球形疊氮硝胺發(fā)射藥工藝安全性的實(shí)驗(yàn)研究

馮昌林，李小元，楊建興，張　俊，賈永杰

(1.海軍裝備研究院，北京100161；2.西安近代化學(xué)研究所，陜西西安710065)

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球形疊氮硝胺發(fā)射藥工藝安全性的實(shí)驗(yàn)研究

馮昌林1，李小元1，楊建興2，張俊1，賈永杰2

(1.海軍裝備研究院，北京100161；2.西安近代化學(xué)研究所，陜西西安710065)

摘要：為研究球形疊氮硝胺發(fā)射藥的工藝安全性，采用5s爆發(fā)點(diǎn)、落錘式撞擊感度儀、摩擦感度儀研究了球形疊氮硝胺發(fā)射藥的熱感度、機(jī)械感度、靜電感度和沖擊波感度，并與球形制式雙基藥進(jìn)行了對比。結(jié)果表明，對于球形疊氮硝胺發(fā)射藥(DAQ)：5s爆發(fā)點(diǎn)為228.3℃、爆炸百分?jǐn)?shù)為4%、撞擊感度特性落高(H50)為14.8cm、50%發(fā)火電壓為正極 3.27kV/負(fù)極3.10kV、50%發(fā)火能量為正極1.18J/負(fù)極1.06J、沖擊波試驗(yàn)隔板值37mm；對于球形制式雙基球形藥(SPQ)：5s爆發(fā)點(diǎn)為220.4℃、爆炸百分?jǐn)?shù)為20%、撞擊感度特性落高(H50)為14.1cm、50%發(fā)火電壓為正極2.30kV/負(fù)極2.00kV、50%發(fā)火能量為正極0.68J/負(fù)極0.64J、沖擊波試驗(yàn)隔板值為43mm，表明DAQ與SPQ的工藝安全性基本相當(dāng)。

關(guān)鍵詞：物理化學(xué)；球形疊氮硝胺發(fā)射藥；工藝安全性；熱感度；機(jī)械感度；靜電感度

引言

1,5-二疊氮基-3-硝基-3-氮雜戊烷(DIANP)具有高能、低燃溫、燃?xì)庀鄬Ψ肿淤|(zhì)量小、產(chǎn)氣量大等優(yōu)點(diǎn)[1-3]，我國將其引入發(fā)射藥配方，研制出新型高能低燒蝕疊氮硝胺發(fā)射藥[4-7]，目前已應(yīng)用于榴彈發(fā)射器。由于疊氮硝胺發(fā)射藥的燃速高、燃?xì)馍擅投却?，在底部點(diǎn)火的條件下膛內(nèi)容易產(chǎn)生軸向壓力波，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致低溫膛壓反常[4-6]。目前關(guān)于其燃燒性能、低溫裝藥安全性研究較多，但是關(guān)于其球形藥工藝安全性的研究報(bào)道較少。

疊氮硝胺發(fā)射藥與傳統(tǒng)雙基發(fā)射藥的區(qū)別是配方中用含能增塑劑1、5-二疊氮基-3-硝基氮雜戊烷(DIANP)部分或全部替代雙基發(fā)射藥中的NG，因此有必要開展球形疊氮硝胺發(fā)射藥(DAQ)工藝安全性研究。本研究測試了球形疊氮硝胺發(fā)射藥的熱感度、撞擊感度、摩擦感度、靜電感度和沖擊波感度[8-9]，并與球形雙基發(fā)射藥進(jìn)行了對比，分析了其工藝安全性，以期為疊氮硝胺發(fā)射藥的安全性評價(jià)提供參考。

1實(shí)驗(yàn)

1.1發(fā)射藥配方及示性數(shù)

3種發(fā)射藥的配方及能量示性數(shù)如表1所示。

表1　3種發(fā)射藥的配方及能量示性數(shù)

注:f為火藥力；Qv為爆熱；Tv為爆溫。DAQ以硝化棉(NC)為黏結(jié)劑、DIANP與硝化甘油(NG)為混合含能增塑劑；SPQ和S-17為制式雙基發(fā)射藥球形藥，以NC為黏結(jié)劑、采用NG作為單一含能增塑劑。

1.2性能測試

熱感度試驗(yàn)：按GJB770B-2005 方法606.1測定熱感度值，即根據(jù)爆發(fā)延滯期與爆發(fā)溫度的關(guān)系式求出5s延滯期試樣的爆發(fā)點(diǎn)，藥量30mg。

撞擊感度試驗(yàn)：采用經(jīng)標(biāo)定的p.5-10W落錘式撞擊感度儀，根據(jù)GJB770B-2005方法601.2測定，即以炸藥爆炸百分?jǐn)?shù)為50%時(shí)相對應(yīng)的落高(H50)。落錘質(zhì)量2.5kg，藥量(35±1)mg，每組試樣25發(fā)，溫度10～35℃，相對濕度不大于70%。

摩擦感度試驗(yàn)：采用MGY-1擺式摩擦感度儀，按照GJB770B-2005方法602.1測試樣品的爆炸百分?jǐn)?shù)。擺角為(80±1)°，正壓力為(2.45±0.01)MPa，每發(fā)實(shí)驗(yàn)藥量為(25土1)mg，每組試樣為25發(fā)。

