基于三维打印技术的纳米奥克托今与梯恩梯熔铸炸药制备及性能研究

为解决传统熔铸炸药缺陷多、密度低、力学性能差等问题,将三维(3D)打印技术应用到熔铸炸药的成型制备中。采用自主研发的熔铸炸药3D打印成型原理样机,通过筛选熔铸炸药配方、优化工艺参数,成功打印出含纳米奥克托今和梯恩梯的熔铸炸药药柱。对打印的药柱以及传统浇铸的药柱进行了微观结构、密度和均一性、抗压强度以及爆速等性能表征对比。结果表明：3D打印成型的药柱结构密实,密度为1.65 g/cm³,提高2.0%;抗压强度为5.56 MPa,提高273%;爆速为7 184 m/s,提高2.1%;综合性能明显优于传统浇铸成型的药柱。     

固相颗粒和聚合物对DNAN微观凝固及力学性能的影响

为了研究常用组分黑索今、铝粉、高氯酸铵、聚3,3-二(硝酸酯基甲基)氧丁环(PBNMO)对2,4-二硝基苯甲醚微观凝固过程和宏观性能影响规律,从微观结构角度设计、改进2,4-二硝基苯甲醚(DNAN)基熔铸炸药配方组成以解决宏观性能的不足,在光学显微镜下观测了含不同添加物的薄层DNAN样品动态结晶过程及起始凝固温度的变化;根据结晶距离及时间计算了不同样品的晶体生长线速度;通过对Φ20 mm药柱的外观形貌及药柱相对密度研究了添加物对样品成型性的影响规律;测试了Φ20 mm×20 mm药柱的抗拉、抗压性能,研究了不同添加物对样品力学性能影响。结果表明,黑索今、铝粉、高氯酸铵、PBNMO可改善DNAN凝固过程中晶体形态、DNAN起始凝固温度影响因添加物的不同而不同、降低DNAN凝固线速率、提高药柱相对密度;聚合物的加入使得样品抗拉强度、抗压强度显著提高,力学各向异性得到改善;多种添加物共同作用使得DNAN的成型性得到改善,抗拉强度达到6 MPa以上。表明,在黑索今、铝粉、高氯酸铵、PBNMO的协同作用下,可获得微观结晶细密、缺陷少、力学性能较佳的DNAN基混合炸药样品。     

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。     

微纳米CL-20颗粒级配对低共熔DNAN/TNT基熔铸炸药性能的影响

为了获得高能高强熔铸炸药,以2,4-二硝基苯甲醚(DNAN)和三硝基甲苯(TNT)为低共熔载体,六硝基六氮杂异伍兹烷(CL-20)为高能组分,采用浇铸成型工艺,成功制备了CL-20/DNAN/TNT熔铸炸药。研究了微纳米CL-20颗粒级配以及N-甲基-4-硝基苯胺、三-(2-氯乙基)磷酸酯、邻苯二酚三种功能助剂对CL-20/DNAN/TNT熔铸炸药性能的影响。对制备的CL-20基熔铸炸药分别进行了扫描电子显微镜(SEM)、粘度、密度及均一性、X射线衍射(XRD)、机械感度、力学性能以及爆速等分析测试。结果表明,当原料粗颗粒CL-20和100 nm CL-20的质量比为70:30,添加0.5%三-(2-氯乙基)磷酸酯时,制备的熔铸炸药表面光滑,内部无明显缺陷,密度均一性好,与只含有粗颗粒CL-20的熔铸炸药相比,其撞击感度降低了32.7%,摩擦感度降低了57.1%,抗压强度从7.93 MPa提高到33.74 MPa,抗拉强度从3.48 MPa提高到4.94 MPa,爆速从8188 m·s~(-1)提高到8225 m·s~(-1)。     

功能助剂对2,4-二硝基苯甲醚基熔铸炸药性能的影响

为了获得适用于2,4-二硝基苯甲醚(DNAN)基熔铸炸药的功能助剂体系,改善其装药性能,通过黏附功确定功能助剂为吐温60和醋酸丁酸纤维素(CAB);采用巴西实验、静态剪切实验、撞击感度爆炸概率法实验、摩擦感度爆炸概率法实验、小隔板实验和液体静力称量法,研究了功能助剂对DNAN 20/奥克托今80(HMX 80)熔铸炸药的拉伸强度、剪切强度、撞击感度、摩擦感度、冲击波感度和装药密度的影响规律。实验结果表明:功能助剂使得DNAN 20/HMX 80熔铸炸药在-40℃、20℃、60℃下的拉伸强度分别增大6.25%、10.3%、47.8%,剪切强度分别增大23.5%、27.8%、45.1%;摩擦感度、撞击感度和冲击波感度分别降低14.29%、4.76%、3.11%;相对密度提高0.2%.因此,功能助剂吐温60和CAB可以用于改善DNAN基熔铸炸药的力学性能和安全性能。     

DNAN/RDX熔注炸药发射安全性模拟试验研究

DNAN基熔注炸药因优异的安全性能在世界范围内正广泛替代TNT基熔注炸药,但国内目前鲜有关于其在发射过载环境下的安全性研究报道,严重限制了国内榴弹等高膛压火炮用DNAN基熔注炸药的配方研制。为此,以DNAN/RDX(40/60)熔注炸药为对象,基于炸药抗过载装置,利用整形器技术进行波形整形,获得了与发射过载相似的载荷特征,建立了炸药装药发射安全性模拟试验装置,并采用临界底隙判据对炸药的发射安全性展开定量研究。结果表明：?15 mm×14 mm的DNAN/RDX配方药柱在打击速度为2.85 m/s条件下,所受载荷峰值为306 MPa,脉宽为7.85 ms,临界底隙为3.19 mm;在打击速度为6.66 m/s条件下,药柱所受载荷峰值为681 MPa,脉宽5.99 ms,临界底隙为1.31 mm;在打击速度为9.26 m/s条件下,药柱所受载荷峰值为1 100 MPa,脉宽5.58 ms,临界底隙为1.0 mm。根据药柱临界底隙随发射载荷幅值的变化规律,同一载荷下DNAN/RDX(40/60)临界底隙比B炸药大10%以上。     

