任鵬亮, 馬忠亮, 劉保順
(中北大學(xué),山西 太原 030051)
隨著現(xiàn)代武器裝備的不斷發(fā)展,為了提高武器威力,滿足現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)對(duì)于武器性能的要求,作為武器能源物質(zhì)的發(fā)射藥成為了研究重點(diǎn)。國(guó)內(nèi)外研究表明,高裝填密度裝藥技術(shù)可以有效地提高槍炮武器彈道性能,而藥粒形狀及尺寸是影響裝填密度的主要因素之一,從提高裝填密度和減小初始燃燒表面這2個(gè)因素來(lái)考慮,球形藥粒最為理想,但球形藥的燃燒減面性較大[1]。為了克服球形藥的這個(gè)缺點(diǎn),生產(chǎn)工藝上一般將球形藥做成球扁狀,減弱其燃燒的減面性,然后對(duì)藥粒表面進(jìn)行鈍化處理,使球扁藥的線性燃速呈漸增變化趨勢(shì),從而彌補(bǔ)了因藥粒本身呈減面燃燒所引起產(chǎn)氣速率降低的缺點(diǎn)[2]。
根據(jù)國(guó)內(nèi)外目前研究情況來(lái)看,用來(lái)改善球扁形發(fā)射藥減面燃燒的方法已有不少。本文根據(jù)制作工藝原理的不同,分述了不同改善方法的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì),希望能為球扁形發(fā)射藥的研究提供一些參考。
發(fā)射藥表面鈍感處理技術(shù)的原理,是用鈍感劑在發(fā)射藥的表層滲透一層生成熱焓較小的物質(zhì),然后在發(fā)射藥內(nèi)、外層形成鈍感劑的濃度梯度分布,在燃燒初期,發(fā)射藥的燃燒速率會(huì)相對(duì)減緩,鈍感劑含量會(huì)隨著燃燒的進(jìn)行而減少,在燃燒的中后期,發(fā)射藥燃?xì)馍伤俾手饾u增大,整體達(dá)到漸增性燃燒效果,發(fā)射藥經(jīng)表面鈍感處理后不僅初始燃燒速率降低,而且可解決發(fā)射藥初始燃?xì)馍伤俾蔬^(guò)快而導(dǎo)致膛內(nèi)壓力波過(guò)大的問(wèn)題[3]。另外,鈍感發(fā)射藥的漸增性燃燒,可以提高發(fā)射藥的能量轉(zhuǎn)換率,從而增大彈丸的炮口動(dòng)能。
1943 年,美國(guó)人J.O.Hirschfelder提出了發(fā)射藥鈍感處理原理[4]。在20世紀(jì)70年代,美國(guó)一家公司把用聚酯處理過(guò)的鈍感球形藥與用乙基中定劑(C1)處理的球形藥進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn),在60℃下加速老化6周后,用聚酯鈍感的發(fā)射藥老化前、后性能變化不大,而用C1處理時(shí)膛壓增高了23.6%[5]。同一時(shí)期,美國(guó)曾對(duì)各種經(jīng)過(guò)鈍感處理的輕武器發(fā)射藥進(jìn)行熱化學(xué)和燃速特性測(cè)定,另外,關(guān)于鈍感劑的遷移特性,各國(guó)研究人員也進(jìn)行了大量研究,如,鄰苯二甲酸二丁酯(DBP)、苯二甲酸二異丁酯、苯二甲酸二苯酯等。到20世紀(jì)90年代,瑞士科研人員用擠壓浸漬法成功地解決了鈍感發(fā)射藥能量低的問(wèn)題[6]。美國(guó)采用線性聚酯作鈍感劑對(duì)7孔M9發(fā)射藥進(jìn)行處理,研究表明,在溫度55℃、時(shí)間45min左右的鈍感工藝條件下,該體系可得到較好的鈍感效果[7]。美國(guó)Olin公司用乙酸丙酸纖維素、乙酸丁酸纖維素等纖維素基熱塑性聚合物作鈍感劑進(jìn)行研究,結(jié)果表明,該類鈍感劑和NC基發(fā)射藥之間有很好的物理化學(xué)相容性[8]。
