撞擊作用下螺壓復合改性雙基推進劑藥片的響應

鄭 偉，王江寧，宋秀鐸，張佳鈺，周 瑞，陳俊波，馬亞楠

(1.西安近代化學研究所，陜西 西安 710065；2.西安北方秦川集團有限公司，陜西 西安 710032)

撞擊作用下螺壓復合改性雙基推進劑藥片的響應

鄭 偉1，王江寧1，宋秀鐸1，張佳鈺2，周 瑞1，陳俊波1，馬亞楠1

(1.西安近代化學研究所，陜西 西安 710065；2.西安北方秦川集團有限公司，陜西 西安 710032)

采用落錘儀研究了螺壓復合改性雙基(CMDB)推進劑藥片在撞擊作用下發(fā)生分解、燃燒或爆炸響應的臨界值，獲得了不同RDX含量、樣品厚度及樣品溫度對推進劑在撞擊作用下響應臨界值的影響規(guī)律。結(jié)果表明，在推進劑中引入RDX不會增加推進劑對撞擊刺激的敏感程度；RDX的質(zhì)量分數(shù)為0～54.5%時，隨著RDX含量的增加，推進劑藥片對撞擊刺激的敏感程度逐漸降低；樣品厚度為1、2、3mm時，隨著樣品厚度的增加，推進劑藥片對撞擊刺激的敏感程度顯著降低；推進劑在70℃時對撞擊刺激比25℃時更加敏感。

螺壓推進劑；復合改性雙基推進劑；CMDB；螺旋壓伸；RDX；撞擊感度

引 言

螺壓改性雙基推進劑具有能量高、特征信號低、工藝成熟、易批量化生產(chǎn)等優(yōu)點，被廣泛應用于戰(zhàn)術火箭彈或?qū)?。為了滿足固體推進劑高能化的要求，增加配方中硝胺炸藥的含量是螺壓改性雙基推進劑高能化的有效途徑之一，目前硝胺的質(zhì)量分數(shù)已達到46%～55%[1-2]。

隨著配方中大量硝胺炸藥的加入，推進劑的危險性與破壞性也逐漸增大。在高能螺壓改性雙基推進劑的生產(chǎn)過程中經(jīng)常發(fā)生燃燒、燃爆事故[3]，因此，國內(nèi)外對高能螺壓改性雙基推進劑的安全性進行了研究。印度波那大學高能材料研究室[4]研究了RDX含量變化對壓伸推進劑撞擊感度的影響。結(jié)果表明，隨著RDX含量的增加，推進劑的撞擊感度增大，但其RDX的質(zhì)量分數(shù)不超過25%；劉所恩等[5]采用國軍標的方法測試了硝胺質(zhì)量分數(shù)為0～55.1%時螺壓推進劑的撞擊感度。結(jié)果表明，RDX的加入使螺壓硝胺改性雙基推進劑的撞擊感度呈升高趨勢；但當RDX質(zhì)量分數(shù)增加到27%后，撞擊感度穩(wěn)定在一定的范圍內(nèi)。

螺壓改性雙基推進劑是在一定溫度(實際加工工藝溫度通常大于70℃)和壓力條件下壓制而成的，而國軍標中規(guī)定撞擊感度的測試樣品為粉狀，測試溫度為常溫[6]。測試樣品的狀態(tài)和測試溫度的差異使得撞擊感度實驗結(jié)果無法真實地反映工藝過程中螺壓推進劑在撞擊作用下的響應規(guī)律。推進劑小藥片的制備工藝過程接近實際加工處理過程，如果采用小藥片進行不同溫度條件下的撞擊試驗，其得出的結(jié)論對螺壓推進劑生產(chǎn)過程工藝參數(shù)的選取將具有更加實際的指導意義。

本實驗以不同固體含量的螺壓改性雙基推進劑為對象，研究了其在不同溫度及不同樣品厚度的條件下受到撞擊作用時不發(fā)生爆炸、燃燒或分解的安全閾值的變化規(guī)律，為螺壓推進劑物料在壓延過程中主要控制工藝參數(shù)溫度與雙輥間隙的選擇提供依據(jù)。

1 實 驗

1.1 樣品及儀器

硝化棉(NC)、硝化甘油(NG)，北方川安化學有限公司；二號中定劑(C2)，重慶長風化學有限公司；RDX，甘肅銀光化學工業(yè)集團有限公司，D10、D50、D90分別為57、118和230μm。

