一種高能點(diǎn)火藥制備與性能測試

李昊杰，王保國，王 智

(1. 中北大學(xué) 地下目標(biāo)毀傷技術(shù)國防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051； 2. 中核新能核工業(yè)工程有限責(zé)任公司，山西 太原，030012)

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一種高能點(diǎn)火藥制備與性能測試

李昊杰1，王保國1，王 智2

(1. 中北大學(xué) 地下目標(biāo)毀傷技術(shù)國防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051； 2. 中核新能核工業(yè)工程有限責(zé)任公司，山西 太原，030012)

為解決高熱燃燒劑難點(diǎn)燃的難題，本文以KNO3，MnO2為氧化劑； Mg，Al為可燃劑； 聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、 酚醛樹脂(PF)為粘結(jié)劑，設(shè)計(jì)了一種雙層包覆結(jié)構(gòu)高能點(diǎn)火藥，采用溶劑蒸發(fā)-重結(jié)晶包覆工藝制備出了該高能點(diǎn)火藥，并對其主要性能進(jìn)行了測試和點(diǎn)燃性的初步驗(yàn)證. 結(jié)果表明： 該點(diǎn)火藥的5 s延滯期的爆發(fā)點(diǎn)為303 ℃，殘?jiān)蕿?3.28%，摩擦感度為40%，撞擊感度為16%，靜電火花感度為0%，能可靠點(diǎn)燃試驗(yàn)中的高熱燃燒劑.

高能點(diǎn)火藥； 火藥制備； 火藥點(diǎn)燃性

0 引 言

研究表明，燃燒彈已成為戰(zhàn)場上對敵進(jìn)行殺傷的有效手段[1]，但由于裝填燃燒彈的高熱燃燒劑是很難點(diǎn)燃的煙火藥劑，因此，需要數(shù)種傳火藥[2]實(shí)現(xiàn)其點(diǎn)火功能，導(dǎo)致點(diǎn)火結(jié)構(gòu)復(fù)雜、 尺寸大，不能滿足現(xiàn)代戰(zhàn)爭對武器彈藥小型化和高可靠性的要求. 因此，需要研制一種用于直接點(diǎn)燃高熱燃燒劑的高能點(diǎn)火藥，實(shí)現(xiàn)其方便、 可靠的引燃.

黑火藥由于其燃燒時(shí)能產(chǎn)生大量氣體，易于建立起點(diǎn)火壓力，且火焰長度長等優(yōu)點(diǎn)，作為點(diǎn)火藥，在彈藥上廣泛應(yīng)用，但它的主要缺點(diǎn)是吸濕，低壓下燃燒性能不好[3]. 田春雷[4]以KNO3，Mg，Al，S作為點(diǎn)火藥的組分, 采用干混法制備點(diǎn)火藥，能可靠點(diǎn)燃試驗(yàn)中的鋁熱劑. 但其存在以下問題： ① KNO3分解產(chǎn)生的N2會使部分熱量散失，導(dǎo)致其殘?jiān)屎蜔崃拷档?，從而影響其點(diǎn)火能力； ② S的粘結(jié)性差，導(dǎo)致藥柱的力學(xué)性能降低，且燃燒產(chǎn)生SO2氣體，既降低了殘?jiān)屎蜔崃?，又對環(huán)境造成一定程度的污染； ③ 干混法存在操作安全性低、 易產(chǎn)生粉塵、 組分間密度的差異導(dǎo)致其混合不均勻等缺點(diǎn).

