Cheetah calculations of GA BAMO candidate compositions

Abstract

Norway’s main objective in the EDA project No B-0585-GEM2-GC “Formulation and Production of New Energetic Materials” was to synthesize different new energetic binders built of GA and BAMO polymers. Before starting experimentally work, Cheetah calculations with both BKWC and BKWS product libraries at standard conditions were performed to study what effects energetic binder/binder system had on the performance on different types of compositions. Two classes of pressed compositions, one with filler content of 96 wt. % RDX or HMX and one with 92 wt. % RDX or HMX, have been studied to replace PBXW-11 and PBXN-9. The energetic binders we wanted to synthesize were GA/BAMO with different ratio between GA and BAMO. Calculations have been performed with both GAP and BAMO and of a mixture of these two binders. In addition, calculations with energetic binder and inert plasticizer have been performed. Obtained detonation pressures and velocities for compositions with GAP, BAMO or GA/BAMO are both equal for these compositions. The ratio between GA/BAMO has only minor effect on both detonation velocity and detonation pressure. Changes occur first when an inert plasticizer is introduced. With inert plasticizer the detonation pressure drops by 1.6 GPa for the 96 wt. % HMX compositions and by 3 GPa for the 92 wt. % HMX compositions with the BKWS product library. With the BKWC product library the drop is 2.3 and 4.2 GPa respectively. The detonation velocity drops are 150 m/s and 300 m/s with BKWS and 240 m/s and 450 m/s with the BKWC product library for the respective compositions. A composition with 92 wt. % HMX and energetic binder/plasticizer has equal or better performance than PBXW-11 (96 wt. % HMX, inert binder). Use of energetic binder in combination with inert plasticizer has only minor influence on detonation velocity and pressure for compositions with 96 wt. % filler. For compositions with 92 wt. % filler and energetic binder/inert plasticizer the detonation pressure increases by 1 GPa and the detonation velocity by +100 m/s. This trend is independent of filler. For 87 wt. % HMX or RDX cast-cure compositions the effect of changing the binder system in PBXN-110 to energetic binders gives larger differences. The detonation pressure increases with 7.32 GPa (BKWC) and 4.94 GPa (BKWS) for HMX and slightly less (6.48/4.39) with RDX. The detonation velocity increase by 820 m/s (BKWC) and 508 m/s (BKWS) for HMX and 784/468 m/s for RDX. Compositions with energetic binders and inert plasticizer (DOA) have properties between those for PBXN-110 and compositions containing energetic binder systems. The calculations have shown that compositions having energetic binder/binder systems increase the performance for both cast-cure and pressed compositions. The increased performance may also be used or utilized to reduce the filler content and thus reduce the sensitivity. For pressed compositions, the choice of ratio between GA and BAMO for the new polymers to be synthesised will be governed by the ability to coat crystals and give the press powder the required properties rather than the energy content, since the energy content is independent of the ratio.

I EDA-prosjektet No B-0585-GEM2-GC “Formulation and Production of New Energetic Materials” hadde Norge som målsetting å syntetisere ulike nye energirike bindemidler oppbygd av GA- og BAMO-enheter. Før det eksperimentelle syntesearbeidet ble igangsatt, ble teoretiske beregninger med Cheetah utført. Beregninger ble utført med både BKWC- og BKWS-produktbibliotekene under standard betingelser. Hensikten var å studere hvilken effekt energirike bindemiddel/bindemiddelsystem har på virkningen til ulike komposisjoner. Pressbare komposisjoner med 96 vektprosent RDX eller HMX og med 92 vektprosent RDX eller HMX inngikk i studien, komposisjoner til erstatning for PBXW-11 og PBXN-9. PBXW-11 og PBXN-9 har et inert bindemiddelsystem av HYTEMP og DOA i forholdet 1/3. De energirike bindemidlene vi ønsket å studere, var GA/BAMO i forskjellige blandeforhold. Beregninger har vært utført for både GAP og BAMO samt en blanding av disse. I tillegg har beregninger vært utført med inert mykner. Beregnet detonasjonstrykk og detonasjonshastighet med GAP, BAMO eller GA/BAMO avviker lite for disse komposisjonene. Blandingsforholdet mellom GAP/BAMO har kun ubetydelig innvirkning på både detonasjonshastigheten og detonasjonstrykket. Forskjeller oppstår først når en inert mykner blir anvendt. For komposisjoner med 96 vektprosent HMX gir inert mykner en reduksjon i detonasjonstrykket på 1.6 GPa, og for komposisjonene med 92 vektprosent HMX 3 GPa med BKWS. Med BKWC er reduksjonen i detonasjonstrykk henholdsvis 2.3 og 4.2 GPa. Detonasjonshastigheten faller med 150 m/s og 300 m/s med BKWS og 240 m/s og 450 m/s med BKWC for de samme kombinasjonene. For komposisjoner med RDX er trenden og størrelsesorden i reduksjonen i detonasjonshastighet og trykk som for de HMX-baserte komposisjonene med inert mykner. For komposisjoner med 92 vektprosent HMX eller RDX er effekten av å bytte til energirikt bindemiddel en økt virkning lik eller bedre enn for PBXW-11 (96 vektprosent HMX/inert bindemiddel). Anvendelse av energirikt bindemiddel i komposisjoner med 96 vektprosent fyllstoff i kombinasjon med inert mykner har kun ubetydelig innvirkning på detonasjonshastigheten og detonasjonstrykket. For komposisjoner med 92 vektprosent fyllstoff oppnås en økning i detonasjonstrykket med 1 GPa og i detonasjonshastigheten med 100 m/s. Tendensen er den samme for både RDX og HMX. For støpherdbare komposisjoner med 87 vektprosent HMX (RDX) er effekten av å skifte til energirikt bindemiddel betydelig. Detonasjonstrykket øker med 7.32 GPa (BKWC) og 4.94 GPa (BKWS) for HMX og noe mindre for RDX-komposisjonen, henholdsvis 6.48 og 4.39 GPa. Detonasjonshastigheten øker tilsvarende med 820 m/s (BKWC) og 508 m/s (BKWS) for HMX og med 784/468 m/s for RDXkomposisjonen. Komposisjoner som har energirikt bindemiddel og inert mykner (DOA), har egenskaper som ligger mellom PBXN-110 og komposisjoner med energirikt bindemiddelsystem. Konklusjonen fra beregningene er at energirikt bindemiddel gir betydelig økning i virkningen for både støpherdbare og pressede komposisjoner. Den økte virkningen kan tas ut eller benyttes til reduksjon av fyllstoffinnhold og dermed følsomheten. Valg av forholdet mellom GA og BAMO i nye bindemiddel for pressede komposisjoner vil bli styrt av beleggingsegenskaper/konsistens siden energien er den samme.