Nghiên cứu sự phụ thuộc của quá trình phân hủy nhiệt và tốc độ nổ vào thành phần thuốc nổ hỗn hợp trên nền hexogen

Các số liệu, kết quả được trình bày trong luận án này là hoàn toàn trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác, các dữ liệu tham khảo được trích dẫn đầ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG

VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ

-

NGUYỄN MẬU VƯƠNG

NGHIÊN CỨU SỰ PHỤ THUỘC CỦA QUÁ TRÌNH PHÂN HỦY NHIỆT VÀ TỐC ĐỘ NỔ VÀO THÀNH PHẦN

THUỐC NỔ HỖN HỢP TRÊN NỀN HEXOGEN

LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÓA HỌC

Hà Nội - 2020

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG

VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ

-

NGUYỄN MẬU VƯƠNG

NGHIÊN CỨU SỰ PHỤ THUỘC CỦA QUÁ TRÌNH PHÂN HỦY NHIỆT VÀ TỐC ĐỘ NỔ VÀO THÀNH PHẦN

THUỐC NỔ HỖN HỢP TRÊN NỀN HEXOGEN

Chuyên ngành: Hóa lý thuyết và Hóa lý

Mã số: 9 44 01 19

LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÓA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

1 PGS.TS Ngô Văn Giao

2 PGS.TS Đặng Văn Đường

Hà Nội - 2020

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan, đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả được trình bày trong luận án này là hoàn toàn trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác, các dữ liệu tham khảo được trích dẫn đầy đủ./

Hà Nội, ngày tháng năm 2020

Tác giả luận án

Nguyễn Mậu Vương

LỜI CÁM ƠN

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất tới PGS.TS Ngô Văn Giao và PGS.TS Đặng Văn Đường đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ tôi trong suốt thời gian thực hiện và hoàn thành bản luận án này

Tôi xin chân thành cám ơn các nhà khoa học đã có những ý kiến đóng góp quý báu để tác giả hoàn thiện luận án

Tôi xin chân thành cảm ơn các cơ quan, tổ chức: Viện Hóa học – Vật liệu; Viện Khoa học & Công nghệ quân sự; Viện Thuốc phóng Thuốc nổ; Trung tâm

đo đạc và kiểm định Vật liệu nổ đã tạo điều kiện về cơ sở vật chất và đóng góp nhiều ý kiến bổ ích về mặt khoa học trong suốt quá trình nghiên cứu thực nghiệm và hoàn chỉnh bản luận án này

Tôi xin được cảm ơn gia đình, bạn bè và các bạn đồng nghiệp đã luôn động viên, cổ vũ và giúp đỡ tận tình để tôi hoàn thành bản luận án này

Hà Nội, ngày tháng năm 2020

Tác giả luận án

Nguyễn Mậu Vương

MỤC LỤC

Danh mục các ký hiệu, chữ viết tắt……… vi

Danh mục các bảng……… ix

Danh mục các hình vẽ, đồ thị……… xii

MỞ ĐẦU 1

* Tính cấp thiết của đề tài luận án: 1

* Mục tiêu nghiên cứu: 2

* Đối tượng và phạm vi nghiên cứu: 3

* Nội dung nghiên cứu: 3

* Phương pháp nghiên cứu: 3

* Ý nghĩa khoa học, thực tiễn của luận án: 4

* Bố cục của luận án: 4

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 5

1.1 Định nghĩa và phân loại chất nổ 5

1.1.1 Định nghĩa chất nổ 5

1.1.2 Phân loại chất nổ 5

1.2 Thuốc nổ RDX và các loại thuốc nổ hỗn hợp trên nền RDX 6

1.2.1 Thuốc nổ RDX 6

1.2.2 Các thuốc nổ hỗn hợp trên nền RDX 6

1.3 Quy luật động học phản ứng nổ 6

1.4 Sự phân hủy nhiệt của thuốc nổ 11

1.4.1 Khái niệm sự phân hủy nhiệt 11

1.4.2 Sự phân hủy nhiệt của một số thuốc nổ 14

1.5 Tình hình nghiên cứu thuốc nổ RDX và hỗn hợp trên nền RDX 16

1.5.1 Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài 16

1.5.2 Tình hình nghiên cứu ở Việt Nam 30

1.6 Các nội dung luận án giải quyết 36

CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 38

2.1 Hóa chất 38

2.1.1 Các loại thuốc nổ 38

2.1.2 Các hóa chất khác 38

2.2 Các phương pháp, thiết bị nghiên cứu 39

2.2.1 Phương pháp tính toán các hệ số và thành phần sản phẩm nổ 39

2.2.2 Phương pháp đo và tính nhiệt lượng nổ 43

2.2.3 Phương pháp và thiết bị xác định tốc độ nổ 47

2.2.4 Phương pháp phân tích nhiệt 48

2.2.5 Phương pháp đánh giá sự tương hợp và độ bền nhiệt bằng DSC 51

2.2.6 Phương pháp tính toán các thông số động học dựa vào DTA 51

2.2.7 Hiển vi điện tử quét SEM 51

2.2.8 Đo phân bố cỡ hạt bằng tán xạ laze 52

2.2.9 Phương pháp chế tạo các mẫu nghiên cứu 53

2.2.10 Xác định thành phần sản phẩm nổ 56

2.2.11 Phương pháp xử lý số liệu thực nghiệm 60

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 61

3.1 Cân bằng oxi, hệ số oxi và thành phần sản phẩm nổ 61

3.1.1 Tính toán các hệ số và thành phần sản phẩm nổ 61

3.1.2 Thực nghiệm định tính thành phần sản phẩm nổ 66

3.2 Nghiên cứu sự tương hợp của hệ 74

3.2.1 Hệ thuốc nổ TГ 74

3.2.2 Hệ thuốc nổ A-IX-1 78

3.3 Quá trình phân hủy không đẳng nhiệt của thuốc nổ 80

3.3.1 Hệ thuốc nổ TГ 80

3.3.2 Hệ thuốc nổ A-IX-1 91

3.4 Sự phụ thuộc nhiệt lượng nổ vào thành phần thuốc nổ 106

3.4.1 Hệ thuốc nổ TГ 106

3.4.2 Hệ thuốc nổ A-IX-1 110

3.5 Sự phụ thuộc tốc độ nổ vào thành phần thuốc nổ 112

3.5.1 Hệ thuốc nổ TГ 112

3.5.2 Hệ thuốc nổ A-IX-1 116

3.6 Dự kiến một số chất thuần hóa có thể sử dụng được cho RDX 118

3.6.1 Điều kiện tiến hành thử nghiệm 118

3.6.2 Kết quả và thảo luận 118

KẾT LUẬN 122

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ 124

TÀI LIỆU THAM KHẢO 125

PHỤ LỤC 138

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

A Hệ số oxi

D Tốc độ nổ

E Năng lượng hoạt hóa

f Thừa số phân nhánh

g Thừa số đứt mạch

kT Hằng số tốc độ phản ứng

Kb Cân bằng oxi

n Bậc phản ứng

Q Nhiệt lượng

R Hằng số khí lý tưởng

G Gốc tự do

Tbc Nhiệt độ bùng cháy

Tnc Nhiệt độ nóng chảy

Tonset Nhiệt độ bắt đầu của trạng thái (nóng chảy, phân hủy…)

Tp Nhiệt độ đỉnh pic

𝜏 Thời gian thực hiện một mắt xích

T Nhiệt độ tuyệt đối

x Phần phản ứng hoặc chuyển đổi (không thứ nguyên)

