一種LOVA 發(fā)射藥燃燒殘渣現(xiàn)象分析

趙曉梅,嚴(yán)文榮,張玉成,李 強,閆光虎

(西安近代化學(xué)研究所,陜西 西安 710065)

引 言

含能熱塑性彈性體(ETPE)作為黏結(jié)劑用于LOVA 發(fā)射藥具有能量高、易損性低、塑性好、環(huán)保等優(yōu)點,不僅保持了熱塑性彈性體的特性,還增加了發(fā)射藥配方中高能組分的含量,提高了LOVA 發(fā)射藥的能量,解決了發(fā)射藥中能量提高和易損性降低的難題,成為國內(nèi)外發(fā)射藥研究的熱點之一[1]。但是伴隨著低易損性,LOVA 發(fā)射藥也帶來了點火性能不佳、燃燒不完全、燃燒結(jié)束后留有殘渣等問題[2-3],阻礙了其應(yīng)用。

本實驗針對LOVA 發(fā)射藥存在的點火燃燒方面存在的問題,研究了以熱塑性彈性體BAM O/AMM O 聚合物[4]體系為新型含能黏結(jié)劑、高能添加劑RDX 為主要組分的一種LOVA 發(fā)射藥在常壓及密閉環(huán)境下的燃燒特性,總結(jié)了該類LOVA 發(fā)射藥及其組分的熱分解特性,并推導(dǎo)出該類發(fā)射藥的燃燒機理,為含能熱塑性彈性體發(fā)射藥的研究應(yīng)用提供借鑒。

1 試 驗

1.1 材料及儀器

RDX,粒度為50.0 μm,甘肅銀光工業(yè)集團有限公司;熱塑性彈性體Poly(BAMO-AMM O),西安近代化學(xué)研究所。

點火模擬裝置,西安近代化學(xué)研究所;JSM-5800 掃描電鏡,日本日立公司;syc-6000 石英壓電傳感器,德維創(chuàng)公司。

1.2 樣品的制備

根據(jù)理論計算,設(shè)計出能量性能符合要求的LOVA 發(fā)射藥配方,根據(jù)半溶劑法常規(guī)擠壓工藝制備發(fā)射藥樣品LOVA-1 和LOVA-2,溶劑選用丙酮,藥型為18/1。

樣品主要配方及理化性能測試結(jié)果見表1 和表2。

表1 LOVA 發(fā)射藥性能參數(shù)的計算值Table 1 Calculated parameter results of LOVA propellant

表2 LOVA 發(fā)射藥配方及性能參數(shù)的測試結(jié)果Table 2 Formulations of LOVA propellant and its tested parameters

1.3 實驗條件

點火模擬試驗:點火藥為1.1 g NC 點火藥包;藥室體積為138.6 mL;裝填密度為0.12 g/cm3;裝藥量為16.6 g 。

中止燃燒試驗:泄壓孔Φ20 mm;裝填密度為0.2 g/cm3;試驗溫度為20 ℃;點火方式為NC 點火藥包。

2 結(jié)果與討論

2.1 燃燒現(xiàn)象討論

2.1.1 點火模擬實驗

試驗前,點火模擬裝置燃燒室內(nèi)壁光滑潔凈,如圖1(a),點火燃燒結(jié)束后LOVA-1 發(fā)射藥的燃燒室內(nèi)壁附有一層明顯黑色絮狀殘渣,見圖1(b),LOVA-2 發(fā)射藥的殘渣更明顯,藥室?guī)缀醣缓谏鯛钗锾顫M,見圖1(c)、(d),取出觀察為團狀物,質(zhì)量輕。

2.1.2 常壓下點火燃燒實驗

針對LOVA 發(fā)射藥在點火模擬裝置中燃燒結(jié)束后留有殘渣的現(xiàn)象,進行了常溫常壓下LOVA 發(fā)射藥及其黏結(jié)劑組分熱塑性彈性體材料BAM O/AMM O 聚合物的點火燃燒試驗,并與G R5 型發(fā)射藥的燃燒現(xiàn)象進行對比,結(jié)果見圖2。

