Tổng quan luận án

Công trình "Nghiên cứu ảnh hưởng của thành phần và công nghệ chế tạo đến các đặc trưng năng lượng, nổ cháy của thuốc nổ hỗn hợp chứa bột nhôm và chất thuần hóa" được thực hiện bởi nghiên cứu sinh Nguyễn Văn Khương dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS. Nguyễn Trần Hùng và PGS. Ngô Văn Giao. Luận án thuộc ngành Kỹ thuật hóa học (mã số 9520301), bảo vệ tại Viện Khoa học và Công nghệ quân sự - Bộ Quốc phòng vào năm 2023. Các nội dung thực nghiệm chính được triển khai tại Viện Hóa học - Vật liệu (Viện Khoa học và Công nghệ quân sự) và Viện Thuốc phóng Thuốc nổ (Tổng cục Công nghiệp quốc phòng).

Tính cấp thiết của luận án xuất phát từ thực tế kỹ thuật và yêu cầu trang bị quân sự. Các hợp chất nổ phá mạnh điển hình như hexogen (RDX), octogen (HMX), pentrit (PETN) sở hữu nhiệt lượng nổ lớn, tốc độ nổ cao, khả năng sinh công và đập vụn mạnh. Tuy nhiên, các chất nổ đơn này có độ nhạy kích thích cao, khả năng chịu nén kém và có xu hướng phân hủy trước khi nóng chảy nên không thể sử dụng ở dạng nguyên chất để đúc rót trực tiếp. Chúng thường được phối trộn với thuốc nổ có tính công nghệ như trinitrotoluen (TNT) hoặc đưa vào các hệ thuần hóa. Để gia tăng uy lực, nhiệt lượng và tác dụng đốt cháy, bột kim loại (đặc biệt là bột nhôm - Al) được bổ sung vào hệ nổ. Tại Việt Nam, nhiều loại đầu đạn sử dụng thuốc nổ hỗn hợp 4 thành phần (RDX, TNT, bột Al, chất thuần hóa) tiếp nhận từ nước ngoài sau thời gian dài bảo quản trong điều kiện nhiệt đới đã xuất hiện dấu hiệu suy giảm chất lượng, đòi hỏi phải nghiên cứu làm chủ công nghệ chế tạo để phục vụ sửa chữa, thay thế. Mặc dù các hệ thuốc nổ 2 thành phần (TG, A-IX-1) và 3 thành phần (A-IX-2, Ocfal-20) đã có những nghiên cứu ứng dụng, hệ thuốc nổ hỗn hợp 4 thành phần vẫn tồn tại khoảng trống nghiên cứu mang tính hệ thống về mối quan hệ giữa hàm lượng, kích thước hạt Al, chủng loại chất thuần hóa với các thông số năng lượng nổ, động học sóng xung kích và tham số công nghệ đúc rót.

Mục tiêu nghiên cứu của luận án được xác định gồm:

  1. Nghiên cứu có tính hệ thống ảnh hưởng của các thành phần (hàm lượng, kích thước hạt Al, loại chất thuần hóa) đến các đặc trưng năng lượng, nổ cháy và quá trình cháy của bột Al khi nổ ngoài không khí.
  2. Lựa chọn đơn thành phần tối ưu và xác lập các thông số công nghệ chế tạo, phối trộn, đúc rót phù hợp với điều kiện trang thiết bị và nguyên liệu trong nước.
  3. Định hướng ứng dụng thuốc nổ hỗn hợp 4 thành phần để sản xuất, sửa chữa vũ khí, đạn dược trang bị cho Quân đội.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Hệ thuốc nổ hỗn hợp 4 thành phần gồm RDX, TNT, bột Al và chất thuần hóa.
  • Phạm vi nghiên cứu: Đánh giá độ bền nhiệt, độ an định chân không, độ bền nén cơ học; độ tương thích giữa chất thuần hóa với các cấu tử; các đặc trưng năng lượng nổ cháy (tốc độ nổ, khả năng sinh công, độ nén trụ chì, nhiệt lượng nổ, áp suất dư $P_{max}$, xung áp suất dư $i^+$, tốc độ sóng xung kích ngoài không khí $V_{xk}$, quá trình phát triển quả cầu lửa); các tham số công nghệ chế tạo (thứ tự phối trộn, nhiệt độ, tốc độ khuấy, thời gian khuấy, độ nhớt động lực học, nhiệt độ và chế độ đúc rót vào vỏ chứa kích thước lớn).