靜電感度試驗(yàn)：JGY-50型靜電火花感度儀，測量方法參照GJB/Z 736.11-90《火工品試驗(yàn)方法電火工品靜電敏感度試驗(yàn)》進(jìn)行。充電電壓7kV，電容0.01μF，針距2.5mm，裝藥量25.0mg，溫度25℃，濕度49%。

沖擊波感度試驗(yàn)：測量方法參照GJB772A-97方法605.1，用升降法測定50%發(fā)生爆轟的隔板厚度。裝藥尺寸為Φ36mm×140mm，鋼管璧厚為6mm；主發(fā)裝藥為澆注TNT/PETN(質(zhì)量比50∶50)，密度為(1.58±0.02)g/cm3，帶有8號雷管孔；隔板為不同厚度的有機(jī)玻璃片，用于組合不同的隔板值；見證板為Φ70mm×35mm的45號鋼板。

2結(jié)果與討論

2.1DIANP對發(fā)射藥安全性能的影響

表2為兩種增塑劑的常規(guī)安全性數(shù)據(jù)。

表2　DIANP和NG的安全性能對比[10-13]

注：t0為超始分解溫度；tp為熱分解峰溫。

由表2可見，DIANP的最高放熱峰峰值溫度(238℃)遠(yuǎn)高于NG(198℃)，可知前者熱安定性較好； DIANP的5s爆發(fā)點(diǎn)(283℃)高于NG(222℃)，說明DIANP的熱感度優(yōu)于NG；DIANP的摩擦感度及撞擊感度均小于NG，說明DIANP的機(jī)械感度也優(yōu)于NG。

分析認(rèn)為[13]，含能化合物在外界機(jī)械作用刺激下感度的大小與其分子中含能基團(tuán)的性質(zhì)、數(shù)量以及分子鍵等有一定的關(guān)系。而且起爆過程取決于分子中優(yōu)先斷裂的弱鍵，稱為“觸發(fā)鏈”。 在1,5-二疊氮基-3-硝基-3-氮雜戊烷(DIANP)分子中，含能基團(tuán)為—N3(2個(gè))、—N—NO2(1個(gè))，而在丙三醇三硝酸酯(NG)分子中，其含能基團(tuán)為—O—NO2(3個(gè))，這3種基團(tuán)中，其鍵能由大到小的順序?yàn)椋骸狽3>—N—NO2>—O—NO2，由此推斷DIANP的感度低于NG，這與實(shí)測數(shù)據(jù)相一致。

研究表明[14]，DIANP對硝化棉的增塑性能優(yōu)于NG，有利于發(fā)射藥的制備工藝。由DIANP/NG組成的含能增塑劑能夠形成低共溶混合物，其凝固點(diǎn)低于-17℃，這表明不僅能提高發(fā)射藥的綜合性能，對改善以硝化甘油為含能增塑劑的發(fā)射藥的生產(chǎn)安全性也是有利的[11-13]。由此可見，用DIANP替代NG、或與NG組成含能增塑劑對發(fā)射藥的安全性沒有影響。

2.2球形疊氮硝胺發(fā)射藥感度性能

2.2.1球形疊氮硝胺發(fā)射藥的熱刺激響應(yīng)特性

采用5s延滯期爆發(fā)點(diǎn)測試3種發(fā)射藥的熱感度，DAQ、SPQ、S-17發(fā)射藥的5s爆發(fā)點(diǎn)溫度分別為228.3、220、231.5℃?？梢钥闯?，DAQ發(fā)射藥的熱穩(wěn)定性好于SPQ發(fā)射藥，但比S-17發(fā)射藥弱。

DAQ發(fā)射藥與SPQ發(fā)射藥配方相比，溶棉比(硝化棉與增塑劑含量的質(zhì)量比)相同，只是DAQ用質(zhì)量分?jǐn)?shù)13%DIANP部分取代NG作為含能增塑劑，可見用DIANP替代NG后能夠提高發(fā)射藥的熱穩(wěn)定性，這與表2中DIANP的熱分解溫度及5s爆發(fā)點(diǎn)溫度高于NG的結(jié)果是一致的。與另外兩種發(fā)射藥相比，S-17發(fā)射藥中增塑劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)減少5%，硝化棉質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加5%，其熱穩(wěn)定性相對較好。

2.2.2球形疊氮硝胺發(fā)射藥的機(jī)械刺激響應(yīng)特性

測試了3種發(fā)射藥的機(jī)械感度，結(jié)果見表3。

表3　3種發(fā)射藥的機(jī)械感度測試結(jié)果

由表3可見，SPQ發(fā)射藥和S-17發(fā)射藥的摩擦感度均高于DAQ發(fā)射藥，這與表2中NG的摩擦感度高于DIANP的結(jié)果一致。3種發(fā)射藥的撞擊感度相當(dāng)，SPQ的撞擊感度稍高于另外兩種發(fā)射藥，這與NG含量稍高有關(guān)。

