MX-2炸药装药平均密度、密度差以及组分均匀性的主要工艺因素及其影响显著性进行了研究。结果表明,药浆温度、真空处理时间和真空度对装药质量有着重要影响,影响的显著性顺序为:真空处理时间真空度药浆温度。最佳装药工艺条件为:真空处理时间15 min,真空度-0.090 MPa,药浆温度95℃。     

非 TNT 基高固含量熔铸炸药致密成型工艺研究

为提高炸药的高能量和安全性能,对非 TNT 基高固含量熔铸炸药致密成型工艺进行研究。运用 ANSYS 软件建立熔铸炸药自然冷却温度场,构建装药壳体实体和有限元模型,对装药疵病的产生与防止进行分析。根据“组 分体积形状尺寸匹配准则”,运用振动、抽真空、保温冷却等工艺措施,实现高固含量熔铸炸药高致密成型。研究 结果表明：该工艺使装药内部致密均匀,无气孔、缩孔、裂纹等疵病,可实现高固含量熔铸炸药高致密成型。     

DNAN 炸药熔铸工艺安全性分析

为确保新型载体炸药DNAN熔铸装药过程的安全性,着重从炸药的基本特性和装药工艺流程等方面对熔铸装药工艺进行安全分析,并采用自行设计的一种烤燃试验装置,对DNAN的热安全性进行试验研究,得到其在不同温度下的热爆炸延滞期。结果表明:DNAN在220℃环境温度下,放置48 h没有发生反应;230℃发生不完全燃烧;当温度达到240℃以上时发生热分解反应;理论计算DNAN在通常的熔药温度(100℃)下的热爆炸延滞期,表明DNAN的装药工艺安全可靠。     

DNAN 基熔铸炸药成型过程数值仿真

为模拟DNAN 基熔铸炸药成型过程,采用结构网格计算流场和温度场、非结构网格计算应力场的方法,得到DNAN 基熔铸炸药冷却凝固时清晰的固液界面以及合理的缩孔缩松及热应力分布。通过对比研究,在一定模具和装药尺寸条件下,提出减少DNAN 基熔铸炸药装药缩孔缩松、降低热应力极值以及缩短凝固时间的优化方案,方案为模具上表面保温1 h,模具下表面30 益恒温水浴。     

DNAN基含铝炸药烤燃实验与数值模拟

为研究RB-2X(2,4-二硝基苯甲醚(DNAN)/奥克托今(HMX)/铝(Al)/黏结剂)和RM-2X(DNAN/HMX/3-硝基-1,2,4-三唑-5-酮(NTO)/Al/黏结剂)两种新型DNAN基含铝炸药热响应特性,开展RB-2X炸药在1.0 K·min-1、RM-2X炸药在1.0 K·min-1和0.5 K·min-1加热速率下烤燃实验,测量炸药中心温度变化.建立烤燃弹数值模拟计算模型,采用多组元网格单元计算方法,考虑熔铸炸药冷却收缩形成空气间隙的影响,分析炸药热响应特性.数值模拟点火时间与实验结果对比显示,RB-2X炸药点火时间偏差为1.13％,RM-2X炸药点火时间最大偏差为5.63％.在此基础上,分析熔铸炸药壳体壁面与炸药之间的空气间隙对炸药点火时间的影响,结果显示延迟时间随间隙宽度增大而缓慢增大,当空气间隙扩大到0.75 mm后,延迟时间稳定在90 s,表明空气间隙对炸药点火时间的影响明显.预测装填RM-2X大尺寸弹药热响应过程,结果表明弹药尺寸和加热速率的增大会明显降低点火时中心温度,DNAN熔化状态从全部熔化变为固液共存.     

24-二硝基茴香醚基含铝熔铸炸药爆轰临界直径的实验研究

为了揭示2,4-二硝基茴香醚(DNAN)基高能钝感熔铸炸药的爆轰传播特性,加快DNAN基熔铸炸药的工程化应用,采用连续导线法测量了DNAN基含铝熔铸炸药的临界直径。结果表明：Al含量（质量百分比0~30%）增大、Al粒度d₅₀（分别为6 μm、12 μm、31 μm）减小均会降低爆轰传播的临界直径;黑索今（RDX）的粒度d₅₀（分别为19 μm、147 μm、751 μm）增大、RDX品质提高会增大爆轰传播的临界直径。研究结果为DNAN基含铝熔铸炸药的配方和战斗部结构设计提供基础的技术参数。     

2,4-二硝基苯甲醚基不敏感熔注炸药动态力学性能

炸药动态力学性能是影响其安定性的重要因素。为揭示2,4-二硝基苯甲醚（DNAN）基不敏感熔注炸药的动态力学性能特征,采用分离式霍普金森压杆（SHPB）实验对DNAN基不敏感抗过载熔注炸药的动态力学性能进行研究。通过入射波整形技术,实现了低阻抗、低强度的熔注炸药材料在SHPB实验中的应力平衡和恒应变率加载,得到65 s^-1、130 s^-1和200 s^-1等3种应变率下炸药的应力应变曲线;基于炸药应力应变数据,利用改进的Lesuer标定方法,获得该炸药的Johnson- Cook本构模型参数。结果表明：随着应变率的提高,该炸药失效应力逐渐增加,具有明显的应变率效应;拟合得到的Johnson-Cook动态本构模型能较好地预测该炸药在冲击载荷作用下的力学响应。     

