[논문]다성분 입자계를 적용한 압축형 복합화약의 ?감도특성 연구

박하늘

doi:10.6108/kspe.2017.21.4.096

다성분 입자계를 적용한 압축형 복합화약의 ?감도특성 연구
Study on Characteristics of Shock Sensitivities of Pressable Plastic-Bonded Explosives(PBXs) Applying Multimodal Particle System 원문보기

한국추진공학회지 = Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers, v.21 no.4, 2017년, pp.96 - 106

박하늘 (The 4th R&D Institute - 2nd Directorate, Agency for Defense Development)

초록
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압축형 복합화약에서는 압축 시 화약입자들의 재배열 및 변형으로 인하여 화약입자들의 압착화가 이루어지게 된다. 만약 깨지기 쉬운 화약입자들이 입자들의 최대 무질서밀집충진율보다 높아질 때까지 압축되면 큰 입자들은 깨짐으로써 빈 공간을 채울 수 밖에 없다. 본 연구에서는 다성분 입자계를 적용하여 압축 시 화약입자들의 손상을 막음으로써 둔감하면서도 고도로 충진된 압축형 복합화약을 얻고자 하였으며 실험결과, 2성분 입자계보다 3성분 입자계에서 더 고밀도이면서도 둔감한 ?감도를 갖는 압축형 복합화약을 얻을 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

In pressable polymer bonded explosives (PBXs), densification occurs due to rearrangement and deformation of explosive particles during pressing. If brittle explosives are compressed till particle fraction become higher than theoretical random close packing fraction (RCPF), bigger particles should be fractured to fill the void. In this study, multi-modal particle system was introduced for the decrease in possibility of particle fracture during compression expecting decrease in shock sensitivity of highly filled pressable PBX. The experimental results showed the trimodal particle system had low sensitivity with high density, compared to bimodal particle system.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

A와 B로 구성된 2성분 입자계(bimodal particle system)를 생각해보자. B는 A사이에 생긴 빈 공간을 적절히 채울 수 있을 만큼 충분히 작으므로 A와 B, 각각이 독립적으로 RCP가 된다고 보면 A가 RCP가 되어 채운 나머지 공간을 B가 RCP로 독립적으로 채우는 것이므로 Table 2의 bimodal system과 같이 계산할 수 있으며 단일성분입자계에 비하여 훨씬 높은 충진율을 가질 수 있다.
따라서 본 연구에서는 이러한 입자충진이론을 바탕으로 입자계 조절을 통하여 최적의 충진 및 압축 시 입자들의 손상을 막음으로써 최종 압축형 복합화약의 숔감도를 개선하고자 하였다.
밀도는 시험화약당 압축성형된 펠렛 25개의 무게, 직경 및 높이를 측정하여 최종적으로 실제 밀도 값을 얻었으며 이를 이론최대밀도(TMD)와 비교하여 다성분입자계 적용이 밀도에 미치는 영향을 파악하고자 하였다.
본 연구에서는 입자계 조절을 통하여 압축 시입자들의 손상을 방지하고 고밀도의 압축형 복합화약을 제조함으로써 숔감도를 둔감화시키고자 하였다. 이론적으로 완전구형입자의 3성분 입자계에서의 크기별 입자의 점유부피 비는 약 7.
그러나 앞에서 보았듯이 3성분 입자계와 2성분 입자계에서 크게 차이가 나지 않는 밀도에 비하여 숔감도는 확연히 둔감해지는 것으로 미루어 볼 때, 3성분 입자계에서 화약입자들의 손상정도가 2성분 입자계에 비하여 훨씬 적을 것으로 예상되었다. 이에 따라 압축성형된 펠렛을 EDC로 RDX만을 추출하여 RDX 입자들의 원형유지정도를 확인하고자 하였다. Fig.

가설 설정

내부에 공동을 갖는 화약이 있다고 가정해보자. 그 공동안의 기체종은 밀폐된 공간 안에 있는 것이고 숔은 매우 순간적인 자극이기 때문에 공동안의 기체는 단열압축된다고 볼 수 있다.

