（一）设计原则

1.氧平衡原则的适应性

炸药通常由氧化剂和可燃剂组成，爆炸过程实质上就是氧化剂与可燃剂发生急剧氧化还原反应的过程。实践表明，只有当可燃剂完全被氧化时，释放的能量最大，生成的有毒气体也最少。从这个角度出发，在爆炸反应中就会出现氧化剂过多或不足的情况。氧平衡正是衡量炸药中所含的氧化剂用以完全氧化炸药本身所含的可燃剂后多余还是不足的热化学参数，氧平衡设计原则是炸药配方设计的首要考虑。

当炸药的配方为零氧平衡或接近零氧平衡时，爆炸反应的产物才有可能全部或几乎全部成为H 2 O和CO2，此时放出的热量最大。负氧平衡的炸药，爆炸产物中就会出现CO、H 2，甚至有固态C；而正氧平衡炸药的爆炸产物，则会出现NO、NO2等气体。这两种情况不仅不利于发挥炸药的最大爆炸威力，而且会产生大量的有毒气体，不利于爆破作业。在一般民用炸药配方设计中，往往是将各组分的配比调整为零氧平衡或接近零氧平衡，以释放最大的能量和最少的有毒气体。与以往的单质废弃含能材料作为添加物不同，HTPB推进剂作为硝铵炸药组分的配方设计能否采用氧平衡设计原则存在一定的疑问：HTPB推进剂由于含有一定量的铝粉，从广义上属于凝聚含铝炸药。因此，其氧平衡被设计很低，这也符合最大放热原则。对于HPA炸药而言，如果采取整体法，就应遵循氧平衡原则；如果采用最大威力法，只以最大放热为目的就不必遵循零氧平衡。那么究竟采用哪种方法设计的民用炸药拥有更大的能量？虽然HTPB推进剂中铝粉含量较高，但其在HPA炸药的整体中所占比重很低，且已经根据最大威力的方法进行了优化。因此，HPA炸药的配方设计中只需考虑氧平衡原则，使体系的氧平衡不大于零。

2.减少环境污染和提高生产安全性

为减少环境污染，在民用炸药的配方设计中应力求做到不添加或尽量少添加有毒组分，如Be、As等元素。添加的组分在生产过程中应避免产生粉尘和排放废液。各组分应易于分散混匀，氧化剂与还原剂接触充分而紧密，有利于化学反应的进行，从而使有毒气体生成量尽量减少。安全是设计炸药配方和生产工艺时必须首先考虑的要素。由于HPA炸药具有特殊的组分构成和独特的爆轰性能，尽管向其中添加的黑索今、TNT等炸药类物质能提高某些爆炸性能，但是从生产工艺和产品使用的安全性方面考虑，通常不能选用此类危险品。

3.性能指标与生产工艺的综合考虑

民用炸药的爆炸性能指标，主要包括爆热、爆速、做功能力和猛度（威力）等，炸药在进行配方设计时首先应达到对做功对象实现有效破碎和抛掷所要求的水平，而生产工艺的合理性及现实性也是应考虑的问题之一，所设计的配方不仅应具有优越的性价比，同时还要尽量简化工艺操作。由于本研究处于实验室阶段，受试验条件的限制，HPA炸药的配方和爆轰参数的得出以理论计算为主，试验为辅。虽然某些参数并没有经过相应试验验证，但仍具有一定的指导意义。

（二）组分的选择

如果将HTPB推进剂作为一种特殊炸药，它的氧化剂与可燃剂的划分相当明确，氧化剂为AP，可燃剂为Al，通过黏合剂系统使其成为一个整体。与民用炸药相比，其中的可燃剂和氧化剂比例差异较大，整体为负氧平衡。通过计算可知，单独发生爆轰时会严重影响能量的释放，导致爆热值下降，且爆轰的瞬间难以从外界获得氧气，无法达到最大爆热。这不但不利于发挥其爆炸威力，同时会产生各种有毒气体，是制备民用炸药必须解决的问题。由制备理论可知，为使其爆炸时放出的能量达到预期值，在完成粉碎的前提下，还必须添加一定的氧化剂和其他助剂来改善整体的氧平衡，使其达到零氧平衡或稍微负氧平衡。因此，下面从原材料的能量和经济的角度出发，对制备民用炸药组分中的氧化剂和其他助剂进行选择。

1.氧化剂的选择

氧化剂在爆炸反应中作为提供氧的组分，是正氧平衡物质，衡量其优劣有三个指标：有效氧含量高，气体生成量大，应用广泛。有效氧含量是指氧化剂分子中有效氧的质量占氧化剂分子量的百分含量，而衡量有效氧含量的数值称为氧化剂的能量因子或能量贡献，并以Q oe表示。气体生成量大的氧化剂对提高炸药整体做功能力的贡献很大，因此被作为一个参考指标。1 kg氧化剂分解产生的气体在标准状况下所占有的体积表示气体生成量的大小。应用广泛是指要尽量使用国内民用炸药中常见物质，即降低生产成本。常用氧化剂的部分参数如表5.1所示。

