賈 林，張林軍，張冬梅，杜嬌嬌，王克勇

?

濕熱環(huán)境下A-IX-II炸藥裝藥的老化性能

賈 林，張林軍，張冬梅，杜嬌嬌，王克勇

（西安近代化學(xué)研究所，陜西西安，710065）

在71℃65%RH的濕熱環(huán)境下，對A-IX-II炸藥壓裝藥柱（Ф20mm×20mm）進(jìn)行了52d老化實(shí)驗(yàn)，并對其體積、質(zhì)量、密度、黏結(jié)劑、抗壓強(qiáng)度進(jìn)行了檢測。結(jié)果表明：隨著老化時(shí)間的延長，體積、密度和質(zhì)量發(fā)生變化， 52d時(shí)變化率分別為+2.0%、-2.0%和-0.09%，但藥柱結(jié)構(gòu)完整性沒有被破壞；老化7d后黏結(jié)劑破碎，RDX和Al脫粘，導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度下降，力學(xué)性能是主要失效模式；抗壓強(qiáng)度與老化時(shí)間有指數(shù)關(guān)系，以抗壓強(qiáng)度下降20%為失效判據(jù)，按溫度系數(shù)法預(yù)測常溫25℃和20℃下65%RH環(huán)境中，A-IX-II藥柱的使用壽命分別為24.2a和41.9a。

炸藥裝藥；濕熱環(huán)境；老化性能；黏結(jié)劑；失效模式

為了適應(yīng)現(xiàn)代戰(zhàn)爭發(fā)展需求，要求常規(guī)武器用炸藥具有較好的環(huán)境適應(yīng)性，然而如何評價(jià)炸藥的環(huán)境適應(yīng)性，國內(nèi)尚沒有系統(tǒng)的評價(jià)方法和標(biāo)準(zhǔn)。GJB 150A-2009 軍用設(shè)備環(huán)境試驗(yàn)方法是環(huán)境試驗(yàn)軍用頂層標(biāo)準(zhǔn)，由于兼顧通用性和指導(dǎo)性等原因，并未對炸藥的環(huán)境試驗(yàn)的種類、應(yīng)力水平和檢測項(xiàng)目做出明確的規(guī)定，炸藥的環(huán)境適應(yīng)性項(xiàng)目一般由使用方單獨(dú)在研制合同中提出。

火炸藥是具有高度活性的各種化學(xué)組分的混合體系，在長期貯存中極易受溫度、濕度等環(huán)境因素的影響，其性能會逐漸變壞。目前炸藥裝藥仍主要集中于溫度單應(yīng)力的研究[1-3]，而在濕熱雙應(yīng)力方面的研究內(nèi)容較少，僅有的研究也主要偏重于吸濕性[4]、密度和壓縮性能[5]。而長期貯存環(huán)境的濕熱雙應(yīng)力肯定會協(xié)同作用影響炸藥裝藥的材料性能和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，進(jìn)而影響武器彈藥的實(shí)際應(yīng)用，因此需要深入探究炸藥裝藥性能和結(jié)構(gòu)對濕熱環(huán)境的響應(yīng)規(guī)律。

A-IX-II是典型含Al炸藥，在國內(nèi)壓裝炸藥中應(yīng)用較為廣泛[6]，但對于A-IX-II裝藥的濕熱雙應(yīng)力下的失效模式和失效機(jī)理研究卻鮮有報(bào)道。本研究在濕熱環(huán)境下對A-IX-II藥柱進(jìn)行老化，檢測了藥柱的微觀結(jié)構(gòu)、體積、質(zhì)量、密度、黏結(jié)劑、抗壓強(qiáng)度，研究濕熱環(huán)境條件下A-IX-II炸藥裝藥老化性能及失效模式，對其常溫65% RH的環(huán)境下長期貯存的使用壽命進(jìn)行了預(yù)測。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 樣品

A-IX-II炸藥，配方為76%RDX、20%Al粉和4%黏結(jié)劑，采用黏結(jié)劑將RDX包覆，與Al粉外混，再壓裝成密度為1.7g·cm-3的24個(gè)Ф20 mm×20mm藥柱，對其進(jìn)行濕熱老化實(shí)驗(yàn)。其中藥柱尺寸、質(zhì)量的測量采用樣品A-1、A-2、A-3；滲出物測試通過在樣品藥柱下方放置一張濾紙進(jìn)行，采用樣品為S-1、S-2、S-3。其余藥柱記為K，平均分成6組分別老化0d、7d、16d、40d、52d，進(jìn)行抗壓強(qiáng)度檢測。