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn: Luận án cung cấp hệ thống số liệu thực nghiệm và luận giải cơ sở khoa học về động học nổ cháy của hệ nổ chứa kim loại, làm rõ cơ chế cháy thứ cấp của bột Al ngoài không khí và quy luật biến thiên độ nhớt động lực của huyền phù đúc rót. Về mặt thực tiễn, kết quả nghiên cứu hoàn thiện quy trình công nghệ chế tạo và đúc rót thuốc nổ hỗn hợp 4 thành phần, phục vụ trực tiếp cho nhiệm vụ sản xuất, bảo dưỡng và nâng cao uy lực vũ khí quốc phòng.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Luận án đã tổng thuật toàn diện các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến thuốc nổ đơn, thuốc nổ thuần hóa và thuốc nổ chứa kim loại:

Các hướng nghiên cứu trên thế giới:

  • Các hệ thuốc nổ chứa Al và chất thuần hóa: Quân đội các nước đã chuẩn hóa nhiều mác thuốc nổ hỗn hợp. Điển hình tại Mỹ có các mác HBX-1, HBX-3, H6 (sử dụng chất thuần hóa D2 gồm 84% parafin, 2% lecithin, 14% nitroxenlulo cùng phụ gia chống hút ẩm $\text{CaCl}_2$); tại Nga có các mác MC, MC-2, TGAP-5M, TGAG-5 (sử dụng chất thuần hóa golovac/polyclonaphtalin), TGAP-5, TGAP-5A, MC-S (sử dụng xerezin); tại Anh có thuốc nổ Torpex (41% TNT, 41% RDX, 18% Al).
  • Nghiên cứu ứng dụng hạt kim loại kích thước micro và nano: Các công trình của các tác giả quốc tế khảo sát ảnh hưởng của bột kim loại (Al, Cu, Ni, Mg) đến quá trình phân hủy nhiệt của RDX, HMX, nhiệt lượng nổ và hiệu ứng tạo sóng xung kích dưới nước cũng như ngoài không khí.
  • Cơ chế phản ứng nhiệt hóa và mô hình nổ: Các nghiên cứu chỉ ra rằng khi thuốc nổ có hệ số cân bằng oxy âm ($K_b < 0$), bột Al tham gia vào các phản ứng cháy thứ cấp với các sản phẩm nổ chứa oxy ($\text{CO}_2, \text{CO}, \text{H}_2\text{O}$) và khí $\text{N}_2$ ở nhiệt độ cao sau mặt sóng nổ. Quá trình này được phân tích thông qua các quy tắc phân hủy nổ Kistiakowsky-Wilson, Kistiakowsky-Wilson sửa đổi và Springall-Roberts.

Bảng so sánh thành phần và đặc tính một số mác thuốc nổ hỗn hợp trên thế giới (theo tư liệu luận án):

Hạng mục HBX-1 (Mỹ) HBX-3 (Mỹ) H6 (Mỹ) MC (Nga) MC-2 (Nga) TGAP-5M (Nga) TGAG-5 (Nga) TGAP-5 (Nga) TGAP-5A (Nga)
RDX (%) 40 31 45 57 46,8 59 24 40 40
TNT (%) 38 29 30 19 21 19 60 40 38
Nhôm - Al (%) 17 35 20 17 27 17 16 20 18
Chất thuần hóa (%) 5 (D2) 5 (D2) 5 (D2) 7 (Xerezin) 5,2 (Xerezin) 5 (Xerezin) 5 (Golovac) 5 (Xerezin) 4 (Xerezin)
$\text{CaCl}_2$ (%) - - 0,5 - - - - - -
Tốc độ nổ (m/s) 7224 6930 7191 (7365) 7600 6700 7700 - - -
Mật độ ($\text{g/cm}^3$) 1,69-1,70 1,81-1,84 1,71 (1,76) 1,7 1,67 1,75 - - -
Nhiệt lượng nổ (MJ/kg) - 6,78 - 5,9 5,7 6,28 - - -
Độ nén trụ chì (mm) - - - 18-22 18-20 - - - -
Độ nhạy va đập (%) - - - 20 13 - - - -

Các hướng nghiên cứu tại Việt Nam:

  • Thuốc nổ thuần hóa 2 thành phần: Đã làm chủ công nghệ chế tạo thuốc nổ RDX thuần hóa (A-IX-1) sử dụng hệ xerezin - axit stearic; HMX thuần hóa (Ocfol 3.5) sử dụng wax 8 hoặc xerezin - axit stearic; K991 sử dụng hỗn hợp wax 8 - silicon phục vụ đầu đạn xuyên lõm và khai thác dầu khí.
  • Thuốc nổ phá thuần hóa chứa Al: Chế tạo A-IX-2 (RDX/Al/sáp/PVA) và Ocfal-20 (HMX/Al/chất thuần hóa). Trong đó, các nghiên cứu đánh giá bột Al từ các nguồn cung cấp (Nga $11,58\ \mu\text{m}$, Nhật $11,44\ \mu\text{m}$, Ấn Độ $36,01\ \mu\text{m}$, Trung Quốc $103,32\ \mu\text{m}$) và lựa chọn được chủng loại Al thích hợp.
  • Thuốc nổ hỗn hợp: Nghiên cứu hệ TG (TNT/RDX), VE05 (TNT/PETN/phụ gia) và bước đầu khảo sát hệ TGAP-5 (TNT/RDX/Al/Naphton).