2001 年,德國(guó)Langlotz Walter等[9]對(duì)一種用二硝基重氦增塑劑和硝胺類發(fā)射藥混合形成的發(fā)射藥裝藥進(jìn)行研究試驗(yàn),結(jié)果表明,在-50℃~70℃的溫度區(qū)間內(nèi),這種混合裝藥表現(xiàn)出很好的低溫感效果,這項(xiàng)技術(shù)可以將常規(guī)裝藥的彈道性能提高10%~20%。2003年,Manning等[10]用石墨包覆鈍感方法對(duì)火炸藥等高能物質(zhì)表面進(jìn)行鈍感處理,以猛炸藥CL-20為例,先用惰性溶劑將石墨與CL-20均勻混合,然后除去溶劑,結(jié)果表明,此種鈍感方法的效果十分顯著。Javaid等[11]用HTPB與含有特殊物質(zhì)的NC制備成納米復(fù)合物,然后對(duì) HNF(硝仿肼)進(jìn)行鈍感處理,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該方法鈍感效果顯著,且無(wú)明顯的能量損失。Sanjeev K Singh等[12]在2012年用蠟鈍感劑的方法對(duì)奧克托今等進(jìn)行鈍感處理,通過(guò)加熱混合攪拌的方法,實(shí)現(xiàn)了對(duì)含能固體顆粒的完全包覆,不僅避免了熱點(diǎn)的出現(xiàn),還增加了一定的可塑性。
國(guó)內(nèi)關(guān)于發(fā)射藥、球扁藥的鈍感處理也有很多研究。國(guó)內(nèi)的學(xué)者在早期研究和分析了包括聚乙二醇、中定劑、鄰苯二甲酸二丁酯等在內(nèi)的多種鈍感劑的遷移特性和燃燒特性[4,13-15]。在總結(jié)和分析國(guó)內(nèi)外鈍感技術(shù)研究成果的基礎(chǔ)上提出了深鈍感技術(shù)[16]。1999年,丁錫等[17]提出了乳液包覆鈍感技術(shù),他們采用二氧化鈦?zhàn)麾g感劑,配制懸濁包覆液進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究,實(shí)現(xiàn)了小粒藥的懸濁液鈍感多層包覆。2003年,袁偉忠等[18]經(jīng)過(guò)研究發(fā)現(xiàn),用鄰苯二甲酸二丁酯作為鈍感劑鈍感過(guò)的單基、雙基球扁藥有符合要求的藏貯性能。王倡春等[19]通過(guò)對(duì)球扁藥鈍感后定容燃燒性能的分析,獲取了大量有關(guān)工藝參數(shù)對(duì)球扁藥成型、鈍感效果影響的數(shù)據(jù)和規(guī)律。王莉萍等[20]研究了一種用二甲基丙烯酸乙二醇酯(EGDMA)作為鈍感劑,用BPO作引發(fā)劑的鈍感工藝;并且在用DBP作鈍感劑對(duì)多孔性球扁藥鈍感的條件下,分析了不同工藝條件,如,鈍感劑加入量、鈍感時(shí)間對(duì)鈍感效果的影響。
2007 年,堵平、何衛(wèi)東等[21]選擇合適的純感工藝,使鈍感劑PEDMA在單基藥表層形成鈍感層,在聚合物鈍感層與發(fā)射藥基體之間形成過(guò)渡的互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),熱分解研究表明,PEDMA鈍感發(fā)射藥改變了傳統(tǒng)單基藥的燃燒規(guī)律。2009年,力小安[22]首創(chuàng)地將1,3-偶極環(huán)加成反應(yīng)引入發(fā)射藥鈍感體系內(nèi),設(shè)計(jì)合成了一類新型鈍感劑材料,這種方法制備的鈍感藥不僅漸增性燃燒效果,且長(zhǎng)儲(chǔ)穩(wěn)定性優(yōu)良。2010年,孟凡軍等[23]選擇聚甲基丙烯酸縮水甘油酯(PGMA)和偏苯三甲酸三辛酯(TOTM)和為鈍感劑,研究了球形藥“一步法”中各種因素對(duì)鈍感效果的影響。2014年,黃振亞[24]采用均苯三甲酸三炔丙酯TPTM和聚己二酸丙二醇酯(PPA)分別對(duì)DA發(fā)射藥進(jìn)行表面鈍感對(duì)比實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,兩者都可以獲得良好的鈍感效果,但在熱加速老化試驗(yàn)中,TPTM的長(zhǎng)儲(chǔ)穩(wěn)定效果明顯優(yōu)于PPA。