1.2 老化試驗(yàn)條件的選擇

目前，國內(nèi)外還未有炸藥溫濕度老化試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)。依據(jù)國軍標(biāo)GJB 150.3A-2009軍用裝備實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)方法第3部分：高溫試驗(yàn)可知，“誘發(fā)條件”（即裝備在貯存或運(yùn)輸狀態(tài)下可能暴露于其中的由日曬而加劇的空氣溫度條件）中最高溫度是“71℃”，由于一些組分與A-IX-II相似的炸藥藥柱老化溫度也是“71℃”[7-8]，所以本研究老化試驗(yàn)的溫度設(shè)定為71℃。濕度應(yīng)力的選擇依據(jù)是GJB 5103-2004彈藥元件加速壽命試驗(yàn)方法中6.2.2相對濕度應(yīng)力水平：“相對濕度應(yīng)力水平按彈藥在正常貯存環(huán)境中的相對濕度確定，一般為65%（RH）”。

1.3 主要儀器設(shè)備

廣州Espec公司ER-10型恒溫恒濕試驗(yàn)箱；美國FEI Quanta公司600FEG型場發(fā)射掃描電鏡儀（SEM）；Moscow BT-400型電子計(jì)算機(jī)X線斷層攝影儀（CT）；美國INSTRON公司萬能材料試驗(yàn)機(jī)；瑞士METTERLER TOLEDO公司AL204電子天平（精度為0.000 1g ）；青海量具刃具公司電子外徑千分尺（精度為0.001mm）。

2 結(jié)果與討論

2.1 濕熱環(huán)境對藥柱尺寸、質(zhì)量、密度的影響

采用千分尺對老化前后藥柱進(jìn)行測量，其中藥柱徑向尺寸記為（圖1中3個(gè)黑點(diǎn)位置徑向尺寸平均值）、軸向尺寸記為（圖1中4個(gè)灰點(diǎn)位置軸向尺寸平均值），體積記為（由和求得）。計(jì)算3個(gè)藥柱、和的平均變化率，記為，見圖2。

圖1 檢測A-1藥柱的h、Ф

圖2 藥柱的V、h、Ф、m、ρ變化率Δ——t曲線

從圖2可以看出，、、隨著老化時(shí)間的延長，出現(xiàn)先增后減的趨勢。老化0~7d，、、明顯增加，7d后速度變慢，12d時(shí)藥柱的、、變化率分別為+1.1%、+0.6%、+2.3%，而后隨著的增加，稍有降低，到52d時(shí)分別穩(wěn)定在+1.0%、+0.5%、+2.0%，即老化后藥柱產(chǎn)生了不可逆膨脹。這主要是由以下原因造成的：（1）在藥柱壓裝成型過程中內(nèi)部產(chǎn)生的一些微損傷和成型過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，老化后出現(xiàn)一定程度的擴(kuò)張，使藥柱原有的微孔隙擴(kuò)大；（2）Al與H2O反應(yīng)生成H2[6]使得藥柱中出現(xiàn)新的空隙；（3）黏結(jié)劑受熱液化聚集，向藥柱表面遷移，部分氣化產(chǎn)生壓力，可能產(chǎn)生新的空隙或使原空隙擴(kuò)大。

用CT檢測A-1藥柱內(nèi)部和外表，見圖3，可以看出藥柱表面和內(nèi)部在老化前后均無裂紋，說明雖然藥柱體積不可逆長大了2.0%，但藥柱的完整性沒有被迫壞。對老化前后藥柱測量，得到質(zhì)量，計(jì)算3個(gè)藥柱的平均變化率，記為，結(jié)果見圖2。

圖3 A-1藥柱老化0d、52d的CT圖片

由圖2可以看出，隨著的延長，出現(xiàn)先增后減的趨勢，老化7d時(shí)的平均變化率為+0.01%，12d時(shí)為-0.01%，52d時(shí)為-0.09%。這是兩個(gè)因素造成的：一是老化后的藥柱為多孔固體，這些孔洞是一系列不同半徑的毛細(xì)管，因毛細(xì)凝結(jié)而充滿液體H2O[9]，從烘箱中取出冷卻到室溫，外部孔洞遇冷收縮，藥柱內(nèi)部的H2O難以完全排出；二是黏結(jié)劑受熱液化，向藥柱表面遷移，緩慢滲出藥柱，部分揮發(fā)。開始時(shí)第1因素占主要地位，導(dǎo)致藥柱增加，老化一定時(shí)間后，藥柱吸濕量趨于飽和，此時(shí)第2因素的作用相對突顯出來，藥柱減少，但是總的來說質(zhì)量變化很小。因?yàn)閹缀醪蛔儯黠@變大，所以下降，52d時(shí)為-2.0%（見圖2）。