Khoảng trống luận án lựa chọn giải quyết: Các nghiên cứu trong nước trước đây chủ yếu dừng ở quy mô thử nghiệm thăm dò hoặc phục vụ chế tạo các mác thuốc nổ 2-3 thành phần. Chưa có công trình nào đánh giá một cách toàn diện, định lượng về ảnh hưởng của kích thước hạt Al ($1,0\ \mu\text{m}, 10,0\ \mu\text{m}, 30,0\ \mu\text{m}$), tỷ lệ các cấu tử, các hệ chất thuần hóa mới (hệ xerezin - tristearin) đến thông số sóng xung kích ngoài không khí, sự phát triển quả cầu lửa quang học và đặc tính lưu biến (độ nhớt động lực học) của hỗn hợp nóng chảy nhằm thiết lập chế độ đúc rót tối ưu cho đầu đạn cỡ lớn.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và khung phân tích

  • Lý thuyết quá trình biến đổi nổ và nhiệt hóa học nổ: Quá trình nổ hóa học được mô tả qua các đại lượng trạng thái nhiệt động. Hệ số cân bằng oxy ($K_b$) và hệ số oxy ($A$) của hệ nổ quyết định thành phần sản phẩm nổ và hướng phản ứng oxy hóa của bột Al theo các phản ứng nhiệt hóa: $$\begin{aligned} 3\text{CO}_2 + 2\text{Al} &\rightarrow 3\text{CO} + \text{Al}_2\text{O}_3 + 197\ \text{kcal} \ 3\text{H}_2\text{O} + 2\text{Al} &\rightarrow 3\text{H}_2 + \text{Al}_2\text{O}_3 \ \text{N}_2 + 2\text{Al} &\rightarrow 2\text{AlN} \quad (\text{ở } T > 840^\circ\text{C}) \end{aligned}$$
  • Phương trình thủy động học sóng nổ: Tính toán áp suất nổ $p_2 = I \cdot D \cdot W_k$ (trong đó $I$ là mật độ, $D$ là tốc độ nổ, $W_k$ là tốc độ chuyển động của sản phẩm khí). Năng lượng riêng của sản phẩm nổ được xác định dựa trên phương trình trạng thái khí lý tưởng $p \cdot V = n \cdot R \cdot T$.
  • Động học phân hủy nhiệt: Sử dụng phương trình Kissinger để xác định năng lượng hoạt hóa ($E_a$) từ sự phụ thuộc của nhiệt độ pic phân hủy tỏa nhiệt ($T_p$) vào tốc độ gia nhiệt ($\beta$): $$\ln\left(\frac{\beta}{T_p^2}\right) = -\frac{E_a}{R \cdot T_p} + \text{const}$$
  • Khung tính toán lý thuyết nổ: Sử dụng phần mềm DETO 2.0 để tính toán thành phần phân tử giả định, thể tích sản phẩm khí ($V_0$), nhiệt lượng nổ lý thuyết ($Q_v$) và tốc độ nổ tính toán ($D_{TT}$).
  • Động học sóng xung kích ngoài không khí: Xác định áp suất dư mặt sóng ($\Delta p = p_1 - p_0$), xung áp suất dư pha nén ($i^+ = \int_0^{t^+} \Delta p(t) dt$) và cự ly an toàn $R = f \cdot \sqrt[3]{M}$.

Phương pháp thực nghiệm và kỹ thuật phân tích

Luận án kết hợp đồng bộ các phương pháp phân tích vật lý, hóa lý, cơ lý và nổ học thực nghiệm:

  1. Phân tích nguyên liệu và tính chất hóa lý:

    • Đánh giá hình thái và hàm lượng bột Al: Phân tích kích thước hạt, bề mặt hạt Al bằng kính hiển vi và phương pháp hóa học.
    • Phân tích nhiệt: Phương pháp nhiệt vi sai (DTA/DSC) tại các tốc độ gia nhiệt khác nhau nhằm xác định nhiệt độ nóng chảy ($T_{nc}$), nhiệt độ phân hủy ($T_{phh}$) và pic tỏa nhiệt ($T_{pi}$).
    • Độ an định hóa học: Phương pháp Stabil đo áp suất khí thoát ra theo thời gian $p(t)$ để xác định độ an định chân không.
    • Hình thái cấu trúc bề mặt: Kính hiển vi quang học độ phóng đại 40 lần để quan sát độ phân tán của chất thuần hóa và liên kết bề mặt giữa các cấu tử.