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。     

熔铸炸药加压凝固过程研究

自主设计了熔铸炸药加压凝固过程实验装置,研究了0.6 MPa外加压力条件和常压条件下RDX/TNT 60/40及硝酸钡/微晶蜡60/40凝固过程中不同位置温度变化及冷却速率。常压条件下RDX/TNT 60/40凝固点为77℃,0.6 MPa外加压力条件下凝固点为83℃,加压条件下相转移点温度升高,各测试点冷却速率高于常压条件,整体凝固时间缩短50 min。硝酸钡/微晶蜡60/40凝固过程中没有相变点,0.6 MPa外加压力条件下冷却速率高于常压条件。RDX/TNT 60/40浇注效果表明,加压凝固成型工艺能有效消除熔铸炸药药柱的缩孔缺陷。     

TNT炸药熔铸结晶成型过程μCT实验研究

利用微焦点工业CT(μCT)对TNT炸药熔铸结晶成型过程进行了在线监测试验研究,获得了成型过程TNT炸药结晶与成型质量的三维细观结构及其分布的演化特征与规律.结果表明: 炸药结晶凝固速度在初始阶段最快,随后逐渐降低; 在凝固过程中缩孔存在逐渐增大直至稳定、交联的现象; 靠近侧壁和底部部位的缩孔少、CT值高,相应密度值也高.在保温、不补缩状态下熔态TNT浇铸凝固后的细小缩孔率为7.13%,集中缩孔与细小缩孔体积之和大于所浇铸悬浮液体积的20%; 药柱下部与中下部直至中部截面的线密度差约1.5%～8%,表层与浅表层直至靠近中心部位的线密度差则达5%～18%.     

24-二硝基苯甲醚基高爆速熔铸炸药爆轰性能表征

为了揭示2,4-二硝基苯甲醚 (DNAN)基不敏感熔铸炸药的爆轰特性,加快DNAN基熔铸炸药的应用,采用Fortran BKW代码计算了Octol炸药和不同组分DNAN基熔铸炸药的爆轰参数(爆速、爆压)。采用电测法、爆炸概率法和激光干涉测速技术分别对DNAN基配方DNAN 20/奥克托今80和Octol炸药的爆速、爆压、机械感度以及金属板驱动能力进行了试验测试。试验结果表明：该DNAN基炸药的爆速为8 436 m/s,爆压为31.23 GPa,爆轰性能优于Octol炸药;撞击感度为33%,摩擦感度为57%,机械感度低于Octol炸药;驱动金属板速度达到3 045 m/s,优于Octol炸药。该DNAN基高爆速熔铸炸药综合性能优于Octol炸药,可替代Octol炸药用于防空反导和大口径爆炸成型弹丸战斗部。     

DNAN 基高固含量熔铸炸药力学性能研究

为了解2,4-二硝基苯甲醚(DNAN)基高固含量熔铸炸药(20%DNAN/15%HMX/32.5%NTO/31%Al/1.5% 功能助剂,固含量78.5%)的动态力学性能,对其进行分析。使用万能材料试验机及分离式霍普金森杆(split Hopkinson pressure bar,SHPB)对DNAN 基熔铸炸药样品进行准静态与动态加载,获取炸药样品在准静态加载与动态加载条件 下的应力应变曲线;依据应力应变曲线,标定炸药的Maxwell 模型参数,并通过数值仿真对模型及标定参数进行验 证。验证结果表明：DNAN 基熔铸炸药失效应变低于1.6%,脆性大,随着加载应变率增大,材料失效应力随之增加, 机械响应应变率相关;Maxwell 模型标定参数准确,能较好地反映炸药在不同应变率加载下的力学性能。     

2，4-二硝基苯甲醚基熔铸炸药宏细观烤燃响应特性数值分析

2,4-二硝基苯甲醚(DNAN)/奥克托今(HMX)熔铸炸药在烤燃过程中会发生DNAN熔化、HMX晶型转变等特征现象。为研究其烤燃响应特性,发展了DNAN熔化-化学反应动力学模型,结合HMX四步化学反应动力学模型,从宏观和细观尺度研究了DNAN基熔铸炸药的熔化、晶型转变及点火响应。宏观计算结果表明：DNAN在约377.00 K熔化,HMX在约450.00 K晶型转变,点火温度为531.34 K,点火位置位于装药上下端面与侧面夹角处环形区域,计算点火时间与实验结果误差为0.5%。基于宏观点火区域进行细观计算,发现点火位置位于HMX炸药晶粒,并得到DNAN熔化、HMX晶型转变等细观分布演化规律,即不同时刻,液相DNAN统计分布呈U形分布,δ-HMX近似正态分布。表明DNAN基熔铸炸药烤燃宏细观数值计算对深入理解含能材料的热点火机理具有重要意义。     

DNAN基高品质药块制备研究

为提高DNAN基熔铸炸药药块品质,以质量比DNAN/RDX/AI/AP: 25/10/31/34的熔铸炸药为研究对象,采用2种不同制备工艺进行对比试验,并对药块的内外部疵病、药块密度及其分布均匀性进行分析。结果表明,与常规药块制备工艺相比,采用改进工艺技术制备的药块,制备产能提升了5倍,工艺安全性得到了改进,药块疵病大幅减少,药块密度分布均匀性得到明显改善。     

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。