經(jīng)過(guò)閱讀大量參考文獻(xiàn)可以發(fā)現(xiàn),國(guó)外關(guān)于發(fā)射藥鈍感技術(shù)的研究,重點(diǎn)主要是在鈍感劑的選擇與合成上,不僅是聚氨酯等高分子鈍感材料,還有石墨、蠟類等具有特殊鈍感效果的材料。而國(guó)內(nèi)在選擇合適鈍感劑進(jìn)行研究的同時(shí),也對(duì)相關(guān)的鈍感工藝進(jìn)行了探究和改進(jìn)。另外,除了鈍感劑本身性能和鈍感工藝的研究外,鈍感劑擴(kuò)散機(jī)理的研究可以根據(jù)不同的發(fā)射藥體系特征選擇不同的鈍感劑,而鈍感劑濃度梯度分布的檢測(cè)可以測(cè)試鈍感劑的擴(kuò)散性能和遷移性能,這不僅有利于優(yōu)化改進(jìn)鈍感工藝,還可以研究鈍感劑的遷移性,對(duì)鈍感發(fā)射藥長(zhǎng)儲(chǔ)穩(wěn)定性和使用壽命都有重大影響,因此,關(guān)于鈍感劑的擴(kuò)散機(jī)理、檢測(cè)方法還有鈍感發(fā)射藥的性能表征等也都是鈍感技術(shù)需要研究關(guān)注的內(nèi)容[7]。
除了使用鈍感劑改善球扁形發(fā)射藥的燃燒性能外,還可以使用微孔技術(shù)提高球扁藥的燃燒性能。微孔多孔技術(shù)可以增加發(fā)射藥的燃燒面積,而控制燃燒面積可以有效地控制發(fā)射藥燃燒性能,通過(guò)改變發(fā)射藥的物理結(jié)構(gòu),使其具有一種微孔結(jié)構(gòu),在燃燒后期,發(fā)射藥會(huì)因?yàn)檫@些內(nèi)部微孔而突然增加燃燒面積,燃燒速率在極短時(shí)間內(nèi)得到極大提高,燃燒漸增性明顯加強(qiáng)[25]。傳統(tǒng)多氣孔發(fā)射藥的制備方法是在普通單基發(fā)射藥的制備工藝基礎(chǔ)上,用水溶性的無(wú)機(jī)鹽(如硝酸鉀)與其他物料均勻混合,成型后水浸,將無(wú)機(jī)鹽溶出,干燥后的藥粒中就會(huì)形成大量泡孔,但這種制備方法缺點(diǎn)明顯,不僅工藝繁瑣,所得藥粒的孔隙大小和分布也并不均勻;發(fā)泡發(fā)射藥是在物料中加入發(fā)泡劑,成型過(guò)程中,通過(guò)發(fā)泡使藥體形成多氣孔結(jié)構(gòu),這項(xiàng)技術(shù)最初是為了獲得高燃速的推進(jìn)劑,后來(lái)得以應(yīng)用在微氣孔球扁藥的制備上[26]。超臨界流體技術(shù)制備微孔發(fā)泡材料的基本原理,是將超臨界流體擴(kuò)散進(jìn)入聚合物基體中充分飽和,并形成了聚合物/超臨界流體均相體系,當(dāng)體系處于熱力學(xué)不穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)就會(huì)在聚合物基體中引發(fā)成核,氣體擴(kuò)散進(jìn)入形成泡孔,最后使泡孔定型形成微孔結(jié)構(gòu)[25]。
2001 年,F(xiàn)ischer等[26]研究制備了以聚氨酯為黏合劑的微孔泡沫發(fā)射藥,這類發(fā)射藥具有微孔透氣性,容易形成對(duì)流燃燒,通過(guò)感度測(cè)試,該發(fā)射藥表現(xiàn)出爆燃特性。Jutta等[27]以泡沫發(fā)射藥和含能聚合物作為主體材料進(jìn)行研究,分別加入發(fā)泡劑、水和填料進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果發(fā)現(xiàn),加發(fā)泡劑的泡沫體積最大,加有水的泡沫發(fā)泡溫度最高,而加入填料則有利于降低發(fā)泡溫度和發(fā)泡壓力。Chris A Van D等研究了由傳統(tǒng)工藝制得的單基多孔發(fā)射藥的燃燒特征。藺向陽(yáng)等[28]采用RIM(注射反應(yīng)成型技術(shù))方法成功地制備出泡沫發(fā)射藥,并實(shí)現(xiàn)了小規(guī)模生產(chǎn),建立了一個(gè)半連續(xù)的注射反應(yīng)成型裝置。最近幾年,國(guó)外又研究了壓力對(duì)多孔發(fā)射藥燃燒特性的影響[29],經(jīng)研究測(cè)定發(fā)現(xiàn),當(dāng)壓力差值超過(guò)特定的臨界閾,多孔發(fā)射藥的燃燒方式將會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)流型傳熱的爆燃階段,甚至?xí)?dǎo)致局部自點(diǎn)火。