圖2 結(jié)果表明,點火燃燒過程中,BAMO/AMM O 聚合物的燃燒火焰很不穩(wěn)定,幾乎不能維持燃燒,在持續(xù)給火條件下,火焰躥火現(xiàn)象嚴(yán)重,并不斷熄滅,同時有大量氣體生成,生成的氣體快速放出將火焰“吹滅”。燃燒結(jié)束后,BAMO/AMM O 聚合物完全燃燒,無殘渣殘留現(xiàn)象,說明在氧充足時,黏結(jié)劑組分能夠完全氧化燃燒,生成氣體,無固體殘留物。在相同的常壓條件下LOVA-1、LOVA-2發(fā)射藥樣品能夠維持燃燒,火焰相對穩(wěn)定,但仍有躥火現(xiàn)象,且燃燒速度快,并伴有大量濃煙生成,燃燒過的藥體區(qū)域留有明顯的黑色殘渣,LOVA-2 發(fā)射藥躥火較明顯,濃煙及燃燒殘渣也更多,藥長約40mm 的LOVA-2 發(fā)射藥樣品燃燒結(jié)束后,留下的殘渣長度超過80mm,初步分析為碳?xì)埩粑?見圖3。其中很多C 元素在燃燒結(jié)束后以C 單質(zhì)狀態(tài)存在。先分解掉的RDX 沒有能夠與黏結(jié)劑發(fā)生二次反應(yīng)。造成黏結(jié)劑中的C 不能氧化為CO 或者CO2。

圖1 LOVA 發(fā)射藥點火前后燃燒情況對比Fig.1 The burning chamber estate by LOVA propellant ignition bef-and-aft

與LOVA 發(fā)射藥相比,G R5 發(fā)射藥在常壓下燃燒火焰穩(wěn)定,無躥火現(xiàn)象,燃燒過程中僅有少量煙產(chǎn)生,燃燒結(jié)束后,基本無殘渣殘留,見圖2(d)。這是因為,G R5 型發(fā)射藥配方主要由NC、NG 組成,再添加一定量的高能組分RDX,由于NC 的分解溫度較RDX 低[4],NC、NG 在RDX 燃燒之前就已經(jīng)燃燒,不存在黏結(jié)劑組分因為分解緩慢而不能完全燃燒的問題,所以,G R5 型發(fā)射藥在氧充足的條件下,基本能夠完全燃燒。

2.1.3 中止燃燒試驗

中止燃燒試驗是通過在點火模擬裝置的堵頭上設(shè)置泄壓擋片,當(dāng)藥室中的發(fā)射藥被點燃,藥室壓力增加到一定程度時,擋片破碎,發(fā)射藥由于藥室壓力突降而熄滅,提取未燃盡樣品進行燃燒表面SEM 電鏡觀察,結(jié)果見圖4。

圖4 LOVA 發(fā)射藥表面燃燒后的SEM 照片F(xiàn)ig.4 S EM photographs of LOVA propellant surface after burning

點火前平整的樣品表面在燃燒后均出現(xiàn)微孔,LOVA-1 發(fā)射藥中的孔較多,分析樣品配方,LOVA-1 中黏結(jié)劑含量低,RDX 含量高,由于RDX 的分解溫度比BAM O/AM MO 聚合物低[5-6],該孔應(yīng)為RDX 顆粒燃燒所致,所以孔較多。

