<meta http-equiv="Content-Type" content="text/html; charset=UTF-8" />利用 JMP 優化高能炸藥
Edward D. Cooke、Eric R. Beckel、Paul E. Anderson、Alexander J. Paraskos
美國陸軍 ARDEC 炸藥研究處
皮卡汀尼兵工廠，新澤西州 07806
2016 年 9 月 19 日
抽象的
炸藥的研究和開發是爆炸能量輸出和材料敏感性之間不斷權衡的平衡。優化配方以獲得最大性能和最小靈敏度的一種解決方案是能量分配，其中使用非結晶高能粘合劑材料來降低高度敏感的結晶炸藥成分的濃度。出於這個原因，已經考慮使用包含新型高能預聚物的澆注固化粘合劑體係來替代傳統配方中的惰性粘合劑。為了合併和測試新成分，執行了兩種類型的統計優化。 首先，通過包含連續和分類因素的析因設計優化粘合劑組分和固化化學。其次，創建了實驗混合物設計以確定能夠滿足和優於傳統鑄造固化炸藥的最佳成分比例。 熱化學計算用於填充一系列爆炸性能響應，以創建能夠預測理論配方特徵的模型。 使用各種 JMP 功能分析粘合劑和配方優化，以平衡權衡和可視化工作設計空間。本演示文稿將介紹澆鑄固化炸藥配方的背景以及使用 JMP 分析器優化粘合劑和炸藥配方。
介紹
陸軍對具有卓越性能和低靈敏度的鑄造固化炸藥的需求從未如此強烈。最先進的武器設計不斷需要實施額外的電子設備和更遠距離的推進系統；這兩項要求都導致減少彈頭炸藥的空間。然而，單獨的要求還要求體積減小的炸藥在目標上提供相同的能量並且對意外刺激保持不敏感，例如被流彈擊中或陷入火中1個.這一系列的要求自然令人困惑，並使設計新型炸藥成為一種平衡行為。幸運的是，通過使用各種實驗設計，陸軍研究人員已經開始為所有這些問題開發一個非常有前途的解決方案。通過兩個單獨的實驗設計 (DoX)，已經實現了具有增強性能和靈敏度措施的鑄造固化炸藥。
第一個實驗設計的重點是優化與粘合劑系統相關的參數。幾乎所2個.這種粘合劑系統傳統上是聚合物性質的。在鑄造固化炸藥中，將材料裝入預期的外殼後，粘合劑系統內會發生化學反應以生成聚合物支架。使用的最傳統的固化化學是氨基甲酸酯連接。氨基甲酸酯鍵將醇封端的預聚物與多功能異氰酸酯結合在一起，發生共價化學反應，導致液體粘合劑永久固化成堅固的橡膠稠度。在固化完成之前，可以將硝胺等固體結晶成分添加到這種液體粘合劑中，形成一種可流動的糊狀物，可以將其裝入任何所需的腸衣中3個. 為了創造一種高能量、低靈敏度的鑄造固化炸藥，這項工作中使用的預聚物是一種具有蜂蜜稠度的高能材料4個.為了將這種粘稠的預聚物變成自由流動的液體，添加了增塑劑。這種小的非反應性分子在降低預聚物粘度並保持硫化後彈性橡膠稠度的意義上起到了傳統增塑劑的作用。此外，與預聚物一樣，為此選擇的增塑劑也是一種高能材料。
儘管粘合劑成分具有高能特性，但所得橡膠的爆炸力不足以用於高能應用。通過摻入結晶硝胺粉末，可以將製劑的爆炸性能提高到理想水平。然而，引入結晶硝胺確實會增加靈敏度。 遵循能量分配的概念，該配方可以利用粘合劑系統的爆炸能量，同時顯著降低硝胺負載水平。這會產生一種不敏感、機械堅固的炸藥，它仍能提供所需的炸藥輸出。在開發的這一點上，混合物 DoX 被要求開始建模和預測與各種配方成分相關的貿易空間。由於預聚物的生產既困難又昂貴，因此使用熱化學計算來創建有關每種混合物設計組合的預測性能指標。最終，實現了對單個粘合劑成分和混合物成分的全面了解，並用於推動選擇值得進行爆炸物測試的配方。
實驗：
Binder 析因 DoX：
