炸药微观结构对性能的影响研究

论文摘要

本论文以硝酸铵（AN）和TATB两种不同性质、不同应用领域的炸药原材料为研究对象,较全面表征了原料及相应炸药配方的微观结构和性能,得到了炸药微观结构对性能的影响关系。重点研究了硝酸铵及铵油炸药（ANFO）的微观结构及对热分解温度、雷管起爆感度等性能的影响,同时研究了TATB粉体和TATB基复合含能体系的微观结构及对热感度等性能的影响。从N2吸附等温线形状判断,几种硝酸铵样品均属于大孔材料;硝酸铵及铵油炸药样品的微观结构因样品状态不同而有所不同:工业未膨化样品的密度大,孔隙度低,粒子表面光滑,颗粒表面突起、孔隙和裂纹相对较少;膨化后样品平均孔径未发生明显改变,但密度降低、孔隙度提高、孔隙数量显著增加,晶形严重歧化,粒子表面存在大量棱角、突起、毛孔和裂纹等缺陷,不同膨化样品的孔隙状态和表面特征又与制备条件密切相关;粉碎、过筛过程使样品颗粒尺寸更接近、形貌更规则且部分孔隙遭到破坏,因此孔隙数量减少、孔隙度降低、比表面积有所减小。论文引入分形理论研究硝酸铵体系分形情况及颗粒粗糙程度,选择并修正了适于对硝酸铵颗粒粗糙度进行相对定量比较的分维公式,由压汞曲线和N2吸附曲线得到的分维值顺序均与SEM得到的粒子表面粗糙度顺序相吻合;分维值表明未过筛硝酸铵样品间的颗粒粗糙度差异较大,而40目样品间的颗粒粗糙度差异相对较小。研究发现硝酸铵及铵油炸药的热感度和雷管起爆感度主要取决于样品中的孔隙数量,孔隙越多,则外界热作用或冲击波作用下形成的热点数量越多,炸药越易发生反应和起爆。铵油炸药状态和装药条件对爆轰性能影响明显,在一定范围内,铵油炸药爆轰能力随着水分含量减少、粒度降低、装药高度增加、装药密度提高、装药直径增大而提高。雷管起爆和爆轰实验发现,在其它条件相同情况下,铵油炸药爆轰能力大小与硝酸铵样品颗粒粗糙程度（分维）顺序一致,而与样品孔隙度或比表面积顺序不一致,表明铵油炸药颗粒粗糙程度是决定炸药爆轰能力的主要因素。有机玻璃法测试结果也表明,与普通铵油炸药相比,膨化铵油炸药爆轰更完全、爆速和爆压更高,粒度减小也有利于提高铵油炸药的爆压。在实验基础上阐述了铵油炸药起爆及爆轰反应机理,即其起爆和爆轰发展过程存在着两个不同的反应阶段一热点形成和点火阶段、爆轰发展阶段。几种无机添加剂改性铵油炸药的微观结构没有发生明显改变,但其雷管起爆感度和爆轰能力得到了提高;几种有机表面活性剂改性铵油炸药的微观结构存在显著差异,其起爆感度和爆轰能力也存在较大不同,爆轰能力大小与颗粒粗糙程度顺序一致。对不同状态硝酸铵的相转变行为研究发现,粒度减小有助于抑制硝酸铵Ⅳ-Ⅲ、Ⅲ-Ⅱ的相转变;硝酸铵相转变行为似乎与样品颗粒表面特征之间存在着一定联系:CsNO3等无机物对AN微观结构影响不大,相应AN的相转变行为无显著改变;钾盐使AN颗粒表面变光滑、规则,钾盐可有效抑制Ⅳ-Ⅲ的相转变行为;所研究的氧化物、Cu（NO3）2、MgSO4等无机物使AN颗粒表面变粗糙、颗粒表面裂纹及碎小颗粒等缺陷增多,它们可有效抑制Ⅲ-Ⅱ的相转变行为。但此规律还需得到更多实验证实或修正。TATB微观结构与样品制备方法密切相关:直接合成样品的绝大部分粒子粒径在10μm以上,比表面积低,粒子呈类球形、大小不均匀,表面粗糙;几种细化方法得到的超细样品平均粒径均处于亚微米级,98%以上粒子粒径小于200nm,气流粉碎样品及重结晶样品的比表面积较接近,而机械研磨样品比表面积较低;气流粉碎样品粒子呈类球形,表面较光滑;重结晶样品粒子形状不规则,低倍数下呈片状或球状,粒子形状差异大,高倍数下呈条形,重结晶样品再经气流粉碎后粒子变得较均匀、规则;SEM法得到的各样品粒子粗糙度顺序与分维顺序一致。