疊氮硝胺發(fā)射藥強(qiáng)度的落錘撞擊實(shí)驗(yàn)研究

楊麗俠，張鄒鄒，楊建新，劉來東

（西安近代化學(xué)研究所，陜西 西安 710065）

引 言

發(fā)射藥應(yīng)具備較好的力學(xué)性能，以耐受火炮膛內(nèi)環(huán)境的動態(tài)沖擊作用，確保其可控、規(guī)律的燃燒。如果在膛內(nèi)燃燒時因發(fā)射藥自身的力學(xué)性能不佳而發(fā)生了材料破碎，就會明顯改變發(fā)射藥的燃燒規(guī)律，甚至?xí)蛉紵娣e的驟增而發(fā)生膛炸事故。然而，高能發(fā)射藥在高膛壓火炮中的受力環(huán)境復(fù)雜，作用時間極短，在射擊過程中，發(fā)射藥顆粒在膛內(nèi)存在固相與氣相、顆粒與顆粒以及顆粒與內(nèi)膛壁、彈底部等之間不同程度的沖擊、撞擊和相互擠壓作用，難以直接檢測膛內(nèi)藥粒的動態(tài)力學(xué)過程。因此，多采用模擬試驗(yàn)方法研究發(fā)射藥在火炮膛內(nèi)藥粒運(yùn)動狀態(tài)下的動態(tài)力學(xué)強(qiáng)度［1－5］，國外有伺服液壓試驗(yàn)法、氣體炮沖擊試驗(yàn)法、霍普金森桿試驗(yàn)法、落錘撞擊試驗(yàn)方法等。國內(nèi)多使用發(fā)射藥床撞擊與擠壓試驗(yàn)法、落錘撞擊試驗(yàn)法等，其方法多是將撞擊前后的發(fā)射藥進(jìn)行密閉爆發(fā)器燃燒實(shí)驗(yàn)，用相對燃面變化計算撞擊后發(fā)射藥的破碎度，表征發(fā)射藥的動態(tài)強(qiáng)度，但在研究中發(fā)現(xiàn)，撞擊后進(jìn)行藥粒收集時會造成藥粒的二次破壞，改變損傷藥粒的表面積，在計算發(fā)射藥破碎度的過程中引入了藥粒同時點(diǎn)火、平行層燃燒等假設(shè)以及實(shí)驗(yàn)偏差等，這些綜合影響因素導(dǎo)致該類方法的準(zhǔn)確度較差，難以分辨同一配方體系下各發(fā)射藥品種的動態(tài)力學(xué)強(qiáng)度。

疊氮硝胺發(fā)射藥具有能量高、燒蝕低、綜合性能優(yōu)良，在高性能坦克炮、中大口徑制式火炮等武器系統(tǒng)具有廣闊的應(yīng)用前景，由于此類高能藥為非均質(zhì)結(jié)構(gòu)，提高其材料的強(qiáng)度一直是研究重點(diǎn)。

為了模擬藥粒在膛內(nèi)撞擊彈底的高速沖擊過程，對炸藥撞擊感度用落錘實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行了改進(jìn)，設(shè)計了發(fā)射藥粒專用的撞擊工裝，并加裝了檢測系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的靜態(tài)力學(xué)實(shí)驗(yàn)用抗沖抗壓方法相比，無需制作特殊藥型，對制式多藥型樣品可直接檢測，且操作簡單方便、成本低。本實(shí)驗(yàn)采用自研的落錘撞擊裝置對疊氮硝胺發(fā)射藥的動態(tài)力學(xué)性能及影響因素進(jìn)行了研究，以期為配方優(yōu)化及動態(tài)力學(xué)增強(qiáng)機(jī)理研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，促進(jìn)該類高能發(fā)射藥的應(yīng)用。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置及儀器

設(shè)計的發(fā)射藥落錘撞擊實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由落錘儀、力傳感器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、撞擊工裝等組成，見圖1。

