邵 琴，徐文铮，王晶禹，金浩博，张 娜



TATB基PBX配方研究及性能测试

邵 琴，徐文铮，王晶禹，金浩博，张 娜

（中北大学化工与环境学院，山西太原，030051）

为了提高TATB基PBX的感度，通过喷射细化法对TATB进行细化，采用水悬浮法对原料TATB和纳米TATB进行包覆，制得了两种TATB基PBX样品，并对两种TATB基PBX样品进行形貌表征、热性能及机械感度测试。结果表明：细化得到的TATB粒径在60nm左右；纳米TATB的包覆效果较原料TATB更好；PBX中的纳米TATB的活化能较原料TATB降低了10.87kJ/mol，表明纳米TATB的加入使得PBX整体热稳定性降低；原料TATB基PBX特性落高为101cm而纳米TATB基PBX的特性落高为89cm，表明纳米TATB的加入使PBX撞击感度有所提高，使其更容易起爆。

纳米TATB；PBX炸药；撞击感度；摩擦感度

高聚物粘结炸药（PBX）是一类具有较高能量密度、机械性能好和安全性能较高的高能复合材料。目前国内外用于侵彻战斗部中的传爆药多为TATB基压装型耐高过载传爆药，对TATB基传爆药的性能研究也较为深入。M.B Talawar[1]等人将浓硫酸作为溶剂，用重结晶法对TATB进行了细化，得到2~5µm的TATB，随后将细化后的TATB的用于PBX配方中（原料TATB和细化后的TATB（9:1）以及10%的粘结剂）。结果表明添加了细化TATB的PBX性能明显优于只含原料TATB的PBX。David Price[2]对3种TATB的生产、性能等进行了综合比较，并主要针对采用不同粒度的TATB制备的PBXN-7的性能进行了测试表征。结果表明，30~50µm的TATB最有可能用于国防部配方替换，但还需进一步的性能测试。R Hutcheson[3]对比了CH-6、PBXN-5与PBXN-7 3种已定型并使用多年的经典传爆药的性能。最终得出PBXN-7的综合性能优越、耐高过载能力良好，可以适用于多种侵彻战斗部用引信的结论。吴永炎[4]等利用DMSO/碱重结晶法制备了平均粒径为60nm的纳米级TATB，纳米级TATB的钢凹值和撞击感度均较原料有所提高，热稳定性较原料有所降低。杨光成[5]等将TATB浓硫酸溶液加入超纯水中快速结晶，制得了粒径约60nm的球形或椭球形TATB，并对其性能进行了表征。结果表明，TATB的细化过程没有改变其晶体结构，呈现典型纳米粒子的X射线衍射特征。

目前的研究中针对采用纳米级TATB制备出的PBX的性能研究较少。本文采用喷射细化法对TATB进行细化，得到纳米TATB；采用水悬浮法对原料TATB和纳米TATB进行包覆制得了两种TATB基PBX样品。对两种TATB基PBX样品进行形貌表征、热性能及机械感度测试。

1 实验部分

1.1 原材料及试剂

TATB原料，兵器805厂；RDX原料，兵器805厂；VitonA，美国杜邦公司；二甲基亚砜（DMSO），天津市富宇精细化工有限公司；乙酸乙酯，天津市富宇精细化工有限公司；1-乙基-3-甲基咪唑醋酸盐（离子液），上海成捷化学有限公司。以上均为分析纯。

1.2 样品的制备

1.2.1主体炸药的细化

从细化效果和环境保护方面考虑，使用离子液/DMSO混合体系，在80℃水浴、超声搅拌的条件下溶解TATB。采用喷射细化法，利用快速射流所产生的剪切力对混入非溶剂去离子水而析出的TATB进行细化，抽滤及冷冻干燥后最终制得纳米TATB。

1.2.2 TATB基PBX的制备

采用水悬浮包覆的方法，将TATB、RDX及粘结剂VitonA按照60%、35%、5%的比例进行包覆。原料TATB与RDX包覆的PBX样品为1#样品，纳米TATB与RDX包覆的PBX样品为2#样品。