  2. Thử nghiệm cơ lý và lưu biến học:

    • Đo độ nhớt động lực học: Khảo sát độ nhớt của hỗn hợp huyền phù RDX/Al trong TNT lỏng tại các mức nhiệt độ $80^\circ\text{C}, 85^\circ\text{C}, 90^\circ\text{C}, 95^\circ\text{C}$.
    • Độ bền nén: Thử nghiệm trên thiết bị đo cơ lý tại $25^\circ\text{C}$.
    • Mật độ khối thuốc: Đo theo phương pháp cân thủy tĩnh: $$\rho = \frac{a}{a - b} \cdot \rho_l$$ trong đó $a$ là khối lượng trong không khí, $b$ là khối lượng trong chất lỏng, $\rho_l$ là mật độ chất lỏng chuẩn.

  3. Thử nghiệm đặc trưng năng lượng và nổ cháy:

    • Nhiệt lượng nổ ($Q_v$): Đo bằng bom nhiệt lượng chuyên dụng.
    • Tốc độ nổ thực tế ($D_{TN}$): Đo bằng phương pháp ghi thời gian truyền sóng nổ qua các đầu đo ion hóa trên thỏi thuốc ở mật độ đúc xác định.
    • Khả năng đập vụn: Đo độ nén trụ chì ($\Delta H$, mm) với lượng nổ chuẩn.
    • Khả năng sinh công ($W$): Thử nghiệm trên con lắc xạ thuật (so sánh tương đối % so với TNT chuẩn) và đo độ giãn nở bom chì ($\Delta W$, ml).
    • Đo tham số sóng xung kích và ngọn lửa: Sử dụng cảm biến áp suất đặt tại các khoảng cách cố định (3 m, 4 m, 5 m, 6 m) để ghi nhận áp suất dư cực đại ($P_{max}$), xung áp suất ($i^+$) và tốc độ sóng xung kích ($V_{xk}$); hệ thống quang học ghi hình tốc độ cao xác định đường kính và thời gian tồn tại của quả cầu lửa ($t_1, t_2, t_3, t_4, \Phi_{max1}, \Phi_{min1}, \Phi_{max2}$).

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương này tổng hợp cơ sở lý thuyết về quá trình nổ hóa học, các yêu cầu đối với thuốc nổ quân sự so với thuốc nổ công nghiệp, tính chất lý hóa - nổ cháy của các chất nổ đơn thể và hỗn hợp, cùng các công nghệ chế tạo thuốc nổ hiện hành.

Bảng so sánh yêu cầu kỹ thuật thuốc nổ quân sự và công nghiệp (theo tư liệu luận án):

Thuộc tính Thuốc nổ công nghiệp Thuốc nổ quân sự
Đặc tính nổ chính Thể tích khí nổ và nhiệt lượng nổ cao (khả năng sinh công lớn); tốc độ nổ cao không cần thiết (trừ thăm dò khoáng sản). - Bom, mìn, đạn pháo, đầu đạn tên lửa: Sóng xung kích cao, thể tích khí cao, nhiệt lượng nổ cao.
- Lựu đạn: Tốc độ nổ cao, mật độ cao, khả năng sinh công lớn.
- Đạn lõm: Mật độ rất cao, tốc độ nổ cao (RDX, HMX), khả năng sinh công và đập vụn lớn.
Độ nhạy An toàn khi thao tác; nhạy nổ với kíp nổ; truyền nổ tin cậy. Ít nhạy nổ; không nổ sớm khi bắn hoặc va đập khi chạm mục tiêu.
Độ bền bảo quản Đảm bảo trên 6 tháng; phản ứng trung tính (không sinh $\text{HNO}_3$). Đảm bảo trên 10 năm; trung tính; không ăn mòn kim loại vỏ chứa.
Khả năng chịu nước Thỏi thuốc bao gói chịu nước tối thiểu 2 giờ. Hoàn toàn kín nước khi đã đúc trong lòng bom, đạn, mìn.
Khả năng gia công Dạng dẻo hoặc bột rời, có thể cắm kíp nổ trực tiếp. Có thể đúc rót hoặc nén ép cơ học.
Độ bền nhiệt Không đóng cứng ở $-25^\circ\text{C}$, chịu được nhiệt độ trên $60^\circ\text{C}$ trong vài giờ. Đảm bảo tính năng trong khoảng nhiệt độ từ $-40^\circ\text{C}$ đến $60^\circ\text{C}$ (hoặc cao hơn cho mục đích đặc biệt).