本文結(jié)合XX燃燒彈的特殊要求，在研究高熱燃燒劑和點(diǎn)火藥技術(shù)要求的基礎(chǔ)上，以文獻(xiàn)[4]的配方為基礎(chǔ)配方，以KNO3, MnO2為氧化劑，以Mg, Al為可燃劑，以聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、 酚醛樹脂(PF)為粘結(jié)劑，采用溶劑蒸發(fā)-重結(jié)晶包覆工藝制備出了該高能點(diǎn)火藥，并對其主要性能進(jìn)行了測試和點(diǎn)燃性的初步驗(yàn)證.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

試劑： 硝酸鉀，分析純，天津市恒興化學(xué)試劑制造有限公司出品； 二氧化錳，分析純，天津博迪化工股份有限公司出品； 鎂粉，分析純，天津市恒興化學(xué)試劑制造有限公司出品； 鋁粉，分析純，天津市恒興化學(xué)試劑制造有限公司出品； PF，分析純，山西新聯(lián)友化學(xué)工業(yè)有限公司出品； PVP，分析純，山西新聯(lián)友化學(xué)工業(yè)有限公司出品； 無水乙醇，符合GBT 678-2002的技術(shù)要求，天津市天大化學(xué)試驗(yàn)廠出品； 5類黑火藥，符合《黑火藥規(guī)范》(GJB1056A-2004)技術(shù)要求，山西北方晉東化工有限公司出品.

儀器： 電子天平，0～600 g，分度值0.01 g，浙江省凱豐集團(tuán)有限公司出品； 電子分析天平，精度值0.000 1 g，北京光學(xué)儀器廠出品； AHX-871安全型烘箱，南京理工大學(xué)出品； 恒溫?cái)嚢柩b置，杭州瑞佳精密儀器有限公司出品； 125 mL蒸餾燒瓶，帶蒸餾裝置，天津市玻璃儀器有限公司出品.

1.2 制備過程

本實(shí)驗(yàn)采用溶劑蒸發(fā)-重結(jié)晶包覆工藝，即隨著溶劑的揮發(fā)，氧化劑首先從懸浮液中重結(jié)晶析出并包覆在可燃劑的表面，然后粘結(jié)劑相變析出并包覆在藥劑的表面[5]，得到高能點(diǎn)火藥. 其制備工藝流程如圖 1 所示.

圖 1 高能點(diǎn)火藥制備工藝流程Fig.1 Preparation flow of High-energy ignition compositionhigh-heat

① 量取適量蒸餾水倒入燒杯中，稱量0.2 g PVP和5.2 g KNO3倒入燒杯中，攪拌使其完全溶解； ② 稱量2.0 g Al粉并倒入PVP, KNO3的水溶液中，待其攪拌均勻后，設(shè)定加熱溫度和攪拌速度，使水以一定的速度蒸發(fā)，KNO3從溶液中重結(jié)晶析出并包覆在Al粉的表面，PVP隨后相變析出并包覆在鋁粉和KNO3的表面，得到固體混合物； ③ 量取無水乙醇倒入燒杯中，將稱量好的0.2 g PF倒入燒杯，攪拌，使PF完全溶于酒精； ④ 稱量0.6 g MnO2固體和1.8 g Mg粉并混合均勻，將其和第二步得到的混合物加入到PF的酒精溶液中并攪拌均勻； ⑤ 設(shè)定加熱溫度和攪拌速度，無水乙醇以一定的速度蒸發(fā)，PF從溶液中相變析出，包覆在它們的表面，得到具有雙包覆層的高能點(diǎn)火藥. 乙醇蒸氣通過冷凝裝置進(jìn)行回收. 當(dāng)無水乙醇基本蒸干時(shí)，停止加熱，并收集在蒸發(fā)皿中.

1.3 性能測試

1.3.1 爆發(fā)點(diǎn)

按照 GJB 770B-2005 火藥試驗(yàn)方法606.1 爆發(fā)點(diǎn)5 s延滯期法，對高能點(diǎn)火藥進(jìn)行試驗(yàn)[6]，試驗(yàn)條件： 藥量(10±2) mg，取10 ℃為步長.

1.3.2 撞擊感度

按照GJB 770B-2005 火藥試驗(yàn)方法601.1撞擊感度爆炸概率法，對高能點(diǎn)火藥進(jìn)行試驗(yàn)[6]，試驗(yàn)條件： 落錘質(zhì)量為(5.000±0.005) kg，藥量為(30±1) mg，落高： (25±1) cm； 試驗(yàn)溫度為室溫(20±2) ℃，相對濕度不大于80%.