圖1 發(fā)射藥落錘撞擊實(shí)驗(yàn)裝置Fig.1 Drop weight test apparatus for gun propellant

力傳感器及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)：瑞士KISTLER公司9361B型壓電式力傳感器，量程為±60kN，固有頻率為28kHz。試驗(yàn)采樣頻率為500k／s；高低溫實(shí)驗(yàn)箱：泰安科技有限責(zé)任公司，溫度范圍－60～110℃，±2℃；BCJ型落錘儀：0～100cm，天津市建儀試驗(yàn)機(jī)有限責(zé)任公司。據(jù)資料報道［6］，發(fā)射藥的動態(tài)力學(xué)強(qiáng)度與其所受的應(yīng)變速率有關(guān)，常用的落錘裝置一般是固定錘重，改變落高，藥粒所受的應(yīng)變速率會隨著落高的變化而不同，本研究設(shè)計的落錘裝置可實(shí)現(xiàn)在相同落高下改變錘重，落錘（錘體與配重塊連接為一體）在1.0～10kg之間以0.1kg間隔可調(diào)，且下落和撞擊時穩(wěn)固，錘體和配重塊不發(fā)生沖撞。

1.2 發(fā)射藥配方及藥粒尺寸

疊氮硝胺發(fā)射藥配方（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）見表1。測試樣品均為溶劑法制作而成。采用制式高膛壓大口徑火炮用粒狀發(fā)射藥藥型，用21／19花邊模具制成，按照GJB770B－2005方法412.1小型藥藥型尺寸測量法測量藥型尺寸［7］，并計算各發(fā)射藥的橫截面積，測量及計算結(jié)果見表2。

表1 發(fā)射藥主要配方Table 1 Formulations of gun propellants

表2 測試樣品的藥型尺寸Table 2 Dimension and model of the samples

1.3 強(qiáng)度測試試驗(yàn)

為保證撞擊能均勻作用于被試樣品的橫截面上及實(shí)驗(yàn)結(jié)果的一致性，實(shí)驗(yàn)前將每粒被試樣品端面磨平，端面的平行度為0.03mm，垂直度好，每50粒發(fā)射藥樣品為1組。將被試樣品按粒依次裝入撞擊工裝，在高低溫箱內(nèi)保溫2h備用。試驗(yàn)時，撞擊工裝受到自固定落高自由下落的落錘一次撞擊作用，發(fā)射藥粒會出現(xiàn)完好、完整、裂紋和破碎等，目測發(fā)射藥撞擊后的響應(yīng)情況，并用工裝底部的力傳感器檢測發(fā)射藥粒受到的力值變化過程。固定落高，改變錘重，即在落錘撞擊速度一致的條件下，研究了高能發(fā)射藥的落錘撞擊響應(yīng)特性，落錘高度均為80cm，經(jīng)計算落錘撞擊樣品時的速度約為4m／s。

2 結(jié)果及討論

2.1 DAGR1基礎(chǔ)配方－40℃下的臨界撞擊能

發(fā)射藥的低溫冷脆特性是導(dǎo)致其使用安全隱患的主要原因，因此選擇試驗(yàn)溫度為－40℃。臨界撞擊能（Ea）是指在落錘撞擊試驗(yàn)時被試發(fā)射藥粒50%左右完好、其余發(fā)射藥粒出現(xiàn)裂紋或破碎時的撞擊能量。由于實(shí)際應(yīng)用中的發(fā)射藥截面積不同，即使同一模具制作，也因配方、工藝及材料的收縮或膨脹系數(shù)不同導(dǎo)致截面積的差異，故采用單位面積上的撞擊能來表征發(fā)射藥的抗撞擊損傷強(qiáng)度。完好藥粒的最大應(yīng)力為極限抗沖應(yīng)力，該參數(shù)可反映發(fā)射藥的動態(tài)力學(xué)強(qiáng)度，且可為發(fā)射裝藥模擬仿真提供邊界條件。計算公式為：

式中：Ea為單位面積上的撞擊能，J／cm2；m 為落錘質(zhì)量，kg；g為當(dāng)?shù)刂亓铀俣龋琺／s2；h為特性落高，m；S為樣品的橫截面積，cm2；σm為樣品的臨界應(yīng)力，MPa；Fm為樣品能承受的最大應(yīng)力值，kN。

共進(jìn)行4組撞擊試驗(yàn)，每組50粒，結(jié)果見表3。

表3 DAGR1樣品的撞擊試驗(yàn)結(jié)果（－40℃）Table 3 Drop weight test results of DAGR1（－40℃）

從表3試驗(yàn)結(jié)果可知，DAGR1樣品在落高80cm、落錘質(zhì)量5～6.6kg范圍內(nèi)完好率約為50%，采用統(tǒng)計分析的方法得到該配方的臨界撞擊能約為33J／cm2。該結(jié)果顯著優(yōu)于太根藥（Ea為18.8J／cm2）、硝胺藥（Ea為14.2J／cm2）、硝基胍藥（Ea為3.8J／cm2）［8］，表明疊氮硝胺發(fā)射藥具有較好的力學(xué)強(qiáng)度。

