AP粒度對其感度、推進(jìn)劑燃燒速度及臨界電子激發(fā)能的影響①

王玉姣，劉 杰，顧志明，郭效德，姜 煒，鄧國棟

(南京理工大學(xué) 國家特種超細(xì)粉體工程技術(shù)研究中心，南京 210094)

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AP粒度對其感度、推進(jìn)劑燃燒速度及臨界電子激發(fā)能的影響①

王玉姣，劉 杰，顧志明，郭效德，姜 煒，鄧國棟

(南京理工大學(xué) 國家特種超細(xì)粉體工程技術(shù)研究中心，南京 210094)

研究了固體推進(jìn)劑中氧化劑AP的平均粒度對其撞擊感度和摩擦感度的影響，以及當(dāng)AP加入改性雙基推進(jìn)劑中后，其平均粒度對改性雙基推進(jìn)劑燃燒速度的影響。揭示了影響AP撞擊感度、摩擦感度以及推進(jìn)劑燃燒速度的主要原因，即AP顆粒大小與引起其分解所需的臨界電子激發(fā)能之間的關(guān)系。這對超細(xì)AP在推進(jìn)劑中的安全合理應(yīng)用具有重要指導(dǎo)意義。

高氯酸銨；粒度；感度；燃速；臨界電子激發(fā)能

0 引言

AP是當(dāng)前固體推進(jìn)劑中的主要氧化劑，在復(fù)合推進(jìn)劑中的含量高達(dá)80%以上[1-5]，其性能優(yōu)劣對推進(jìn)劑的性能起著決定性作用。新近研究表明，AP的顆粒大小對推進(jìn)劑的燃燒性能、工藝性能及安全性能和力學(xué)性能等都有重大影響。通常隨著推進(jìn)劑中AP顆粒的減小，推進(jìn)劑的燃燒速度大幅升高。但AP顆粒尺寸的減小往往會導(dǎo)致推進(jìn)劑的漿料粘度升高、工藝性能變差，工藝過程的安全性變差，生產(chǎn)中經(jīng)常發(fā)生事故[6]，尤其是在推進(jìn)劑漿料捏合過程中易發(fā)生燃爆事故，造成機毀人亡，這類安全事故國內(nèi)外時有報道。超細(xì)AP在推進(jìn)劑中應(yīng)用的安全問題是當(dāng)今國內(nèi)外研究者正在全力研究攻克的難題。

南京理工大學(xué)國家特種超細(xì)粉體工程技術(shù)研究中心自20世紀(jì)80年代中期，就致力于超細(xì)AP的制備及在固體推進(jìn)劑中的應(yīng)用性能研究。目前，已成功大批量制備出了微米、亞微米及納米級超細(xì)AP，并已實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，超細(xì)AP產(chǎn)品已分別用于高燃速推進(jìn)劑及混合炸藥。正如前文所述，國內(nèi)外在超細(xì)AP的應(yīng)用中都曾多次發(fā)生安全事故。為了揭示出AP顆粒大小對其感度、推進(jìn)劑燃速影響的內(nèi)在原因，本文系統(tǒng)研究了不同尺寸AP顆粒的撞擊感度、摩擦感度及其對推進(jìn)劑燃燒速度的影響和對引起其發(fā)生分解所需的臨界電子激發(fā)能的影響。通過上述研究尋找出了影響超細(xì)AP顆粒撞擊感度、摩擦感度及推進(jìn)劑燃速的內(nèi)在原因，這對超細(xì)AP的合理安全應(yīng)用具有重要指導(dǎo)意義。

1 實驗

1.1 樣品準(zhǔn)備

實驗中共選用了6種不同尺寸的AP樣品，1號AP樣品(原料)，d50=62.1 μm(由大連北方氯酸鉀廠生產(chǎn))；其余5個樣品均為由1號樣品采用南京理工大學(xué)國家特種超細(xì)粉體工程技術(shù)研究中心研制的GQF-1流能粉碎機制備獲得，產(chǎn)品的純度、晶型與1號AP完全相同，表面未經(jīng)任何修飾處理，其中，2號AP樣品d50=43.3 μm，3號AP樣品d50=25.4 μm，4號AP樣品d50=15.1 μm，5號AP樣品d50=5.3 μm，6號AP樣品d50=1.7 μm。