1.3.3 摩擦感度

按照GJB 770B-2005 火藥試驗(yàn)方法602.1摩擦感度爆炸概率法，對高能點(diǎn)火藥進(jìn)行試驗(yàn)[6]，試驗(yàn)條件： 表壓為3.92 MPa，擺角為(90±1)°，藥量為(20±1) mg，試驗(yàn)溫度為室溫(20±2) ℃，相對濕度不大于80%.

1.3.4 靜電感度

按照 GJB 2178.7A-2005 傳爆藥安全性試驗(yàn)方法，靜電感度爆炸概率法，對高能點(diǎn)火藥進(jìn)行靜電感度試驗(yàn)[7]，試驗(yàn)條件： 藥量為(20±1) mg，連續(xù)試驗(yàn)20發(fā)，試驗(yàn)溫度為室溫(20±2) ℃，相對濕度不大于80%.

1.4 固體殘?jiān)蕼y試

取一定質(zhì)量(10.00±0.01) g高能點(diǎn)火藥進(jìn)行點(diǎn)燃，然后稱量燃燒后的固體殘?jiān)|(zhì)量，將點(diǎn)燃前后質(zhì)量進(jìn)行比較，以2次試驗(yàn)結(jié)果的算術(shù)平均值作為其固體殘?jiān)?

圖 2 點(diǎn)火試驗(yàn)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Diagrammatic sketch of ignition test

1.5 高熱燃燒劑的點(diǎn)燃性試驗(yàn)

根據(jù)燃燒彈中點(diǎn)火藥、 高熱燃燒劑的裝藥結(jié)構(gòu)，按照高能點(diǎn)火藥粉、 高能點(diǎn)火藥藥柱和高熱燃燒劑藥柱的點(diǎn)火結(jié)構(gòu),進(jìn)行2組點(diǎn)燃性試驗(yàn). 結(jié)構(gòu)如圖 2 所示.

2 結(jié)果與討論

2.1 原材料選擇

點(diǎn)火能力是一個(gè)綜合的考核指標(biāo)，研究表明[2]： 產(chǎn)生大量熱熔渣的點(diǎn)火藥，因其熱量大而反映出其點(diǎn)火能力強(qiáng)； 少氣體的點(diǎn)火藥因產(chǎn)生大量灼熱熔渣留在被點(diǎn)燃的主裝藥表面上，使得主裝藥獲得較多的熱量而引燃. 因此，選擇生成更多固體殘?jiān)腿紵裏岽蟮难趸瘎┖涂扇紕┮约罢辰Y(jié)效果更好的粘結(jié)劑，以提高其能量、 殘?jiān)屎忘c(diǎn)火能力.

1) 氧化劑： 點(diǎn)火藥常用的氧化劑主要有KNO3，PTFE，KClO4等[2]. KNO3具有熔點(diǎn)低、 相對分子質(zhì)量小，放出氧氣多，分解熱小等優(yōu)點(diǎn)，常用作點(diǎn)火藥的氧化劑，但KNO3分解會生成N2，使熱量散失，降低點(diǎn)火性能； MnO2分解溫度為535 ℃，與點(diǎn)火藥發(fā)火點(diǎn)要求相當(dāng)，但它分解時(shí)只產(chǎn)生氧氣且MnO2燃燒熱比KNO3高，所以本實(shí)驗(yàn)選用MnO2替代部分文獻(xiàn)[4]中的KNO3作為高能點(diǎn)火藥的氧化劑.

2) 可燃劑： 為了提高點(diǎn)火能量，高能點(diǎn)火藥的可燃劑一般選用Mg粉、 Al粉或B粉等燃燒熱較大的高能粉末 . Al粉燃燒會釋放出大量的熱，并生成Al2O3固體殘?jiān)?與Al粉相比，Mg粉燃燒熱較小、 與水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，但它在空氣中的發(fā)火點(diǎn)較低，易點(diǎn)燃. 用Mg和Al作為復(fù)合可燃劑，不僅可以降低點(diǎn)火藥的發(fā)火點(diǎn)，而且燃燒反應(yīng)會放出大量的熱，同時(shí)生成大量的固體殘?jiān)街诟邿崛紵齽┍砻妫鼓芰康靡蕴嵘? 所以本實(shí)驗(yàn)選用Mg粉和Al粉作為可燃劑.