제안 방법

Table 5에 PBX-1 제조에 사용된 RDX 입자의 크기 비, 해당입자들의 부피 비 및 밀도를 나타내었다. 3성분 입자계의 경우는 서론에서 언급한 대로 입자들의 크기 비가 최소 7이상, 그리고 10에 가까울수록 충진에 효율적이므로 이를 최대한 반영하였으며 2성분 및 3성분 입자계에서 각각 0.0004, 0.0003의 표준편차를 갖는 균일한 밀도의 PBX-1 펠렛을 제조하였다. 이 때, 2성분 입자계 (TMD 대비 약 98.
각 입자계에 따라 압축형 복합화약의 압축성형과정에서의 입자들의 원형유지정도 및 파괴 정도가 다를 것이라 판단되었으므로 이를 확인하기 위하여 압축성형된 펠렛을 EDC 용매(RDX는 용해되지 않으나 결합제는 용해시킬 수 있음)를 사용하여 RDX만을 추출하여 이를 SEM(FE-SEM, 모델명: QUANTA 650, 제조사: FEI)을 통해 원형유지정도를 확인하였다.
기계적 물성은 Instron사의 UTM-3369 압축시험기를 통하여 압축형 복합화약 펠렛(직경 10mm, 높이 10 mm)을 압축하면서 압축강도, 압축변형률 및 영률을 측정하였고 시험조건은 압축속도는 약 10 mm/min, 온도 25℃ 및 습도는 50%였으며 결과는 3개 시료의 평균을 취하여 얻었다.
제조된 압축형 복합화약 압착분말을 성형하여 얻은 펠렛을 3회의 압축시험을 통하여 압축강도 및 변형률, 영률을 측정한 후, 평균을 취하여 PBX-1과 PBX-2의 응력-변형률곡선을 Fig. 10과 Fig. 11에, 그리고 평균 최대응력, 평균 최대변형률 및 평균 최대영률을 Table 9에 나타내었다. 이를 보면 물성측면에서는 3성분 입자계가 2성분 입자계에 비하여 큰 장점이 없는 것으로 나타나는데 일반적으로 기계적 힘을 받을 때 물질 내부의 미시/거시구조에서 가장 약한 부분이 먼저 끊어지거나 파괴되므로 3성분 입자계의 경우 미세입자 사용으로 인하여 더 복잡한 미세구조 및 더 많은 입자-결합제간의 계면이 존재하게 되고 이것이 가장 약한 부분이 더 많이 생기게 함으로써 기계적 물성에 좋지 않은 영향을 미친것으로 보인다.

대상 데이터

고체입자로서 ㈜한화 제품의 RDX 분자화약을 크기별로 5, 30, 250, 450 ㎛의 4종류를 사용하였고 ㈜창성제품의 30 ㎛크기의 알루미늄 분말을 사용하였다. 결합제 성분중 가소제로서 ㈜애경의 DOA (Dioctyl Adipate)를 사용하였고 고분자 결합제로서 아크릴계 고무인 Hytemp (Zeonchemicals)를 사용하였다. 이외에 유기용매로서 EA (Ethyl Acetate), EDC (Ethylene Dichloride), IPA (Isopropyl Alcohol) (Samchun chemicals)을 추가 정제없이 그대로 사용하였다.
고체입자로서 ㈜한화 제품의 RDX 분자화약을 크기별로 5, 30, 250, 450 ㎛의 4종류를 사용하였고 ㈜창성제품의 30 ㎛크기의 알루미늄 분말을 사용하였다. 결합제 성분중 가소제로서 ㈜애경의 DOA (Dioctyl Adipate)를 사용하였고 고분자 결합제로서 아크릴계 고무인 Hytemp (Zeonchemicals)를 사용하였다.
결합제 성분중 가소제로서 ㈜애경의 DOA (Dioctyl Adipate)를 사용하였고 고분자 결합제로서 아크릴계 고무인 Hytemp (Zeonchemicals)를 사용하였다. 이외에 유기용매로서 EA (Ethyl Acetate), EDC (Ethylene Dichloride), IPA (Isopropyl Alcohol) (Samchun chemicals)을 추가 정제없이 그대로 사용하였다.