2.2 濕熱環(huán)境對黏結(jié)劑的影響

黏結(jié)劑由地蠟、硬脂酸和少量蘇丹紅組成，滲出物試驗(yàn)中濾紙上的桔紅色為蘇丹紅的顏色，見圖4。

圖4 K藥柱、S藥柱及油性滲出物

對濾紙和藥柱的質(zhì)量進(jìn)行測量，分別計(jì)算質(zhì)量變化Δ，數(shù)據(jù)見表1。由表1可知，濾紙?jiān)鲋剡h(yuǎn)小于藥柱質(zhì)量損失，說明黏結(jié)劑中的部分地蠟和硬脂酸在該濕熱條件下?lián)]發(fā)[1]，從而驗(yàn)證2.1中的推測（黏結(jié)劑在藥柱中部分氣化，產(chǎn)生的壓力使藥柱產(chǎn)生新的空隙）。

表1 藥柱滲出物試驗(yàn)數(shù)據(jù)

Tab.1 Data of exudation test

比較圖4（a）中老化前后的K藥柱，可以看出老化后的藥柱表面顏色稍暗，這是由于黏結(jié)劑遷移滲出藥柱表面所致。

對老化0d和7d的兩個(gè)K藥柱用SEM觀察藥柱內(nèi)部自然斷面，見圖5，圖5中淺色物質(zhì)為黏結(jié)劑，大體積深色物質(zhì)為RDX，小體積深色物質(zhì)為Al粉?？梢钥闯隼匣?d的藥柱中黏結(jié)劑是規(guī)則片狀的，但老化7d后的藥柱中黏結(jié)劑明顯變成邊界圓滑的更小尺寸的碎屑。這是由于藥柱受熱后產(chǎn)生較多孔隙，水分子進(jìn)入富集成為液體，很快填充藥柱中的空隙。根據(jù)“油膜卷縮機(jī)理”[9]，黏結(jié)劑有成為“油滴”而脫離RDX固面的趨勢，而脫離的黏結(jié)劑液滴有自發(fā)呈球形的趨勢。另外Al與H2O反應(yīng)產(chǎn)生的H2對片狀黏結(jié)劑也有一定的破壞作用。再加上黏結(jié)劑受熱遷移、揮發(fā)損失，使得濕熱老化7d后，藥柱中的黏結(jié)劑破碎，RDX和Al脫粘。

圖5 老化0d、7d 藥柱內(nèi)部SEM照片

2.3 濕熱環(huán)境對抗壓強(qiáng)度的影響

抗壓強(qiáng)度是含鋁壓裝炸藥裝藥的一項(xiàng)重要指標(biāo)[10]，本文使用“壓縮法”檢測老化藥柱的[11]，測試溫度為(20±5)℃，檢測結(jié)果見圖6。

圖6 藥柱的抗壓強(qiáng)度隨老化時(shí)間的變化

由圖6可以看出，隨老化時(shí)間的延長逐漸變小，老化7d時(shí)下降了14.9%，52d時(shí)下降了24.1%。綜合分析，黏結(jié)劑的變化是導(dǎo)致下降的直接原因，力學(xué)性能是藥柱主要失效模式。

通常有指數(shù)、對數(shù)、線性3個(gè)數(shù)學(xué)模型描述力學(xué)性能參數(shù)與的關(guān)系，對圖6中——數(shù)據(jù)進(jìn)行處理[12]，從相關(guān)系數(shù)、置信度可以確定與有指數(shù)關(guān)系，得到指數(shù)模型，見表2：

=0e(T)t（1）

式（1）中：為抗壓強(qiáng)度；為老化溫度；為溫度時(shí)的老化時(shí)間；()為溫度時(shí)的變化速率；0為初始抗壓強(qiáng)度。

表2——數(shù)據(jù)處理

Tab.2 Data-processing of σ——t

由表2中l(wèi)n=-0.003 96+2.019可得，在71℃、65% RH時(shí)，(71)=-3.96×10-3(d-1)。

如果認(rèn)為下降20%（即σ/0=0.80，其中σ為壽命臨界值）為失效判據(jù)，71℃時(shí)式（1）變?yōu)?.80= e-0.003 96t，可知71℃、65% RH時(shí)，為56.35d時(shí)藥柱到達(dá)使用壽命。用“溫度系數(shù)法”[13]進(jìn)行計(jì)算，一般火炸藥樣品的溫度系數(shù)為3~4[14-15]，為穩(wěn)妥起見取3，則65%RH，常溫25℃和20℃下藥柱的使用壽命分別為24.2a和41.9a。

3 結(jié) 論

（1）藥柱濕熱老化52d后，、、、和變化率分別為+1.0%、+0.5%、+2.0%、-0.09%和-2.0%；藥柱老化后產(chǎn)生了不可逆膨脹，但結(jié)構(gòu)完整性未受到破壞。