水浴烘箱，南京理工大學，精度±2℃；氣體濃度傳感器，深圳安帕爾科技有限公司，量程0～1×10-4mg/L，精度0.1×10-6mg/L；撞擊設備，西安民俊機電有限責任公司，設備參數(shù)：落錘高度定位精度為1mm，落錘質(zhì)量為10kg，擊柱的尺寸為Φ25mm×25mm。

1.2 推進劑樣品的制備

推進劑配方如表1所示。

表1 推進劑配方

采用傳統(tǒng)的雙基推進劑制造工藝，經(jīng)過吸收、驅(qū)水和光輥壓延制備成厚度分別為1、2、3mm，尺寸為10mm×10mm的推進劑藥片。

1.3 撞擊實驗方法

撞擊設備原理與火藥撞擊感度的測試原理相同。撞擊部位的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

試驗前設置好落錘的高度，將推進劑藥片放置于擊柱的中央部位，啟動落錘后觀察氣體濃度監(jiān)測儀的數(shù)值變化。如果其數(shù)值與撞擊發(fā)生前氣體濃度的差值不小于2×10-6mg/L，應判定為本次試驗發(fā)生了分解；如果差值小于2×10-6mg/L，則判定本次試驗未發(fā)生分解。如果推進劑藥片發(fā)生了分解，則降低撞擊高度(變化步長1cm)繼續(xù)試驗。如果樣品未發(fā)生分解，則繼續(xù)試驗，共重復10次，重復試驗中只要發(fā)生了一次樣品分解，則繼續(xù)降低撞擊高度。如果10次撞擊試驗均沒有發(fā)生分解，則認定該高度值為本樣品的撞擊刺激臨界高度(H0)。

進行不同溫度(25℃和70℃)條件下的撞擊試驗時，必須將擊柱與樣品同時放置于設定好溫度的(水浴)烘箱中，恒溫30min以上。每次撞擊試驗必須在20s內(nèi)完成，若20s內(nèi)未完成則需更換擊柱與推進劑樣品。

2 結(jié)果與討論

2.1 RDX含量對改性雙基推進劑撞擊刺激臨界高度的影響

RDX含量、樣品厚度(d)與推進劑藥片撞擊刺激臨界高度值(H0)的關系見圖2。

由圖2可知，添加RDX的推進劑藥片比未添加RDX的推進劑藥片對撞擊刺激的敏感程度低。劉所恩等[5]對撞擊感度的研究表明，RDX的加入使螺壓推進劑的撞擊感度增加，這與藥片測試結(jié)果得出的結(jié)論剛好相反。

國軍標中撞擊感度的測試樣品是粒徑為0.20～0.45mm的粉末狀藥粒[6]，而本實驗配方中所采用RDX的粒度D10、D50、D90分別為57、118和230μm。RDX的粒度接近撞擊感度樣品的粒度，大量RDX顆粒將從NC/NG黏結(jié)劑中分離出來。粉末狀藥粒撞擊

感度測試結(jié)果表征的是NC/NG黏結(jié)劑與RDX簡單混合物受撞擊刺激后的測試結(jié)果，而不能從整體上反映RDX的引入對片狀推進劑感度的影響。

由圖2可知，隨著RDX含量的增加，推進劑藥片對撞擊刺激的敏感程度逐漸降低。對聚合物材料的沖擊試驗表明，黏塑性變形可產(chǎn)生300～400℃的溫升[7]。作為黏彈性材料的固體推進劑受到機械沖擊時基體材料也會因黏性加熱導致溫度升高引起熱點形成。 圖3為厚度1mm的改性雙基推進劑受到10kg落錘的撞擊作用后樣品形態(tài)的變化。由圖3可知，推進劑在撞擊作用下逐漸向四周平鋪展開成圓形，發(fā)生了顯著的形態(tài)變化。研究表明[8-9]，外側(cè)面中心部位所受的剪切變形速率最大，因此黏性加熱率也最大，熱點往往在此處形成。從撞擊試驗后擊柱上藥片的形態(tài)看(見圖4)，藥片熱點往往最先在側(cè)邊出現(xiàn)。

對受撞擊后炸藥樣品電鏡照片的研究表明[10]，撞擊作用下基體發(fā)生了分解且炸藥顆粒周圍有熔化現(xiàn)象。隨著推進劑配方中炸藥含量的增加，一方面基體發(fā)生黏性形變，產(chǎn)生的熱量一部分可能用于加熱炸藥顆粒從而導致熱點形成所需要的刺激能增加；另一方面炸藥顆粒對基體的分散作用也可能使得基體黏性發(fā)熱量減小。