이론/모형

화약에 있어서 가장 중요한 특성인 숔감도는 미국에서 개발된 가장 널리 사용되는 숔감도시험인 LSGT (Large Scale Gap Test)를 통하여 분석하였다[14]. Fig.

성능/효과

그러나 자연계에서 입자들은 FCP 또는 HCP와 같이 질서정연하게 충진하기 보다는 무질서밀집충진(RCP)을 하며 단일성분 입자계의 무질서밀집충진율(RCPF)은 약 63~64%수준으로 밝혀져 있다[5-9].(본 연구에서는 63.4%로 선택하였음) 만약, 큰 입자 사이에 작은 입자를 채울 수 있다면 RCP 충진율은 64%보다 훨씬 증가될 수 있는데 이때 큰 입자와 작은 입자간의 크기 비가 7 이상일 경우 작은 입자는 큰 입자 사이에 생긴 빈 공간들을 수월하게 채우게 됨으로써 충진율이 향상되고 (Fig. 1 및 Fig. 2) 반대로 입자 간의 크기 비가 7 이하일 경우 충진효율은 급격히 감소한다고 알려져 있다[10].
화약에 있어서 가장 중요한 특성인 숔감도는 미국에서 개발된 가장 널리 사용되는 숔감도시험인 LSGT (Large Scale Gap Test)를 통하여 분석하였다[14]. Fig. 6에서 볼 수 있듯이 숔압력원(donor explosives)으로는 pentolite 50/50을,card gap으로는 PMMA (Poly Methylmethacrylate)를, detonator는 비전기식뇌관 NONEL을 사용하여 제조된 시험화약(약 250 g)을 기폭함으로써 반응여부를 결정하고 그 결과를 시험에 사용된 PMMA의 gap 두께(또는 PMMA 카드 장수 또는 숔압력)로 얻으며 카드장수가 적다는 것은 그만큼 시험화약이 숔 압력원에 의해 기폭되기 어렵고 기폭에 필요한 숔압력값도 커야 한다는 것을 말하며 시험화약이 숔에 둔감하다는 것을 의미한다. 반응여부는 증거판에 구멍이 생길 경우를 go(또는 +), 생기지 않는 경우를 no-go(또는-))로 하여 시험화약당 총 12회 시험하여 +와 –사이의 수렴값을 찾음으로써 최종적으로는 50%의 확률로 폭굉(detonation)되는 시험화약의 숔압을 얻는다.
0005의 표준편차를 갖는 균일한 밀도의 PBX-2펠렛을 제조하였다. PBX-1과 마찬가지로 2성분입자계(TMD 대비 약 98.23%)에 비하여 3성분입자계(TMD 대비 약 98.85%)에서 더 높은 밀도를 갖는 것을 확인할 수 있었다. 이러한 밀도의 차이는 3성분 입자계에 존재하는 가장 작은 입자의 존재로 인하여 생긴 것으로 가장 큰 입자와 중간 크기의 입자가 미처 채우지 못한 작은 공간을 가장 작은 입자가 채워줌으로써 미세하게나마 충진율이 향상되었고 이것이 결국 밀도향상으로 이어진 것으로 보인다.
제조된 압축형 복합화약이 숔과 같은 갑작스러운 자극 하에 놓이게 되었을 때 구성입자계에 따라 화약입자들의 훼손된 정도와 공극이 차지하는 비율도 다르기 때문에 다른 숔감도 특성을 보일 것이며 상술한대로 3성분 입자계에서 PBX-1 및 PBX-2 모두 밀도가 2성분 입자계에 비해 높았으므로 감소한 공극률로 인하여 더 둔감한 숔감도를 가질 것이 쉽게 예상되었다. Table 7에 수록된 바와 같이 2성분 입자계 PBX-1을 기폭시키기 위한 LSGT 숔압력은 25kbar 수준인 반면, 3성분 입자계의 숔압력은 훨씬 큰 46 kbar으로 나타남으로써 2성분 입자계에 비하여 3성분 입자계를 적용한 PBX-1의 숔감도가 80% 이상 둔감해진 것을 확인할 수 있다. PBX-2의 경우에도 2성분 입자계에 비하여 3성분 입자계의 숔압력이 크게 증가함으로써 (Table 8)숔감도가 매우 둔감함을 알 수 있다.