3) 粘結(jié)劑： 粘結(jié)劑分為天然粘結(jié)劑和人工合成粘結(jié)劑[2]. PF和PVP是煙火藥劑中常用的粘結(jié)劑,PF易溶于無水乙醇，PVP易溶于水. 它們的粘結(jié)能力強(qiáng)，能使可燃劑與氧化劑混合更加均勻，同時(shí)抗腐蝕性能好，含氧量高，具有較高的燃燒熱，不產(chǎn)生有毒有害氣體. 所以本實(shí)驗(yàn)選用PF和PVP作為復(fù)合粘結(jié)劑取代文獻(xiàn)[4]中的S.

2.2 溶劑和懸浮劑的選擇

根據(jù)重結(jié)晶溶劑選擇原則[8]，選擇水和無水乙醇作為溶劑. 水價(jià)格低廉，原料易得，且無污染，所以，以水作為KNO3，PVP的溶劑和鋁粉的懸浮劑； 無水乙醇表面張力小于水，對粒子潤濕性更強(qiáng)，可以加大分散性，沸點(diǎn)為78.3 ℃，易于揮發(fā)，所以，選擇無水乙醇作為PF的溶劑和Mg的懸浮劑.

2.3 性能測試

2.3.1 爆發(fā)點(diǎn)

表 1 為高能點(diǎn)火藥與黑火藥的爆發(fā)點(diǎn)測試結(jié)果.

表 1 爆發(fā)點(diǎn)測試結(jié)果

從表1中可以看出，高能點(diǎn)火藥比黑火藥的5 s爆發(fā)點(diǎn)降低了7 ℃. 分析認(rèn)為： 高能點(diǎn)火藥粒度較細(xì)，受熱均勻，單位質(zhì)量物質(zhì)的接觸面積變大，而且包覆在外層的Mg著火點(diǎn)低，易點(diǎn)燃，使爆發(fā)點(diǎn)降低； 同時(shí)高能點(diǎn)火藥中的金屬組分都是熱的良導(dǎo)體，導(dǎo)熱性能高于碳(Al的導(dǎo)熱系數(shù)為237 W/mK； Mg的導(dǎo)熱系數(shù)為148 W/mK； 碳的導(dǎo)熱系數(shù)129 W/mK)，使得其爆發(fā)點(diǎn)降低； 粘結(jié)劑PF和PVP受熱后軟化要吸收一定熱量,使得其爆發(fā)點(diǎn)升高. 以上的綜合作用使高能點(diǎn)火藥5 s爆發(fā)點(diǎn)比黑火藥有所降低.

2.3.2 撞擊感度

表 2 為高能點(diǎn)火藥與黑火藥撞擊感度測試結(jié)果.

表 2 撞擊感度測試結(jié)果

從表2中可以看出，高能點(diǎn)火藥比黑火藥的撞擊感度降低4%. 分析認(rèn)為： 高能點(diǎn)火藥在受到撞擊時(shí)，作用力可使藥劑發(fā)生形變，而Mg, Al, MnO2硬度較大(Al的莫氏硬度為2.75； Mg的莫氏硬度為2.5； MnO2的莫氏硬度5)，撞擊時(shí)形變較小，容易形成熱點(diǎn)，使其撞擊感度升高； PF具有脆性，受到?jīng)_擊時(shí)，它的破裂和PVP的彈性變形吸收一定的能量，同時(shí)它們的加入提高了高能點(diǎn)火藥的流散性，使顆粒間摩擦減小，不易形成熱點(diǎn). 它們的綜合作用使高能點(diǎn)火藥的撞擊感度比黑火藥有所下降.

2.3.3 摩擦感度

表 3 為高能點(diǎn)火藥與黑火藥摩擦感度測試結(jié)果.