為了減少粘合劑優化實驗期間消耗的材料量，使用全因子實驗設計來指導混合物量。設計中內置了三個因素；一個是分類的，兩個是連續的。分類因素是異氰酸酯的類型，其中使用了兩種不同的材料。兩種材料均從 Bayer Material Science 收到並原樣使用。 連續因子是增塑劑與聚合物的比例（P升o ) 從 1:1 到 2:1 不等，異氰酸酯量表示為異氰酸酯與醇的比率（NCO:OH 比率），從 0.85 到 1.15 不等，中心點為 1.00。由此產生的設計空間需要創建和分析 12 種不同的組合（圖 1，表 1）。將小規模的手工混合物混合均勻，用高速混合器脫氣，並在 Malvern Kinexus 流變儀上分析粘度。 流變測量是在 50 o C 具有從零到 200 s 的絕對速率斜坡-1超過五分鐘，最低粘度點被記錄為單點響應。剩餘材料在 60 °C 中固化o C烤箱過夜。通過使用強制分級系統分析所得口香糖原料的硬度，該系統相對於彼此在數值上對它們的硬度進行評分。
圖 1. 粘合劑優化實驗的因子設計
配方混合物 DoX：
使用 JMP 軟件創建混合實驗設計，以模擬正在開發的炸藥配方的性能。混合物的成分為炸藥（硝胺）、粘合劑和添加劑，混合物參數分別為 50-90%、10-50% 和 0-30% 重量。設計中內置了二階相互作用和中心點，從而產生了 12 次運行的 DOE（圖 2）。這 12 個理論公式被輸入到熱化學代碼中。每種配方獲得的響應包括密度、壓力、溫度、衝擊、膨脹和能量（表 2）。採用最小二乘回歸分析來創建響應數據的模型。 還創建了三個驗證公式（表 3），在代碼中運行，並與模型預測值進行比較以測試模型有效性。
圖 2. 混合設計空間的三元圖，黑點表示初始設計點，紅點表示驗證運行。
結果：
活頁夾結果：
表 1. 最低粘度和強制等級硬度值
異氰酸酯含量 | 鉑：寶 | 異氰酸酯類型 | 粘度 (Pa*s) | 硬度分數 |
- 1.00
| 2個 | N-3300 | - 0.04138
| 18 |
- 1.00
| 2個 | N-100 | - 0.04632
| 8個 |
- 1.15
| 2個 | N-3300 | - 0.04263
| 26 |
- 1.15
| 1個 | N-3300 | - 0.13540
| 70 |
- 0.85
| 2個 | N-100 | - 0.04420
| 1個 |
- 1.00
| 1個 | N-3300 | - 0.13030
| 52 |
- 1.00
| 1個 | N-100 | - 0.12870
| 53 |
- 0.85
| 2個 | N-3300 | - 0.04251
| 1個 |
- 1.15
| 1個 | N-100 | - 0.13170
| 67 |
- 0.85
| 1個 | N-100 | - 0.13790
| 40 |
- 1.15
| 2個 | N-100 | - 0.04354
| 26 |
- 0.85
| 1個 | N-3300 | - 0.13320
| 40 |
配方結果：
表 2。 每個混合物 DOE 運行的熱化學計算響應數據（歸一化）。
跑步 ＃ | 密度 | 壓力 | 溫度 | 震驚 | 擴張 | 活力 |
1個 | - 0.788961
- 0.6853
- 0.6486
- 0.859
| -1.00 | -1.000 |
2個 | - 0.895428
- 0.7664
- 0.7661
- 0.891
| -1.33 | -1.4693 |
3個 | - 0.847407
- 0.7897
- 0.6533
- 0.923
| -1.16 | -1.1372 |
4個 | - 1.00000
- 0.6902
- 1.000
- 0.842
| -1.23 | -2.5771 |
5個 | - 0.877749
- 0.6670
- 0.8068
- 0.835
| -1.25 | -1.529 |
6個 | - 0.788961
- 0.6853
- 0.6486
- 0.859
| -1.00 | -1.000 |
7 | - 0.958121
- 0.6107
