微米级TATB在限制条件下的烤燃试验研究

章文义，王 寅，王天宝，同红海，秦国圣，周 密，李 蛟

微米级TATB在限制条件下的烤燃试验研究

章文义1，王 寅2，王天宝3，同红海2，秦国圣2，周 密2，李 蛟2

（1. 江苏警官学院警务指挥与战术系，江苏 南京，210031；2.陕西应用物理化学研究所应用物理化学重点实验室，陕西 西安, 710061；3.陆军装备部驻西安地区军事代表局，驻西安地区军事代表室，陕西 西安，710025）

为了获得TATB的烤燃响应特性，对TATB进行了限制条件下的程序升温烤燃试验。结果表明，随着升温速率的增加，TATB的起始反应温度大致呈现增大的趋势。3.3℃/h升温速率下的两种尺寸的TATB药柱只发生热分解反应，且反应后发现大量黑色残留物。在5℃/min和15℃/min条件下药柱发生燃烧或不完全燃烧反应，均没有发生爆炸现象。反应的剧烈程度随着装药量和升温速率的增加而增大。

TATB；烤燃试验；热安全性

TATB是美国能源部目前批准的唯一的单质钝感炸药，对热、光、冲击波、摩擦和机械撞击等外界刺激非常钝感，已成为武器弹药钝感化工程中最重要的材料之一[1-2]。开展TATB的烤燃试验研究并结合其他热安全性评价方法，对综合分析TATB的热安全性具有很强的实际意义。

本文参考爆炸箔起爆器的装药结构，同时，为了获得烤燃过程中药柱的点火温度及烤燃响应特性，对不同尺寸的TATB药柱进行了限制条件下的程序升温烤燃试验，为爆炸箔起爆器的设计和应用提供参考。

1 试验

1.1 试验装置

烤燃试验系统由控温系统、加热系统和数据采集系统组成。试验时，首先将样品放入防爆罐中，然后将防爆罐置于加热系统中。防爆罐的结构及测温点如图1所示，防爆罐采用结构钢，样品所处位置可保证样品受热均匀。

图1 防爆罐结构图及测温位置图

1.2 试验方法

MIL-DTL-23659E的附录A规定爆炸箔起爆器的鉴定试验要求按3.3℃/h的升温速率加热，允许试验开始的温度高于环境温度（但低于TATB的分解峰温），试验开始到药柱反应的时间不少于16h[3]。采用3种试验方法对TATB进行烤燃试验：（1）室温下放入样品，以1℃/min的升温速率将炉内温度升至200℃，然后控制炉温，使其以3.3℃/h的升温速率对样品进行热烤，至样品出现反应或温度高于450℃停止。（2）室温下放入样品，以5℃/min的升温速率对样品进行加热，直至样品发生反应或样品处的温度高于450℃停止。（3）操作过程与（2）相同，仅升温速率为15℃/min。

1.3 试验样品

将TATB用模具压制成密度为90%TMD的药柱，如表1所示，药量偏差不大于±0.2mg。

表1 TATB药柱的尺寸和装药量

Tab.1 Sizes and charge of TATB explosive cylinder

根据图1中样品位置空腔的大小和药柱尺寸设计一种试验样品试管，该试管是一种密封的管壳，分为上下两部分组成，并采用螺纹连接，管壳壁采用不锈钢材料，底面采用黄铜材料，测试时，将热电耦拧在管壳壁上，如图2所示，此时药柱处于限制状态。

2 结果及讨论

2.1 不同升温速率下的烤燃试验结果及分析

图3为1号样品在升温速率为3.3℃/h的试验结果，图4为2号样品在升温速率为3.3℃/h的试验结果放大图，从图3~4可以看出，试验中监测到放热峰。较低的升温速率使得炉子与样品间的温度梯度较小，整个试验系统接近热平衡状态。TATB发生缓慢热分解，由于试验管壳的导热性较好，TATB热分解释放的能量聚集在管壳内，并在药柱内部形成热积累；而且密封体系使TATB分解产生的气体无法逸散至环境中。因此，在该升温速率下能监测到放热峰。

图4 3.3℃/h升温速率下φ6mm×10mmTATB(2号样品)的温度——时间曲线

图5为1号样品升温速率为3.3℃/h试验后药柱和管壳的照片，可以看出，图5管壳完好如新，壳内剩余较多黑色物质，呈凝聚态。图6为2号样品升温速率为3.3℃/h试验后药柱和管壳的照片，可以看出药剂反应将管壳的底面完整切掉，管壳底面有一定的形变，试验管壳内有大量的反应后固体残渣。热分析研究认为，TATB热分解分为两步：第1步先生成中间体，中间体分解并生成NO、CO等气体，剩余凝聚相为碳氢化合物的“炸药焦”；第2阶段为“炸药焦”分解释放CO2等气体。热分解后残余黑色物质疑似为“炸药焦”。

图5 φ6mm×5mmTATB(1号样品)试验后黑色残留物照片

图6 φ6mm×10mmTATB(2号样品)试验后黑色残留物照片

图7为1号样品升温速率为3.3℃/h烤燃试验前后表面和断面的扫描电镜（SEM）照片。

图7 1号样品烤燃试验前后的扫描电镜照片

从图7（a）可以看出，试验前TATB形貌较为完整，为晶体结构。图7（b）试验后的TATB形貌发生了明显变化，药剂因受热分解，形貌变的不规则，出现了絮状多孔物质，TATB的形貌完全消失。

