GAP對高能硝胺發(fā)射藥力學(xué)性能及燃燒性能的影響

楊建興，舒安民，馬方生，賈永杰，辛凱迪

（1．西安近代化學(xué)研究所，陜西西安710065；2．總裝備部駐西安北方惠安化學(xué)工業(yè)集團(tuán)有限公司軍代室，陜西西安710302）

引 言

高能硝胺發(fā)射藥是我國自行研究成功的高能發(fā)射藥［1－6］，但由于配方中大量固體組分的存在，給發(fā)射藥的力學(xué)性能帶來不利影響，難以滿足高膛壓、高裝填密度武器的應(yīng)用要求［2－4］。針對高能硝胺發(fā)射藥力學(xué)性能差的問題，國內(nèi)學(xué)者進(jìn)行了較多研究。趙毅等［2］用皮羅棉代替3號硝化棉，通過調(diào)整混棉比例來降低混棉的含氮量，結(jié)果表明，改進(jìn)型配方在低溫時(shí)的力學(xué)性能有所提高，但又同時(shí)帶來發(fā)射藥能量的損失；雷英杰等［4］通過加入聚醚環(huán)酰胺類鍵合劑來改善高能硝胺發(fā)射藥的力學(xué)性能，該類鍵合劑主要是通過化學(xué)鍵的作用來改善基體和填料顆粒的界面粘結(jié)情況，但總體效果不佳，難以大幅度提高力學(xué)性能。

縮水甘油疊氮聚醚（GAP）是一種含有烷基疊氮基團(tuán)的端羥基脂肪族聚醚，具有生成熱高、密度大、燃?xì)鉄o腐蝕性、特征信號低、燃溫低、感度低等優(yōu)點(diǎn)，是固體推進(jìn)劑的理想黏合劑。另外，GAP 具有良好的低溫力學(xué)性能，可被硝酸酯良好地增塑，提高推進(jìn)劑的力學(xué)性能［7－10］。本實(shí)驗(yàn)在高能硝胺發(fā)射藥中添加GAP，研究了其對發(fā)射藥力學(xué)性能和燃燒性能的影響，為在發(fā)射藥中的應(yīng)用提供參考。

1 實(shí) 驗(yàn)

1．1 材 料

縮水甘油疊氮聚醚（GAP），數(shù)均相對分子質(zhì)量3×104，常溫抗拉強(qiáng)度7．5～8．1MPa，常溫延伸率820%～850%，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度－28．3℃，西安近代化學(xué)研究所；硝化棉（NC）、雙基吸收藥，四川瀘州化工廠；RDX、NGu，遼寧慶陽化工有限公司。

1．2 樣品制備

50℃下，將GAP 在丙酮與無水乙醇等體積混合的溶劑中溶解，在捏合機(jī)內(nèi)加入所需要吸收藥片、溶解后的GAP溶膠及醇酮混合溶劑，在45℃下捏合30min，加入NGu，在此溫度繼續(xù)捏合3．5h，出料后由柱塞式油壓機(jī)擠壓成18／1 單孔管狀，在50℃水浴烘箱內(nèi)驅(qū)溶、烘干6d。

高能硝胺發(fā)射藥的基礎(chǔ)配方（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為：（NC＋NG）56．7%、（RDX＋NGu）42．0%、C221．3%，配方代號GX00；在基礎(chǔ)配方的基礎(chǔ)上，分別外加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1．5%、2．5%、3．5%、5．0%的GAP，配方代號分別為GX15、GX25、GX35、GX50。

1．3 性能測試

采用上海儀器修配廠SE2 型沖擊試驗(yàn)機(jī)和美國Instron公司3367 型精密萬能材料試驗(yàn)機(jī)分別測試發(fā)射藥樣品高溫（＋50℃）、低溫（－40℃）、常溫（＋20℃）下的沖擊和壓縮性能。

采用密閉爆發(fā)器（自制，體積100mL，裝填密度0．20g／cm3）測定其定容燃燒和能量性能。

采用日本電子JSM－5800型掃描電鏡測試低溫（－40℃）下樣品的抗沖斷面形貌。

2 結(jié)果與討論

2．1 GAP對高能硝胺發(fā)射藥能量性能的影響

GAP 含量對高能硝胺發(fā)射藥能量的影響見表1，其中，火藥力f 為密閉爆發(fā)器實(shí)測數(shù)據(jù)，爆溫TV、爆熱QV為內(nèi)能法計(jì)算結(jié)果。

表1 GAP含量對高能硝胺發(fā)射藥能量的影響Table 1 The effect of GAP content on energy of high energy nitramine gun propellant

由表1 可見，GX15、GX25、GX35、GX50配方比GX00配方的爆溫分別降低1．55%、2．59%、3．69%、5．32%，火藥力分別降低0．55%、0．96%、1．41%、2．12%，說明加入GAP 后，高能硝胺發(fā)射藥的爆溫及火藥力呈線性減小，且爆溫遞減更快。

2．2 GAP對高能硝胺發(fā)射藥力學(xué)性能的影響

幾種單孔管狀硝胺發(fā)射藥的靜態(tài)力學(xué)性能測試結(jié)果如表2所示。

表2 單孔管狀高能硝胺發(fā)射藥靜態(tài)力學(xué)性能測試結(jié)果Table 2 Experimental results of static mechanical properties of the single perforation cylinder high energy nitramine gun propellants