또한, 입자들이 점유한 총 부피 내에서 각 크기에 해당하는 입자들의 점유부피 비를 Table 3에 나타내었는데 높은 충진율을 갖기 위해서는 상대적으로 작은 입자들이 적절한 부피함량으로 존재해야 함을 알 수있다. 결과적으로 다성분 입자계로 갈수록 그 계의밀도를 증가시킬 수 있다는 사실을 알 수 있다.
K 등 역시 실험 및 모사를 통하여 큰 입자와 작은 입자로 이루어진 2성분 입자계에서 두 입자의 크기 비에 따른 충진율을 보고한 바 있으며 이들은 2성분 입자계에서 크기 비가 1일 때 가장 낮은 충진율을 갖고 점차 크기 비가 커질수록 충진율이 증가하며 10에서 거의 최대 충진율에 도달할 수 있음을 보였다[9,11]. 따라서 입자계에서 충진율은 큰 입자와 작은 입자의 크기비의 함수이며 작은 입자는 충분히 작아야하고 그 작은 입자들이 적절한 부피함량으로 존재해야 높은 충진율을 가지게 됨을 알 수 있다.
또한, 밀도향상과 동시에 숔감도가 확연히 둔감해진 것을 확인할 수 있었는데 이는 밀도가 향상됨으로써 열점의 근원 중 하나인 공극이 줄어들었기 때문인 것으로 보인다. 뿐만 아니라 SEM을 통해 분석한 결과, 3성분 입자계에서의 화약입자들의 원형유지정도가 훨씬 양호함을 확인하였으며 이로 인해 3성분 입자계에서 훨씬 둔감한 숔감도를 가지는 것으로 판단된다. 한편, 기계적 특성에서는 3성분 입자계가 특별히 장점을 갖는다고 보기 어려웠고 오히려 더 좋지 않은 기계적 물성을 보였는데,이는 3성분 입자계에서 2성분 입자계보다 더 많은 충전재-결합제의 계면이 존재하게 되기 때문인 것으로 보인다.
본 연구에서는 입자계 조절을 통하여 압축 시입자들의 손상을 방지하고 고밀도의 압축형 복합화약을 제조함으로써 숔감도를 둔감화시키고자 하였다. 이론적으로 완전구형입자의 3성분 입자계에서의 크기별 입자의 점유부피 비는 약 7.4: 2.7 : 1이므로 최대한 이를 반영하여 본 실험에서는 입자들의 점유부피 비가 약 11 : 4 : 1(PBX-1) 또는 12 : 4 : 1 (PBX-2)가 되도록 입자 계를 구성하였으며 그 결과 3성분 입자계에서 좀 더 밀도가 향상됨을 확인할 수 있었고 입자충진이론이 금속을 포함하거나 하지 않는 모든 경우의 압축형 복합화약에도 충분히 적용될 수 있음을 알 수 있었다. 또한, 밀도향상과 동시에 숔감도가 확연히 둔감해진 것을 확인할 수 있었는데 이는 밀도가 향상됨으로써 열점의 근원 중 하나인 공극이 줄어들었기 때문인 것으로 보인다.
제조된 압축형 복합화약이 숔과 같은 갑작스러운 자극 하에 놓이게 되었을 때 구성입자계에 따라 화약입자들의 훼손된 정도와 공극이 차지하는 비율도 다르기 때문에 다른 숔감도 특성을 보일 것이며 상술한대로 3성분 입자계에서 PBX-1 및 PBX-2 모두 밀도가 2성분 입자계에 비해 높았으므로 감소한 공극률로 인하여 더 둔감한 숔감도를 가질 것이 쉽게 예상되었다. Table 7에 수록된 바와 같이 2성분 입자계 PBX-1을 기폭시키기 위한 LSGT 숔압력은 25kbar 수준인 반면, 3성분 입자계의 숔압력은 훨씬 큰 46 kbar으로 나타남으로써 2성분 입자계에 비하여 3성분 입자계를 적용한 PBX-1의 숔감도가 80% 이상 둔감해진 것을 확인할 수 있다.