采用两种方法研究了TATB的孔隙结构,N2吸附法测试表明:合成样品孔隙极少,重结晶样品存在较多孔隙,气流粉碎样品和重结晶再气流粉碎样品含有少量孔隙;同步辐射X射线小角散射实验（SAXS）测量结果表明:制备方法对TATB微观结构影响明显,由分维数据可得到各样品颗粒表面粗糙度顺序。TATB热分解温度、5秒爆发点温度和短脉冲起爆感度均与TATB微观结构密切相关,主要取决于样品中孔隙数量,即孔隙越多,其热分解温度和热爆炸温度越低,炸药越易被短脉冲作用所起爆。TATB短脉冲起爆感度和爆轰完全程度也与装药密度成反比、与孔隙度成正比;在孔隙度相近情况下,爆轰能力主要由分维决定。溶剂快速驱除法和高能撞击法得到的TATB基复合粒子各组分在微纳尺度上复合良好,粒子大小均匀、形貌接近;机械混合体系中的各组分粒子形态明显,粒子间接触面积有限,且有部分敏感炸药粒子裸露在外面。TATB基复合粒子的热稳定性和机械撞击感度受复合粒子微观结构的显著影响:BT体系出现BTF的熔化峰,HT体系未出现HMX的熔化峰,且HT体系的TATB分解放热峰温度较BT体系降低10℃以上,复合体系的机械撞击感度也显著降低。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 注释表
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 炸药微观结构对性能的影响研究进展
• 1.1.1 不同微观结构样品的制备技术
• 1.1.1.1 真空结晶法（即膨化法）
• 1.1.1.2 常压结晶法
• 1.1.1.3 粉碎法
• 1.1.2 炸药微观结构表征技术
• 1.1.2.1 偏光显微镜（PLM）
• 1.1.2.2 扫描电子显微镜（SEM）
• 1.1.2.3 透射电子显微镜（TEM）
• 1.1.2.4 扫描隧道显微镜（STM）
• 1.1.2.5 原子力显微镜（AFM）
• 1.1.2.6 小角散射技术（SAS）
• 1.1.2.7 流体吸附技术
• 1.1.2.8 冲击波感度法
• 1.1.2.9 X-射线衍射分析（XRD）
• 1.1.3 炸药微观结构对性能的影响
• 1.1.3.1 对机械感度的影响
• 1.1.3.2 对冲击波感度的影响
• 1.1.3.3 对热感度的影响
• 1.1.3.4 对爆轰能力的影响
• 1.1.3.5 对临界直径和传爆性能的影响
• 1.1.3.6 硝酸铵（AN）微观结构对相稳定的影响
• 1.2 现有研究还存在的不足或问题
• 1.3 本论文主要研究内容
• 1.3.1 硝酸铵微观结构对硝酸铵粉体及铵油炸药性能的影响
• 1.3.1.1 不同微观结构硝酸铵粉体及铵油炸药的制备
• 1.3.1.2 硝酸铵粉体及铵油炸药样品的微观结构表征
• 1.3.1.3 硝酸铵微观结构对相稳定的影响
• 1.3.1.4 硝酸铵微观结构对炸药性能的影响
• 1.3.2 TATB微观结构对性能的影响
• 1.3.2.1 不同微观结构TATB粉体及复合材料的制备
• 1.3.2.2 TATB粉体及复合材料的微观结构表征
• 1.3.2.3 TATB炸药微观结构对性能的影响
• 本章参考文献
• 第二章 不同微观结构实验样品的制备及表征技术
• 2.1 不同微观结构实验样品的制备
• 2.1.1 不同微观结构硝酸铵的制备
• 2.1.1.1 真空结晶法
• 2.1.1.2 常压结晶法
• 2.1.1.3 粉碎法
• 2.1.2 不同微观结构铵油炸药（ANFO）的制备
• 2.1.3 不同微观结构TATB粉体的制备
• 2.1.3.1 直接合成法
• 2.1.3.2 气流粉碎法