1.3 性能测试

通过Hitachi SU8020型冷场发射扫描电子显微镜对细化前后的TATB以及两种TATB基PBX样品形貌进行表征；采用DX-2700型X射线衍射仪对细化前后的TATB进行XRD图谱分析，衍射条件为：Cu靶Kα辐射，光管电压为30kV，电流为50mA，入射狭缝2.0mm，步长为0.03°；采用DSC131型差示扫描量热仪对TATB基PBX的热性能进行测量，测试条件为：氮气流量为30mL·min-1，试样质量为（0.7±0.1）mg，升温速率分别为5℃·min-1、10℃·min-1、20℃·min-1，参比物为Al2O3；根据GJB 772-1997方法601.3 12型工具法分别测试两种TATB基PBX样品的撞击感度，环境温度为10～35℃，相对湿度不大于80%，落球质量为（10±0.005）kg，药量为（35±1）mg；根据GJB 772-1997方法602.1 WM-1型摩擦感度仪分别测试两种TATB基PBX样品的爆炸概率百分数，环境温度为10～35℃，相对湿度不大于80%，表压为（3.92±0.078）MPa，摆角为（90±1）º，药量为（20±1）mg。

2 结果与讨论

2.1 形貌分析

对原料TATB、纳米TATB、RDX及两种TATB基PBX样品进行SEM测试，测试结果如图1所示。

图1 原料TATB、纳米TATB、RDX及两种PBX的SEM图片

从图1可以看出，TATB原料形状不规则，颗粒不均匀，有明显的棱角，粒径大体在10µm左右。细化后纳米TATB颗粒比较均匀，呈规则的球形晶体形状，粒径大小在60nm左右。RDX呈椭球状，粒径均匀，平均粒径在1µm左右。原料TATB、纳米TATB分别与RDX经过超声搅拌，各相分散均匀后，水悬浮包覆效果如图1（d）、图1（e）所示。由图1（d）、图1（e）可见两种TATB基PBX样品包覆效果较为理想，整体呈球形颗粒。但由于细化后TATB粒径较RDX微小很多，更易弥补包覆缺陷，所以纳米TATB的包覆效果较原料TATB更好。

2.2 XRD图谱分析

图2为细化前后的TATB的X衍射图谱。由图2可见，原料TATB和纳米TATB的衍射角基本一致，但细化后的TATB峰强度明显变弱，峰形变宽，说明细化后的TATB粒径明显小于原料TATB。

(a) 原料TATB       （b） 纳米TATB

2.3 热性能分析

对两种TATB基PBX的热分解性能进行测试，DSC曲线如图3所示。从图3可以看出，两种TATB基PBX样品中的RDX先在205℃附近都有1个吸热峰，1#样品在250℃附近第1次出现放热峰，在390℃第2次出现放热峰温。而2#样品在230℃附近第1次出现放热峰，在370℃第2次出现放热峰温。在不同升温速率下，2#样品中RDX的分解峰温分别前移了10.91℃、11.77℃、15.17℃，TATB的分解峰温分别前移了8.38℃、7.72℃、8.82℃。这说明TATB的粒度不仅对TATB本身的热分解性能存在影响，并且对PBX中RDX的热分解性能同样存在较大影响。采用Kissinger法[6]和Rogers法[7]分别计算RDX、原料TATB、纳米TATB及两种PBX中RDX与TATB的热分解表观活化能、指前因子。计算结果见表1。

（2）

图3 原料TATB、纳米TATB、RDX以及2种PBX在不同升温速率下的DSC曲线

表1 原料TATB、纳米TATB、RDX以及两种PBX的热爆炸临界温度

Tab.1 Thermal explosion critical temperature of raw TATB,nano-TATB,RDX and PBXs

从表1可以看出，水悬浮包覆过程对PBX中各组分的表观活化能影响不大，但相比于使用原料TATB的1#PBX样品，使用纳米TATB的2#PBX样品中，不仅TATB自身的活化能降低了10.87kJ/mol，与1#PBX样品品质一样的RDX的活化能也受超细TATB影响而大幅度降低。

