納米材料對發(fā)射藥的影響及身管延壽作用

宋遒志，朵英賢

(北京理工大學(xué) 爆炸科學(xué)與技術(shù)國家重點實驗室，北京 100081)

身管是火炮和自動武器的關(guān)鍵部件，槍、炮發(fā)射時，發(fā)射藥燃燒生成大量高溫(一般大于2 500 K)和高壓(一般大于200 MPa)氣體并推動彈丸向前運動，內(nèi)膛受到如下3個方面的作用:1)高溫高壓火藥燃氣對身管內(nèi)膛的燒蝕;2)高速流動火藥燃氣以及未燃燒的火藥顆粒對內(nèi)膛的沖刷;3)彈頭、彈帶擠入線膛的機械擠壓以及高速運動所造成對內(nèi)膛的摩擦磨損.這幾方面的因素會造成身管燒蝕磨損失效，嚴重影響身管使用壽命［1］.目前，隨著防空反導(dǎo)要求的進一步提高，小口徑高炮向更高射速方向發(fā)展，更高射速受到身管壽命問題的制約.大口徑火炮向大射程和大威力方向發(fā)展，從而加大火炮的壓制縱深和覆蓋面積，這就要求發(fā)射藥的能量高和炮彈更高的出口初速，這樣，高溫高壓火藥燃氣對身管內(nèi)膛燒蝕更嚴重，進一步影響身管的使用壽命.因此，延長身管使用壽命一直是兵器領(lǐng)域的重要研究課題，也是難題之一［2-3］.

目前，一種延長身管壽命的普遍方法是在發(fā)射藥中添加TiO2型、滑石粉型、多元型和801型等緩蝕劑來降低火藥燃氣對身管內(nèi)膛燒蝕，從而延長火炮和自動武器身管壽命［4-6］.但該方法同時帶來許多負作用，如火藥燃燒不完全、殘渣多、堵塞導(dǎo)氣孔、掛銅現(xiàn)象嚴重等，而且由于其殘渣固著于一些機構(gòu)表面使武器故障率提高，維護難度增加.

近年，北京理工大學(xué)采用納米材料改性發(fā)射藥的方法來延長身管使用壽命，取得較好的效果，使某型號自動武器身管的常溫壽命提高了30%左右［7-10］.前期研究證實納米材料對身管的常溫壽命提高是有幫助的，但是在高、低、常溫條件下，納米材料的延壽效果尚不確定.本文以該型號自動武器為研究對象，以槍用雙基球扁發(fā)射藥為研究載體，說明了納米材料的設(shè)計思想，研究了納米材料對發(fā)射藥的制造工藝及性能的影響，并制備了含納米材料的發(fā)射藥，進行了使用含納米材料發(fā)射藥和制式發(fā)射藥的身管高溫、低溫、常溫全壽命及超壽命對比實驗，并對實驗現(xiàn)象和結(jié)果進行了分析，確定了納米材料的身管延壽作用.

1 納米材料的制備

選用具有緩蝕和潤滑功能的納米顆粒，并對其使用有機長鏈大分子化合物進行表面修飾，從而得到納米復(fù)合材料.納米材料應(yīng)用于發(fā)射藥時，其分散程度對應(yīng)用效果影響很大［7］.采用表面修飾的方法來實現(xiàn)納米材料的分散;采用有機長鏈大分子包敷納米粒子，保證納米材料的分散性.考慮到發(fā)射藥的制造工藝，納米材料在發(fā)射藥中必須均勻分布.使用石油醚為中間溶劑，使納米復(fù)合材料在石油醚中溶解，然后將含有納米材料的石油醚均勻混合液在發(fā)射藥的成球工序中，添加到發(fā)射藥中.這樣，要求表面修飾的有機長鏈大分子化合物具有兩極性，一極與納米顆粒以化學(xué)鍵的形式牢固連接，另一極是親油的，能在有機溶劑石油醚中溶解，從而達到很好的分散目的.其有機長鏈大分子的結(jié)構(gòu)決定了在石油醚中的溶解度.

修飾用的有機長鏈大分子為C、H化合物，在發(fā)射藥爆燃時，產(chǎn)生裂解，分解產(chǎn)生的C、H同火藥燃氣中的CO2、H2O發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生 CO、H2，使火藥燃氣中的CO2氧化性氣體減少而CO增加，從而減緩CO2的氧化反應(yīng)，同時減少H2O對身管內(nèi)膛的氧化作用，這樣，有機長鏈大分子化合物也起到輔助降燒蝕作用.具體反應(yīng)如下:

經(jīng)過反復(fù)試驗，制備的納米復(fù)合材料中的納米顆粒粒度為20～60 nm，有機物含量為28%左右，在石油謎中良好分散.