Z Thừa số trước mũ hoặc tần số

𝛽 Xác suất đứt mạch, Tốc độ gia nhiệt

𝛿 Xác suất phân nhánh

𝜌 Mật độ

∪ Độ dài mạch

𝜔 Độ nhạy va đập

W Tốc độ phản ứng dây chuyền

∆h Độ nổ phá theo Kast

∆Tp Độ chênh lệch nhiệt độ đỉnh píc

∆W Độ giãn nở bom chì

AS Axit stearic

A-IX-1 (95,0÷95,5) % RDX + (5,0÷6,5) % chất thuần hóa

A-IX-11 (95,0÷95,5) % RDX + (5,0÷6,5) % xerezin

A-IX-13 (95,0÷95,5) % RDX + (5,0÷6,5) % chất thuần hóa (gồm 60%

xerezin; 38,8% axit stearic; 1,2% sudan) CEF Tris-beta chloroethylphosphate

Comp BO RDX/TNT/wax theo tỷ lệ khối lượng 58,7/40,3/1

Comp BN RDX/TNT/wax theo tỷ lệ khối lượng 60,2/38,9/0,9

CTPTGĐ Công thức phân tử giả định

DOA Dioctyladipate

DOP Dioctylphtalate

DSC Phân tích nhiệt lượng quét vi sai

DTA Phân tích nhiệt vi sai

PƯ Phản ứng

RDX Research Department eXplosive (cyclotrimetylen trinitramin) RXE 9010 RDX/Estane theo tỷ lệ khối lượng 90/10

