Тема 8. Композиционные энергонасыщенные материалы специального назначения

В настоящее время представлены следующие принципы построения и перспективы развития КЭНМ в нашей стране:

I. Мощные бризантные составы на основе гексогена или октогена с минимальным количеством флегматизатора и с соответствующими связующими, если они прессованные, и с оптимальным количеством ТНТ, если они литьевые.

П. Мощные фугасные составы, в общем случае содержат тротил, гексоген, металл (А1) и флегматизатор. Для улучшения кислородного баланса в композицию возможна добавка окислителя.

Ш. Бризантно-фугасные составы могут содержать те же компоненты, что и указанные выше, но с отличающимся процентным соотношением компонентов, что позволяет растянуть энерговыделение, например при осколкообразовании.

Термостойкие составы, выдерживающие в течение длительного времени темпера­туры 250-280 °С могут принадлежать любой из трех приведенных групп и строятся по следующим принципам:

1. Индивидуальное ВВ или композиция из нескольких термостойких ВВ.

2. Высокоэнергетическая добавка, позволяющая за счет высокой теплопроводности, выравнивать тепловое поле в заряде.

3. Один из компонентов ЭНМ должен обладать низкой температурой и высокой теплотой плавления.

Малочувствительные составы имеют пониженную чувствительность к любому виду внешних воздействий и пониженную опасность в технологическом цикле. Указанные свойства могут быть достигнуты следующими путями:

1. Включением в состав низкочувствительного ВВ, как правило, ТАТБ.

2. Увеличением процента флегматизирующей (связующей) добавки.

3. Управлением плотностью, пористостью и дисперсностью компонентного со­става.

Низкоимпульсные составы строятся по следующим схемам:

1. Основной энергетический компонент имеет низкую (ниже насыпной) плотность;

2. В состав включается низкоплотный инертный компонент;

3. Состав вспенивается, либо осаждается на стенках пористой матрицы.

Составы, используемые в детонационных трансляторах, как правило, состоят из мощного индивидуального ВВ и связующей добавки, позволяющей получать легко формоизменяемые геометрии зарядов.

Взаимосвязанную с указанными составами составляет обширная группа так называемых промышленных ЭНМ. По очевидным причинам они должны быть в меньшей степени взрыво- и экологически безопасны и существенно дешевле.

Классификация КЭНМ по составу, областям применения, по технологии приготовления и т.д. представлена в таблице 8.

Таблица 8. Классификация КЭНМ

По составу				По конструкционному признаку			По технологии приготовления		По назначению
КМ на основе порохов и ТРТ (метательные составы)				слоистые (двухмерные)			механи- ческое смешение	водно- суспен- зионное	военного
КМ на основе пиротехнических составов				каркасные (пористые)
КМ на основе ВВ (ЭНМ)				комбинированные
На основе БВВ			На основе ИВВ	матричные
ВВ + ВВ Литьевые Типа ТГ			Средства возбуждения детонации	По виду связующего	По геометрии частиц наполнителя		По способу переработки в изделия		Народно- хозяйственного
ПВВ ВВ+окислитель			средства передачи детонации	термопласт	дисперсные	волокнистые	экструзия
							волочение
ВВ+инертное вещество				реактопласт	ВД	удлиненное	литье
ПВВ	ЭВВ	пастооб- разные		эластомер	полидисперсные	Короткое (дискретное)	прессование и пропитка каркаса
Пластизольные (на основе активного связующего и жидкого ВВ					гранулированные		вальцевание

Литьевые ЭНМ (ЛЭНМ). В первое послевоенное десятилетие перечень их невелик: ТНТ, гексоген и смеси на их основе (ТГ- 40 – ТГ-70).Позднее появилась смесь МС, позднее –ТГАФ -5М и ТОКАФ. Смесь ТГ-20 удалось реализовать за счет применения дорогостоящего крупнокристаллического гексогена, поэтому использовали более доступный ТГ-24. Состав ТГАГ-5, в котором для флегматизации низконаполненной суспензии применен галовакс (хлорнафталин), хорошо растворяющийся в тротиле.

После техногенных аварий (1988г., г.Арзамас, Свердловск) ТГ-24 допущен к транспортированию вместо индивидуальных ЭНМ в сухом, неувлажненном виде.

Использование флегматизированного гексогена в литьевых ЭНМ способствовало повышению безопасности работы заливочных мощностей по снаряжению БП. В 1980г. был внедрен состав ФС (МС-2), отличающийся повышенным содержанием алюминия – до 27%. Составы МС-Ц и МС-2Ц полностью воспроизводили рецептуры штатных ЭНМ и являлись их технологическими вариантами.