2.4 机械感度测试结果

对两种PBX样品进行撞击感度测试和摩擦感度测试，测试结果如表2所示。由表2可见，使用纳米TATB制得的2#样品的撞击感度明显高于使用原料TATB制得的1#样品；两种PBX的摩擦感度都较低。在撞击作用下，炸药发生爆炸的原因可以由热点理论解释，即由撞击产生的热点足够多、热点尺寸足够大时，热点可逐渐发展，最终使炸药发生爆炸。对于2#样品，由于纳米TATB粒度极小，在制备过程中很容易出现团聚、空隙等缺陷，使得在撞击作用下同相、异相间相互作用加剧，更容易产生和传播热点，最终导致2#样品的撞击感度明显高于1#样品。

表2 两种PBX机械感度测试结果

Tab.2 Results of mechanical sensitivity of PBXs

3 结论

（1）采用喷射细化法制备出粒径60nm左右的TATB，使用水悬浮包覆法制得两种TATB基PBX样品。对PBX热分析结果表明，PBX中纳米TATB不仅自身的热分解表观活化能比原料TATB降低了10.87kJ·mol-1，并且RDX的热分解表观活化能降低了50.39kJ·mol-1。这说明，纳米TATB的加入，使得PBX整体热稳定性降低。

（2）TATB的粒度对TATB基PBX机械感度有较大影响，使用纳米TATB提高了TATB基PBX整体的撞击感度，可以使极为钝感的TATB基炸药更符合当代军事的低能起爆的要求，拥有更为良好的应用前景。

[1] M.B Talawar,A.P Agarwal,et al.Method for preparation of fine TATB(2-5µm) and its evaluation in plastic bonded explosive (PBX) formulations[J].Journal of Hazardous of Materials,2006, B(B7) :1 848-1 852.

[2] David Price. Improved energetic materials as fuze ingredients: TATB[R].BAE Systems/HSAAP,2010.

[3] R.Hutcheson.MK80 MOD 0 fuze booster:an insensitive munitions(IM) replacement for the MK44 MOD 1 Fuze Booster [C]//49th Annual Fuze Conference. Seattle: Indian Head Division NAVSEA Surface Warfare Center,2005.

[4] 吴永炎,李勇力,王晶禹,等.纳米TATB的制备和研究[J].火工品,2013(2):44-46.

[5] 杨光成,聂福德,黄辉,等.纳米TATB制备和表征[J].含能材料,2005,13(5):354.

[6] Kissinger H E. Reaction kinetics in differential thermal analysis[J].Analytical Chemistry,1957,29(11):1 702-1 706.

[7] Roger R N,Dauh G W. Scanning calorimetric determination of vapor-phase kinetics data[J]. Analytical Chemistry,1973, 45 (3): 596-600.

Formulation Research and Performance Test of TATB-based PBX

SHAO Qin，XU Wen-zheng，WANG Jing-yu，JIN Hao-bo，ZHANG Na

（College of Chemical Engineering and Environment, North University of China,Taiyuan，030051）

In order to improve the sensitivity of TATB-based PBX, nano-TATB powders were prepared by the recrystallization method, and two kinds of PBX formulations based on coarse and fine TATB were studied. The characteristic properties of the two kinds of PBXs thus obtained have been confirmed by SEM, XRD,DSC, and the mechanical sensitivity was measured. It was observed that the particle size of refine TATB is around 60 nm. The activation energy()of nano TATB in the PBX is decreased by 10.87kJ/mol than the raw TATB,and the drop height(50)of the nano-TATB based PBX reduced either,so it conclude that properties like mechanical strength were improved for nano-TATB, in comparison with coarse TATB alone in high explosive formulations, and the thermal stability is decreased due to the nano-TATB, which can be detonated easier.

Nano-TATB；PBX；Impact sensitivity；Friction sensitivity

1003-1480（2015）05-0046-04

TQ564

A

2015-06-09

邵琴（1988 -），女，在读硕士研究生，主要从事传爆药性能及其安全研究。