RXE 9505 RDX/Estane theo tỷ lệ khối lượng 95/5

RXV 9010 RDX/Viton-A với tỷ lệ khối lượng 90/10

DANH MỤC BẢNG

Trang

Bảng 1.1 Một số thông số động học của thuốc nổ RDX 15

Bảng 1.2 Độ tan của RDX trong dung dịch HNO3 17

Bảng 1.3 Độ tan của RDX trong TNT nóng chảy 17

Bảng 1.4 Các hỗn hợp ơtecti của RDX 17

Bảng 1.5 Tốc độ nổ của RDX phụ thuộc vào mật độ 19

Bảng 1.6 Một số hỗn hợp RDX với chất thuần hóa 20

Bảng 1.7 Một số đặc trưng của thuốc nổ A-IX-1 22

Bảng 1.8 Thuốc nổ hỗn hợp RDX và TNT 23

Bảng 1.9 Một số tính chất nổ của hỗn hợp TГ 25

Bảng 1.10 Một số thuốc nổ hỗn hợp RDX và nhôm 26

Bảng 1.11 Đặc trưng năng lượng nổ của A-IX-2 26

Bảng 1.12 Một số thuốc nổ hỗn hợp của RDX, TNT và Al 27

Bảng 1.13 Một số thuốc nổ hỗn hợp của RDX với chất nổ khác 28

Bảng 2.1 Các chỉ tiêu kỹ thuật của xerezin 38

Bảng 2.2 Các chỉ tiêu kỹ thuật của axit stearic 38

Bảng 2.3 Các chỉ tiêu kỹ thuật của sudan 39

Bảng 2.4 Các chỉ tiêu kỹ thuật của một số chất thuần hóa 39

Bảng 3.1 Cân bằng oxi và hệ số oxi của một số hỗn hợp ТГ 61

Bảng 3.2 Thành phần sản phẩm nổ của một số hỗn hợp ТГ 62

Bảng 3.3 Cân bằng oxi và hệ số oxi của thuốc nổ A-IX-13 63

Bảng 3.4 Cân bằng oxi và hệ số oxi của một số chất 64

Bảng 3.5 Thành phần sản phẩm nổ của thuốc nổ A-IX-13 64

Bảng 3.6 Cân bằng oxi và hệ số oxi của thuốc nổ A-IX-11 65

Bảng 3.7 Thành phần sản phẩm nổ của thuốc nổ A-IX-11 65

Bảng 3.8 Kết quả đo thành phần khí sản phẩm nổ của các thuốc nổ 68

Bảng 3.9 Kết quả phân tích thành phần sản phẩm rắn khi nổ A-IX-13 71

Bảng 3.10 Kết quả phân tích thành phần sản phẩm rắn khi nổ A-IX-11 72

Bảng 3.11 Kết quả phân tích thành phần sản phẩm rắn khi nổ ТГ-50 74

Bảng 3.12 Thông số phân hủy của thuốc nổ theo đường cong DSC 76

Bảng 3.13 Các thông số phân hủy của các loại A-IX-1 79

Bảng 3.14 Tỷ lệ thành phần của các mẫu thử nghiệm 80

Bảng 3.15 Các thông số vật lý của ТГ-60,0 82

Bảng 3.16 Các thông số vật lý của ТГ-23,0 82

Bảng 3.17 Các thông số vật lý của ТNT 83

Bảng 3.18 Các thông số động học của thuốc nổ ТГ 87

Bảng 3.19 Hằng số tốc độ phản ứng phân hủy của thuốc nổ ТГ 88

Bảng 3.20 Thời gian bán hủy của thuốc nổ ТГ 89

Bảng 3.21 Tỷ lệ thành phần của các mẫu thử nghiệm 91

Bảng 3.22 Các thông số vật lý của Mẫu RDX 93

Bảng 3.23 Các thông số vật lý của Mẫu A-IX-13 (M1) 94

Bảng 3.24 Các thông số vật lý của Mẫu A-IX-13 (M2) 94

Bảng 3.25 Các thông số vật lý của Mẫu A-IX-13 (M3) 94

Bảng 3.26 Các thông số vật lý của Mẫu A-IX-13 (M4) 95

Bảng 3.27 Các thông số động học của hỗn hợp A-IX-13 96

Bảng 3.28 Hằng số tốc độ phản ứng phân hủy của A-IX-13 96

Bảng 3.29 Thời gian bán hủy của thuốc nổ A-IX-13 97

Bảng 3.30 Tỷ lệ thành phần của các mẫu thử nghiệm 99

Bảng 3.31 Các thông số vật lý của A-IX-11 (M5) 101

Bảng 3.32 Các thông số vật lý của A-IX-11 (M6) 101

Bảng 3.33 Các thông số vật lý của A-IX-11 (M7) 101

Bảng 3.34 Các thông số vật lý của A-IX-11 (M8) 102

Bảng 3.35 Các thông số động học của A-IX-11 103

Bảng 3.36 Hằng số tốc độ phản ứng phân hủy của thuốc nổ A-IX-11 103

Bảng 3.37 Thời gian bán hủy của thuốc nổ A-IX-11 104

Bảng 3.38 Nhiệt lượng nổ của ТГ theo tính toán tại mật độ 1,60g/cm3

107

Bảng 3.39 Nhiệt lượng nổ của ТГ tại mật độ 1,60 g/cm3 107

Bảng 3.40 Chênh lệch giữa nhiệt lượng nổ thực tế và tính toán của ТГ 108

Bảng 3.41 Nhiệt lượng nổ của thuốc nổ A-IX-13 tại mật độ 1,62 g/cm3 110

Bảng 3.42 Nhiệt lượng nổ của thuốc nổ A-IX-11 tại mật độ 1,62 g/cm3 111

Bảng 3.43 Mật độ của các mẫu đúc 112

Bảng 3.44 Tốc độ nổ của thuốc nổ TГ tại mật độ 1,60 g/cm3 114

Bảng 3.45 Tốc độ nổ của thuốc nổ TГ tại mật độ đúc cao nhất 115

Bảng 3.46 Tốc độ nổ của thuốc nổ A-IX-13 116

Bảng 3.47 Tốc độ nổ của thuốc nổ A-IX-11 117

Bảng 3.48 Tỷ lệ thành phần của các mẫu thử nghiệm 118

Bảng 3.49 Kết quả đo các thông số nhiệt DSC của các mẫu 120

DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Trang

Hình 1.1 Sơ đồ dây chuyền phản ứng nổ 7

Hình 1.2 Sự phụ thuộc tốc độ phản ứng vào thông số thời gian 9

Hình 1.3 Sơ đồ công nghệ sản xuất RDX 31

Hình 1.4 Các thiết bị nitro hóa và phân hủy trên dây chuyền RDX 32

Hình 1.5 Thiết bị lọc trên dây chuyền RDX 32

Hình 1.6 Thiết bị chế tạo thuốc nổ A-IX-1 36

Hình 2.1 Thiết bị đo nhiệt lượng nổ DCA-5 44

Hình 2.2 Thiết bị đo tốc độ nổ VOD-8 47

Hình 2.3 Các thỏi thuốc sau khi nén ép và cách ghép để đo tốc độ nổ 48

Hình 2.4 Thỏi thuốc đã được ghép vào ống nhựa, lắp dây tín hiệu và kíp 48

Hình 2.5 Thiết bị đo DTA 49

Hình 2.6 Thiết bị đo DSC 131 50

Hình 2.7 Kính hiển vi điện tử FEI Nova NanoSEM 450 52

Hình 2.8 Thiết bị đo phân bố cỡ hạt Partica LA-950V2 53

Hình 2.9 Thiết bị phân tích khí nhẹ NARL8514 MODEL 4016 57

Hình 2.10 Thiết bị hấp thụ hồng ngoại JASCO 4600 58

Hình 2.11 Kính hiển vi điện tử JSM-6510LV - Đầu dò tán xạ năng lượng tia X 58

Hình 3.1 Đường sắc ký sản phẩm khí nổ của thuốc nổ A-IX-13 67

Hình 3.2 Đường sắc ký sản phẩm khí nổ của thuốc nổ A-IX-11 67

Hình 3.3 Đường sắc ký sản phẩm khí nổ của thuốc nổ ТГ-50 68

Hình 3.4 Phổ hấp thụ hồng ngoại của mẫu nước cất khử ion 68

Hình 3.5 Phổ hấp thụ hồng ngoại của chất lỏng ngưng tụ khi nổ A-IX-13 69

Hình 3.6 Phổ hấp thụ hồng ngoại của chất lỏng ngưng tụ khi nổ A-IX-11 69

Hình 3.7 Phổ hấp thụ hồng ngoại của chất lỏng ngưng tụ khi nổ ТГ-50 69

Hình 3.8 Bề mặt sản phẩm rắn thu được khi nổ A-IX-13 70

Hình 3.9 Phổ tán xạ năng lượng tia X của sản phẩm rắn thu được khi nổ A-IX-13 70

Hình 3.10 Bề mặt sản phẩm rắn thu được khi nổ A-IX-11 71

Hình 3.11 Phổ tán xạ năng lượng tia X của sản phẩm rắn thu được khi nổ A-IX-11 72

Hình 3.12 Bề mặt sản phẩm rắn thu được khi nổ ТГ-50 73

Hình 3.13 Phổ tán xạ năng lượng tia X của sản phẩm rắn thu được khi nổ ТГ-50 73

Hình 3.14 Phân bố cỡ hạt thuốc nổ RDX 75

Hình 3.15 Ảnh SEM bề mặt hạt thuốc nổ RDX 75

Hình 3.16 Ảnh SEM bề mặt bên ngoài thuốc nổ TГ sau khi đúc 75

Hình 3.17 Ảnh SEM bề mặt bên trong thuốc nổ TГ sau khi đúc 76

Hình 3.18 Đường cong DSC của RDX 77

Hình 3.19 Đường cong DSC của TNT 77

Hình 3.20 Đường cong DSC của TГ-60/40 77

Hình 3.21 Ảnh SEM bề mặt thuốc nổ A-IX-1 78

Hình 3.22 Đường cong DSC của A-IX-11 79

Hình 3.23 Đường cong DSC của A-IX-13 79

Hình 3.24 Đường DTA của ТГ-60,0 81

Hình 3.25 Đường DTA của ТГ-23,0 81

Hình 3.26 Đường DTA của ТNT 81

Hình 3.27 Đồ thị phương trình K của ТГ-60,0 84

Hình 3.28 Đồ thị phương trình K của ТГ-57,5 84

Hình 3.29 Đồ thị phương trình K của ТГ-55,0 84

Hình 3.30 Đồ thị phương trình K của ТГ-52,5 84

Hình 3.31 Đồ thị phương trình K của ТГ-50,0 84

Hình 3.32 Đồ thị phương trình K của ТГ-47,5 84

Hình 3.33 Đồ thị phương trình K của ТГ-45,0 85

Hình 3.34 Đồ thị phương trình K của ТГ-42,5 85

Hình 3.35 Đồ thị phương trình K của ТГ-40 85

Hình 3.36 Đồ thị phương trình K của ТГ-37,5 85

Hình 3.37 Đồ thị phương trình K của ТГ-35,0 85

Hình 3.38 Đồ thị phương trình K của ТГ-32,5 85

Hình 3.39 Đồ thị phương trình K của ТГ-30,0 86

Hình 3.40 Đồ thị phương trình K của ТГ-27,5 86

Hình 3.41 Đồ thị phương trình K của ТГ-25,0 86

Hình 3.42 Đồ thị phương trình K của ТГ-23 86

Hình 3.43 Đồ thị phương trình K của ТNT 86

Hình 3.44 Đồ thị phụ thuộc của E vào hàm lượng TNT trong ТГ 90

Hình 3.45 Đồ thị phụ thuộc của Z vào hàm lượng TNT trong ТГ 90

Hình 3.46 Đường DTA của mẫu RDX 92

Hình 3.47 Đường DTA của mẫu A-IX-13 (M1) 92

Hình 3.48 Đường DTA của mẫu A-IX-13 (M2) 92

Hình 3.49 Đường DTA của mẫu A-IX-13 (M3) 93

Hình 3.50 Đường DTA của mẫu A-IX-13 (M4) 93

Hình 3.51 Đồ thị phương trình K của mẫu RDX 95

Hình 3.52 Đồ thị phương trình K của mẫu A-IX-13 (M1) 95

Hình 3.53 Đồ thị phương trình K của mẫu A-IX-13 (M2) 95

Hình 3.54 Đồ thị phương trình K của mẫu A-IX-13 (M3) 95

Hình 3.55 Đồ thị phương trình K của mẫu A-IX-13 (M4) 96

Hình 3.56 Đồ thị sự phụ thuộc của E của A-IX-13 vào hàm lượng CTH 98

Hình 3.57 Đồ thị sự phụ thuộc của Z của A-IX-13 vào hàm lượng CTH 98

Hình 3.58 Đường DTA của mẫu A-IX-11 (M5) 99

Hình 3.59 Đường DTA của mẫu A-IX-11 (M6) 100

Hình 3.60 Đường DTA của mẫu A-IX-11 (M7) 100

Hình 3.61 Đường DTA của mẫu A-IX-11 (M8) 100

Hình 3.62 Đồ thị phương trình K của mẫu A-IX-11 (M5) 102

Hình 3.63 Đồ thị phương trình K của mẫu A-IX-11 (M6) 102

Hình 3.64 Đồ thị phương trình K của mẫu A-IX-11 (M7) 102

Hình 3.65 Đồ thị phương trình K của mẫu A-IX-11 (M8) 102

Hình 3.66 Đồ thị sự phụ thuộc của E của A-IX-11 vào hàm lượng CTH 105

Hình 3.67 Đồ thị sự phụ thuộc của Z của A-IX-11 vào hàm lượng CTH 105

Hình 3.68 Đồ thị sự phụ thuộc của nhiệt lượng nổ ТГ vào hàm lượng TNT 108

Hình 3.69 Đồ thị sự phụ thuộc nhiệt lượng nổ của A-IX-13 vào hàm lượng CTH 110

Hình 3.70 Đồ thị sự phụ thuộc nhiệt lượng nổ của A-IX-11 vào hàm lượng CTH 111

Hình 3.71 Đồ thị sự phụ thuộc của mật độ đúc cao nhất của TГ vào hàm lượng TNT 113