2.2 燃燒過程與機理

經(jīng)過分析,可將LOVA 發(fā)射藥的燃燒分為以下幾個過程。

(1)點火前LOVA 發(fā)射藥中高能添加劑RDX顆粒均勻分散在BAM O/AM MO 聚合物中,發(fā)射藥表面較平整。

(2)點火后,熱量作用在發(fā)射藥表面,發(fā)射藥表面升溫,并在藥體內(nèi)部形成溫度梯度,表面溫度累積到一定程度時,RDX 顆粒開始吸熱熔融。隨著溫度的進一步升高,BAMO/AM MO 聚合物開始軟化并緩慢分解放熱。因為RDX 的熔融吸熱需要吸收大量熱量[5],在點火過程中LOVA 發(fā)射藥存在一個熱量積累的過程,LOVA 發(fā)射藥中RDX 含量相對較高,熱量積累的過程相對較長,因此LOVA 發(fā)射藥的點火性能不佳。此時燃燒表面出現(xiàn)少量小孔穴,系高能添加劑RDX 部分熔融分解所致。

接著進入LOVA 發(fā)射藥全面燃燒階段。此時RDX 和BAM O/AM MO 聚合物完全熔融,并開始分解,樣品燃燒表面出現(xiàn)大量的孔穴(見圖4)。燃燒陣面到達燃燒面上的RDX 顆粒時,RDX 爆燃使得在燃燒表面形成大量“孔穴”,熱量和壓力沿著孔深入整個發(fā)射藥內(nèi)部(見圖5)。

圖5 LOVA 發(fā)射藥燃燒過程示意圖Fig.5 Schematic diagran of of combustion process for LOVA propellant

(3)進入LOVA 發(fā)射藥的燃燒后期。此時RDX 基本完全分解,剩余的BAM O/AMM O 聚合物骨架進行熱分解。在分解氣體的作用下,樣品表面進一步破裂、分解。

由于LOVA 發(fā)射藥中兩種主要組分的因為熱分解特性不同,在點火燃燒時具有燃燒不同步性的特點。在BAMO/AM MO 聚合物達到分解溫度前,發(fā)射藥表面的RDX 顆粒首先熔融燃燒并消耗環(huán)境中的氧,當(dāng)BAMO/AM M O 聚合物組分開始氧化分解時,所需的熱量和氧又被緊挨表面的RDX 顆粒消耗,即未燃RDX 顆粒從環(huán)境中奪氧及熱,致使黏結(jié)劑因分解所需熱及氧嚴(yán)重不足停止了分解反應(yīng)而炭化。發(fā)射藥在密閉爆發(fā)器以及常壓條件下燃燒后留下的殘渣應(yīng)為聚合物中未燃盡的大分子C骨架。根據(jù)發(fā)射藥的特性,燃燒過程中有大量氣體生成,濃煙亦應(yīng)為沒有氧化的C 顆粒。同時,樣品邊燃燒邊生成氣體,將C 殘渣沖擊膨脹,使得最終生成的黑色殘渣較原樣品長出許多。

綜上可知,LOVA 發(fā)射藥中兩種主要組分的燃燒不同步性是造成該類發(fā)射藥燃燒不完全、燃燒后留有殘渣現(xiàn)象的一大原因。

2.3 氧系數(shù)的影響

氧系數(shù)為火藥中所含氧化元素物質(zhì)的量與所含可燃元素完全氧化所需氧的物質(zhì)的量之比,即

本研究中,經(jīng)計算發(fā)射藥LOVA-1,LOVA-2樣品的氧系數(shù)分別為0.432 和0.317。

可知,LOVA 發(fā)射藥氧含量不足,高分子物質(zhì)不能完全氧化燃燒,是LOVA 發(fā)射藥不能完全燃燒的原因之一。

3 結(jié) 論

(1)LOVA 發(fā)射藥的兩種主要組分的燃燒不同步是造成該類發(fā)射藥燃燒結(jié)束后留有殘渣的一個主要原因。RDX 首先受熱分解,燃燒速度快于黏結(jié)劑BAM O/AM MO 聚合物,使得慢一步分解的BAMO/AM MO 黏結(jié)劑來不及被氧化。

(2)LOVA 發(fā)射藥的氧系數(shù)較低,氧含量不足,黏結(jié)劑組分中的高分子物質(zhì)不能完全氧化燃燒,也是LOVA 發(fā)射藥有燃燒殘渣存在的原因之一。

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