2 納米材料對發(fā)射藥的影響

2.1 納米材料對發(fā)射藥制備工藝的影響

該型號發(fā)射藥為混合酯球扁發(fā)射藥.其球扁形的藥型要求發(fā)射藥弧厚較薄，薄弧厚能縮短發(fā)射藥燃燒時間，提高發(fā)射藥的燃燒完全性.添加納米材料改性該型號發(fā)射藥時，在配方設(shè)計上，取消原制式發(fā)射藥中的801緩蝕添加劑，將納米材料添加到發(fā)射藥中，保持發(fā)射藥的其它配方組份不變，這樣，有利于保持原發(fā)射藥的能量不變.進行納米材料改性發(fā)射藥研究時，必須要滿足如下2個基本前提:

1)納米材料在發(fā)射藥中要處于分散狀態(tài)且混合均勻.

2)含納米材料的發(fā)射藥必須滿足該型號發(fā)射藥的內(nèi)彈道指標(biāo)要求.由于納米復(fù)合材料的納米顆粒進行了表面修飾，因此納米顆粒間是分散的，不存在納米顆粒間的軟團聚現(xiàn)象.需要考慮的是納米復(fù)合材料在發(fā)射藥中如何混合均勻，關(guān)于這個問題，必須要結(jié)合發(fā)射藥的制備工序來研究.

該型號發(fā)射藥的主要工序為:成球→烘干→篩分→鈍感→烘干→上光包敷→壓扁.在進行納米材料改性發(fā)射藥研究時，將納米材料在成球工序加入到發(fā)射藥中，加入量為0.6%.含納米材料發(fā)射藥的制備后續(xù)工藝與制式發(fā)射藥一樣.

為保證納米材料在發(fā)射藥中混合均勻，在成球工序前增加了一道乳化分散工序，具體如下:將納米材料在石油醚(沸程30～60℃)中進行充分溶解，與計量好的并經(jīng)熱水溶脹的明膠一起入膠體磨乳化20～40 min，使其充分分散.乳化完畢，通過水浴加熱的方式，使混合液溫度緩慢升到45～65℃，使石油醚揮發(fā)出來，同時采用石油醚回收裝置進行回收石油醚.基本可以認為納米材料與明膠乳化液均勻混合.

在成球工序中，依次按規(guī)定將水、硝化棉、中定劑、納米材料和明膠的乳化液、乙酸乙酯、泰根等原料加入到成球鍋中進行攪拌成球，得到半成品藥粒.成球是該型號發(fā)射藥制備的關(guān)鍵工序，納米材料的加入對該工序影響較大，具體表現(xiàn)為:

1)增加了膠滴分散的難度，發(fā)射藥溶膠不易分散成球;

2)制得的發(fā)射藥半成品藥粒藥型尺寸較小，藥粒比較圓，類似于球形藥.

對成球工序的工藝參數(shù)進行了調(diào)整，提高成球攪拌轉(zhuǎn)速和升溫溫度，通過反復(fù)試驗，解決了發(fā)射藥溶膠的分散成球問題.制備的半成品藥粒直徑與制式藥半成品藥粒的直徑相近，但藥粒比較圓.

由于藥粒圓，藥?；『翊?，在后續(xù)的壓扁工序中，由于發(fā)射藥的壓扁率較大，使發(fā)射藥粒由于壓扁產(chǎn)生的微裂紋增多，發(fā)射藥的機械強度降低.低溫發(fā)射時，藥粒在高溫高壓火藥燃氣的沖擊下發(fā)生破碎，造成燃燒初始面積猛增，膛壓也隨之增高，導(dǎo)致制備的發(fā)射藥的內(nèi)彈道性能出現(xiàn)低溫膛壓反?，F(xiàn)象，如表1所示.從表1可知，批次1和批次2的低溫(-45℃)膛壓均高于其常溫和高溫膛壓.

表1 發(fā)射藥內(nèi)彈道指標(biāo)及含納米材料發(fā)射藥內(nèi)彈道測試數(shù)據(jù)Table 1 Interior ballistics performances of standard propellant and interior ballistics data of propellant with nanomaterial

為解決上述問題，對成球工序的工藝參數(shù)進行了調(diào)整，采用二次加乙酸乙酯的方法，即在成球工序中，將水加入成球鍋中并攪拌，加入硝化棉、納米材料明膠乳化液，混棉后加入乙酸乙酯、太根等原料.待液面和攪拌狀況正常后，封閉成球鍋蓋板升高鍋內(nèi)溫度.攪拌一段時間后，檢查發(fā)射藥溶膠的分散情況，若已分散成球，再向成球鍋中補加乙酸乙酯，利用乙酸乙酯對藥粒的溶解性，將藥粒的弧厚作薄.這樣可降低藥粒的壓扁率.通過采用這些措施，制備了弧厚和粒徑與制式發(fā)射藥相當(dāng)發(fā)射藥半成品藥粒.經(jīng)過后續(xù)工序后，制備了滿足內(nèi)彈道指標(biāo)的含納米材料發(fā)射藥，如表2所示.