Hình 3.72 Sự phụ thuộc của tốc độ nổ TГ vào TNT tại mật độ 1,60 g/cm3 114

Hình 3.73 Sự phụ thuộc của tốc độ nổ TГ vào TNT tại mật độ đúc cao nhất 115

Hình 3.74 Đồ thị sự phụ thuộc của tốc độ nổ A-IX-13 vào hàm lượng CTH 116

Hình 3.75 Đồ thị sự phụ thuộc của tốc độ nổ A-IX-11 vào hàm lượng CTH 117

Hình 3.76 Đường DSC của M1 119

Hình 3.77 Đường DSC của M2 119

Hình 3.78 Đường DSC của M3 119

Hình 3.79 Đường DSC của M4 119

Hình 3.80 Đường DSC của M5 120

Hình 3.81 Đường DSC của M6 120

MỞ ĐẦU

* Tính cấp thiết của đề tài luận án:

Hexogen hay RDX là tên thường gọi của cyclonite; triazocyclohecxan, hay cyclotrimetylen trinitramin, có công thức phân tử C3H6O6N6 RDX (ký hiệu là , RDX) là một trong những thuốc nổ mạnh điển hình

1,3,5-trinitro-1,3,5-Thuốc nổ RDX có tốc độ nổ cao (8380 m/s ở mật độ 1,70 g/cm3), khả năng sinh công lớn đo theo phương pháp bom chì là (450÷520) mL Tuy nhiên, RDX có độ nhạy cao (70÷80%), không chịu nén và bị phân hủy trước khi nóng chảy [87], [116] Chính vì vậy, người ta thường sử dụng nó kết hợp với một chất nổ có tính công nghệ cao (dễ nóng chảy, không bị phân hủy khi nóng chảy) như TNT để đúc rót vào lòng bom, mìn, đạn, mồi nổ hoặc với chất thuần hóa làm giảm độ nhạy, tăng khả năng chịu nén để nhồi nạp vào đạn xuyên lõm, đạn nổ phá sát thương

Hiện nay, quân đội đã được đầu tư dây chuyền sản xuất thuốc nổ RDX ở quy mô công nghiệp Cũng như dây chuyền sản xuất thuốc nổ TNT, dây chuyền này đã vào sản xuất trong thời gian vừa qua Đồng thời, quân đội cũng đã, đang và sẽ tiếp tục đầu tư các dây chuyền sản xuất và sữa chữa đạn cối, đạn chống tăng, tên lửa phòng không tầm thấp Tuy vậy, những nghiên cứu về quá trình phân hủy nhiệt, sự phụ thuộc tốc độ nổ vào thành phần hỗn hợp trên nền RDX mặc dù đã được thế giới đề cập nhưng công bố rất hạn chế Việc nghiên cứu về phân hủy nhiệt giúp định hướng công nghệ nhồi nạp thuốc nổ hỗn hợp vào lòng bom đạn, dự đoán độ bền của sản phẩm Nghiên cứu ảnh hưởng của thành phần đến tốc độ

nổ sẽ quyết định uy lực của thuốc Vấn đề này cũng đã được nghiên cứu đề cập nhưng tài liệu chưa nhiều

Bên cạnh việc tiếp nhận chuyển giao công nghệ nhồi nạp, chế tạo đạn theo đơn hợp đồng, đã có một số đề tài nghiên cứu về các mác thuốc nổ cụ thể trên nền RDX, tuy nhiên chưa nhiều Hiện nay, ở nước ta, rất nhiều loại đạn, bom, mìn sử

dụng các hỗn hợp thuốc nổ dạng T và RDX thuần hóa Vì vậy, đề tài NCS:

“Nghiên cứu sự phụ thuộc của quá trình phân hủy nhiệt và tốc độ nổ vào thành

phần thuốc nổ hỗn hợp trên nền hexogen” không chỉ có ý nghĩa về mặt khoa học

mà còn có ý nghĩa thực tiễn làm cơ sở khoa học cho việc nghiên cứu thiết kế, chế tạo các loại đạn mới phù hợp với điều kiện công nghệ và tác chiến của quân đội Trong tính toán thiết kế đạn và các khối nổ hiện nay, trên thế giới đã sử dụng các phần mềm bản quyền ANSYS (Autodyn, LS-Dyna), MSC (Nastran, Dytran)

để mô phỏng các hiệu ứng nổ với độ chính xác, độ tin cậy rất cao Từ các mô phỏng đó, người ta rút ngắn được thời gian, kinh phí để đưa ra một thiết kế tối ưu cho mỗi loại sản phẩm phù hợp mục tiêu đề ra Mỗi một thiết kế đạn (hoặc thiết bị nổ) sẽ tối ưu nhất với một loại chất nổ có tính năng xác định

Trong quân sự, với chỉ tiêu kỹ chiến thuật đặt ra ban đầu cho thiết kế đạn, bom, mìn, đặc biệt là có sử dụng hiệu ứng nổ lõm, các thông số đưa vào phần mềm đối với thuốc nổ quan trọng nhất là mật độ, tốc độ nổ Khi thay đổi các thông số quan trọng này, kết quả thu được là hoàn toàn khác nhau đối với một thiết kế xác định Sẽ có những thông số đưa vào đảm bảo cho thiết kế đạt được tính tối ưu về hiệu ứng nổ, đôi khi là tối ưu về tính kinh tế trong khi vẫn đảm bảo được chỉ tiêu kỹ thuật ban đầu Chính vì vậy, việc lập ra một sổ tay của các hệ thuốc nổ (có đủ những thông số quan trọng) là một việc làm cấp thiết Đồng thời, nghiên cứu quá trình phân hủy nhiệt sẽ giúp xác định được khoảng nhiệt độ đúc

an toàn, thời gian bán hủy của thuốc phụ thuộc vào nhiệt độ bảo quản Đây cũng là cơ sở để xác định độ bền của sản phẩm và định hướng điều kiện kho chứa bảo quản đạn

* Mục tiêu nghiên cứu:

- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết và thực nghiệm về quá trình nổ của hai loại thuốc nổ hỗn hợp trên nền RDX (TГ, A-IX-1) để xây dựng cơ sở dữ liệu định hướng cho thiết lập đơn thành phần thuốc nổ phù hợp yêu cầu sử dụng cho thiết kế đạn tạo hình, đạn xuyên lõm, đạn có sức công phá mạnh

- Xác định được khoảng nhiệt độ đúc an toàn, dự đoán độ bền của sản phẩm dựa trên cơ sở tính toán thời gian bán hủy của các loại thuốc nổ, chỉ ra tầm quan trọng của yếu tố nhiệt độ đến độ bền của sản phẩm trong quá trình bảo quản, an toàn cháy nổ của đạn, thuốc nổ

* Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

Đối tượng nghiên cứu của luận án là 02 loại thuốc nổ hỗn hợp trên nền RDX: TГ (gồm TNT và RDX) và A-IX-1 (gồm RDX và chất thuần hóa)

Phạm vi nghiên cứu: các vấn đề liên quan đến quá trình phân hủy nhiệt và ảnh hưởng của thành phần lên tốc độ nổ, nhiệt lượng nổ thuốc nổ hỗn hợp TГ và A-IX-1

* Nội dung nghiên cứu:

- Tính toán sự phụ thuộc của cân bằng oxi, hệ số oxi, công thức phân tử giả định, thành phần sản phẩm nổ, nhiệt lượng nổ vào thành phần thuốc nổ hỗn hợp TГ, A-IX-1

- Xác định các thông số động học quá trình phân hủy khi thay đổi thành phần thuốc nổ TГ, A-IX-1 Từ đó, tính toán thời gian bán hủy của thuốc nổ, dự đoán độ bền sản phẩm

- Xác định phương trình thực nghiệm sự phụ thuộc của tốc độ nổ, nhiệt lượng nổ vào thành phần thuốc nổ TГ, A-IX-1

* Phương pháp nghiên cứu:

Đề tài sử dụng kết hợp các phương pháp tính toán lý thuyết và đo đạc thực nghiệm có độ chính xác cao trên các thiết bị và phương tiện hiện đại, tiên tiến (từ phương pháp tạo mẫu, chuẩn bị mẫu đo đồng đều, có sai số nhỏ đến việc sử dụng các thiết bị hiện đại, độ chính xác cao) để thiết lập những quy luật thực nghiệm tin cậy

* Ý nghĩa khoa học, thực tiễn của luận án:

- Xuất phát từ nhu cầu thực tế cần nghiên cứu 02 loại thuốc nổ trên nhằm xây dựng cơ sở dữ liệu cho việc thiết kế đơn thành phần phù hợp yêu cầu của thiết kế, chế tạo đạn (đặc biệt là đạn xuyên lõm, đạn tạo hình)

- Dựa vào phương pháp phân tích nhiệt, xác định được khoảng nhiệt độ đúc

an toàn, dự đoán độ bền của sản phẩm dựa trên cơ sở tính toán thời gian bán hủy của các loại thuốc nổ và chỉ ra tầm quan trọng của yếu tố nhiệt độ đến độ bền của sản phẩm trong quá trình bảo quản an toàn cháy nổ của đạn, thuốc nổ

Chương I Tổng quan

Phân tích đánh giá về tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước, các vấn đề liên quan, các nội dung cần giải quyết trong luận án

Chương II Các phương pháp nghiên cứu

Trình bày các phương pháp tạo mẫu, các phương pháp tính toán và các phương pháp đo đạc tính năng của thuốc nổ hỗn hợp

Chương III Kết quả và thảo luận

Chương này tập trung giải quyết các nội dung nghiên cứu đã đặt ra của luận án

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1 Định nghĩa và phân loại chất nổ

1.1.1 Định nghĩa chất nổ

Chất nổ là một hợp chất hóa học hoặc hỗn hợp các chất khi bị kích thích tới một giới hạn nhất định bởi xung kích thích bên ngoài (va đập, ma sát, nhiệt, tĩnh điện, sóng xung kích…) thì sinh ra gốc tự do và phát triển mạch dây chuyền phân nhánh nhanh xảy ra phản ứng nổ Phản ứng nổ này phải có đồng thời các đặc điểm sau và nếu thiếu một trong các đặc điểm này thì không phải là phản ứng nổ và chất sinh ra phản ứng đó không phải là chất nổ [1]:

- Tốc độ phản ứng nhanh, tự lan truyền

- Sinh ra nhiệt lượng nổ lớn (QV lớn)

- Thể tích khí sinh ra nhiều (V lớn)

1.1.2 Phân loại chất nổ

Có nhiều cách phân loại chất nổ khác nhau, thường gặp 2 kiểu sau:

a Dựa vào bản chất hóa học [86], người ta chia thành các loại:

- Các hợp chất nitro;

- Các este nitric;

- Nhóm 1: Thuốc nổ mồi (thuốc nổ sơ cấp)

- Nhóm 2: Thuốc nổ phá (thuốc nổ thứ cấp)

- Nhóm 3: Thuốc phóng và nhiên liệu tên lửa

Đối với thuốc nổ phá nói riêng, có nhiều cách phân loại như dựa vào nhóm chức (các hợp chất nitrat, nitro…), độ nhạy, thành phần (đơn thành phần và hỗn hợp) Trong đó, phân loại theo thành phần là thông dụng và dễ nhớ nhất

1.2 Thuốc nổ RDX và các loại thuốc nổ hỗn hợp trên nền RDX

1.2.2 Các thuốc nổ hỗn hợp trên nền RDX

Có nhiều loại hỗn hợp với tên gọi khác nhau, thông thường ta hay gặp các loại sau [87], [72], [26], [40], [116], [88]:

- Hỗn hợp RDX với chất thuần hóa

- Hỗn hợp RDX với TNT

- Hỗn hợp RDX với bột nhôm

- Hỗn hợp RDX với TNT và bột nhôm

- Hỗn hợp RDX với một số chất khác

1.3 Quy luật động học phản ứng nổ

a Theo cơ chế gốc tự do [4]: Phản ứng nổ của thuốc nổ xảy ra theo cơ chế gốc tự do theo dây chuyền phân nhánh hoặc không phân nhánh, phân nhánh càng nhiều, tốc độ phản ứng càng nhanh

Thuốc nổ ban đầu ký hiệu G Phản ứng nổ xảy ra theo các giai đoạn sau:

+ Giai đoạn khơi mào: hình thành các gốc tự do nguyên thủy

● - Kí hiệu mắt xích của gốc tự do G

+ Giai đoạn đứt mạch: xảy ra phản ứng hủy diệt gốc tự do

G + G  2G Trường hợp mạch dây chuyền không phân nhánh có độ dài trung bình bằng

 mắt xích (hình 1.1.a), sự đứt mạch có thể xảy ra ở bất kỳ mắt xích nào, cho nên xác suất đứt mạch trung bình là   1 Thời gian thực hiện một mắt xích như trên nếu là  giây thì thời gian tồn tại trung bình của gốc G là . giây

Kí hiệu n là số gốc G trong 1 cm3 thì sau . giây tất cả n gốc G đều bị hủy diệt, nghĩa là sau 1 giây có n n

   gốc G

 bị hủy diệt

Gọi n o là tốc độ khơi mào (số gốc G ban đầu sinh ra trong một giây và 1

cm3 sau kích nổ) ta có phương trình:

dn n o n dt





  (1.1) Nghĩa là biến thiên nồng độ gốc tự do trong đơn vị thời gian bằng số gốc tự

do hình thành (n o) trừ đi số gốc tự do G bị hủy diệt (n

 )

Kích nổ

Trường hợp mạch dây chuyền phát triển phân nhánh (hình 1.1.b), sự phân nhánh với xác suất  thì trong phương trình trên phải thay đại lượng  bởi -,

vì sự phân nhánh làm giảm hiệu lực của sự đứt mạch

Vậy đối với phán ứng dây chuyền phân nhánh ta có phương trình:

  là thừa số đứt mạch

Kí hiệu   f g phương trình trên chuyển thành

khi đó phương trình (1.4) trở thành:

Trường hợp  = 0 tức là g = f

Thế vào phương trình (1.3) ta có

 o

dn n

dt (1.6)

Sau khi lấy tích phân ta được

n n t (1.7) Trường hợp này nồng độ gốc tự do G tăng tuyến tính theo thời gian

Trường hợp  > 0 tức f > g từ phương trình (1.4) bỏ qua đơn vị và được:

r o

n

n e



 (1.8)

Hàm lượng gốc tự do tăng theo hàm mũ với thời gian, phản ứng sẽ không tránh khỏi dẫn đến sự cháy, nổ

Tốc độ phản ứng dây chuyền tỉ lệ với nồng độ gốc tự do, nếu gọi a là hệ số

tỉ lệ thì có phương trình tốc độ phản ứng dây chuyền trong 3 trường hợp như

sau:  



o a.n

a.n

f g khi f > g (1.9)

Nếu biểu diễn sự phụ thuộc tốc độ phản ứng hoặc độ dài mạch  W W o

(W o – tốc độ khơi mào) vào thời gian thì ứng với các tỉ lệ x f g

a



 ta được các hình biểu diễn trên hình 1.2

Hình 1.2 Sự phụ thuộc tốc độ phản ứng vào thông số thời gian Sự phụ thuộc độ dài mạch   W / Wo vào thông số thời gian at ứng với các

nằm trong miền nổ

Thuốc nổ RDX là loại thuốc nổ mạnh, khá nhạy và không chịu nén ép cũng như không thể đúc vì bắt đầu phân hủy trước khi nóng chảy Để áp dụng RDX vào sản phẩm cụ thể, thường làm theo 2 cách sau: kết hợp RDX với các hỗn hợp

thuần hóa (vừa có tính kết dính, vừa có tính giảm nhạy) hoặc thuốc nổ có khả năng đúc ở nhiệt độ nhỏ hơn 100oC như TNT Tùy theo yêu cầu về uy lực (thể hiện ở tốc độ nổ) của sản phẩm sử dụng, người ta sẽ đưa ra thành phần thuốc nổ hỗn hợp phù hợp Theo phần quy luật động lực học phản ứng nổ trình bày trên đây, tốc độ truyền nổ của các tinh thể RDX sẽ bị giảm đi dưới tác dụng của các chất thuần hóa (CTH), thuốc nổ có tốc độ nổ thấp hơn (TNT)… thực chất là quá trình phát triển mạch đã bị làm giãn ra và quá trình đứt mạch tăng (giá trị x trên hình 1.2 dương ít hơn)

b Theo phần thuốc nổ phản ứng

Động học phản ứng nổ theo cơ chế gốc tự do phát triển mạch dây chuyền đã rút ra phương trình phát triển gốc tự do n khi f > g là phương trình (1.8) hoặc tốc độ phản ứng dây chuyền w tuân theo phương trình (1.9) Khi (f - g) càng lớn thì tốc độ càng tăng nhanh theo thời gian, tuy nhiên n hoặc w không thể tăng đến

vô tận vì trong quá trình phản ứng, lượng chất bị tiêu hao rất nhanh chóng làm cho sự tự gia tốc của phản ứng bị chậm lại và cuối cùng triệt tiêu Như vậy, sự

nổ không phải là sự tăng mãi của tốc độ phản ứng mà là quá trình trong đó toàn bộ lượng chất phản ứng bị tiêu hao trong thời gian rất ngắn, thường là một phần nhỏ của giây [4]