表5.1　常用氧化剂的部分参数

续表

综合考虑，硝酸铵（AN）是一种较为理想的氧化剂，其有效氧含量最高，且爆炸反应生成的气体较多。选择它作为炸药组分的关键因素，还在于其价廉易得，来源广泛。但AN还具有三大特性：多晶性、吸湿性、结块性。这给硝铵炸药的生产、贮存和使用带来很多难题。同时，AN属于钝感的弱爆炸物质，必须由特屈儿（化学名称为三硝基苯甲硝胺）来引爆，从而限制了它的独立使用。而HTPB推进剂由于黏合剂的包覆，火焰感度很高，但起爆感度很低，起爆同样较难。如果单纯采用HTPB+AN这种基础配方的话，会导致炸药的整体雷管感度很低，在不加入传爆药的情况下不能正常使用。但是，传爆药的加入不仅增加了成本，而且为以后的工业化生产增添了困难，并且对炸药本身的安全性造成了一定的影响。所以必须寻求一种敏化剂来增加其雷管感度以达到正常起爆的目的。

2.敏化剂的选择(www.daowen.com)

常用的炸药敏化剂有TNT、无烟火药、硝化棉、NG、二硝基甲苯磺酸钠（DNTS）等。其中，由于毒性，我国已于2008年起禁止将TNT应用于民用炸药的生产；硝化棉危险性强，且不具备价格优势。木粉由于原料易得，成本较低，是目前硝铵炸药中最为常用的一种敏化剂，用它制造的炸药性能优良且稳定。其优点是孔隙多，对体系有敏化作用（气泡敏化）；密度小且轻质多孔，可调节爆炸体系的疏松程度和减轻硝酸铵的结块倾向和结块强度。其缺点是碳氢含量高、负氧平衡大，对体系的氧平衡会造成不利影响。常用木粉可燃物具体可以分为木质素类和纤维素类，都具有敏化和疏松作用，如表5.2所示。

表5.2　常用木粉可燃物的参数

3.填充剂的选择

AN的吸湿性很强，在表面包覆复合油相可防止结块等不良热性。长期使用证明，轻质柴油是添加复合油相中最为理想的选择。它来源丰富，易于运输和贮存；黏度适中易于被硝酸铵吸收；热值较高，有利于提升爆热；使用安全，性质稳定。根据热点理论和表面反应机理，柴油还具有一定的敏化途径：增大了颗粒物之间的接触面积和结合程度，利于爆炸反应的形成和加速；自身封闭形成微小气泡，利于热点形成；加载起爆能量后，在颗粒表面黏滞流动，产生强烈的相对运动，可显著提高局部热点，常见柴油牌号如表5.3所示。

表5.3　可制造炸药的柴油牌号和质量标准

（三）相容性分析

1.相容性标准的建立

在混合物体系内或相接触物质之间，能够保证所发生的变化不超过允许范围的能力，称为物质的相容性。凡是加入体系后使组分之间热分解或其他反应速度明显增加的物质，就是与体系不相容的物质。显然，一个混合体系中的组分之间相容性较好时，相应的稳定性能、使用性能和贮存性能也较高。HPA炸药的组分选择必须建立在相容性良好的基础上。

热分析法（DTA、TGA和DSC）可以鉴定两种物质的相容性，本书采用美国Honeywell公司F.D.Swanson所提出的标准，根据差示扫描量热仪（DSC）测定的炸药组分分解放热峰温度漂移值（AT）作为判断相容性的依据。如果物质在混合体系中不相容，将使体系的反应速率变快，表现为低温下放热量增加，引起放热峰温度和放热曲线都向低温方向移动，其反应越快，AT越大。根据AT的大小将相容性分为4个等级，如表5.4所示。由于添加物中AN是唯一的含能材料，HTPB推进剂与其的相容性研究是必不可少的内容。

表5.4　相容性判断标准

2.DSC测试与结果分析

对测试量为3 mg的HTPB推进剂试样和其与AN混合物分别进行差示扫描量热实验，测试条件为：①样品氮气保护；②升温速率为10℃/min。结果表明HTPB推进剂的热分解温度约为376.2℃，由于升温速率的不同与前面得到的结果略有差异；HTPB推进剂与AN的混合体系的放热峰比纯粹的HTPB推进剂的放热峰温度向前漂移了0.7℃，DSC测试结果如图5.1所示。由标准可知，该体系的ΔT＜2℃时，表明相容性良好，性能稳定。

图5.1　DSC测试结果