表2 含納米材料發(fā)射藥的內(nèi)彈道數(shù)據(jù)Table 2 The interior ballistics data of the propellant with nanomaterial

2.2 納米材料對發(fā)射藥能的影響

2.2.1 納米材料對發(fā)射藥抗燒蝕性能的影響

發(fā)射藥的抗燒蝕性是衡量發(fā)射藥性能的一項重要指標(biāo)，對于小口徑槍彈所用發(fā)射藥，其燒蝕性能測試通常采用半密閉爆發(fā)器法來測量，如圖1所示.測試時通過調(diào)整控壓片的厚度來保證燃燒室內(nèi)的壓力，以使燃燒室內(nèi)的火藥燃氣壓力與實彈射擊時武器身管內(nèi)的火藥燃氣壓力一致.半密閉爆發(fā)器中的發(fā)射藥通過電子點火裝置點燃后，在密閉空間中快速爆燃，壓力和溫度迅速升高，達到一定壓力時，高溫高壓的火藥燃氣沖破控壓片，沿著燒蝕管通道快速排到空氣中.同時，火藥燃氣會對燒蝕管的內(nèi)壁造成燒蝕，而使燒蝕管的重量減輕，一般地，每個燒蝕管重復(fù)使用3次.這樣，通過測量燒蝕管的失重量來衡量發(fā)射藥的抗燒蝕性能.

圖1 燒蝕試驗裝置結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Structure diagram of vented vessel testing

采用2個批次制備的含納米材料發(fā)射藥和制式發(fā)射藥作對比實驗，測試數(shù)據(jù)如表3所示.從表3可知，2個批次的含納米材料發(fā)射藥的燒蝕管燒蝕量都小于標(biāo)準制式發(fā)射藥的燒蝕管燒蝕量，其燒蝕量分別為標(biāo)準制式發(fā)射藥的燒蝕管燒蝕量的93%和90%.因此，含納米材料發(fā)射藥的抗燒蝕性能優(yōu)于標(biāo)準制式發(fā)射藥.

表3 燒蝕試驗數(shù)據(jù)Table 3 The erosion test data of the propellant

2.2.2 納米材料對發(fā)射藥燃燒完全性的影響

為測試納米材料對發(fā)射藥燃燒完全性的影響，分別使用含納米材料發(fā)射藥和制式發(fā)射藥各裝了30發(fā)子彈，子彈滿足內(nèi)彈道指標(biāo)要求.使用制式步槍進行發(fā)射實驗，通過收集發(fā)射30發(fā)子彈后的火藥殘渣來評價發(fā)射藥的燃燒完全性，燃燒完全性試驗數(shù)據(jù)如表4所示.試驗結(jié)果表明，含納米材料發(fā)射藥的燃燒完全性為99.55%和99.30%，制式發(fā)射藥的燃燒完全性為99.31%，因此，含0.6%納米材料的發(fā)射藥與含0.4%801緩蝕劑的制式發(fā)射藥燃燒完全性相當(dāng).

表4 燃燒完全性測試數(shù)據(jù)Table 4 The combustion completion test data of the propellant

2.2.3 納米材料對發(fā)射藥燃燒性能的影響

使用含納米材料發(fā)射藥和制式發(fā)射藥在測壓彈道槍上分別進行了發(fā)射藥燃燒時的壓力-時間曲線和壓力-長度測試.測試子彈在測壓彈道槍上發(fā)射時，身管內(nèi)膛的火藥燃氣壓力與時間、壓力與身管長度間的關(guān)系，以衡量發(fā)射藥的燃燒性能(如圖2、3所示)，表明加入納米緩蝕劑后的發(fā)射藥與制式發(fā)射藥燃燒性能相當(dāng)，燃燒曲線光滑，燃燒穩(wěn)定.