对试验前后的样品进行了红外分析，如图8所示。

图8 试验前后TATB的红外图谱

由图8可见试验前后TATB的特征红外吸收峰有了很大的变化，试验后的固体残渣基本没有TATB中官能团的吸收峰，说明样品在3.3℃/h的升温速率下，仅发生的热分解反应较完全。

图9为1号样品在5℃/min升温速率下的温度时间曲线。图10为2号样品在5℃/min升温速率下的温度时间曲线。

图9 φ6mm×5mmTATB药柱（1号样品）在5℃/min升温速率下的温度——时间曲线

图10 φ6mm×10mmTATB药柱（2号样品）在5℃/min升温速率下的温度——时间曲线

由图9可以看出，在升温初期，因TATB药柱温度较低，药柱表面的升温速率明显滞后于控温位置处的升温速率。当温度升至320℃左右时，升温速率有所增加，这是由于TATB药柱内部的热积累导致了自加热现象。由图10可看出当药柱表面温度达到360℃左右时，突然跃迁到375℃左右，该过程在5s内完成，说明TATB在360℃发生了自发火现象。

图11为1号样品和2号样品在15℃/min升温速率下的温度时间曲线。

图11 TATB药柱在15℃/min升温速率下的温度——时间曲线

从图11可以看出，随着升温速率的增加起始反应温度在427℃左右。从理论上讲，不同的升温速率对样品会产生不同的热冲击速率，样品在单位时间内发生反应的质量随升温速率的增加而增大，从而使放热速率增加，导致分解峰温向高温区移动。药量的增加也使放热峰的温度增大。

2.2 烤燃现象及分析

图12为不同尺寸TATB药柱在不同升温速率下的试验结果照片，热烤试验结果见表2。从图12可以看出，1~2号样品在3.3℃/h的升温速率下的试验结果大致相同，管壳完好无损，试验后均留有圆柱形黑色物质。

图12 不同尺寸TATB药柱在不同升温速率下试验结果照片

表2 两种不同尺寸的TATB热烤试验结果

Tab.2 The cook-off test results of TATB with two different size

从图12可以看出，5℃/min升温条件下药剂反应将管壳的底面切开一部分，基本没有药剂反应残渣；而15℃/min升温条件下由于药剂反应将管壳的底面完整切掉，底面有一些形变，没有药剂反应残渣。从剩余样品的试验结果可以看出，随着装药量的增加，以及试验条件严酷程度的增加，反应的剧烈程度也明显增大。

从传热学的角度来分析，表面热阻无穷大炸药处于绝热状态，最终必然导致热爆炸或点火的发生。

因此，当处于密闭条件下的药柱受热后，发生热分解放出气体，使体系内的压力上升，一旦在炸药内部形成热点，点火后更有利于DDT现象的发生。

3 结论

（1）限制条件下的程序升温烤燃试验结果表明，在3.3℃/h升温速率下的2种尺寸药柱只发生热分解反应，在5℃/min和10℃/min升温速率下药柱发生燃烧反应，均没有发生爆炸现象。

（2）随着升温速率的增加，TATB的起始反应温度大致呈现增大的趋势。

（3）反应的剧烈程度随着装药量和升温速率的增加而增大。从试验中测得的双放热峰来看，恶劣的升温条件会使药柱局部达到临界反应温度，造成药柱的局部反应。

[1] Veera M B, Dabir S V, Tushar K G, et al. 2,4,6-Triamino- 1,3,5-trinitrobenzene (TATB) and TATB- based formulations- A review[J].Journal of Hazardous Materials, 2010 (181) :1-8.

[2] D. M. Badgujar, M. B. Talawar, S.N. Asthana, et al. Advances in science and technology of modern energetic materials: an overview[J].Journal of Hazardous Materials,2008(151):289- 305.

[3] MIL-DTL-23659E. Detail specification initiators, electric, general design specification for[S]. 2007.

Cook-off Test of Micron Size TATB under Restrictive Condition

ZHANG Wen-yi1,WANG Yin2, WANG Tian-bao3, TONG Hong-hai2,QIN Guo-sheng2,ZHOU Mi2,LI Jiao2

（1. Department of Command and Tactic in Police Affairs of Jiangsu Police Institute, Nanjing,210031；2 Science and Technology on Applied Physical Chemistry Laboratory, Shaanxi Applied Physics and Chemistry Research Institute, Xi’an, 710061；3. Military Representative Office of the Army Equipment Department in Xi 'an, Xi 'an, 710025）

In order to obtain the characterization of TATB under cook-off condition, the cook-off tests of TATB cylinder used in exploding foil initiator under restrictive condition were carried out with various temperature increasing rates. The results show that the initial reaction temperature takes on the increscent trend with the increasing heating rate. The TATB explosive cylinders of two sizes just decomposed at the heating rate of 3.3℃/h, and black remain was obtained. While no explosion phenomena turned up under the condition of 5℃/min and 15℃/min, the explosive was just burned or incompletely burned. The reaction intensity went up as the charge weight and temperature rate increasing.

TATB；Cook-off test；Thermal safety

TQ564

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2019.06.012

1003-1480（2019）06-0047-04

2019-11-18

章文义（1972 -），男，工学博士，主要从事爆炸防控技术研究。