（2）老化7d后黏結(jié)劑破碎，RDX和Al脫粘，導(dǎo)致降低，力學(xué)性能是主要失效模式。

（3）與老化時(shí)間有指數(shù)關(guān)系，以下降20%為藥柱失效判據(jù)，按溫度系數(shù)法預(yù)測A-IX-II藥柱常溫25℃和20℃下65%RH環(huán)境中藥柱的使用壽命分別為24.2a和41.9a。

[1] 張冬梅,常海,鄭朝民,等. A-IX-II壓裝炸藥失效模式分析[J]. 火工品, 2014 (1) :29-32.

[2] 任曉寧,常海,邵穎慧,等.改性B炸藥裝藥的老化行為[J]. 火炸藥學(xué)報(bào),2013, 36(4) :37-41.

[3] 劉瑞鵬,王世英,王淑萍.環(huán)境溫度對含鋁炸藥裝藥裂紋的影響研究[J].火工品,2012 (3) :30-33.

[4] 楊學(xué)山,李選明,王虎年.爆炸復(fù)合用炸藥的吸濕行為分析及控制措施[J].四川兵工學(xué)報(bào), 2013, 34(3) :59-60.

[5] 顏熹琳,李敬明,周陽,等.高聚物粘結(jié)炸藥溫濕度載荷加速老化試驗(yàn)研究[J].含能材料,2009, 17(4) :412-414.

[6] 孫業(yè)斌,惠君明,曹欣茂.軍用混合炸藥[M].北京:兵器工業(yè)出版社,1995:14,449,285.

[7] 王玉玲,余文力,肖秀友,等. 熱老化對HMX基高聚物粘結(jié)炸藥尺寸的影響研究[J].火工品,2014, (5):25-27.

[8] 黃亞峰,趙省向,李文祥,等. 老化對HMX/RDX基含鋁炸藥爆熱及爆速性能的影響研究[J].火工品,2013, (2):47-49.

[9] 張玉亭,呂彤.膠體與界面化學(xué)[M].北京:中國紡織出版社, 2008.

[10] 王淑萍,王曉峰,賈憲振,等.分步壓裝含鋁炸藥的成型性研究[J].兵工自動(dòng)化, 2013,32(9):26-27.

[11] GJB772A-1997 炸藥試驗(yàn)方法[S]. 北京：國防科學(xué)技術(shù)和工業(yè)委員會,1997.

[12] 唐國金,申志彬,田四朋,等.固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)藥柱概率貯存壽命預(yù)估[J].兵工學(xué)報(bào), 2012,33(3):301-306.

[13] 陳海建,滕克難,李波,等.基于修正Arrhenius方法的SRM藥柱儲存壽命預(yù)估[J].彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào), 2011,31 (4): 232- 235.

[14] 賈林,韓芳,李燕,等.硝酸酯液體推進(jìn)劑長時(shí)儲存性能[J]. 含能材料,2014,22(2):165-169.

[15] 衡淑云,韓芳,張林軍,等.硝酸酯火藥安全貯存壽命的預(yù)估方法和結(jié)果[J].火炸藥學(xué)報(bào), 2006, 29(4):71-76.

Aging Properties of A-IX-II Explosive Charge in the Hydrothermal Environment

JIA Lin, ZHANG Lin-jun, ZHANG Dong-mei, DU Jiao-jiao, WANG Ke-yong

(Xi’an Modern Chemistry Research Institute, Xi’an, 710065)

The changes of volume, mass, density, bonder and compressive strength were measured, after the Ф20mm× 20mm A-IX-II grains had been storied 52d under the hydrothermal environment conditions of 71℃, 65%RH. The results show that volume, density and mass were changed with the increase of aging time, but the structure integrity of grains were not broken, although the change rates of volume, density and mass were +2.0%, -2.0% and -0.09% respectively after 52d. RDX and Al were de-bond after 7d aging, because bonder was broken in pieces, that cause a reduction in compressive strength. Mechanical property is the main failure mode. There is an index relationship between compressive strength and aging time. If the compressive strength has been 20% lower is the ineffective criterion, the A-IX-II grain’s useful lives estimated at 25℃, 65%RH and 20℃, 65%RH are 24.2 a and 41.9 a respectively by temperature factor method.

Explosive charge；Hydrothermal environment；Aging properties；Bonder；Failure mode

1003-1480（2015）05-0029-04

TQ564

A

2015-05-23

賈林（1970 -），女，高級工程師，主要從事火炸藥理化性能和老化性能研究。

國防科技基礎(chǔ)研究計(jì)劃（B0920110005）