綜合比較，球形疊氮硝胺發(fā)射藥的機(jī)械感度與球形雙基發(fā)射藥相當(dāng)，且不高于現(xiàn)有同類高能雙基發(fā)射藥。

2.2.3球形疊氮硝胺發(fā)射藥的靜電火花響應(yīng)特性

表4為3種發(fā)射藥的靜電火花感度測試結(jié)果。

由表4可見 ，DAQ發(fā)射藥的50%發(fā)火電壓及發(fā)火能量均小于SPQ及S-17發(fā)射藥，表明球形疊氮硝胺發(fā)射藥的靜電感度低于雙基發(fā)射藥球形藥。

表4　3種發(fā)射藥的靜電火花感度測試結(jié)果

注：U為50%發(fā)火電壓；Q為50%發(fā)火能量。

王桂香等[15]研究表明，硝胺類化合物爆速和爆壓隨分子中NO2數(shù)、環(huán)數(shù)和鏈長的增大而增大，而靜電感度存在隨爆速和爆壓值增大而增大的定性趨勢。分析認(rèn)為，DIANP分子中的NO2(1個(gè))比NG分子中 NO2(3個(gè))少，因此，與NG相比DIANP的爆速和爆壓較小，由此可以推測DIANP的靜電感度小于NG，所以球形疊氮硝胺發(fā)射藥的靜電感度小于雙基發(fā)射藥球形藥。

2.2.4球形疊氮硝胺發(fā)射藥的沖擊波響應(yīng)特性

測試了3種發(fā)射藥的沖擊波感度，結(jié)果見表5。由表5可見，沖擊波感度值由大到小的順序?yàn)椋篠PQ>DAQ>S-17；發(fā)射藥爆熱高、火藥力高者沖擊波感度大。這可能與受試樣品的活性、裝藥總能量以及沖擊波在藥體內(nèi)傳播狀態(tài)變化有關(guān)。綜合來看，球形疊氮硝胺發(fā)射藥與球形雙基發(fā)射藥的沖擊波感度基本相當(dāng)。

表5　3種發(fā)射藥的沖擊波感度測試結(jié)果

注：D為球形發(fā)射藥粒徑；Δ為裝填密度；L為隔板厚度。

3結(jié)論

(1)將1、5-二疊氮基-3-硝基氮雜戊烷(DIANP)替代NG應(yīng)用于發(fā)射藥中，使發(fā)射藥的熱穩(wěn)定性、熱安定性、熱感度、機(jī)械感度等性能明顯提高，因此，DIANP可作為含能增塑劑用于發(fā)射藥中。

(2)球形疊氮硝胺發(fā)射藥的熱感度、機(jī)械撞擊感度、沖擊波感度與球形雙基發(fā)射藥基本相當(dāng)，摩擦感度和靜電感度略低于雙基發(fā)射藥球形藥。

(3)球形疊氮硝胺發(fā)射藥的工藝安全性與球形雙基發(fā)射藥基本相當(dāng)。

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Experimental Study on the Processing Safety of Spherical Azidonitramine Gun Propellant

FENG Chang-lin1， LI Xiao-yuan1，YANG Jian-xing2，ZHANG Jun1，JIA Yong-jie2

(1. Naval Academy of Armament, Beijing 100161,China; 2.Xi′an Modern Chemistry Research Institure,

Xi′an 710065,China)

Abstract:To study the processing safety of spherical azidonitramine gun propellant manufacture, the thermal sensitivity, mechanical sensitivity, electrostatic sensitivity and shock wave sensitivity of spherical azidonitramine gun propellant were studied by 5s explosion temperature test, drop hammer impact sensitivity test, friction sensitivity test and compared with the spherical traditional double-base propellant. Results show that for azidonitramine gun propellant (DAQ): 5s explosion point, 228.3℃; friction sensitivity, 4%; characteristic drop height of impact sensitivity(H50), 14.8cm; 50% firing voltage, anode 3.27kV /cathode 3.10kV; 50% firing energy, anode 1.18J/cathode 1.06J; gap value of shock wave test, 37mm. For traditional spherical double- base gun propellant (SPQ): 5s explosion point , 220.4℃; friction sensitivity, 20%, characteristic drop height of impact sensitivity(H50), 14.1cm; 50% firing voltage, anode 2.30kV /cathode 2.00kV; 50% firing energy, anode 0.68J/cathode 0.64J; gap value of shock wave test impact wave sensitivity, 43mm, indicating that the DAQ has almost the same processing safety as SPQ.

Keywords:physical chemistry; spherical azidonitramine gun propellant; processing safety; thermal sensitivity; mechanical sensitivity; electrostatic sensitivity

通訊作者:楊建興(1978-)，男，副研究員，從事發(fā)射藥技術(shù)研究。

作者簡介:馮昌林(1983-)，男，工程師，博士，從事艦炮彈藥論證與研究。

基金項(xiàng)目:國家重大基礎(chǔ)研究項(xiàng)目

收稿日期:2015-05-26；修回日期:2015-07-20

中圖分類號：TJ55; X93

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1007-7812(2015)05-0095-04

DOI：10.14077/j.issn.1007-7812.2015.05.020