- 0.9735
- 0.801
| -1.13 | -2.4434 |
8個 | - 0.915201
- 1.000
- 0.6531
- 1.00
| -1.37 | -1.3025 |
9 | - 0.955723
- 0.8743
- 0.8288
- 0.933
| -1.49 | -1.6973 |
10 | - 0.915201
- 1.000
- 0.6531
- 1.00
| -1.37 | -1.3025 |
11 | - 0.847407
- 0.7897
- 0.6533
- 0.923
| -1.16 | -1.1372 |
12 | - 1.00000
- 0.6902
- 1.000
- 0.842
| -1.23 | -2.5771 |
表3。 熱化學計算響應數據與驗證配方實驗設計的預測模型響應（歸一化）的比較。
驗證運行# | 密度 | 壓力 | 溫度 | 震驚 | 擴張 | 活力 |
1 計算器 | - 0.9079
- 0.9752
- 0.6539
- 0.992
| -1.34 | -1.2845 |
1 模型預測 | - 0.9079
- 0.9742
- 0.6545
- 0.992
| -1.34 | -1.2868 |
2 計算器 | - 0.8290
- 0.7409
- 0.6505
- 0.902
| -1.11 | -1.0934 |
2 模型預測 | - 0.8289
- 0.7455
- 0.6506
- 0.902
| -1.11 | -1.0957 |
3 計算器 | - 0.9418
- 0.9204
- 0.7761
- 0.956
| -1.47 | -1.5582 |
3 模型預測 | - 0.9419
- 0.9218
- 0.7696
- 0.958
| -1.48 | -1.5329 |
表 4：小規模靈敏度測試結果。
公式 | ERL 影響（厘米） | BAM 摩擦力 (N) |
56% 硝胺 | >100 | >360 |
88% 硝胺 | - 42.2
| 324 |
黑索金 CL 1 | - 24.2
| 160 |
遺留基線 | 32 | 不適用 |
討論：
通過使用全因子實驗設計構建了包含高能預聚物、高能增塑劑和異氰酸酯的優化粘合劑體系。這種特殊的設計是針對這種材料可用的因素類型和響應而選擇的。因為異氰酸酯含量是相對於所用聚合物量的計算比率，所以不可能使用 DoX 混合物。部分階乘 DoX 會導致運行次數減少，但會混淆響應中觀察到的主要效果。通過執行全因子設計，所有主要影響都能夠以線性方式實現。如果硬度和粘度的響應實際上與這些因素非線性相關，則需要進一步的實驗來解決曲率問題。 每個因素的值均受先前配方值的指導。因素是根據以前類似類型的澆注固化粘合劑的經驗選擇的：增塑劑與聚合物的比例（P升o )、異氰酸酯的量和異氰酸酯的類型。P升o是這三者中最重要的因素。 如果比例太低，混合物的粘度會太高，所得橡膠會太脆。 如果比率太高，橡膠將缺乏機械完整性，並且存在過量增塑劑可能隨時間滲出的風險。異氰酸酯的量也是關鍵，因為異氰酸酯太少的固化粘合劑永遠不會達到橡膠狀態。然而，過度固化的粘合劑會變脆，或者過量的異氰酸酯會與其他物質反應產生有害的副產物。在這項工作中考慮的兩種異氰酸酯在化學方面差異很小，但具有不同的粘度，可能會影響最終混合物的粘度。