Chương 1 cũng hệ thống hóa các số liệu cơ bản của các thuốc nổ thành phần:

Bảng đặc trưng năng lượng, nổ cháy của thuốc nổ TNT và RDX:

Chỉ tiêu kỹ thuật Đơn vị TNT (Mật độ đúc $\sim 1,6\ \text{g/cm}^3$) RDX (Mật độ ép $1,7\ \text{g/cm}^3$)
Tốc độ nổ m/s 6950 - 7000 8360
Nhiệt lượng nổ ($Q_v$) kcal/kg 1030 1190
Thể tích sản phẩm khí l/kg 730 908
Độ giãn nở bom chì ml 285 450 - 520
Độ nén trụ chì mm 16,0 (50 g) $\ge 15,5$ (25 g)
Nhiệt độ bùng cháy $^\circ\text{C}$ 290 230
Khả năng sinh công con lắc %TNT 100 150
Độ nhạy va đập (búa Cast 10 kg, 5 cm) % 48 72 - 84

Bảng thông số cháy nổ của hệ thuốc nổ hỗn hợp TG và TGA:

Mác thuốc nổ Tỷ lệ thành phần (TNT/RDX/Al) Mật độ ($\text{g/cm}^3$) Tốc độ nổ (m/s) Thể tích khí (ml/g) Độ nhạy va đập $H_{50}$ (cm)
TG 90/10 90 / 10 / 0 1,52 7070 316 24
TG 80/20 80 / 20 / 0 1,63 7210 320 12
TG 70/30 70 / 30 / 0 1,64 7420 353 8,0
TG 60/40 60 / 40 / 0 1,67 7510 357 10
TG 50/50 50 / 50 / 0 1,70 7570 368 12
TG 40/60 40 / 60 / 0 1,70 7670 388 8,0
TGA 70/15/15 70 / 15 / 15 1,72 6960 - 24
TGA 50/25/25 50 / 25 / 25 1,85 7680 397 24
TGA 50/20/30 50 / 20 / 30 1,80 7400 - 24
TGA 40/45/15 40 / 45 / 15 1,79 7500 478 24

Về công nghệ nhồi đúc, chương 1 phân tích cơ chế hòa tan một phần của RDX trong TNT lỏng tạo eutecti (chứa 95,84% TNT và 4,16% RDX ở $79,0^\circ\text{C}$), hiện tượng co ngót thể tích khi TNT kết tinh (lên đến 11%) và xu hướng sa lắng của bột Al khi làm nguội chậm.

Chương 2: Phương pháp nghiên cứu và thực nghiệm

Chương này trình bày chi tiết thông số kỹ thuật của các loại vật tư hóa chất sử dụng trong nghiên cứu:

  • Xerezin ($\text{C}{45}\text{H}{92}$, $T_{nc} = 65-80^\circ\text{C}$, mật độ $0,90-0,95\ \text{g/cm}^3$).
  • Axit stearic ($\text{C}{17}\text{H}{35}\text{COOH}$, $M=284\ \text{g/mol}$, $T_{nc} = 67-70^\circ\text{C}$).
  • Tristearin ($\text{C}{57}\text{H}{110}\text{O}6$, $M=891\ \text{g/mol}$, $T{nc} = 54-72,5^\circ\text{C}$, mật độ $0,862\ \text{g/cm}^3$).
  • Wax 8, Naphtalen, $\beta$-naphtol.
  • RDX, TNT tinh khiết quân sự; bột Al với các kích thước hạt trung bình $1,0\ \mu\text{m}, 10,0\ \mu\text{m}, 30,0\ \mu\text{m}$.

Chương này cũng chuẩn hóa các quy trình tạo mẫu thực nghiệm, sơ đồ thiết bị đo độ nhớt động lực học, buồng thử nổ đo áp suất sóng xung kích ngoài không khí, quy trình ghi hình biến thiên quả cầu lửa và thuật toán tính toán các thông số nổ trên phần mềm DETO 2.0.