表 3 摩擦感度測試結(jié)果

從表3中可以看出，高能點(diǎn)火藥比黑火藥的摩擦感度增加12%. 分析認(rèn)為： Mg, Al, MnO2硬度較大，增加了高能點(diǎn)火藥的摩擦力，有利于熱點(diǎn)的形成，使得高能點(diǎn)火藥的摩擦感度升高； 由于Mg發(fā)火點(diǎn)低，受到摩擦力作用時(shí)Mg首先發(fā)火，然后引發(fā)高能點(diǎn)火藥燃燒，使得高能點(diǎn)火藥的摩擦感度升高； PF和PVP使高能點(diǎn)火藥流散性提高，降低了高能點(diǎn)火藥顆粒間摩擦阻力，使其摩擦感度降低. 在上述因素的共同作用下，造成該高能點(diǎn)火藥的摩擦感度較高.

2.3.4 靜電感度

表 4 為高能點(diǎn)火藥與黑火藥靜電感度測試結(jié)果.

表 4 靜電感度測試結(jié)果

從表4中可以看出，高能點(diǎn)火藥與黑火藥的靜電感度相同. 分析認(rèn)為： Mg和Al均為靜電的良導(dǎo)體，導(dǎo)電能力強(qiáng)，使得高能點(diǎn)火藥不易發(fā)生靜電累計(jì)，不易發(fā)火，使高能點(diǎn)火藥的靜電感度降低； PF和PVP是靜電的不良導(dǎo)體，使靜電不易導(dǎo)出，使高能點(diǎn)火藥靜電感度升高. 兩者的綜合作用使高能點(diǎn)火藥靜電感度與黑火藥相同.

2.4 固體殘?jiān)蕼y試

表 5 為高能點(diǎn)火藥固體殘?jiān)蕼y試結(jié)果與文獻(xiàn)[4]點(diǎn)火藥和黑火藥的固體殘?jiān)实谋容^.

表 5 固體殘?jiān)蕼y試結(jié)果

從表5中可以看出，高能點(diǎn)火藥的固體殘?jiān)室哂谖墨I(xiàn)[4]的點(diǎn)火藥和黑火藥. 分析認(rèn)為： KNO3受熱分解的產(chǎn)物為K2O, N2和O2，固體分解產(chǎn)物占46.5%, MnO2分解產(chǎn)物為固體金屬M(fèi)n和O2，固體占63.2%，用6%的MnO2替代KNO3可使高能點(diǎn)火藥殘?jiān)视幸欢ǔ潭鹊奶岣撸?但PVP, PF和S燃燒產(chǎn)物均為氣體，且高能點(diǎn)火藥中粘結(jié)劑(PVP, PF)的質(zhì)量百分含量比相似點(diǎn)火藥粘結(jié)劑(S)的高1%，粘結(jié)劑含量的增加使得高能點(diǎn)火藥的產(chǎn)氣量有所增加，導(dǎo)致高能點(diǎn)火藥殘?jiān)坑兴档? 兩者的綜合作用使高能點(diǎn)火藥的固體殘?jiān)矢哂谖墨I(xiàn)[4]的點(diǎn)火藥.

2.5 點(diǎn)燃性試驗(yàn)

試驗(yàn)現(xiàn)象如圖 3 所示. 燃燒時(shí)發(fā)出耀眼亮光，燃燒反應(yīng)很劇烈，當(dāng)燃燒完畢后，觀察到磚塊上只有鐵渣，沒有燃燒劑的殘留物，說明該點(diǎn)火藥有很強(qiáng)的點(diǎn)火能力，能直接點(diǎn)燃高熱燃燒劑. 高能點(diǎn)火藥的最終配方為52% KNO3, 6% MnO2, 18% Mg, 20% Al, 2%酚醛樹脂(PF)和2%聚乙烯吡咯烷酮(PVP).

圖 3 燃燒現(xiàn)象Fig.3 The appearace of burning

3 結(jié) 論

1) 以KNO3, MnO2為氧化劑，Mg，Al為可燃劑，聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、 酚醛樹脂(PF)為粘結(jié)劑，采用溶劑蒸發(fā)-重結(jié)晶包覆工藝制備出了該高能點(diǎn)火藥.

