高過載對(duì)硼系延期藥形貌特征及性能的影響

賈玉馨，王培勇，張周梅, 樊龍龍，張 曄，王國(guó)強(qiáng)

（陜西應(yīng)用物理化學(xué)研究所，陜西 西安，710061）

目前，有關(guān)火工品延期藥裝藥耐高過載的影響研究已經(jīng)取得一定進(jìn)展。吳艷霞等[1]研究了裝藥壓力、過載加速度及粘合劑對(duì)硼系延期藥過載前后延期時(shí)間及精度變化的影響；武雙章[2]等研究了高過載下硼系延期藥的燃燒規(guī)律；劉曉文[3]研究了硅系延期藥裝藥密度和延期精度的關(guān)系；李俊等[4]研究了鎢系延期藥的耐高過載性能。但均沒有針對(duì)高過載沖擊對(duì)延期藥形貌特征影響的研究，也未見延期藥形貌特征對(duì)延期藥性能影響的相關(guān)報(bào)道。因此，本文采用自由式霍普金森桿試驗(yàn)方法，以硼系延期藥制備的裸藥柱及裝有硼系延期藥的針刺延期雷管為對(duì)象，研究了不同過載條件下延期藥主要組分形貌特征的變化，分析了延期藥形貌特征的變化對(duì)延期時(shí)間及精度的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 樣品制備

（1）藥劑制備：將硼粉和鉻酸鋇過200目篩，按照w硼粉∶w鉻酸鋇=11∶89的比例稱取藥品質(zhì)量，加入一定比例的粘合劑硝化棉，球磨后經(jīng)造粒、篩分、烘干，制得成品藥劑。

（2）針刺延期雷管樣品壓制：參照某針刺延期雷管結(jié)構(gòu)，按照相同的裝藥序列，以一定的裝藥壓力將藥劑壓入管殼，其中除延期藥壓力分別為100MPa、200MPa、400MPa外，其余裝藥條件均一致。管殼材料為 1Cr18Ni9，尺寸參數(shù)：Φ5.1mm×7.0mm，壁厚0.21mm。針刺延期雷管結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 針刺延期雷管結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of stab delay detonator

（3）裸藥柱的壓制：將（240±2）mg的硼系延期藥以100MPa、200MPa、400MPa的裝藥壓力壓制成 Φ4.65mm、高度不等的裸藥柱，以分析過載前后硼系延期藥微觀損傷。

1.2 試驗(yàn)裝置及條件

采用自由式霍普金森桿（FHPB）試驗(yàn)裝置對(duì)裸藥柱及針刺延期雷管進(jìn)行過載沖擊試驗(yàn)。測(cè)試條件：入射桿、透射桿和子彈均為直徑 14.5mm的鋼桿（65Si2MnWA），子彈為圓柱形子彈，長(zhǎng)度為300mm，輸入桿粘貼硬鋁材質(zhì)、外型尺寸為Φ6mm×2mm的波形整形器，過載試驗(yàn)參數(shù)見表1。

表1 自由式Hopkinson桿試驗(yàn)條件Tab.1 Parameters of FHPB test

為模擬實(shí)際產(chǎn)品裝藥中的受力情況，在進(jìn)行裸藥柱過載試驗(yàn)時(shí)，將藥柱置于如圖2所示的夾具中，夾具中放置藥柱的凹孔內(nèi)徑為Φ5mm，略大于藥柱直徑（Φ4.65 mm）。

圖2 自由式Hopkinson桿試驗(yàn)夾具Fig.2 Fixture of FHPB test

2 結(jié)果與討論

2.1 不同沖擊載荷對(duì)硼系延期藥微觀形貌的影響

采用自由式Hopkinson桿試驗(yàn)方法，并結(jié)合掃描電鏡（SEM），觀測(cè)了裝藥壓力為200MPa裸藥柱在經(jīng)受不同沖擊載荷后斷裂部位的微觀形貌，并與裸藥柱過載前的微觀形貌進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見圖3。

圖3 不同過載沖擊下延期藥柱破裂部位的微觀形貌Fig.3 SEM photos of grains’ fracture part under different loading conditions

由圖3可知，當(dāng)藥柱承受40 000g過載沖擊后，延期藥顆粒內(nèi)部的聚集狀態(tài)被破壞，組分顆粒分離。藥柱過載達(dá)到80 000g時(shí)，組分顆粒的微觀形貌出現(xiàn)明顯變化，部分晶體出現(xiàn)變形、固結(jié)的現(xiàn)象。

2.2 裝藥壓力對(duì)藥柱耐過載性能的影響

采用自由式Hopkinson桿試驗(yàn)方法，對(duì)裝藥壓力為100MPa和400MPa的裸藥柱施加60 000g過載，觀測(cè)其過載后的微觀形貌，掃描電鏡結(jié)果見圖4。

圖4 不同裝藥壓力延期藥柱相同過載后的微觀形貌Fig.4 SEM photos of grains with various charge pressure under same loading conditions

根據(jù)圖4，當(dāng)硼系延期藥裝藥壓力為100MPa時(shí)，過載后硼粉-鉻酸鋇仍能保持一定程度的聚集。過載前后各組分顆粒的形貌特征沒有發(fā)生明顯的變化。當(dāng)裝藥壓力為400MPa時(shí)，過載后硼粉與鉻酸鋇分離，晶體出現(xiàn)了不同程度的破壞。