Chương 3: Kết quả và thảo luận

Nội dung chương 3 tập trung vào các kết quả thực nghiệm và thảo luận chuyên sâu:

  1. Nghiên cứu lựa chọn chất thuần hóa: Đánh giá bề mặt mẫu TGAP sử dụng naphtalen, $\beta$-naphtol, wax 8, xerezin, hệ xerezin - axit stearic (XS-60/40), hệ xerezin - tristearin (XT-60/40). Kết quả phân tích DTA, độ an định chân không (Stabil) và độ bền nén xác định hệ XT-60/40 (với tỷ lệ 5-8%) tạo ra cấu trúc bao bọc đồng nhất, cải thiện độ bền nén và duy trì độ an định nhiệt cao cho khối nổ.
  2. Tính toán nhiệt hóa và đặc trưng nổ cháy lý thuyết: Xác lập công thức phân tử giả định của hệ 4 thành phần, tính toán các thông số $K_b, A, Q_v, V_0, D_{TT}$ bằng phần mềm DETO 2.0.
  3. Ảnh hưởng của bột Al đến năng lượng nổ và uy lực: Khảo sát hàm lượng và kích thước hạt Al ($1,0\ \mu\text{m}, 10,0\ \mu\text{m}, 30,0\ \mu\text{m}$) cho thấy: hàm lượng Al tăng làm tăng mạnh nhiệt lượng nổ $Q_v$ và khả năng sinh công $W$, nhưng làm giảm nhẹ tốc độ nổ $D$ và độ nén trụ chì $\Delta H$. Bột Al kích thước mịn ($1,0\ \mu\text{m}$) cho mức độ phản ứng cháy triệt để hơn, nâng cao áp suất dư và công nổ so với hạt $30\ \mu\text{m}$.
  4. Nghiên cứu sóng xung kích và sự cháy của Al ngoài không khí: Các biểu đồ $P_{max}(t), i^+(t), V_{xk}$ tại khoảng cách 3-6 m ghi nhận sự kéo dài pha nén do phản ứng cháy sau nổ của Al. Quá trình quang học quả cầu lửa ghi nhận 2 giai đoạn giãn nở cực đại ($\Phi_{max1}, \Phi_{max2}$) tương ứng với thời điểm kích nổ ban đầu và giai đoạn bột Al bắt lửa phản ứng với oxy không khí và sản phẩm khí nổ.
  5. Nghiên cứu tham số công nghệ chế tạo và đúc rót:
    • Thứ tự phối trộn: TNT nóng chảy $\rightarrow$ nạp RDX $\rightarrow$ nạp chất thuần hóa $\rightarrow$ nạp bột Al khô.
    • Chế độ công nghệ: Nhiệt độ phối trộn $(90-95^\circ\text{C})$, tốc độ và thời gian khuấy đảm bảo huyền phù phân tán đều.
    • Nghiên cứu biến thiên độ nhớt động lực học theo nhiệt độ ($80-95^\circ\text{C}$), hàm lượng RDX và kích thước hạt Al.
    • Ứng dụng đúc thử nghiệm vào vỏ hình trụ kích thước lớn (lần 1 và lần 2), kiểm tra mật độ thực tế, độ đồng nhất thành phần theo chiều cao thỏi thuốc và loại trừ khuyết tật rỗ co ngót.

Kết quả và những đóng góp mới

Các kết quả và đóng góp mới của luận án bao gồm:

Đóng góp mới về mặt khoa học lý luận

  • Thiết lập hệ thống dữ liệu thực nghiệm có độ tin cậy cao về ảnh hưởng của kích thước hạt bột Al ($1,0\ \mu\text{m}, 10,0\ \mu\text{m}, 30,0\ \mu\text{m}$) và hàm lượng các cấu tử đến toàn bộ các đặc trưng nổ cháy, năng lượng và lưu biến của hệ thuốc nổ 4 thành phần RDX/TNT/Al/chất thuần hóa.
  • Luận giải cơ chế phân hủy nhiệt và xác định năng lượng hoạt hóa ($E_a$) của hệ thuốc nổ khi có mặt chất thuần hóa hệ xerezin - tristearin bằng phương pháp Kissinger.
  • Làm sáng tỏ quy luật lan truyền sóng xung kích ngoài không khí ($P_{max}, i^+, V_{xk}$) và cơ chế cháy thứ cấp của hạt Al thông qua các thông số quang hình học quả cầu lửa đa giai đoạn ($t_1, t_2, t_3, t_4$ và $\Phi_{max1}, \Phi_{min1}, \Phi_{max2}$).

Đóng góp mới về mặt thực tiễn

  • Đã lựa chọn được hệ chất thuần hóa tối ưu là hệ xerezin - tristearin (XT-60/40) với tỷ lệ phối trộn thích hợp, vừa đảm bảo giảm độ nhạy va đập, tăng độ an toàn trong thao tác, vừa cải thiện độ bền nén và độ đồng nhất của khối thuốc đúc.
  • Xác lập được bộ thông số công nghệ chế tạo và đúc rót hoàn chỉnh (thứ tự phối liệu, nhiệt độ phối trộn, tốc độ khuấy, nhiệt độ đúc rót dựa trên đánh giá độ nhớt động lực học, chế độ ủ nhiệt làm nguội) áp dụng thành công khi đúc thử nghiệm vào vỏ chứa kích thước lớn, đạt mật độ cao và phân bố thành phần đồng đều.