• 2.1.3.3 机械研磨法
• 2.1.3.4 溶剂/非溶剂重结晶法
• 2.1.3.5 重结晶-气流粉碎法
• 2.1.4 不同微观结构TATB基微纳复合炸药的制备
• 2.1.4.1 高能撞击复合法
• 2.1.4.2 溶剂快速驱除复合法
• 2.1.4.3 机械混合法
• 2.2 微观结构和性能研究内容及表征技术
• 2.2.1 微观结构特征及表征技术
• 2.2.1.1 密度（孔隙度）
• 2.2.1.2 比表面积
• 2.2.1.3 孔隙结构
• 2.2.1.4 表面形貌
• 2.2.1.5 粒度
• 2.2.2 相关性能及表征技术
• 2.2.2.1 热稳定性
• 2.2.2.2 5秒爆发点及延滞期
• 2.2.2.3 临界直径
• 2.2.2.4 雷管起爆感度
• 2.2.2.5 爆轰性能
• 2.2.2.6 机械撞击感度
• 2.2.2.7 硝酸铵相转变行为
• 2.3 本章小结
• 本章参考文献
• 第三章 硝酸铵微观结构特征及对性能的影响
• 3.1 不同状态硝酸铵的微观结构特征
• 3.1.1 密度（孔隙度）
• 3.1.2 比表面积
• 3.1.3 孔隙结构
• 3.1.3.1 等温吸附法
• 3.1.3.2 压汞法
• 3.1.4 表面结构特征
• 3.1.4.1 不含添加剂的硝酸铵
• 3.1.4.2 无机物改性的相稳定硝酸铵
• 3.1.5 孔隙形态及颗粒表面粗糙度（分维）
• 3.1.5.1 压汞法
• 3.1.5.2 气体等温吸附法
• 3.2 硝酸铵微观结构对性能的影响
• 3.2.1 对热稳定的影响
• 3.2.2 对延滞期的影响
• 3.2.3 对雷管起爆感度的影响
• 3.2.4 对相转变行为的影响
• 3.3 本章小结
• 本章参考文献
• 第四章 铵油炸药微观结构特征及对性能的影响
• 4.1 铵油炸药微观结构特征
• 4.1.1 不含添加剂的铵油炸药
• 4.1.1.1 密度（孔隙度）
• 4.1.1.2 颗粒表面结构特征
• 4.1.1.3 颗粒内部结构特征
• 4.1.2 含无机添加剂的铵油炸药
• 4.1.3 含有机表面活性剂的铵油炸药
• 4.2 铵油炸药微观结构对性能的影响
• 4.2.1 不含添加剂的铵油炸药
• 4.2.1.1 热安定性
• 4.2.1.2 临界直径
• 4.2.1.3 雷管起爆感度
• 4.2.1.4 爆轰能力
• 4.2.1.5 铵油炸药的起爆及爆轰机理
• 4.2.2 无机添加剂对铵油炸药性能的影响
• 4.2.2.1 雷管起爆感度
• 4.2.2.2 作功能力
• 4.2.3 有机添加剂对铵油炸药性能的影响
• 4.3 本章小结
• 本章参考文献
• 第五章 TATB微观结构特征及对性能的影响
• 5.1 TATB微观结构特征
• 5.1.1 粒度及分布
• 5.1.2 比表面积
• 5.1.3 孔隙结构
• 2吸附法'>5.1.3.1 N₂吸附法
• 5.1.3.2 小角X射线散射法
• 5.1.4 表面结构特征
• 5.2 TATB微观结构对性能的影响
• 5.2.1 5秒爆发点
• 5.2.2 热稳定性
• 5.2.3 短脉冲起爆感度和爆轰能力
• 5.3 本章小结
• 本章参考文献
• 第六章 TATB基复合体系微观结构及对性能的影响
• 6.1 TATB基复合体系的微观结构
• 6.2 TATB基复合体系微观结构对性能的影响
• 6.2.1 热稳定性
• 6.2.2 机械撞击感度
• 6.3 本章结论
• 本章参考文献
• 第七章 结论
• 7.1 本文主要结论
• 7.2 本文主要创新点
• 致谢
• 攻读博士学位期间发表论文