Bor katkılı duyarsız tahrip gücü yüksek yeni patlayıcıların geliştirilmesi
Development of new boron-based insensitive enhanced blast explosives
Yazar: SELEN AKSU
Danışman: PROF. DR. ZÜMRİYE AKSU ; DOÇ. DR. TANER ATALAR
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Bu tez çalışması kapsamında, mühimmat sistemlerinde sıklıkla kullanılan alüminyum katkılı, polimer bağlı ve dökülebilir özellikte yüksek tahrip etkili patlayıcıların yerine kullanılabilecek ve daha iyi performans özellikleri gösterebilecek magnezyum kaplı bor (MKB) ve metal borür (AlB2, MgB2 ve AlB12) gibi bor ve bileşikleri katkılı yüksek tahrip etkili patlayıcılar geliştirilmiş ve üretilmiştir. Bu patlayıcıların içeriğinde katı bileşenler olarak enerjik dolgu malzemesi siklotetrametilen tetranitramin (HMX), metal yakıt olarak MKB veya metal borürler (AlB2, MgB2 ve AlB12); sıvı bileşenler olarak ise bağlayıcı hidroksil sonlu polibütadien (HTPB), plastikleştirici isodesil pelargonat (IDP), katalizör trifenilbizmut (TPB) ve dibütiltin dilaurat (DBTDL), ıslatma maddesi lesitin ve sertleştirici izoforon diizosiyanat (IPDI) belirli bir formülasyonda yer almaktadır.

Tez çalışmasının ilk kısmında, referans ve geliştirilen patlayıcılarda katı bileşen olarak farklı ortalama tane boylarında kullanılan HMX'lerin ve metal/metaloit tozlarının karakterizayon çalışmaları; fiziksel ve mekanik özellikleri (tane boyu dağılımı, gerçek yoğunluk, yığın yoğunluk, sıkıştırılmış yoğunluk, nemlilik ve SEM) ve HMX'ler için ayrıca performans özellikleri (kalorifik enerji) ölçülerek gerçekleştirilmiş ve sonuçlar değerlendirilmiştir.

Tez çalışmasının daha sonraki aşamasında, içeriğindeki Sınıf 5 HMX'in Sınıf 1 HMX'e ağırlıkça oranı 2,5 olan, katalizör olarak ağırlıkça %0,2 trifenil bizmut (TPB) ve metal yakıt olarak magnezyum kaplı borun (MKB) kullanıldığı ilk patlayıcı (MKB-01) üretilmiştir. Ancak üretilen MKB katkılı patlayıcının üretim sonu başlangıç viskozitesinin ve kürlenme hızının yüksek olmasından dolayı istenilen işlenebilirlik özelliklerinde olmadığı gözlenmiştir. MKB katkılı patlayıcının üretim sonu başlangıç viskozitesinin, içeriğinde yer alan HMX'lerin farklı ortalama tane boylarına ve bunların ağırlıkça birbilerine oranlarına bağlı olduğu göz önüne alınarak,  patlayıcının üretim sonu viskozitesini düşürmek amacıyla tüm bileşenler ve miktarları sabit tutularak, patlayıcı içerisinde farklı ortalama tane boylarında kullanılan HMX'lerin (Sınıf 1 (d50=164µm) ve Sınıf 5 (d50=24µm)) ağırlıkça birbirlerine oranları değiştirilmiş ve patlayıcı içerisinde farklı sınıflardaki HMX'ler (Sınıf 2(d50=36µm)/Sınıf 3(d50=317µm)) 0,5 oranında kullanılmıştır. Sonuçlar, patlayıcıda Sınıf 2/Sınıf 3 0,5 oranında HMX kullanımının patlayıcının üretim sonu başlangıç viskozitesini işlenebilirlik sınırlarına çektiğini göstermiştir.