Kiến nghị và đề xuất

  • Đề xuất áp dụng đơn thành phần và quy trình công nghệ đúc rót của luận án vào các cơ sở sản xuất, sửa chữa vũ khí của Tổng cục Công nghiệp quốc phòng để thay thế các liều nổ nhập khẩu bị xuống cấp.
  • Tiếp tục mở rộng nghiên cứu thử nghiệm trên các loại đầu nổ có cấu trúc hình học phức tạp hơn.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của nghiên cứu:

  • Nghiên cứu tập trung khảo sát trên hệ nền 4 thành phần cụ thể gồm RDX, TNT, bột Al và chất thuần hóa dạng sáp; chưa mở rộng so sánh sâu với các chất nổ nền nitramin khác như HMX hay CL-20 trong cùng điều kiện đúc rót.
  • Các thí nghiệm đúc rót kích thước lớn được thực hiện ở quy mô thử nghiệm công nghệ trong vỏ hình trụ chuẩn; các yếu tố ảnh hưởng của hình dáng vỏ đạn thực tế phức tạp (như có gân, rãnh, côn) cần tiếp tục được đánh giá thêm.

Hướng nghiên cứu tiếp theo:

  • Nghiên cứu ứng dụng bột nhôm kích thước nano hoặc bột nhôm biến tính bề mặt nhằm tăng cường hơn nữa tốc độ phản ứng cháy trong pha giãn nở của sóng nổ.
  • Nghiên cứu hoàn thiện hệ thống thiết bị đúc rót tự động hóa có kiểm soát áp suất chân không và chế độ làm nguội đa vùng nhiệt độ để nâng cao năng suất ở quy mô công nghiệp.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo có giá trị chuyên môn cao cho nhiều đối tượng trong lĩnh vực quốc phòng và công nghiệp vật liệu năng lượng cao:

  • Giảng viên, nghiên cứu sinh và học viên cao học: Phục vụ công tác giảng dạy, học tập trong các chuyên ngành Kỹ thuật hóa học, Vũ khí vô tuyến - Cơ điện tử, Kỹ thuật điều khiển hỏa lực, Công nghệ thuốc phóng - thuốc nổ tại các học viện, trường đại học kỹ thuật quân sự.
  • Cán bộ nghiên cứu và kỹ sư công nghệ: Cung cấp phương pháp luận và số liệu thực nghiệm chuẩn xác về kỹ thuật đo sóng xung kích ngoài không khí, đo độ nhớt động lực học ở nhiệt độ cao, kỹ thuật phân tích nhiệt và công nghệ đúc rót liều nổ lớn cho các viện nghiên cứu (Viện Hóa học - Vật liệu, Viện Thuốc phóng Thuốc nổ, Viện Tên lửa) và các nhà máy thuộc Tổng cục Công nghiệp quốc phòng.
  • Cơ quan quản lý kỹ thuật: Là căn cứ khoa học hỗ trợ xây dựng định mức kỹ thuật, quy trình kiểm tra chất lượng và đánh giá tuổi thọ của vũ khí, đạn dược chứa thuốc nổ hỗn hợp bảo quản trong kho tàng quân sự.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao thuốc nổ RDX nguyên chất không được sử dụng trực tiếp để đúc rót vào đầu đạn mà phải phối trộn với TNT hoặc chất thuần hóa?
RDX kỹ thuật có nhiệt độ nóng chảy khoảng $202-205^\circ\text{C}$ và có đặc tính bị phân hủy nhiệt mạnh trước khi nóng chảy hoàn toàn, đồng thời RDX rất nhạy với các tác động cơ học (va đập, ma sát). Do đó, không thể nung chảy RDX đơn chất để đúc rót an toàn. Việc phối trộn RDX vào TNT nóng chảy (nhiệt độ nóng chảy TNT khoảng $80,7^\circ\text{C}$) cho phép TNT đóng vai trò chất mang công nghệ, tạo thành hỗn hợp huyền phù có thể đúc rót được ở nhiệt độ dưới $100^\circ\text{C}$, đồng thời chất thuần hóa giúp bao bọc hạt RDX, làm giảm độ nhạy va đập.