Термостойкие ЭНМ (ТЭНМ). С развитием скорострельных систем и авиации возникла необходимость в ЭНМ, выдерживающих температуру выше 200°С. Смеси С-150, С-20А –с низкомолекулярным каучуком СКТН и отвердителем К-1. Составы С-150 (полимерное связующее – 15%, октоген -85%) и С – 20А (полимерное связующее-18%, октоген-67%, алюминий-15%) с низким модулем упругости смесей позволили конструкторам избежать создания компенсационного объема, а высокая термостабильность составов не требовала термоизоляции корпуса. Позднее была начата разработка ЭНМ, выдерживающих температуру эксплуатации от 300ºС и выше. С этой целью в полимерную основу смеси С-150 в качестве наполнителя введена система «окислитель-горючее» и ЭНМ ОГ-19 содержит (полимерное связующее-19%, перхлорат калия-66%, алюминий-15%) в отсутствии обогрева смесительной аппаратуры и изделия. В таблицах 9,10 представлены основные физико-химические и взрывчатые характеристики термостойких составов.

Таблица 9. Индивидуальные термостойкие ВВ

ВВ	Тпл, °С	Плот- ность	D, м/с	Qвзр, кДж/кг	dкр, мм	Порог термостабиль- ности°С (часов)
Гексоген	203	1,65	7800	5770	1,0-2,0	140 (6)
Октоген	278	1,75	8800	5850	1,0	160(6)
НТФА	340	1,62	7200	4220	1,5-2,0	220(6)
Октанит	350	1,81	7130	4150	3,0	225(6)
Гексанитростильбен	316	1,71	7130	4000	3,8	200 (6)

Таблица 10. Термостойкие ЭНМ

Шифр	Состав	Плотность	D, м/с	Qвзр, Ккал/кг	Порог термостабильности °С (часов)
ТА - 23	ТНТ/Ал 77/23	1,73	6500	1410	210 (1час)
ТГ-20	ТНТ/гексоген 20/80	1,71	8150	1230	165 (1час)
ТГАФ-5М	Гекс/ТНТ/Ал/ Церезин 59/17/19/5	1,75	7700	1500	170 (1час)
ТОКАФ	ТНТ/окт/Ал/ Церезин 18/60/17/5	1,78	7860	1560	200 (1час)
Окфол-3,5	Окт/флегматизатор 96,5/3,5	1,76	8700	1250	200 (1час)

Сравнение отечественных и зарубежных пластичных и эластичных составов приводится в таблице 11.

Таблица 11. Составы и свойства эластичных и пластичных ВВ и их зарубежные аналоги

Отечественный состав
ЭНМ	Состав	Плотность, г/см	D, км/с / Qвзр, ккал/кг
ПВВ-12	Гекс /связка 90/10	1,6	8,0 / 1240
ПВВ-5а	Гекс /связка 85/15	1,4	7,4 /1100
ПВВ-7	Гекс /связка/Ал 71,5/11,5/17	1,52	6,5/ 1500
ЭВВ-11	Гекс / пластификатор 80/20	1,4	7,4 /1080
ТКФ	ТЭН/пластификатор 84/16	1,55	7,5 / 1300
ЭВВ-34	ТЭН/пластификатор 80/20	1,5	7,7 / 1090
Зарубежный аналог
С-4	Гекс /связка 91/9	1,64	8,19 / 1200
РЕ-4	Гекс /связка 88/12	1,55	7,8 / 1150
РЕ-6	Гекс /связка/Ал 72,2/12,8/15	1,61	6,8 / 1550
ХТХ-8004	Гекс / пластификатор 80/20	1,55	7,2 / 1030
EL-506А	ТЭН/пластификатор 85/15	1,48	7,04 / 1100
ХТХ-8003	ТЭН/пластификатор 80/20	1,53	7,3 / 1050

КЭНМ представляют собой вещества различных типов: они могут быть пластическими, эластическими, термопластическими и пластизольными. Использование на практике ЭНМ того или иного типа обуславливается решением конкретных задач по созданию взрывных устройств.

Основой всех перечисленных типов ЭНМ, как правило, являются мощные индивидуальные ЭНМ (ТЭН, гексоген, октоген и др.) с массовой долей до 90-95%. В качестве связующих компонентов в смесевых ЭНМ используются вещества химически совместимые с основными компонентами и придающие взрывчатым композициям требуемые технологические свойства (пластичность, термопластичность и т.д.). В качестве связующих компонентов в КЭНМ используются:

• индивидуальные ЭНМ с температурой плавления, как правило, менее 100˚С (литьевые смесевые ЭНМ);

• полимеры различных классов: каучуки, полиизобутилены, фторполимеры и др. (термопластические, пластические и эластические смесевые ЭНМ);

• смесь жидкого ЭНМ и полимера, которые способны образовывать гель (пластизольные смесевые ЭНМ).