2,4-二硝基苯甲醚基熔铸炸药慢速烤燃过程传热特征分析

为探究2,4-二硝基苯甲醚基熔铸炸药慢速烤燃过程的内部传热特征,设计了3组试验装置并进行烤燃试验。通过试验获得了炸药内部各测点在1 K/min热刺激下的温度变化曲线,其相变温度为73 ℃,响应温度为205 ℃,响应后均表现为不完全燃烧反应;结合响应结果判断出点火点位于弹体上部;系统地描述了炸药从固相到液相再到响应的内部温度变化过程。通过数值模拟观察了炸药相变的整个过程,对炸药受热时内部温度场变化进一步分析后发现：固相时炸药内部温度场为同心类椭圆状分布,液相时内部温度场为类层状分布;炸药相变后内部存在自然对流,对流是影响炸药点火点位置分布的主要因素。     

短切纤维对RDX/TNT熔铸炸药的力学改性

采用玻璃纤维、聚酯纤维、铝纤维、碳纤维4种短切纤维作熔铸炸药力学性能改性剂,研究了压缩、拉伸力学实验中短切纤维的种类、添加量和长度对RDX/TNT 65/35熔铸炸药力学性能的影响。结果表明,聚酯纤维对压缩强度的改善效果最佳,添加量为0.4%时压缩强度达27.94 MPa。铝纤维会显著降低炸药的拉伸强度和拉伸延伸率。玻璃纤维添加量为0.2%时拉伸、压缩力学性能均低于不掺杂纤维材料的RDX/TNT 65/35熔铸炸药。添加量在0.2%～1.0%时,65/35-RDX/TNT的压缩力学性能随玻璃纤维用量的增加而升高。添加量分别为0.01%和0.05%时,使用3 mm碳纤维的炸药拉伸力学性能好于使用6 mm碳纤维,掺杂0.05% 3 mm碳纤维的炸药各项拉伸力学性能最好。     

一种新型熔铸炸药研究

以高能量密度材料DNTF与TNT的低共熔物为载体,研制了一种以奥克托今(HMX)为主体组分的新型熔铸炸药配方,其装药密度为1.86g·cm-3,爆速8800m·s-1,做功能力为159%TNT当量,可用做聚能战斗部和杀伤战斗部装药的基础配方。     

两种新型炸药的准静态力学性能

为推动炸药在侵爆战斗部中的应用,采用万能材料试验机对HMX 基压装高聚物粘结炸药(polymer bonded explosive,PBX)和DNAN 基熔铸炸药的准静态力学性能进行研究。获得2 种炸药在2.0×10-5 s-1～1.0×10-3 s-1 应变 率范围内的应力应变试验数据。结果表明：2 种炸药的力学性能均具有明显的应变率效应,但前者失效应变约为后 者的6 倍,呈现出较大区别。基于唯象方法,建立描述2 种炸药1 维准静态压缩力学行为的幂指数硬化本构模型, 并拟合得到本构模型参数。通过与试验结果对比表明,模型计算结果与试验结果误差小于3%,吻合较好。该研究结 果可为描述2 种炸药的力学行为提供参考。     

2,4-二硝基苯甲醚基钝感熔铸含铝炸药的冲击起爆特性

为了探究钝感熔铸含铝炸药的冲击起爆特性,建立化学爆炸加载一维拉格朗日锰铜压阻测试系统,获得了不同加载压力下一典型2,4?二硝基苯甲醚(DNAN)基钝感熔铸含铝炸药的冲击起爆过程压力成长历史。利用熔铸含铝Duan?Zhang?Kim(DZK)细观反应速率模型,确定了该钝感含铝炸药的反应速率模型参数,并对其冲击起爆过程进行了数值模拟研究。结果表明在钝感熔铸含铝炸药的冲击起爆过程中,波阵面附近炸药的反应速率和反应程度均较低,而随着热点点火反应的进行以及化学反应的不断累积,炸药的波后化学反应速率不断增加,并在一段时间后到达峰值。当加载压力越高时,钝感熔铸含铝炸药内部的爆轰成长速率越快。同时,与粒子速度成长历史相比,压力成长历史包含更多的反应速率变化信息,更适用于反应速率模型的验证以及炸药反应流模型参数的确定。     

TNT基熔铸炸药冷却过程温度场变化规律研究

利用多通道数据采集仪对几种熔铸炸药冷却过程温度场进行测试,发现熔铸炸药冷却过程特别是相变发生的瞬间,温度曲线发生较大的拐点变化,通过对实验数据的分析,探讨了相变发生机理,得到了几种熔铸炸药的相变温度,随着熔铸炸药固相含量的增加,相变温度有下降趋势。所探讨的的两种熔铸炸药的相变温度在76～77℃内,均低于TNT的熔点。     

2，4-二硝基苯甲醚基熔铸含铝炸药冲击起爆特性

为钝感高能炸药安全性设计和应用提供理论依据和物理基础,深入开展钝感熔铸含铝炸药冲击起爆特性实验研究。建立蓝宝石飞片平面撞击加载炸药一维拉格朗日分析组合式电磁粒子速度计实验测试系统,测量2,4-二硝基苯甲醚（DNAN）基熔铸含铝炸药冲击起爆爆轰成长过程中不同拉格朗日位置的粒子速度-时间变化曲线,获得飞片撞击速度和固相炸药颗粒度等变化对其冲击起爆爆轰成长的影响规律,并确定了该熔铸含铝炸药的冲击Hugoniot关系（D=2.439+2.137u,D为冲击波传播速度,u为粒子速度）和未反应炸药状态方程参数。结果表明：DNAN基熔铸含铝炸药冲击起爆爆轰成长过程的典型粒子速度曲线呈驼峰状,冲击波阵面波后粒子速度明显上升并加速追赶前导波阵面,冲击起爆过程整体表现为加速反应特征;在该装药颗粒度级配范围和加载压力下,加载压力越高或固相炸药颗粒度越小,炸药冲击起爆爆轰成长越快,越早转为爆轰。