2. Vai trò nhiệt hóa học của bột nhôm (Al) trong hệ thuốc nổ hỗn hợp là gì?
Bột Al đóng vai trò là chất cháy kim loại. Khi thuốc nổ phát nổ, do hệ có hệ số cân bằng oxy âm, bột Al sẽ phản ứng thứ cấp với các sản phẩm nổ chứa oxy như $\text{CO}_2, \text{H}_2\text{O}$ tạo thành $\text{Al}_2\text{O}_3$, giải phóng nhiệt lượng rất lớn (ví dụ phản ứng với $\text{CO}_2$ tỏa ra 197 kcal). Lượng nhiệt này làm tăng nhiệt độ và áp suất chung của khối khí nổ, kéo dài thời gian tác dụng của pha nén sóng xung kích và gia tăng đáng kể khả năng sinh công cũng như hiệu ứng đốt cháy ngoài không khí.

3. Tại sao hệ chất thuần hóa xerezin - tristearin (XT-60/40) lại được lựa chọn thay thế cho các chất thuần hóa đơn lẻ?
Nếu sử dụng các chất thuần hóa đơn lẻ như naphtalen hay $\beta$-naphtol, độ tương hợp và độ bền nén của mẫu không cao; sử dụng sáp thông thường dễ gây hiện tượng đông tụ bột Al hoặc làm tăng độ nhớt quá mức. Hệ phối hợp xerezin - tristearin (tỷ lệ 60/40) có nhiệt độ nóng chảy phù hợp, tạo khả năng bao bọc đồng đều lên bề mặt hạt RDX và bột Al, cải thiện độ bền nén ở $25^\circ\text{C}$, đảm bảo độ an định chân không và duy trì tính linh động của khối thuốc khi đúc rót.

4. Yếu tố nào quyết định đến tính đồng nhất và việc loại trừ khuyết tật sa lắng khi đúc rót thuốc nổ hỗn hợp chứa Al vào vỏ chứa lớn?
Độ nhớt động lực học của khối huyền phù và chế độ nhiệt độ đúc rót là yếu tố quyết định. Nếu nhiệt độ đúc quá cao, khối thuốc lâu đông đặc dẫn đến bột Al và hạt RDX bị sa lắng tạo sự phân tầng mật độ; nếu nhiệt độ đúc quá thấp, độ nhớt tăng cao làm khối thuốc khó điền đầy, dễ sinh bọt khí và rỗ nứt. Việc kiểm soát nhiệt độ đúc rót trong khoảng thích hợp $(85-90^\circ\text{C})$, kết hợp khuấy trộn đồng đều và ủ nhiệt làm nguội có kiểm soát giúp đảm bảo mật độ đồng đều theo chiều cao khối thuốc.

5. Cơ sở để xác định động học sóng xung kích ngoài không khí và sự cháy của Al trong luận án là gì?
Luận án sử dụng phương pháp đo áp suất dư mặt sóng ($\Delta p$) và xung áp suất ($i^+$) tại các khoảng cách cố định (3, 4, 5, 6 m) kết hợp hệ thống ghi hình quang học tốc độ cao. Dữ kiện hình ảnh ghi nhận quá trình hình thành và biến thiên kích thước quả cầu lửa qua 4 mốc thời gian ($t_1, t_2, t_3, t_4$) và hai lần đạt kích thước cực đại ($\Phi_{max1}, \Phi_{max2}$), phản ánh trực tiếp thời điểm nổ ban đầu và thời điểm bột Al bắt lửa bùng cháy cùng oxy không khí.

Kết luận

Luận án tiến sĩ của tác giả Nguyễn Văn Khương đã giải quyết trọn vẹn mục tiêu nghiên cứu về ảnh hưởng của thành phần cấu tử và tham số công nghệ đến đặc trưng năng lượng, nổ cháy của hệ thuốc nổ hỗn hợp 4 thành phần RDX/TNT/Al/chất thuần hóa. Thông qua việc kết hợp tính toán nhiệt hóa nổ (phần mềm DETO 2.0) với hệ thống phương pháp thực nghiệm đo đạc lưu biến học, phân tích nhiệt vi sai, đo áp suất sóng xung kích và quang hình học quả cầu lửa, tác giả đã lựa chọn được hệ chất thuần hóa tối ưu XT-60/40 và làm sáng tỏ quy luật cháy của bột Al ngoài không khí. Công trình đã xác lập bộ thông số công nghệ chế tạo và đúc rót hoàn chỉnh, thử nghiệm thành công trên vỏ chứa kích thước lớn, tạo cơ sở khoa học và công nghệ thực tiễn vững chắc phục vụ sản xuất, sửa chữa và nâng cao uy lực vũ khí, khí tài quân sự trong nước.