圖2 發(fā)射藥瞠壓－時間曲線Fig.2 The P-t curves of the propellants

圖3 發(fā)射藥瞠壓－長度曲線Fig.3 The P － L curves of the propellants

3 身管壽命實驗及分析

3.1 身管壽命實驗

采用含納米材料發(fā)射藥制備了20 000發(fā)彈，為方便計，簡稱納米彈.選用了2支自動步槍，稱為1#槍和2#槍分別使用納米彈和普通制式彈進行高溫、低溫、常溫全壽命和超壽命對比試驗，以考核含納米材料發(fā)射藥的身管延壽效果.該型號槍械的壽命試驗與槍管相關(guān)的失效判定標(biāo)準為凡出現(xiàn)下列4種情況中任意一種現(xiàn)象，即認為身管壽命已終止:1)散布精度R50大于11cm;2)初速下降量大于6%;3)橫彈孔和橢圓孔超過20%;4)槍管出現(xiàn)裂紋或失去功能.

該自動步槍的壽命指標(biāo)為10 000發(fā)，在指標(biāo)內(nèi)的槍管壽命試驗根據(jù)GJB3484-98《槍械性能試驗方法》進行.10 000發(fā)以后的超壽命試驗參照GJB3484-98《槍械性能試驗方法》進行，試驗計劃分4個射擊循環(huán)來進行，各循環(huán)的高、低、常溫計劃射彈量見表5所示.

2支槍的壽命試驗數(shù)據(jù)如表6所示.可知1#槍射彈16 314發(fā)時，散布精度和初速合格，射彈17 314發(fā)后，散布精度超標(biāo)，判定壽命中止.確定1#槍槍管壽命為16 314發(fā).2#槍射彈15 212發(fā)時，散布精度和初速合格，射彈16 212發(fā)后，散布精度超標(biāo)，判定壽命中止.因此，確定2#槍槍管壽命為15 212發(fā).這樣，使用含納米材料發(fā)射藥使身管壽命延長1 102發(fā)，身管壽命提高7.2%.

表5 壽命試驗計劃射彈數(shù)Table 5 Planned number of shots for the life test of gun barrel

表6 身管壽命試驗數(shù)據(jù)Table 6 Life test data of gun barrel

3.2 試驗中身管燒蝕情況

在壽命試驗過程中對2支槍身管的內(nèi)膛進行了觀測，身管內(nèi)膛燒蝕情況如表7所示.顯示采用含納米材料發(fā)射藥高膛壓區(qū)的鉻層燒蝕脫落明顯好于使用制式發(fā)射藥，說明在膛線起始部及高膛壓區(qū)，采用含納米材料發(fā)射藥時身管的燒蝕情況明顯好于采用制式發(fā)射藥時身管的燒蝕情況.

表7 身管內(nèi)膛燒蝕情況Table 7 Erosion of gun barrel in course of test

3.3 試驗結(jié)果分析

從表6的壽命試驗數(shù)據(jù)可知，1#槍的身管失效是由于散布精度超標(biāo)，而此時速度降為3.6%.2#槍的身管失效也是由于散布精度超標(biāo)，且失效時速度降也達到5.9%，接近于失效標(biāo)準.

一般地，散布精度超標(biāo)主要是由于身管膛口磨損，使子彈出口時擾動過大造成的.而速度降主要是由于高膛壓區(qū)的燒蝕嚴重，使彈丸在膛內(nèi)運動時閉氣不嚴導(dǎo)致速度下降大.根據(jù)高溫、低溫、常溫壽命試驗結(jié)果說明，使用含納米材料發(fā)射藥的1#槍主要是由于膛口磨損造成精度下降而失效;使用普通制式發(fā)射藥1#槍是由于膛口磨損造成精度下降而失效，同時高膛壓區(qū)的燒蝕也導(dǎo)致速度降接近失效標(biāo)準.

在前期的身管常溫壽命試驗研究中［8］，使用含納米材料發(fā)射藥，身管失效是由于散布精度超標(biāo)所致，失效時速度降為3.92%.使用普通制式發(fā)射藥，身管失效是由于速度降達到失效標(biāo)準所致，2支試驗槍的壽后散布精度R50分別為8.7 cm和8.7 cm.而且，對壽命試驗后身管的解剖分析，也表明使用含納米材料發(fā)射藥改善了彈膛的燒蝕情況.

結(jié)合發(fā)射藥的燒蝕試驗，表明發(fā)射藥中加入納米材料后，顯著地改善了發(fā)射藥的抗燒蝕性能，有利于提高身管壽命.

4 結(jié)論

1)納米材料改性的發(fā)射藥滿足該型號發(fā)射藥的內(nèi)彈道性能指標(biāo)要求，其抗燒蝕性能優(yōu)于制式發(fā)射藥，燃燒完全性和燃燒性能與制式發(fā)射藥相當(dāng).

2)通過使用含納米材料發(fā)射藥和制式發(fā)射藥的身管高溫、低溫、常溫全壽命及超壽命對比試驗表明，納米材料加入到發(fā)射藥中能有效提高身管使用壽命.

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