В ряде случаев для улучшения конкретных параметров взрывчатых композиций (химической стойкости, прочности и др.) к основной рецептуре смесевого ЭНМ добавляют в оптимальном количестве вещество, способствующее достижению поставленной цели. Так, например, для улучшения химической стойкости ЭНМ к нему добавляют вещество, взаимодействующее с оксидами азота (дифениламин и др.). Повышение прочности деталей из ЭНМ достигается добавлением к ЭНМ армирующего волокна. Для придания ЭНМ отличительного цветового признака к нему добавляют краситель и т.д.

Технология изготовления КЭНМ обусловлена, в основном, его типом. При этом к технологиям предъявляется ряд основных требований:

• процесс должен осуществляться по замкнутому циклу (без сбросовых вод);

- процесс должен быть максимально механизированным, безопасным и экономичным;

- технология должна обеспечивать стабильность качества ВВ от партии к партии;

- количество изготовляемого ЭНМ за одну операцию должно быть оптимальным с точки зрения использования его по назначению.

Отметим, что литьевые и пластизольные КЭНМ изготавливаются непосредственно перед использованием.

Суть изготовления литьевых ЭНМ заключается в следующем. В специальный плавильный аппарат загружают низкоплавкий компонент (например, тротил) и нагревают его при перемешивании до температуры, несколько превышающую температуру плавления. После расплавления указанного компонента в жидкую фазу при постоянном перемешивании постепенно добавляют высокоплавкий компонент (например, гексоген, октоген). Полученную массу тщательно перемешивают и заливают в корпус заряда или специальную форму (кокиль).

Технология изготовления пластизольных КЭНМ является более сложной чем, литьевых. В этом случае осуществляется следующая последовательность операций.

Сначала готовят однородный золь из жидкого ЭНМ и подходящего полимера. Затем в золь добавляют основной компонент – индивидуальный ЭНМ (например, октоген и др.). Все эти операции проводят в вакууме в специальных вибросмесителях.

Полученную смесь заливают в отвакуумированный корпус. При заданных температуре и времени золь переходит в гель и помещенная в корпус смесь превращается в упругую деталь.

При использовании пластизольных ЭНМ особое внимание обращают на обеспечение однородности распределения компонентов по объему детали.

При изготовлении термопластичных ЭНМ наибольшее распространение получила водно- суспензионная технология, суть которой заключается в следующем.

В аппарате-грануляторе готовят суспензию основного компонента (наполнителя) смесевого ВВ (гексоген, октоген и др.) в большом объеме воды. К приготовленной суспензии при непрерывном перемешивании добавляют раствор связующего или связующих компонентов (связки). И здесь возможны два варианта:

• растворитель связующего компонента смешивается с водой, а собственно связующий компонент не растворяется в системе растворитель-вода;

• растворитель связующего компонента не смешивается с водой.

В первом случае связка осаждается на кристаллы наполнителя по мере добавления раствора к суспензии. Во втором - связка осаждается на кристаллы наполнителя по мере отгонки растворителя из гранулятора. В обоих случаях в конечном итоге образуется гранулированное ВВ, которое отфильтровывают от маточного раствора на вакуум-воронке.

После промывки ЭНМ сушат в специальных продувных сушилках струей горячего воздуха. Некоторые ЭНМ после сушки подвергают вальцеванию для придания ВВ требуемых гранулометрических параметров.

Отметим, что до настоящего времени в лабораторной практике для получения небольшого количества ЭНМ используется старый способ изготовления термопластических ЭНМ, основанный на ручном механическом смешении компонентов ЭНМ в специальных устройствах – смесителях.

При этом в смеситель загружают раствор связующего компонента и к нему при постоянном перемешивании добавляют другие компоненты. Образующуюся тестообразную массу ЭНМ выгружают из смесителя и после провялки вручную гранулируют. Полученный гранулированный ЭНМ сушат, при необходимости вальцуют.

Пластические и эластические КЭНМ изготавливают следующим образом.

В специальный механический смеситель загружают раствор связующего компонента и к нему при перемешивании добавляют основной компонент (ТЭН, гексоген).

После тщательного перемешивания полученной смеси последнюю сушат под вакуумом при повышенной температуре (~100°С) с периодическим перемешиванием.