한편, 기계적 특성에서는 3성분 입자계가 특별히 장점을 갖는다고 보기 어려웠고 오히려 더 좋지 않은 기계적 물성을 보였는데,이는 3성분 입자계에서 2성분 입자계보다 더 많은 충전재-결합제의 계면이 존재하게 되기 때문인 것으로 보인다. 즉, 시편이 기계적 힘에 노출될 때 물질 내부의 가장 약한 부분이 먼저 끊어지거나 파괴되는데 3성분 입자계의 경우 미세입자 사용으로 인하여 더 복잡한 미세구조 및 더 많은 입자-결합제간의 계면이 존재하게 되고 이러한 계면이 가장 약한 부분으로 작용하므로 결과적으로 3성분 입자계에서 더 낮은 압축강도를 보이는 것으로 판단된다.
PBX-2의 경우에도 2성분 입자계에 비하여 3성분 입자계의 숔압력이 크게 증가함으로써 (Table 8)숔감도가 매우 둔감함을 알 수 있다. 측정불확도 추정값을 고려하여도 2성분 입자계와 3성분 입자계간 확연한 숔감도 차이가 나는 것을 볼 때3성분 입자계가 확실히 숔에 둔감함을 알 수 있다. Fig.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	분자화약의 일반적인 특성은?	대부분의 분자화약은 상온에서 고체입자로 존재하기 때문에 분자화약 자체만으로는 특정한 형태로 탄체 또는 탄두에 충전될 수 없다. 따라서 화약에 성형성을 부여하기 위해서는 결합제를 사용할 수밖에 없으며 그럼으로써 화약은 단일성분이 아니라 분자화약입자와 결합제 등 2종 이상의 다양한 성분들이 혼합되었다는 의미로 복합화약으로 불리게 된다.
	화약에 성형성을 부여하기 위해선 어떻게 해야하는가?	대부분의 분자화약은 상온에서 고체입자로 존재하기 때문에 분자화약 자체만으로는 특정한 형태로 탄체 또는 탄두에 충전될 수 없다. 따라서 화약에 성형성을 부여하기 위해서는 결합제를 사용할 수밖에 없으며 그럼으로써 화약은 단일성분이 아니라 분자화약입자와 결합제 등 2종 이상의 다양한 성분들이 혼합되었다는 의미로 복합화약으로 불리게 된다. 복합화약의 결합제로 흔히 사용되는 고분자물질은 성형성 부여라는 기본 역할 외에도 외부충격을 흡수하여 화약의 감도를 둔감하게 하고 각 성분들의 균일혼화를 통하여 폭발특성을 정밀하게 조절할 수 있게 해주는 장점을 지니고 있다.
	화약을 둔감화시키기 위한 방법을 구상하는 이유는?	일반적으로 화약의 폭발성능이 우수할수록 감도가 민감해지는 경향을 나타내는데, 실제 무기체계의 목표물 파괴력 증대와 운용 안전성 확보를 고려하면 화약 관련 과학기술자들이 추구해야할 목표는 높은 폭발성능과 둔감성을 동시에 갖는 화약을 개발하는 것으로서 이는 실로 두 마리 토끼를 쫓는 일과 같이 매우 어려운 일이다. 화약을 둔감화시키기 위한 방법으로는 크게 3가지로 집약된다.

참고문헌 (14)

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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