2.2 系列配方樣品的低溫抗撞擊損傷強(qiáng)度

根據(jù)不同樣品的橫截面積調(diào)節(jié)落錘質(zhì)量，確保樣品受到的撞擊能（33J／cm2）與DAGR1基礎(chǔ)配方樣品的臨界值接近，試驗(yàn)溫度為－40℃，落高為80cm，觀察樣品撞擊后的響應(yīng)情況，結(jié)果參見表4及圖2、圖3。

從表4和圖2可知，在落錘撞擊對比試驗(yàn)中，DAGR1基礎(chǔ)配方樣品及其調(diào)節(jié)配方的系列樣品，均有部分藥粒出現(xiàn)破碎，即低溫脆性解體。DAGR1基礎(chǔ)配方的完好率為46%，破碎率為18%，樣品的撞擊響應(yīng)處于低溫破碎臨界狀態(tài)，與DAGR1基礎(chǔ)配方樣品臨界撞擊能的結(jié)果一致。在相同的撞擊能下，DAGR2樣品的破碎率為96%，無完好藥粒，表明其低溫抗沖擊性能顯著低于DAGR1；DAGR4樣品的完好率為30%，破碎率為56%，強(qiáng)度較差；DAGR3樣品的完好率為44%，破碎率為22%，低溫下動態(tài)強(qiáng)度與DAGR1相當(dāng)。從相對完好率的數(shù)據(jù)可直觀反映樣品的低溫抗沖擊強(qiáng)度，含ETPE的DAGR3樣品較好，DAGR2強(qiáng)度差，DAGR4介于中間值。表4中樣品的臨界應(yīng)力（σm）與其完好率的變化趨勢有差異，DAGR4樣品的臨界應(yīng)力略大于完好率較好的DAGR3樣品，分析原因與其配方有關(guān)，DAGR4配方中RDX含量高，使其剛性略好（破壞形變略小），導(dǎo)致其臨界應(yīng)力值略高。

表4 幾種樣品的低溫撞擊試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Drop weight test results of the four kinds of gun propellants（－40℃）

圖2 DAGR1撞擊損傷典型圖片F(xiàn)ig.2 Photographs of the drop hammer impact fracture of DARG1

圖3 DAGR1完好藥粒的F－t曲線Fig.3 The F－t curve of the intact granule propellants of DAGR1

由上述結(jié)果可知，臨界撞擊能下發(fā)射藥落錘撞擊試驗(yàn)方法可以評價高能發(fā)射藥配方由于組分微調(diào)對樣品抗撞擊損傷強(qiáng)度的影響。

2.3 發(fā)射藥組分對抗撞擊損傷強(qiáng)度的影響分析

由高能疊氮硝胺發(fā)射藥配方可知，DAGR2與DAGR1基礎(chǔ)配方中的NC、RDX等含量相同，增塑劑（NG＋DIANP）的總質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為28%，區(qū)別在于DAGR1配方的NG質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%、DIANP質(zhì)量分?jǐn)?shù)為18%，而DAGR2配方中NG質(zhì)量分?jǐn)?shù)為18%、DIANP質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%，DIANP含量減少，使樣品的強(qiáng)度變差，表明在增塑劑總含量不變時增加DIANP含量可提高發(fā)射藥的低溫抗沖強(qiáng)度，與周敬等［9］研究結(jié)果一致，這主要是由于DIANP中的硝胺基團(tuán)、疊氮基團(tuán)和硝化棉形成氫鍵，其鍵能增加，使硝化棉和增塑劑間的界面粘結(jié)性能變好。

DAGR3配方是在DAGR2配方中添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.5%的熱塑性彈性體（ETPE），樣品的完好率和完整率顯著提高，表明外加ETPE可改善疊氮硝胺發(fā)射藥的低溫抗沖擊特性。ETPE是一種高分子聚酯黏合劑，具有能量高、密度大、機(jī)械感度低等優(yōu)點(diǎn)，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)力學(xué)性能。

DAGR4的抗撞擊損傷強(qiáng)度較差，這主要是由于其RDX固體含量增加，固體顆粒與硝化棉大分子之間存在的界面層難以形成牢固的粘接，在受到機(jī)械撞擊時，這些界面層容易發(fā)生“脫濕”現(xiàn)象，成為力學(xué)破壞的薄弱環(huán)節(jié)。