2.2 樣品厚度對改性雙基推進劑撞擊刺激臨界高度的影響

由圖2可知，在RDX含量相同時，隨著樣品厚度的增加，推進劑小藥片對撞擊刺激的敏感程度也逐漸降低，且藥片厚度的變化對撞擊刺激臨界高度的影響顯著。當藥片厚度為3mm、RDX質(zhì)量分數(shù)大于45%時，推進劑的撞擊刺激臨界高度值增加顯著。當RDX質(zhì)量分數(shù)超過45%以后，基體變形黏性加熱對材料的影響逐漸減小，因為高固體物料由于力學性能差，導致材料在撞擊作用下不發(fā)生基體黏性變形，而是物料在沖擊作用下發(fā)生了粉碎性的解體(見圖5)，導致大部分的沖擊能量都消耗或損失在擊柱上，所以從測試的撞擊刺激臨界高度值上看，高固體物料對撞擊的敏感程度降低。

分析認為，在物料厚度較小時，撞擊能量大部分被基體所吸收，所以其對撞擊刺激敏感性的差值(即不同固體含量推進劑撞擊刺激臨界高度之間的差值)相對較??；當物料較厚時，由于樣品粉碎解體導致在擊柱上消耗的能量大幅度增加。根據(jù)此現(xiàn)象推測，如果高固體含量推進劑的力學性能提高，片狀樣品的撞擊刺激臨界高度值將會下降。

2.3 溫度對改性雙基推進劑撞擊刺激臨界高度的影響

在撞擊刺激作用下，70℃和25℃時，1mm厚的推進劑樣品的撞擊刺激臨界高度測試結(jié)果如圖6所示。

由圖6可知，兩種溫度條件下，雙基推進劑的撞擊刺激臨界高度值最小，而RDX的加入并未增加推進劑的撞擊刺激臨界高度值。同時，比較25℃和70℃時推進劑撞擊刺激臨界高度的測試結(jié)果可知，溫度升高時，推進劑對撞擊的敏感程度增加。這是因為溫度升高導致推進劑基體發(fā)生黏性變形所需要的能量減少。

3 結(jié) 論

(1)添加RDX的推進劑小藥片的撞擊刺激臨界高度值比未添加RDX的推進劑小藥片的撞擊刺激臨界高度值更大，即在推進劑中引入RDX不會增加推進劑對撞擊刺激的敏感程度。

(2)RDX的質(zhì)量分數(shù)為0～54.5%時，隨著RDX含量的增加，推進劑藥片的撞擊刺激臨界高度值增加，即對撞擊刺激的敏感程度逐漸降低。

(3)樣品厚度為1～3mm時，隨著樣品厚度的增加，推進劑藥片的撞擊刺激臨界高度值增加。

(4)比較70℃與25℃時推進劑的撞擊刺激臨界高度值可知，70℃時推進劑對撞擊刺激更加敏感。

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ResponseofScrewExtrudedCompositeModifiedDouble-basePropellantPelletsunderImpactAction

ZHENG Wei1, WANG Jiang-ning1, SONG Xiu-duo1, ZHANG Jia-yu2, ZHOU Rui1, CHEN Jun-bo1, MA Ya-nan1

(1.Xi′an Modern Chemistry Research Institute, Xi′an 710065, China；2. Xi′an Beifang Qinchuan Group Co. Ltd., Xi′an 710032, China)

The critical values of decomposition, combustion or explosion response of screw extruded composite modified double-base (CMDB) propellant pellets occurred under impact action were investigated by a drop weight instrument and the influence rule of different mass fraction of RDX, thickness of sample and sample temperature on the critical values of response of propellant under impact action was obtained. Results show that introducing RDX into double-base propellant does not increase the sensitivity to impact stimulation of the propellant. When the mass fraction of RDX is 0-54.5%, with increasing the content of RDX, the sensitivity to impact stimulation of propellant pellets is gradually decreased. When the thickness of sample is 1,2 and 3mm, with increasing the thickness of sample, the sensitivity to impact stimulation of propellant pellets is significantly decreased. Compared with the sensitivity to impact stimulation of propellant at 25℃, the propellant at 70℃ to impact stimulation is more sensitive.

screw extruded propellant；composite modified double-base propellant；CMDB；screwed extrusion; RDX; impact sensitivity

TJ55

A

1007-7812(2017)05-0064-05

10.14077/j.issn.1007-7812.2017.05.012

2017-01-22；

2017-09-06

國防科工局火炸藥專項

鄭偉(1981-)，男，碩士，高級工程師，從事改性雙基推進劑研究。E-mail:zhei_wei035991@163.com