Có thể xem tốc độ phản ứng nổ là biến thiên phần thuốc nổ x theo thời gian, trong đó x là phần thuốc nổ đã phản ứng, là đại lượng không thứ nguyên, nhận được các giá trị từ (0 ÷ 1) Giả định phản ứng nổ tương tự như phản ứng tự phân hủy và là phản ứng bậc 1, phương trình tốc độ nổ có dạng:

Biến đổi phương trình vi phân trên, ta được:

(1 ) T

𝑑(1 − 𝑥) (1 − 𝑥) = −𝑘𝑇 𝑑𝑡

1.4 Sự phân hủy nhiệt của thuốc nổ

1.4.1 Khái niệm sự phân hủy nhiệt

Phân hủy là quá trình mà trong đó vật chất bị tan rã thành các dạng vật chất đơn giản hơn

Như vậy, quá trình phân hủy nhiệt được hiểu là quá trình phân hủy dưới tác dụng của năng lượng nhiệt và được nghiên cứu bằng các phương pháp phân tích nhiệt

* Tính toán các thông số động học

Sự phân hủy nhiệt (sự tiêu hao) của các chất rắn (chất nổ) đều được biểu

diễn bằng phương trình dạng (1.13) hay dạng (1.14) tại nhiệt độ T xác định [43],

dx

dt : tốc độ phản ứng (s-1),

x: phần phản ứng hoặc chuyển đổi (không thứ nguyên; x = 0÷1), n: là bậc phản ứng,

Z: thừa số trước mũ hay tần số (s-1

), E: năng lượng hoạt hóa (J mol-1

), T: nhiệt độ tuyệt đối (K),

R = 8,314 J mol-1 K-1 (hằng số khí),

e = 2,7182818, kT: hằng số tốc độ riêng ở nhiệt độ T (s-1

), được xác định theo phương trình Arrhenius (1.15), có giá trị nhỏ hơn nhiều so với hằng số tốc độ nổ trong mục 1.3, phần b

. E RT T

k Z e (1.15) Động học phản ứng phân hủy tính theo phần hao hụt thuốc nổ theo thời gian, không thứ nguyên được giả định là động học phản ứng bậc 1 [24], [73]

(1 ) T

 (*)

Công thức (*) tương tự như công thức tính thời gian bán hủy của phản ứng bậc 1 không phụ thuộc vào nồng độ và tỷ lệ nghịch với hằng số tốc độ phản ứng [4], [5]:

1

ln 2

T

t k

 (1.18)

Theo [43], [73], [85], tại thời điểm tốc độ phản ứng lớn nhất, tương ứng với

nhiệt độ đỉnh pic (Tp), phương trình (1.14) có thể coi gần đúng thành phương

trình (1.19), (1.20) theo Kissinger hoặc phương trình (1.21) theo Ozawa với 𝛽 là

các tốc độ gia nhiệt khác nhau, bậc phản ứng được giả định là bậc 1 Phương

trình (1.19) hoặc (1.20) là phương trình cơ sở của phương pháp Kissinger [24],

[43], [73] Phương trình (1.21) là phương trình cơ sở của phương pháp Ozawa

[85]

2

ln 1 ( )

Tính toán các thông số động học theo phương pháp Kissinger và Ozawa

đều cho kết quả tương đương đối với một số nghiên cứu về thuốc nổ dạng hỗn

hợp [37], [49], [63] Đối với phân tích nhiệt DTA (phân tích nhiệt vi sai),

phương pháp Kissingger là nền tảng cơ sở [24], [44] và được sử dụng nhiều khi

tính toán các thông số của các loại vật liệu nổ [37], [63], [58], [49], [38] Vì vậy,

trong luận án này, nghiên cứu sinh sử dụng phương pháp Kissinger để tính toán

các thông số động học

Phương trình K có dạng đường thẳng y = a.x + b

1000

E a

Từ các giá trị 𝛽 đã cho khác nhau và Tp thu được tương ứng, tính toán và

xây dựng đường thẳng phương trình K Trên cơ sở phương trình đường thẳng

này, xác định được hệ số a và b Từ đó, tính toán được các thông số: năng lượng

hoạt hóa E, thừa số trước mũ Z, hằng số tốc độ riêng kT tại nhiệt độ T

Năng lượng hoạt hóa E trên đây là năng lượng hoạt hóa biểu kiến phù hợp áp dụng cho các phản ứng phức tạp gồm nhiều giai đoạn như phản ứng phân hủy nhiệt của thuốc nổ

1.4.2 Sự phân hủy nhiệt của một số thuốc nổ

Nói chung, sự phân hủy nhiệt của thuốc nổ rất phức tạp Sự biến đổi hóa học của chất nổ không chỉ gồm một mà gồm đồng thời một số phản ứng tiến hành song song hoặc kế tiếp nhau và tùy điều kiện vai trò của từng phản ứng cũng khác nhau [8]

Đối với thuốc nổ amoni nitrat, ở các nhiệt độ khác nhau thì sản phẩm phản ứng và hiệu ứng nhiệt phản ứng rất khác nhau Ở nhiệt độ thường, phản ứng thu nhiệt và tạo ra HNO3 và NH3 Ở nhiệt độ lớn hơn 200oC, phản ứng tỏa nhiệt và tạo thành các chất như N2O, H2O, N2, NO2 tùy điều kiện cụ thể [8]

Sự phân hủy nhiệt của các hợp chất nitro và nitramin (trinitrotoluen, trinitrophenylmetylnitramin, xiclotrimetylentrinitramin ) lúc đầu có tốc độ thấp và tăng lên sau đó giảm xuống theo sự giảm dần của lượng chất chưa phản ứng [8]

Các hợp chất nitro và nitramin khác các nitroeste về đặc trưng diễn biến phân hủy và mức độ tự gia tốc phản ứng Chúng thường được gia tốc ngay từ đầu, phát triển dần dần chứ không mạnh mẽ như nitroeste Đối với tetryl, TNT, hexogen, sự gia tốc mang bản chất tự xúc tác [8]

Đối với TNT, nhiệt độ phân hủy càng cao, cực đại tốc độ càng lớn và càng nhanh đạt được Sự phân hủy hexogen lỏng hoặc hòa tan ở (200÷300)oC xảy ra theo quy luật phản ứng bậc nhất với sự gia tốc tự xúc tác phát triển dẫn theo tiến trình tích tụ các sản phẩm Vai trò tự xúc tác ở nhiệt độ thấp biểu hiện mạnh hơn

ở nhiệt độ cao [8]

Thành phần sản phẩm phân hủy nổ phụ thuộc vào thành phần nguyên tố của chất nổ và điều kiện xảy ra phản ứng hóa học trong quá trình nổ, đặc biệt là phụ thuộc vào mật độ, đường kính liều thuốc nổ, phương pháp gây nổ và các yếu tố khác Sản phẩm phân hủy nổ chính của TNT gồm C, CO2, CO, H2O, H2, N2 và một số sản phẩm phụ như: CH4, HCN, C2N2, NH3 [2]