1.2 撞擊感度測定

按國軍標(biāo)GJB 770B—2005方法601.2進(jìn)行撞擊感度測試。

1.3 摩擦感度測定

按國軍標(biāo)GJB 770B—2005方法602.1進(jìn)行摩擦感度測試。

1.4 燃速測定

按國軍標(biāo)GJB 770B—2005方法706.1，對含有不同粒度級別AP的改性雙基推進(jìn)劑樣品進(jìn)行燃速測試。

1.5 AP顆粒分解的臨界電子激發(fā)能測定

采用日本Hitachi公司S-4800 Ⅱ型掃描電子顯微鏡研究不同AP樣品臨界電子激發(fā)能。不同尺寸的單個AP顆粒(非顆粒群)在電子能激發(fā)下，AP顆粒開始發(fā)生分解時所接受到的電子能，定義為引起該AP顆粒發(fā)生分解所需的臨界電子激發(fā)能。

2 結(jié)果與討論

2.1 AP的顆粒大小對其撞擊、摩擦感度的影響

總之，科研工作中如何與團隊中的研究成員進(jìn)行有效的溝通是一門藝術(shù)，通過哈佛管理導(dǎo)師的課程，學(xué)到了很多積極有效的溝通手段，也深刻剖析了自己曾經(jīng)所犯的錯誤。相信在未來的工作中，這門課程會幫助我正確化解溝通矛盾，有效說服他人，最后獲得積極的工作成果。

不同粒度級別的AP樣品(顆粒群的平均粒徑d50分別為62.1、43.3、25.4、15.1、5.3、1.7 μm，各種樣品的粒度分布均為正態(tài)分布)，其撞擊感度和摩擦感度測試結(jié)果分別如圖1所示。

從圖1可知，隨AP顆粒群的平均粒徑d50的減小，其撞擊感度和摩擦感度逐漸升高；當(dāng)AP顆粒群的平均粒徑大于約20 μm時，在本文所研究的粒度范圍內(nèi)，撞擊感度和摩擦感度隨d50的變化相對比較緩慢；當(dāng)平均粒徑小于20 μm時，感度隨d50的減小而迅速增大。

基于AP樣品的感度隨其平均粒徑的變化規(guī)律，在針對復(fù)合推進(jìn)劑或者改性雙基推進(jìn)劑進(jìn)行配方設(shè)計時，為保證推進(jìn)劑的使用和加工制造過程中的安全，對AP進(jìn)行粒度的優(yōu)選尤為重要。

(a)撞擊感度

(b)摩擦感度

2.2 AP的顆粒大小對推進(jìn)劑燃燒速度的影響

本研究選用由硝化纖維素、硝化甘油、AP、鋁粉及中定劑和少量的燃速催化劑及工藝附加物組成的改性雙基推進(jìn)劑為基本配方，其中各組分的含量固定不變，僅改變AP的顆粒粒度(未進(jìn)行粒度級配)，即選用d50分別為62.1、25.4、15.1、5.3、1.7 μm的AP樣品制備成5種推進(jìn)劑樣品，然后再測定其燃燒速度。由不同尺寸AP制備的推進(jìn)劑的燃速實測結(jié)果如圖2所示。

從圖2可知，在本文所研究的粒度范圍及條件下，隨著推進(jìn)劑中AP平均粒徑的減小，推進(jìn)劑的燃燒速度升高；當(dāng)AP平均粒徑大于20 μm時，燃速隨d50的變化較緩慢；當(dāng)平均粒徑小于20 μm時，燃速隨d50的減小而迅速增大。

上述實驗結(jié)果表明，隨AP粒度減小，其撞擊感度和摩擦感度都隨之升高，推進(jìn)劑的燃燒速度也隨之升高。為了揭示出其中的內(nèi)在原因，研究了激發(fā)不同尺寸AP發(fā)生分解所需的最小電子激發(fā)能量——臨界電子激發(fā)能，如圖3所示。

圖2 推進(jìn)劑樣品的燃速隨AP平均粒徑的變化曲線Fig.2 Changing curve of propellants burning rate vsaverage particle size of AP samples

圖3 AP的臨界電子激發(fā)能與其顆粒大小之間的關(guān)系曲線Fig.3 Changing curve of critical initiation electron energyvs average particle size of AP samples