根據(jù)組分變化對其抗撞擊損傷強(qiáng)度影響分析可知，通過微調(diào)高能疊氮硝胺發(fā)射藥配方增塑劑中DIANP的含量，使用ETPE作為力學(xué)增強(qiáng)劑，以及減少固體顆粒含量等措施均有利于提高高能疊氮硝胺發(fā)射藥的抗撞擊損傷強(qiáng)度。

3 結(jié) 論

（1）采用發(fā)射藥落錘撞擊實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)測試了4種疊氮硝胺發(fā)射藥的強(qiáng)度。在落錘撞擊初速約為4.0m／s、溫度為－40℃條件下，DAGR1疊氮硝胺發(fā)射藥的臨界撞擊能約為33J／cm2，其臨界抗沖應(yīng)力約為262MPa，高能疊氮硝胺發(fā)射藥的低溫抗沖擊強(qiáng)度優(yōu)良。

（2）添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.5%的ETPE可改善發(fā)射藥的低溫抗沖強(qiáng)度；增塑劑總含量不變，增加DIANP的含量可提高發(fā)射藥的低溫抗沖強(qiáng)度。4種配方低溫抗沖強(qiáng)度排序?yàn)镈ARG1＞DAGR3＞DAGR4＞DAGR2。

［1］ 葉敏.火炮膛內(nèi)藥床撞擊與擠壓的實(shí)驗(yàn)研究［D］.南京：南京理工大學(xué)，2010.YE Min.Study of the compression and impact of the gun charge bed［D］.Nanjing：Nanjing University of Science and Technology，2010.

［2］ 馮賓賓，芮筱亭，徐浩，等.發(fā)射過程中某硝胺發(fā)射裝藥的動態(tài)擠壓破碎情況［J］.火炸藥學(xué)報，2012，35（2）：70－73.FENG Bin－bin，RUI Xiao－ting，XU Hao，et al.Dynamic compression fracture condition of one nitroamine propellant charfe during laungh course［J］.Chinese Journal of Explosives and Propellants，2012，35（2）：70－73.

［3］ 索濤，鄧瓊，苗應(yīng)剛，等.基于Hopkinson壓桿實(shí)驗(yàn)技術(shù)的含能材料動態(tài)力學(xué)性能測試方法研究進(jìn)展［J］.火炸藥學(xué)報，2010，33（2）：5－9.SUO Tao，DENG Qiong，MIAO Ying－gang，et al.Progress in experimental determination of dynamic mechanical behaviors of energetic materials based on split hopkinson pressure bar［J］.Chinese Journal of Explosives and Propellants.2010，33（2）：5－9.

［4］ Petre C F，Tanguan V，Brousseau P，et al.Use of drop weight and hot fragment conductive ignition tests to characterize new green and insensitive gun propellants［C］∥ 42nd International Annual Conference of ICT.Karlsruhe：ICT，2011.

［5］ 邢浴仁.粒狀發(fā)射藥抗沖強(qiáng)度落錘實(shí)驗(yàn)方法［J］.火炸藥學(xué)報，1994，6（2）：12－22.XING Yu－ren.A drop hammer test method of granule of gun propellantto measure impact intensity［J］.Chinese Journal of Explosives and Propellants，1994，6（2）：12－22.

［6］ Gazonas G A.A uniaxial nonlinear viscoelastic constitutive model with damage for M30gun propellant，ARL－TR－115［R］.Maryllant：US Army Research Laborotory，1993.

［7］ GJB770B—2005，火藥實(shí)驗(yàn)方法［S］.2005.

［8］ 周敬，楊麗俠，陳曉明，等.發(fā)射藥落錘撞擊實(shí)驗(yàn)及評價方法［J］.爆破器材，2014（2）：15－19.ZHOU Jing，YANG Li－xia，CHEN Xiao－ming，et al.Discussion of the experiment and evaluation methods of propellants under the dropping hammer impact［J］.Explosive Materials，2014（2）：15－19.

［9］ 周敬，楊麗俠，陳曉明，等.RDX基高能發(fā)射藥的抗撞擊損傷性能［J］.火炸藥學(xué)報，2013，36（6）：86－90 ZHOU Jing，YANG Li－xia，CHEN Xiao－ming，et al.Study of the impact fracture property of RDX－based high－energy propellants［J］.Chinese Journal of Explosives and Propellants，2013，36（6）：86－90.