Hiện nay, với các thiết bị hiện đại và điều kiện nghiên cứu tốt hơn, nhiều công trình đã đề cập đến sự phân hủy nhiệt của các loại thuốc nổ đơn và thuốc

nổ hỗn hợp như TNT [70], [107], RDX [25], [80], [92], [102], CL20 [93], RDX và chất mang [103],RDX/HTPB [17], [19], PBX [27], RDX/KClO3 [35], RDX/Al [45], [56], RDX/AP [50], [62], RDX/TATB [54], RDX/ETN [58],

RDX/AP/SiO2 [60], C4 [66], RDX/Ag2(5-ATZ)(N3) [67], RDX/PbO·CuO/CNT [71], RDX/HMX [77], RDX/DPD [91], RDX/LaMnO3, RDX/SiO2 [106] và RDX/La0.8Sr0.2MnO3 [95]

Đa số các nghiên cứu về phân hủy nhiệt đều sử dụng phương pháp DTA [66], [70], [75], DSC [32], [22], [49], [56], [67], [71], [79], [105], TGA [50], [54], [58], [60], [77] Cơ sở của các tính toán động học đều dựa trên phương trình Kissinger [43], [44], [58], [49], [22], [78], [80], [38], Ozawa [84], [49], [80], [101] và một số phương trình khác như KAS, OFW, Friedman [76], [77] Bên cạnh đó, còn đề cập đến tính tương hợp giữa thuốc nổ RDX và một số chất [89]

Nghiên cứu về thuốc nổ RDX, thu được kết quả về một số thông số như năng lượng hoạt hóa, tần số Z (hay thừa số trước mũ) tương ứng trong khoảng nhiệt độ khảo sát với khá nhiều kết qủa khác nhau theo các mô hình tính toán khác nhau thể hiện trong bảng 1.1

Bảng 1.1 Một số thông số động học của thuốc nổ RDX

Đẳng nhiệt, trong

điều kiện khí

6,3x1027 ÷ 7,9x1027

[37]

56,52÷62,90 (cỡ hạt trung bình 300 𝑛𝑚)

3,1x1024 ÷ 5,0x102443,24÷43,31 (cỡ hạt

trung bình 250 𝑛𝑚)

7,9x1018 ÷1,0x102038,49÷38,56 (cỡ hạt

trung bình 180 𝑛𝑚)

7,9x1016 ÷ 1,2x1017

Các tài liệu này ít đề cập chi tiết đến độ sạch, một số đề cập kích thước cỡ hạt RDX trung bình nghiên cứu Kích thước cỡ hạt chính là lý do quan trọng dẫn đến các kết quả năng lượng hoạt hóa khác nhau nhiều Các tài liệu cho thấy

cỡ hạt càng lớn, năng lượng hoạt hóa càng cao Bên cạnh đó, điều kiện mẫu nghiên cứu được gia nhiệt trong môi trường khí trơ hoặc môi trường khí quyển cũng là một yếu tố ảnh hưởng khác nhau đến các kết quả

Bên cạnh đó, tài liệu [69] còn đưa ra cả mô hình phân hủy của thuốc nổ RDX và các sản phẩm phân hủy cuối dự kiến là H2O, N2, CO, CO2 Điều này phù hợp với các tài liệu cơ bản [2], [114]

Các tài liệu nghiên cứu về một số thuốc nổ hỗn hợp trên nền RDX chủ yếu là: RDX với chất kết dính là silicon [51], RDX và amoni benzoat [18], RXE

9505 (RDX và Estane theo tỷ lệ 95/5), RXE 9010 (RDX và Estane theo tỷ lệ 90/10), RXV 9010 (RDX và Viton-A với tỷ lệ 90/10) [39], composition BO và composition BN [52], [53] Các tài liệu này cũng đưa ra các kết quả thực nghiệm và tính toán năng lượng hoạt hóa, thừa số trước mũ Z (hay tần số) trong phương trình Arrhenius của các hỗn hợp được nghiên cứu

1.5 Tình hình nghiên cứu thuốc nổ RDX và hỗn hợp trên nền RDX

1.5.1 Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài

1.5.1.1 Nghiên cứu về RDX

Thuốc nổ RDX là một thuốc nổ được sử dụng rộng rãi trong cả lĩnh vực quân sự và dân sự từ chiến tranh thế giới thứ hai Vì vậy, các công trình nghiên cứu về thuốc nổ này rất nhiều RDX được nghiên cứu đầy đủ về tính chất lý học, hóa học, nổ cháy, độ bền, ứng dụng

* Tính chất vật lý [114], [115], [87] :

RDX là chất tinh thể mầu trắng, không mùi, không vị, là một chất độc mạnh Mật độ tinh thể RDX là 1,816 g/cm3 [114], có tài liệu [87] là 1,820 g/cm3 RDX được nén ép ở áp suất 2000 KG/cm2 có =1,73 g/cm3

Mật độ RDX thuần hoá  = (1,66 ÷ 1,73) g/cm3

Nhiệt độ nóng chảy (204,5 ÷ 205)0C (thực tế RDX bị phân huỷ trước khi nóng chảy) Sản phẩm kỹ thuật có nhiệt độ nóng chảy ở

2020C, hàm lượng tạp chất khoảng 1% Bằng cách nấu sôi với axit nitric nhiệt độ nóng chảy tăng lên 203,5oC và nếu kết tinh lại nhiều lần từ axit axetic thì nhiệt độ nóng chảy là (204,5 ÷ 205)o

C

Ở Mỹ, RDX có nhiệt độ nóng chảy là (202÷203)oC được điều chế bằng cách nitro hóa trực tiếp (kiểu A), là (192÷193)oC được điều chế gián tiếp theo con đường anhidrit axetic (kiểu B)

RDX không hút ẩm, tan kém trong nước, ete, rượu, clorofoc, axit nitric loãng RDX tan tốt trong axeton, axit nitric đặc như bảng 1.2

Bảng 1.2 Độ tan của RDX trong dung dịch HNO3 [114]

RDX được kết tinh từ axeton có dạng đơn tà, còn từ axit nitric có dạng tứ diện RDX được hoá dẻo bởi nitroglyxerin Độ hoà tan của RDX trong TNT nóng chảy như bảng 1.3

Bảng 1.3 Độ tan của RDX trong TNT nóng chảy [114]

Nhiệt độ, 0C 81 85 90 95 100 105 110 Độ tan, g/100g TNT 4,5 4,7 5,0 5,8 6,5 7,3 8,2 RDX tạo nhiều hỗn hợp eutecti với nhiều hợp chất hữu cơ, thể hiện trong bảng 1.4

Bảng 1.4 Các hỗn hợp ơtecti của RDX [114]

Cấu tử thứ 2 Lượng RDX trong hỗn hợp, % Nhiệt độ hoá rắn, o

* Tính chất hoá học [114], [115], [87]:

RDX có thể tạo phức với một số hợp chất hữu cơ, RDX bền với tác dụng của ánh sáng mặt trời RDX không phản ứng với axit loãng, bị phân huỷ với axit đặc

RDX không bị phân huỷ trong axit nitric đặc lạnh, kết tinh lại được bằng cách pha loãng bằng nước RDX bị phân huỷ khi xử lý nó với dung dịch kiềm pha trong nước- axeton, dung dịch kiềm NaOH 4 % phân huỷ hoàn toàn RDX trong 5 giờ ở nhiệt độ 60 0

C, Tốc độ quá trình thuỷ phân RDX lớn khi dùng NaOH trong sản xuất thiết bị tinh chế RDX

Việc tách nhiều phần bị thuỷ phân ra khỏi RDX khi nấu chúng với nước trong nồi hơi (ở nhiệt độ lớn hơn 140 0C) là giải pháp công nghệ để loại axit ra khỏi tinh thể RDX