由圖3可知，隨著AP粒度的減小，引起其發(fā)生分解所需的臨界電子激發(fā)能減小，當(dāng)AP的粒度小于約20 μm時，引起AP顆粒發(fā)生分解所需的臨界電子激發(fā)能迅速減小，當(dāng)AP顆粒達(dá)5 μm以下時，所需的臨界電子激發(fā)能很小。即當(dāng)AP顆粒粒度小于2 μm時，只需很小的外能即可引發(fā)其發(fā)生分解。上述研究結(jié)果揭示出了隨著AP顆粒尺寸的減小，其撞擊感度和摩擦感度都顯著升高的內(nèi)在原因。此外，當(dāng)超細(xì)AP加入推進(jìn)劑中后，由于引起其分解所需的能量減小，因而推進(jìn)劑在燃燒時，自燃燒區(qū)反饋到推進(jìn)劑內(nèi)部的能量只需很小即可引發(fā)推進(jìn)劑固相區(qū)內(nèi)的AP發(fā)生分解，進(jìn)而導(dǎo)致推進(jìn)劑燃燒，因而使推進(jìn)劑的燃燒速度獲得大幅度提高。

固體推進(jìn)劑中引入超細(xì)AP可大幅提高燃速，但由于激發(fā)超細(xì)AP發(fā)生分解所需的外能很小，因而含超細(xì)AP的高燃速推進(jìn)劑的撞擊、摩擦感度都很高。因此，在制造及加工處理這種推進(jìn)劑藥柱時必須十分小心，所施加的外能必須嚴(yán)格控制在引發(fā)其發(fā)生分解的臨界能之下，才能保證生產(chǎn)與使用安全，否則將會引發(fā)燃爆事故。

3 結(jié)論

在本文研究的粒度范圍及試驗條件下：

(1)隨AP顆粒尺寸減小，其撞擊與摩擦感度升高；

(2)隨AP顆粒尺寸減小，由其制備的推進(jìn)劑的燃燒速度升高；

(3)隨AP顆粒尺寸減小，引起其發(fā)生分解的臨界電子激發(fā)能減小，這揭示出了隨AP顆粒尺寸減小，其撞擊與摩擦感度升高，含超細(xì)AP顆粒的推進(jìn)劑燃速升高的內(nèi)在原因；

(4)本文的研究結(jié)果顯示，含超細(xì)AP顆粒的推進(jìn)劑在制造與應(yīng)用過程中，所施加的外能應(yīng)嚴(yán)格控制在激發(fā)其發(fā)生分解所需的臨界能之下，這樣才有可能保證這種推進(jìn)劑在生產(chǎn)與使用過程中的安全性。

[1] Fogelzang A E,Pimenov A Yu,Denisyuk A P,et al.Mechanism of modifying ballistic properties of propellant formulations by fast-burning[J].Defence Science Journal,1998,48(4):357-364.

[2] 李鳳生,郭效德,劉冠鵬.新型火藥設(shè)計與制造[M].北京:國防工業(yè)出版社,2008.

[3] 李鳳生,郭效德.固體推進(jìn)劑技術(shù)及納米材料的應(yīng)用[M].北京:國防工業(yè)出版社,2008.

[4] Lu Kai-tai,Yang Tsung-mao,Li Jin-shuh,et al.Study on the burning characteristics of AP/Al/HTPB composite solid propellant containing nano-sized ferric oxide powder[J].Combustion Science and Technology,2012,184(12):2100-2116.

[5] Franck Cauty,Yves Fabignon,Charles Erades.New active binder-based propellants:a comparison with classical composite AP/HTPB propellants[J].International Journal of Energetic Materials and Chemical Propulsion,2013,12(1):1-13.

[6] 李鳳生.特種超細(xì)粉體制備技術(shù)及應(yīng)用[M].北京:國防工業(yè)出版社,2002.

(編輯：劉紅利)

Effects of the particle size of ammonium perchlorate on its sensitivity,burning rate of propellants and critical initiation electron energy

WANG Yu-jiao，LIU Jie，GU Zhi-ming，GUO Xiao-de，JIANG Wei，DENG Guo-dong

(National Special Superfine Powder Engineering Research Center，Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210094，China)

The effects of the particle size of ammonium perchlorate(AP)on its impact sensitivity,friction sensitivity and the burning rate of the propellants contained AP were investigated.Furthermore,the relationship between size and critical initiation electron energy of AP particles,which would be used to explain the changing rules of the sensitivity and burning rate with the particle size of AP,was analyzed.It is instructive for safe application of superfine AP in propellants.

ammonium perchlorate；particle size；sensitivity；burning rate；critical initiation electron energy

2014-05-30；

：2014-07-28。

王玉姣(1986—)，女，碩士，主要從事含能材料研究。E-mail：wangyujiaode@126.com

V512

A

1006-2793(2015)01-0095-03

10.7673/j.issn.1006-2793.2015.01.018