2) 高能點(diǎn)火藥的主要性能測試和高熱燃燒劑的點(diǎn)燃性初步試驗(yàn)結(jié)果表明： 該點(diǎn)火藥的5 s爆發(fā)點(diǎn)比黑火藥降低7 ℃，撞擊感度比黑火藥降低4%，摩擦感度比黑火藥提高12%，靜電感度與黑火藥的一致，殘?jiān)蕿?4.3%； 該高能點(diǎn)火藥可直接點(diǎn)燃高熱燃燒劑.

3) 在工藝條件和粘結(jié)劑的選擇上還有待進(jìn)一步完善和優(yōu)化.

[1] 唐金友，張從今. 某新型燃燒劑的性能研究[J]. 火工品. 2004(4)： 19-22. Tang Jinyou, Zhang Congjin. Study on the property of a new type combustion agent[J]. Initiators & Yrotechnics, 2004(4): 19-22. (in Chinese)

[2] 潘功配. 高等煙火學(xué)[M]. 哈爾濱： 哈爾濱工程大學(xué)出版社，2005.

[3] 謝俊磊，曹宏安，谷智國，等. Mg-Al/黑藥高能點(diǎn)火藥研究[J]. 四川兵工學(xué)報(bào). 2013，34(8)： 9-11. Xie Junlei, Cao Hongan, Gu Zhiguo, et al. Mg-Al/black powder high-energy igaition charge research[J]. Journal of Sichuan Ordnance, 2013, 34(8): 9-11. (in Chinese)

[4] 田春雷，高俊國，杜仕國. 一種新型高能點(diǎn)火藥的配方設(shè)計(jì)及性能. 火炸藥學(xué)報(bào)[J]. 2006，29(1)： 75-80. Tian Chunlei, Gao Junguo, Du Shiguo. Formulation design of a new ignition composition and its performances[J]. Journal of Explosives & Propellants, 2006, 29(1): 75-80. (in Chinese)

[5] 葉毓鵬. 炸藥結(jié)晶工藝學(xué)及其應(yīng)用[M]. 北京： 兵器工業(yè)出版社，1995.

[6] GJB770B-2005. 火藥試驗(yàn)方法[S]. 國防科工委軍標(biāo)出版發(fā)行部，2005.

[7] GJB2178. 1A-2005. 傳爆藥安全性試驗(yàn)方法 [S]. 國防科工委軍標(biāo)出版發(fā)行部，2005.

[8] 程能林. 溶劑手冊[M]. 北京： 化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

Study on the Preparation Technique of a High-Energy Ignition Composition

LI Haojie1, WANG Baoguo1, WANG Zhi2

(1. National Defense Key Laboratory of Deep Buried Target Damage, North University of China, Taiyuan 030051, China； 2. CNNC Xinneng Nuclear Engineering Co. Ltd., Taiyuan 030012, China)

In order to solve the problems of high-heat incendiary agent which is difficult to be ignited. In the paper, KNO3and MnO2were selected as its oxygenant, Mg powder and Al powder were used as its combustible agent and PVP and phenol-formaldehyde resin were used as the binder. In the paper, KNO3and MnO2were selected as its oxygenant. Mg powder and Al powder were used as its combustible agent and PVP and phenol-formaldehyde resin were used as the binder. The process of coating method by the solvent evaporation was choosed to prepare the higher-energy ignition composition with double-coated. Results shows that its friction sensitivity, impact sensitivity, electrostatic sensitivity, and residue ratio are 40%, 16%, 0%, 303 ℃ and 93.28%, respectively. It can ignite high-heat incendiary agent.

high-energy ignition charge; powder preparation; the powder to ignite sex

1671-7449(2016)06-0528-06

2016-04-21

李昊杰(1989-)，男，碩士生，主要從事超細(xì)含能材料制備和改性技術(shù)的研究.

TQ565

A

10.3969/j.issn.1671-7449.2016.06.014