Для придания ЭНМ необходимой однородности и пластичности (эластичности) его подвергают либо горячему вальцеванию, либо фильерированию через фильеры определенного диаметра.

Полученные шнуры разрезают на небольшие кусочки (гранулы) величиной 1-2 см.

Как и в случае изготовления термопластических смесевых ВВ в лабораторной практике сохранился ручной способ механического смешения компонентов пластических и эластических ВВ в специальных емкостях-смесителях.

Операция гомогенизации является одной из необходимых стадий переработки ЭНМ в технологическом процессе и предназначена для повышения уровня реологических, физико-механических и эксплуатационных свойств составов, приготовленных по вводно-суспензионной технологии.

Гомогенизация осуществляется за счет интенсивных сдвиговых деформаций в условиях вязкого течения при механической переработке массы состава. В процессе гомогенизации происходит существенное изменение надмолекулярной структуры полимерного связующего с образованием межфазного адгезионного слоя полимера на поверхности кристаллов наполнителя – ВВ.

Структура полимера – связующего в свободном объеме имеет преимущественно трехмерное строение, а в межфазном слое характеризуется ленточным, ориентированным к поверхности наполнителя строением. Такое перераспределение полимера на две фазы, отличающиеся не только структурой, но и свойствами, сопровождающееся существенным улучшением и стабилизацией технологических и эксплуатационных характеристик состава. В процессе гомогенизации происходит измельчение кристаллов взрывчатого наполнителя, что способствует снижению критических параметров инициирования и детонации изделия из ЭНМ.

Основным способом гомогенизации ЭНМ является вальцевание массы в малом зазоре между вращающимися валками.

Разработанная на начальном этапе разработки рецептур ЭНМ периодическая технология гомогенизации путем многократного пропускания определенной порции состава через зазор между валками отличается большой трудоемкостью и низкой производительностью (порядка 0,5 – 2 кг/час). Такая технология применяется в опытном или серийном изготовлении партий состава.

Сравнение методов позволяет отметить основные достоинства и недостатки.

Технология механического смешения обеспечивает большую производительность и требует меньших капитальных затрат на реализацию в производстве, в то же время связана с высокой опасностью процесса и не может обеспечить изготовление полимерсодержащих ЭНМ с вязкостью более 10⁴ – 10⁵ Па с.

Вводно-суспензионная технология более безопасна, является универсальной и позволяет изготавливать ЭНМ разных типов с массовой долей наполнителя до 95%, с равномерным распределением компонентов по массе. Метод относится к категории пожароопасных, поскольку используются горючие органические растворители.

К недостаткам этого метода относятся многостадийность, периодичность, необходимость процессов сушки и гомогенизации.

Подводя итог описанию технологий изготовления КЭНМ различных типов, следует особо подчеркнуть, что выбор и обоснование конкретных технологических режимов изготовления тех или иных ВВ является одним из основных направлений в общей проблеме по созданию и внедрению разрабатываемых КЭНМ в производство.

Методология создания КЭНМ с требуемыми параметрами

Создание смесевых взрывчатых веществ (ЭНМ) с требуемыми параметрами начинается с разработки технического задания. В техническом задании на разработку ЭНМ:

• указывается область использования ЭНМ и его тип;

• выделяется главный (целевой) параметр ЭНМ и его уровень. Целевыми параметрами разрабатываемого ЭНМ могут быть: мощность, термостойкость, чувствительность, механическая прочность и т.п.;

• определяется допустимый уровень других практически важных параметров, например, при заданной мощности ЭНМ – технологичность переработки, безопасность обращения, прочность и т.д. При заданной чувствительности (безопасности) ЭНМ – мощность ЭНМ, технологичность, прочность и т.д.

Старением ВВ называют необратимое ухудшение их взрывчатых и эксплуатационных свойств, происходящее в результате внутренних физико-химических процессов или взаимодействия ЭНМ с внешней средой (под воздействием осадков, солнечной радиации, высокой температуры воздуха и др.). Для аммиачно-селитренных ВВ наи­большее влияние на изменение свойств оказывает влагообмен с ок­ружающей средой. Поэтому сохранность свойств во многом опре­деляется качеством упаковки ЭНМ.

В зависимости от природы ЭНМ и качества упаковки устанавли­вается гарантийный срок использования ЭНМ, в течение которого га­рантируется сохранность всех нормированных государственным стан­дартом показателей на ЭНМ при соблюдении установленных правил их хранения и перевозки. В нашей стране этот срок составляет от 6 до 12 месяцев со дня изготовления ЭНМ (для продукции специализиро­ванных заводов).