2.3 過載前后針刺延期雷管測(cè)時(shí)結(jié)果

按GJB 5891.23-2006《落球式針刺雷管試驗(yàn)》中規(guī)定的條件進(jìn)行測(cè)試，落錘質(zhì)量為100g，落錘高度為80mm。表2比較了裝藥壓力為200MPa的針刺延期雷管試驗(yàn)件在經(jīng)受不同過載沖擊后的延期時(shí)間變化情況。表3為過載沖擊50 000g時(shí)，過載前后不同裝藥壓力制備的針刺雷管試驗(yàn)件的延期時(shí)間變化情況。

表2 樣品經(jīng)受不同過載沖擊后的延期時(shí)間結(jié)果 (ms)Tab.2 Delay-time testing data of stab delay detonator under different loading conditions

表3 裝藥壓力不同的樣品過載前后的延期時(shí)間結(jié)果 (ms)Tab.3 Delay-time testing data of stab delay detonator withvarious charge pressure

結(jié)合圖3和表2的數(shù)據(jù)，可見過載沖擊能夠破壞藥劑各組分的聚集狀態(tài)，過載沖擊強(qiáng)度越大，聚集物的破壞程度越大，80 000g的過載沖擊甚至能改變藥劑組分的微觀形貌特征，破壞針刺延期雷管內(nèi)部延期藥裝藥結(jié)構(gòu)的均一性，導(dǎo)致藥劑燃速變快，延期精度變差。結(jié)合圖4和表3的數(shù)據(jù)，可見當(dāng)硼系延期藥裝藥壓力為100MPa時(shí)，過載前后各組分顆粒的形貌特征沒有發(fā)生明顯的變化，但過載后延期時(shí)間變長(zhǎng)。這是由于過載前裝藥壓力較小，針刺延期雷管內(nèi)部延期藥顆粒間孔隙率較大，燃燒時(shí)產(chǎn)生的氣體易滲透到孔隙當(dāng)中，形成對(duì)流燃燒或振蕩燃燒等非穩(wěn)態(tài)燃燒過程，增加燃燒起始面積，導(dǎo)致燃速加快[1,6]。過載后，沖擊產(chǎn)生的作用力再次擠壓藥柱，將因裝藥過程而分散的硼粉-鉻酸鋇聚集物（圖 4a）重新壓迫成型，減小藥柱的孔隙率，導(dǎo)致延期藥燃速減慢，延期時(shí)間變長(zhǎng)。這種擠壓過程并不均勻，因此，過載后延期精度變差。

當(dāng)裝藥壓力為400MPa時(shí)，過載前針刺延期雷管內(nèi)部延期藥顆粒基本壓實(shí)，顆粒間孔隙較小，燃燒較為穩(wěn)定。過載后過載沖擊產(chǎn)生的作用力不僅破壞了內(nèi)部裝藥的均勻結(jié)構(gòu)，而且改變了藥劑組分的微觀形貌特征（圖4(b)）。因此，過載后的延期雷管在點(diǎn)燃后，延期藥內(nèi)部更容易形成多處“熱點(diǎn)”[6]，導(dǎo)致燃速加快，延期時(shí)間變短，延期精度變差。

3 結(jié)論

（1）利用SEM方法，結(jié)合測(cè)試數(shù)據(jù)，研究沖擊過載對(duì)硼系延期藥裝藥的微觀損傷的影響，認(rèn)為沖擊過載后，延期藥主要組分之間的聚集狀態(tài)、晶體微觀形貌特征變化是影響延期藥燃速的關(guān)鍵因素。（2）對(duì)于裝藥壓力不同的裸藥柱，沖擊過載后裝藥壓力為100MPa的藥柱組分顆粒并未被破壞；裝藥壓力為400MPa的藥柱組分顆粒分離，微觀形貌發(fā)生變化。（3）對(duì)于裝藥壓力不同的針刺延期雷管，裝藥壓力為100MPa時(shí)，沖擊過載減小藥柱孔隙率，令延期藥燃速減慢；裝藥壓力為400MPa時(shí)，沖擊過載損傷裝藥結(jié)構(gòu)均勻性，導(dǎo)致了延期藥燃速加快，延期精度變差。

[1]吳艷霞.高加速度過載對(duì)硼系延期藥延期性能的影響[D].南京:南京理工大學(xué),2005.

[2]武雙章.高過載下延期藥燃燒特性研究[D].南京:南京理工大學(xué),2007.

[3]劉曉文.延期藥燃燒性能及表征方法研究[D].安徽:安徽理工大學(xué),2011.

[4]李俊,盛滌倫,李釗鑫.粘合劑對(duì)鎢系延期藥抗過載性能的影響[J].火工品,2011(6):26-29.

[5]Gazonas G A, Juhasz A A, Ford J C.Sranstate insensitivity of damage-induced surface area in M30 and JA2 Gun propellants[J].Propellants,Explosives,Pyrotechnics,1996(21): 307- 316.

[6]Greenaway M W.Measurement of ingtergranular stress and prosity during dynamic compaction of porous beds of cyclotetramethylene terani-tramine[J].Journal of Applied Physics , 04/2005;97(9):093 521-093 521-7.