对氨基四唑硝酸盐(ATNO3)的争论已持续多年,一方是以文献中理论计算的结果为依据,认为ATNO3爆速可达8900m/s[1],爆轰性能要超过RDX、PETN等传统高性能炸药;一方以自己试验结果为依据,认为ATNO3远不如RDX、PETN,仅与PA持平。双方打了多年口水仗,甚至偶尔会变成针对个人的人身攻击。
我限于试验条件,多是偏理论的。但我认为理论要建立在实际的基础上,当理论与实践相冲突时,要注意理论上的缺陷,进而提出新的理论,这才是科研中的步骤。
不论是Kamlet-Jabos经验公式,还是BKW、BKWN状态方程在计算含能材料爆轰参数时都遵循以下原则:含能材料中的氧在反应时先与氢反应生成水,然后多余的氧与碳生成一氧化碳,再有多余的氧才会生成二氧化碳。按此项原则可列出ATNO3的分解方程式:
CH4O3N6→2H2O+CO+3N2
在知道密度、生成焓后即可简单计算出爆速、爆压、爆热、爆容、爆温这五项爆轰参数。其中X射线衍射法测得密度1.847 g/cm3,而生成焓在各个文献中的出入较大。Denffer[1]给出的计算值为+87 kJ/mol,根据氧弹量热法测得燃烧热-6020±200 J/g,换算成生成焓为-74 kJ/mol。杜志明[2]给出的燃烧热是-812.19 kJ/mol,换算成生成焓为-153 kJ/mol。虽然两人实测得到的生成焓相差79 kJ/mol,但精度要好于计算值。
将以上数据代入Kamlet-Jabos经验公式。
表1 不同生成焓时ATNO3的爆轰参数值
用实测数据代入计算,在理想状态下,ATNO3的性能也无法超过RDX、PETN等传统炸药。但要强于PA,可是ATNO3的爆炸分解方式并不遵循前文所述原则[2],而是分解为N2、CO、CH4、CO2,这些产物的会使爆容和爆热发生变化,从而影响到了爆速和爆压。现以下式进行分析,阐述产物的变化对爆轰性能的影响。
CH4O3N6→CO2+CO+N2+CH4
CH4生成焓较高为-74.8 kJ/mol,含有5个原子,每公斤ATNO3生成10 g的CH4就会损失530 kJ/kg的爆热,损失14L/kg爆容。而每公斤ATNO3生成10 g的CO2则能提供282.5 kJ/kg的爆热,仅损失2.5L/kg爆容。爆炸反应是一个很复杂的过程,实际上生成CH4、CO2的计算只能说明一个影响趋势,即CH4的产生会削弱炸药的爆轰性能,而CO2则会加强炸药的爆轰性能,影响仿真结果的精确性。
文献中没有给出分解产物的详细含量,但根据质量守恒来推测组份有一定的参考意义。
文献给出了以下条件可利用:
1、试样重1 g。
2、N2、CO、CH4、CO2体积分别为65.085%、13.716%、2.214%、5.559%。
C原子的数量是固定的,以此为基准进行数据分析。
试样中C原子的量:1/148/12=0.00676 mol
试样中H原子的量:0.00676*4 =0.02702 mol
试样中O原子的量:0.00676*3 =0.02027 mol
试样中N原子的量:0.00676*6 =0.04054 mol
假设试样中的C完全转化为CO、CH4、CO2则:
CO的量:0.00676*13.716/(13.716+2.214+5.559)=0.00431 mol
CH4的量:0.00676*2.214/(13.716+2.214+5.559)=0.00070 mol
CO2的量:0.00676*5.559/(13.716+2.214+5.559)=0.00175 mol
即产物中含H:0.00070*4=0.00280 mol
含O:0.00431+2*0.00175=0.00781 mol
假设多余的H生成H2O则
产物中含H2O:(0.02702-0.00280)/2=0.01211 mol
产物中的O:0.00781+0.01211=0.01992 mol
这与试样中含0.02027 mol的O近乎一致,验证两项假设成立。
上述结果可得ATNO3的分解方程式为:
CH4O3N6→0.259CO2+0.638CO+3N2+0.103CH4+1.794H2O
选择生成焓为-74 kJ/mol代入Kamlet-Jabos经验公式计算得表2数据。
表2 修正后ATNO3爆轰参数值
和修正前相比爆速、爆压、爆容有小幅下降,爆热有所提升。但是过低的爆热影响了ATNO3的传爆,使它很难达到理想爆速或流体动力学爆速。类似于硝酸铵结晶密度时计算能达到6485 m/s的爆速,即使在1 g/cm3时计算依然可达4600 m/s。ATNO3的传爆可能遵循的是混合反应机理,这种方式的爆轰反应区较厚。当冲击波传入药柱内时,热点部位先发生反应形成的高温气体扩散到其它部位引发了后续反应。而将小直径ATNO3压缩至较高密度会出现爆速下降甚至拒爆现象,这是因为过大的密度妨碍了分解产物的扩散,使反应速率降低、反应区进一步增厚,相应的降低了爆速,这一点是与实际观测相符合的。
[1] M v Denffer,T M Klapçtke. Improved Synthesis and X-Ray Structure of 5-Aminotetrazolium Nitrate. Propellants. Explosives. Pyrotechnics. 2010, 30(3),191-195.
[2] 杜志明,韩志跃,赵志华.高氮含能离子盐合成及性能研究.[A].
第五届全国强动载效应及防护学术会议暨复杂介质/结构的动态力学行为创新研究群体学术研讨会论文集[C].2013.