Patlayıcının kürlenme hızının yüksek bulunmasında etkili olan parametrelerden patlayıcı içerisinde yer alan katalizör miktarı ve türü de değiştirilerek patlayıcının içerdiği katalizör miktarı azaltılmış ve ayrı bir katalizör türü de denenmiştir. Sonuç olarak, ağırlıkça %0,0006 oranında DBTDL katalizörünün kullanımının MKB katkılı patlayıcının kürlenme hızını düşürerek işlenebilirliği sağladığı gözlenmiştir. Üretilen üretim sonu başlangıç viskozitesi ve kürlenme hızı optimize edilen MKB katkılı patlayıcının ve aynı formülasyonda üretilen alüminyum ve metal borür (AlB2, MgB2 ve AlB12) katkılı patlayıcıların  karakterizasyonu, fiziksel ve mekanik özellikleri (viskozite, nemlilik, gerçek yoğunluk, shore A sertlik, gerinim ve gerilim), ısıl özellikleri (ısı kapasitesi, ısıl iletkenlik katsayısı, ısıl genleşme katsayısı, vakum ısıl kararlılık, camsı geçiş sıcaklığı ve kendiliğinden tutuşma sıcaklığı), küçük ölçekli hassasiyet özellikleri (sürtünme hassasiyeti) ve performans özellikleri (kalorifik enerji, infilak hızı, şok basıncı ve darbe) ölçülerek gerçekleştirilmiş ve patlayıcıların özellikleri referans olarak alınan alüminyum katkılı patlayıcının özellikleri ile karşılaştırılarak AlB2 katkılı patlayıcının özellikle ısıl ve performans özelliklerinin referans patlayıcıdan çok daha iyi olduğu saptanmıştır. Sonuç olarak, yapılan tez çalışması bor gibi ülkemizde bol miktarda bulunan bir metaloitin alüminyum ile bileşiğinin patlayıcı üretiminde başarıyla kullanılabileceğini göstermiştir.

Abstract:
Within the scope of this thesis, enhanced blast explosives containing magnesium-coated boron (MCB) and metal boride (AlB2, MgB2 and AlB12) based boron compounds have been developed and produced, which can be used instead of aluminum-based, polymer-bonded and castable enhanced blast explosives that is frequently used in ammunition systems and which can show better performance characteristics. These explosives contain energetic filler cyclotetramethylene tetranitramine (HMX) and metal fuels like MCB and metal borides (AlB2, MgB2 and AlB12) as solid component; as liquid components, the binder hydroxyl terminated polybutadiene (HTPB), plasticizer isodesyl pelargonate (IDP), catalyst triphenylbismuth (TPB) and dibutyltin dilaurate (DBTDL), wetting agent lecithin and hardener isophorone diisocyanate (IPDI) are included in a specific formulation.

In the first part of the thesis, characterization studies of HMXs and metal/metalloid/metal boride powders used as solid components in the reference and developed explosives with different average particle sizes were carried out by measuring their physical and mechanical properties (particle size distribution, true density, bulk density, tapped density, moisture and SEM) and for HMXs also their performance properties (calorific energy) and the results were evaluated.

In the next stage of the thesis, an explosive was produced using 40% magnesium coated boron (MCB) as metal fuel in a predetermined explosive formulation. However, it was observed that the MCB based explosive did not have the desired processability properties due to its high initial viscosity and curing rate. Considering that the initial viscosity of the MCB based explosive depends on the different average particle sizes of the HMXs in its content and their ratios to each other by weight,  In order to reduce the initial viscosity of the explosive, the ratio of HMXs of different average particle sizes (Class 1 (d50=164µm) and Class 5 (d50=24µm)) to each other by weight was changed and HMXs of different classes (Class 2 (d50=36µm)/Class 3 (d50=317µm)) were used in the explosive at a ratio of 0.5. The results showed that the use of Class 2/Class 3 HMX at a ratio of 0.5 in the explosive brought the initial viscosity of the explosive to the limits of processability.

The amount and type of catalyst in the explosive, which is one of the parameters that are effective in the high curing rate of the explosive, were also changed and the amount of catalyst in the explosive was reduced and a different type of catalyst was also tried. As a result, it was observed that the use of 0.0006% DBTDL catalyst decreased the curing rate of the MKB based explosive and provided workability. Physical and mechanical properties (viscosity, true density, moisture, hardness, stress and strain), thermal properties (heat capacity, vacuum thermal stability, thermal conductivity coefficient, thermal expansion coefficient, VTS, glass transition temperature and autoignition temperature), sensitivity properties (friction sensitivity) and performance properties (calorific energy, detonation velocity, shock pressure and impulse) of MCB based explosive and aluminum and metal boride (AlB2, MgB2 and AlB12) based explosives produced in the same formulation, were measured and the properties of the explosives were compared with the properties of the reference aluminum based explosive. It was found that the thermal and performance properties of the AlB2 based explosive were much better than the reference explosive. As a result, the thesis study has shown that the compound of a metalloid such as boron, which is abundant in our country, with aluminum can be used successfully in the production of enhanced blast explosives.