早在2001年,熊立斌等[30]將KNO3與硝化纖維素藥粉混勻,經(jīng)塑化、擠壓、切藥、晾藥、成形、浸泡等工藝制得外層有致密元?dú)饪?,而?nèi)層較均勻地分布著大量小孔的成形藥。2004年,王莉萍等[20]在大尺寸球扁藥的漸增性燃燒性能研究中,同樣利用硝酸鉀作為增孔劑完成了大尺寸球扁藥的制造,并設(shè)計(jì)出了完整的成型工藝。藺向陽(yáng)等[28]對(duì)單基微氣孔球扁藥的常壓燃燒特征進(jìn)行了研究,結(jié)果發(fā)現(xiàn),單基微氣孔球扁藥的質(zhì)量燃速會(huì)隨著試樣堆積密度的降低而逐漸增加;質(zhì)量燃速對(duì)試樣初溫敏感,且隨著試樣裝藥直徑和球扁藥粒徑的增大會(huì)有顯著提高。2011年,他們[29]又對(duì)微氣孔球形藥的定容燃燒性能進(jìn)行了研究,結(jié)果表明,樣品堆積密度減小,球形藥內(nèi)部孔隙變大;在堆積密度相同的條件下,燃?xì)馍伤俾逝c壓力上升速率成正比;隨著堆積密度的降低,發(fā)射藥燃燒漸增性顯著增強(qiáng)。殷繼剛等[31]在2006年提出了用微膠囊法制備多氣孔球扁藥的新工藝,并成功地制備出了具有多氣孔結(jié)構(gòu)的球扁形發(fā)射藥。2007年,寇波等[32]設(shè)計(jì)出了具備殼芯結(jié)構(gòu)的分層多氣孔球形藥(LPBP),并提出了制備LPBP的2種工藝路線。
2009 年,李文祥等[33]設(shè)計(jì)并制備了一種具有內(nèi)松外密、高燃燒漸增性的徑向變密度球扁藥,在工藝過(guò)程中對(duì)試驗(yàn)條件進(jìn)行了優(yōu)化處理,并研究了徑向變密度球扁藥的物理結(jié)構(gòu)和燃燒性能的關(guān)系。陳西如等[34]采用超臨界流體技術(shù)升溫發(fā)泡工藝制備出了一種具有微孔結(jié)構(gòu)的球扁藥,他們分析了發(fā)泡過(guò)程中泡孔的成核和長(zhǎng)大機(jī)理,研究了CO2含量和粒子對(duì)泡孔形貌的影響,研究發(fā)現(xiàn),平均泡孔直徑會(huì)隨著球扁藥中CO2含量的降低而減小,另外,利用密閉爆發(fā)器實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明,微孔球扁藥的燃燒漸增性能良好,且可以通過(guò)控制泡孔形貌來(lái)調(diào)節(jié)它的燃燒性能。郭長(zhǎng)平等[35]以改進(jìn)“一步法”工藝、消除微孔球扁藥大孔孔壁中的通孔結(jié)構(gòu)為目的,采用添加不同量?jī)?nèi)水相和化學(xué)發(fā)泡法2種方法來(lái)控制球扁藥中閉孔結(jié)構(gòu)的形成。2014年,尹汪龍等[25]利用超臨界CO2發(fā)泡技術(shù),采用分步升溫法成功制備出了一種具有“皮-芯”結(jié)構(gòu)的微孔雙基球扁藥,并研究了不同工藝條件(飽和溫度、飽和壓力、解吸附時(shí)間和發(fā)泡溫度等)對(duì)其泡孔形貌和皮層厚度的影響規(guī)律。
1)鈍感劑的使用不僅僅是局限于球扁藥這一藥型,基于目前發(fā)射藥鈍感技術(shù)普遍化的研究成果來(lái)看,研發(fā)具有優(yōu)良綜合性能的新型鈍感發(fā)射藥是這一技術(shù)的主要方向。在球扁藥的實(shí)際生產(chǎn)中,我們所用的鈍感劑仍是國(guó)外20世紀(jì)的研究成果,而且國(guó)內(nèi)關(guān)于球扁藥的自動(dòng)化連續(xù)生產(chǎn)設(shè)備和工藝也并不成熟,另外,目前球扁藥的應(yīng)用局限于中小口徑的武器系統(tǒng),我們應(yīng)該加強(qiáng)新型多品種球扁藥的研究與合成,讓球扁藥可以應(yīng)用在更大口徑、更廣范圍的武器系統(tǒng)中。
2)微孔技術(shù)已經(jīng)在球扁發(fā)射藥研究領(lǐng)域占據(jù)了較高地位,它是通過(guò)在球扁藥內(nèi)部產(chǎn)生微氣孔來(lái)增加其燃燒面積,和鈍感技術(shù)相比,微孔技術(shù)更像是一種改變球扁藥內(nèi)在結(jié)構(gòu)的物理方法,但實(shí)驗(yàn)和研究證明,這種方法效果明顯,對(duì)改善球扁藥的燃燒漸增性有極大作用,可以預(yù)見,在未來(lái)球扁藥的研究發(fā)展中,這一技術(shù)將扮演重要角色。
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