最佳粘合劑成分的選擇是通過對所得數據進行最小二乘回歸分析，然後進行權衡分析來實現的，該分析旨在確定具有最小粘度的堅固產品（硬度）以幫助處理最終配方。首先，根據對所得口香糖原料的機械完整性的觀察，將最低硬度分數選為 55。任何更軟的東西都會導致機械強度低的配方。在該響應受限的情況下，通過將異氰酸酯水平設置為 1.15 最容易實現硬度的最大化，因為異氰酸酯的量僅影響硬度而對粘度沒有影響。該設置被限制為 1.15，以避免前面提到的過量異氰酸酯的不利影響，儘管模型表明額外的異氰酸酯會導致橡膠強度更高。保持硬度值恆定在最小值 55，異氰酸酯水平在 1.15，調節其他因素以最小化粘度。正如 JMP 分析器（圖 3）所示，異氰酸酯類型對粘度影響很小，但 P 的影響升o很重要。因此，選擇 N-3300 是因為它易於加工且對配方影響很小，而且 P升o 1.33；最大P升o可以在不將硬度降低到 55 以下的情況下使用。
圖 3. JMP Profiler 模擬硬度和粘度對粘合劑優化 DoX 中所有三個因素的響應。
製劑中固體硝胺含量的優化是通過混合 DoX 和熱化學計算的組合進行的。計算的性能用於填充每個理論 DoX 配方的響應。應用於這些響應的最小二乘回歸分析產生了能夠預測在設計空間內創建的任何配方的性能的最佳擬合方程。在創建每個相應模型時僅考慮統計相關因素。創建了三種成分與 DoX 運行不同的配方，並用於驗證模型。表 3 中可以找到模型響應和熱化學計算響應的比較。 很明顯，所有響應模型都非常準確。預測與熱化學計算不同，誤差小於 2%，從而驗證了模型。由於該項目的主要目標是創建一種性能和靈敏度優於傳統炸藥的配方，因此使用包含 88% 硝胺的傳統基線的計算響應來確定設計空間內的界限。預測模型的疊加和隨後在設計空間的三元圖上建立的界限如圖 4 所示。不同的配色方案對應不同的反應。 設計空間內任何未加陰影的區域都代表可能超過基線的配方組合。
圖 4. 混合設計空間的三元圖，具有重疊響應模型和建立基線性能指標的界限。
一個不同的混合物分析器直接顯示了在混合物範圍內改變成分量的影響；即總和為一。 可以創建設計空間內的任何公式，並同時預測其所有性能指標。通過改變分析器中的配方值以匹配基線指標的界限，推導出初始目標配方。圖 5 顯示，含有 65% 硝胺炸藥和 35% 粘合劑的配方可以達到或超過基準的每項性能指標。為了打破這一設計空間的性能限制，該配方和含有 88% 硝胺炸藥的配方被考慮用於未來的測試。這將提供直接“直接加入”替代粘合劑配方以及等能配方以與基線進行比較。最早的配方嘗試中已取消包含“添加劑”，以便自信地將所有能量和靈敏度測量歸因於粘合劑系統中包含高能預聚物。
圖 5. JMP 混合物刻畫器，其目標配方根據遺留基線配方確定。
根據設計空間的兩個書擋，將初步配方進行小規模混合，結果見表 4。兩種配方均對 1 類 RDX 標準品表現出優異的靈敏度。 然而，最重要的比較是兩個書擋公式之間的比較。測試結果表明，儘管進行了等能性能計算，但 65% 硝胺製劑的靈敏度優於基線遺留炸藥。計劃在不久的將來使用各種實驗確定的爆炸性能和靈敏度測量的測試裝置。性能測試結果將驗證熱化學計算和模型預測。這些配方和其他含有類似成分的配方的敏感性測試將開始建立一個能夠預測這些材料特定的敏感性交易空間的經驗模型。然後將尋求包含該添加劑的其他配方，以充分發揮配方設計空間的全部潛力。
總結和結論
通過實驗的析因設計創建了一種包含新型高能預聚物的澆鑄固化粘合劑系統。通過使用 JMP 分析器進行權衡分析，優化了純粘合劑系統的硬度和粘度。包含新粘合劑的配方性能的熱化學計算用於填充混合物 DoX 的響應，從而產生兩個書擋配方作為測試目標。低書擋配方符合傳統配方性能指標，僅含 65% 的硝胺，而高書擋提供與 88% 硝胺的直接粘合劑替代品比較。初步結果表明，新配方的性能將優於基線，同時表現出更高的靈敏度。
參考：
1). 美國法典第 10 編第 141 章第 2389 節。
2). 庫珀，保羅 W.炸藥工程.書號：978-0-471-18636-6
3). 丹尼爾，M。用於聚合物粘合炸藥的聚氨酯粘合劑系統。 DSTO-GD-0492，2006 年 12 月。
4). 普羅瓦塔斯，A.用於炸藥配方的高能聚合物和增塑劑——最新進展回顧. DSTO-TR-0966，2000 年 4 月。