(CH2NNO2)3 + 6H2O = 3CH2O + 3NH4NO3 (CH2NNO2)3 + 3NaOH + 3H2O = 3HCHO + 3NaNO3 + 3NH3 (*) Phản ứng (*) được sử dụng để tẩy rửa các thiết bị còn RDX trong quá trình sản xuất Tuỳ thuộc vào đặc điểm của phương pháp chế tạo, điều kiện chế tạo (nhiệt độ, môđun ) mà RDX có thể chứa các tạp chất khác nhau

* Tính chất nổ cháy [114], [115], [87], [40], [116]:

RDX là chất nổ mạnh và nhạy hơn so với TNT Khi đun nóng, RDX phân huỷ rõ rệt ở 203 0

C Phương trình phân hủy nổ của RDX [116]:

C3H6O6N6 = CO2 + 2CO + 2H2O + H2 + 3N2 Thành phần sản phẩm phân huỷ nổ của RDX [114] là 37,83% N2; 16,32% H2O; 0,9% H2; 25,22% CO; 19,82% CO2 Nhiệt độ bùng cháy của RDX là 230 0

C RDX cháy mạnh trong không khí có ngọn lửa mầu trắng, không để lại cặn Khi đốt nóng nhanh, RDX bị phân huỷ nổ Nhiệt độ nổ 3380 0C, tốc độ nổ khi

=1,70 g/cm3 là 8380 m/s, độ giãn nở bom chì là 470 mL Độ nhạy va đập của RDX tinh chế là (72±12) %, độ nhạy giảm đi khi thuần hoá bằng các chất dạng sáp Tác dụng phá hoại theo phương pháp nén trụ chì là 16 mm (với lượng thuốc là 25 g), đường kính tới hạn của RDX là 5 mm

Phương trình thực nghiệm tốc độ nổ khi đường kính thỏi thuốc nổ lớn hơn đường kính giới hạn [40]: D = 2,56 + 3,47.ρ, trong đó ρ là mật độ tính bằng g/cm3, D được tính bằng km/s Khi đường kính thỏi thuốc nổ nhỏ hơn đường

kính giới hạn, tốc độ nổ còn chịu ảnh hưởng của đường kính thỏi thuốc và vỏ bọc thỏi thuốc Tốc độ nổ của RDX phụ thuộc vào mật độ của thỏi thuốc nổ được đưa ra trong bảng 1.5

Bảng 1.5 Tốc độ nổ của RDX phụ thuộc vào mật độ

Nguyên nhân kém bền của RDX kỹ thuật cũng có thể do axit nitric chưa rửa hết Song các công trình nghiên cứu các vêt axit nitric cho thấy thực tế không làm giảm độ bền của RDX Axit có trong RDX sẽ phá huỷ vật liệu bao gói khi bảo quản, để chống lại hiện tượng này người ta cho vào vật liệu bao gói (3 ÷ 4)% chất N, N-diphenyl etylendiamin hoặc một hợp chất nào đó có thể phản ứng với oxit nitơ

* Ứng dụng của RDX [114], [115]:

RDX có độ nhạy tương đối cao, nhưng ưu điểm nổi bật của nó là tính ổn định tốt, cơ sở nguyên liệu dồi dào là loại thuốc nổ mạnh nên người ta thuần hoá nó hoặc hỗn hợp nó với chất khác để sử dụng Hiện nay, RDX thuần hoá được sử dụng rộng rãi để nhồi vào các loại đạn xuyên lõm, kíp, dây nổ hoặc trạm truyền nổ

Hỗn hợp RDX với các chất nổ, chất cháy khác được sử dụng rộng rãi để nhồi vào các loại đạn pháo, đạn cối, đạn tên lửa, ngư lôi, bom mìn …Ngoài ra

nó còn dùng làm chất nổ dẻo, thành phần nhiện liệu tên lửa hỗn hợp để tăng xung lượng riêng, lực đẩy và khả năng tiêu diệt mục tiêu khi thuốc chưa cháy hết

1.5.1.2 Nghiên cứu về các hỗn hợp thuốc nổ trên nền RDX

a Hỗn hợp RDX với chất thuần hóa

Các thuốc nổ dạng này rất đa dạng, xuất xứ từ nhiều nơi trên thế giới được thể hiện trong bảng 1.6 Trong đó, thuốc nổ A-IX-1 (Nga) và C4 (Mỹ) được sử dụng rộng rãi

Bảng 1.6 Một số hỗn hợp RDX với chất thuần hóa

g/cm3

D, m/s

Xuất xứ

3 PBX-9401 94,2% RDX; 3,6% PS; 2,2 TOF 1,711 8426

4 PBX-9405 93,7% RDX; 3,15% NC; 3,15 CEF 1,755 8489

Mỹ [40]

11 Composition C 88,3% RDX; 11,7% hỗn hợp dẻo - 7400

12 Composition C2 80% RDX; 20% hỗn hợp dẻo; 1,60 7800

Mỹ [40]

13 Composition C3 (77±2)% RDX; (23±2)% hỗn hợp

đứng, khối lượng búa 10kg, rơi ở độ cao 25cm thì tỷ lệ nổ khoảng (2535)% [116]

Hỗn hợp A - IX - 1 có tính chịu nén ép cao được sử dụng khá rộng rãi để chế tạo các liều thuốc nổ lõm của đạn xuyên lõm, mìn lõm chế tạo các trạm truyền nổ của ngòi đạn, làm thuốc nổ trong dây nổ, nhồi trong đầu đạn xuyên lõm, đạn cối, bom hàng không, mìn

Thông thường để tạo ra A-IX-1, người ta sử dụng (5  6,5)% chất thuần hóa Có thể sử dụng nhiều chất thuần hóa khác nhau để tạo ra A-IX-1 như: parafin, axit stearic, xerezin, sáp tổng hợp Trong đó, thông dụng nhất là hỗn hợp xerezin, axit stearic và phẩm màu sudan

Một số đặc trưng của A-IX-1 được thể hiện trong bảng 1.7 [116]

Bảng 1.7 Một số đặc trưng của thuốc nổ A-IX-1 Tên thuốc nổ ρ, g/cm3

Sự tiện dụng của C-4 là nó dễ nặn thành bất kỳ hình dạng nào theo mong muốn C-4 có thể ấn vào các khe hở, các lỗ trong các tòa nhà, cầu và các trang thiết bị Nó cũng dễ dàng nhồi vào trong các vật có hình dạng lõm tạo ra hiệu ứng nổ lõm C-4 cũng là loại thuốc nổ có độ an định cao, tin cậy và an toàn Nó không nổ ngay cả khi bắn vào nó một viên đạn,cắt, hay ném vào trong lửa Chỉ có phương pháp tin cậy để gây nổ cho C-4 là sử dụng kíp nổ, ngòi nổ hoặc trạm truyền nổ kích cho nó nổ Tuy nhiên việc dùng áp lực đủ mạnh ở với nhiệt độ

thường sẽ làm cho nó nổ

b Hỗn hợp RDX với TNT

Đây là thuốc nổ hỗn hợp rất phổ biến bởi vì nó kết hợp được cả năng lực

nổ của RDX và tính công nghệ tốt của TNT

Một số hỗn hợp dạng này được đưa ra trong bảng 1.8

Tiêu biểu và dễ chế tạo là thuốc nổ hỗn hợp T-n (n là ký hiệu của hàm lượng TNT trong hỗn hợp)

Hỗn hợp TNT và RDX được chế tạo bằng cách trộn RDX vào TNT nóng chảy với tỷ lệ từ (40  80) % RDX và (60  20)% TNT sau đó khuấy đều và để nguội (hoặc đúc vào lòng bom đạn) Thực tế, người ta ít sử dụng hỗn hợp T-20 vì với hàm lượng TNT thấp (20%) việc đúc rất khó khăn Thông thường, người

ta hay sử dụng TNT trong khoảng hàm lượng (23  60)%

Bảng 1.8 Thuốc nổ hỗn hợp RDX và TNT

(g/cm3)

D (m/s)

Xuất xứ

-Nga [116]