由表2可見，與GX00配方相比，GX15配方的高、低、常溫抗沖強(qiáng)度分別提高41．2%、23．5%、31．6%；與GX00配方相比，GX15、GX25、GX35、GX50配方的低溫（－40℃）抗沖強(qiáng)度分別提高23．5%、23．7%、22．8%、23．9%，說明加入GAP 可提高高能硝胺發(fā)射藥的抗沖強(qiáng)度，但其含量的增加對其抗沖強(qiáng)度改善影響不大。與GX00 配方相比，GX15、GX25、GX35和GX50 配方的低溫抗壓強(qiáng)度分別提高3．1%、6．8%、10．0%、11．9%，壓 縮 率 變 化量為0．5%、3．1%、0．3%、2．3%，說明GAP 能 夠提高單孔管狀高能硝胺發(fā)射藥低溫下的抗壓強(qiáng)度，隨著其含量的增加，抗壓強(qiáng)度增加。由此可見，加入一定量的GAP可顯著提高硝胺發(fā)射藥的力學(xué)性能，特別是低溫沖擊性能。低溫抗沖擊后，單孔管狀高能硝胺發(fā)射藥斷面的掃描電鏡照片如圖1所示。

由圖1（a）可知，固體顆粒與基體之間有明顯的界面，黏結(jié)劑對其包裹性差，發(fā)射藥受到應(yīng)力作用時(shí)，固體顆粒從黏結(jié)劑基體中剝落、脫離出來，說明發(fā)生脫濕現(xiàn)象。固體顆粒與黏結(jié)劑體系之間的脫濕是阻礙發(fā)射藥力學(xué)性能提高的直接原因。由圖1（b）、（c）、（d）、（e）可知，添加GAP后，增強(qiáng)了基體硝化棉對固體顆粒的包裹性，脫濕的顆粒少且處于表層，脫濕產(chǎn)生的凹坑邊緣光滑，明顯有被黏結(jié)劑包覆過的痕跡。這也解釋了添加GAP后發(fā)射藥脆性減弱、韌性增強(qiáng)的原因。說明加入GAP 可增強(qiáng)固體填料與黏結(jié)劑體系界面間的粘接強(qiáng)度，減少脫濕，增強(qiáng)發(fā)射藥的力學(xué)性能。

圖1 單孔管狀高能硝胺發(fā)射藥低溫抗沖擊后斷面的SEM 圖片（×2000）Fig．1 SEM images of the single perforation cylinder high energy nitramine gun propellant section after impact at low temperature（×2000）

2．3 GAP對硝胺發(fā)射藥燃燒性能的影響

采用密閉爆發(fā)器試驗(yàn)研究了GAP 質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為1．5%和3．5%的單孔管狀高能硝胺發(fā)射藥的靜態(tài)燃燒性能。對密閉爆發(fā)器試驗(yàn)得到樣品的壓力變化曲線進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到燃速－壓力曲線，見圖2。

圖2 單孔管狀高能硝胺發(fā)射藥的u－p 曲線Fig．2 The u－pcurves of the single perforation cylinder high energy nitramine gun propellants

由圖2可見，加入GAP 后單孔管狀高能硝胺發(fā)射藥燃速降低，隨GAP 含量增加，燃速下降越多，這與加入GAP后硝胺發(fā)射藥火藥力、爆熱降低相符。幾種單孔管狀高能硝胺發(fā)射藥低壓段燃燒性能正常，無明顯轉(zhuǎn)折現(xiàn)象。

用最小二乘法對圖2的u－p 曲線進(jìn)行非線性指數(shù)式（y＝a·xb）擬合，得到燃速系數(shù)u1和燃速壓強(qiáng)指數(shù)n，結(jié)果見表3。

表3 單孔管狀高能硝胺發(fā)射藥的密閉爆發(fā)器試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Results of single perforation cylinder high energy nitramine gun propellants obtained by closed bomb test

由表3可見，當(dāng)GAP質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1．5%、3．5%時(shí)，壓強(qiáng)指數(shù)由基礎(chǔ)配方的0．969 5提高至0．970 3、0．974 4，說明隨著GAP含量的增加，管狀發(fā)射藥的壓強(qiáng)指數(shù)相比基礎(chǔ)配方均有所增加。

3 結(jié) 論

（1）在高能硝胺發(fā)射藥中加入GAP，在保持發(fā)射藥較高能量的同時(shí)，可以顯著提高其力學(xué)性能，特別是低溫抗沖擊性能。加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)1．5%GAP，高能硝胺發(fā)射藥的低溫抗沖強(qiáng)度由4．51kJ／m2提高到5．58kJ／m2。

（2）高能硝胺發(fā)射藥中加入GAP 可增強(qiáng)固體填料與黏結(jié)劑界面間的粘接強(qiáng)度，改善發(fā)射藥的脫濕現(xiàn)象。

（3）含GAP的高能硝胺發(fā)射藥燃燒性能正常，壓強(qiáng)指數(shù)小于1，隨著GAP含量的增加，壓強(qiáng)指數(shù)n逐漸增大，爆溫及火藥力逐漸降低，GAP 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3．5%時(shí)，f 和Tv分別降低1．41%、3．69%，n 增加0．51%。

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