疊氮類熱塑性彈性體對模壓可燃藥筒燃燒性能的影響

田書春，胡義文，袁小麗，肖樂勤，李忠山，高文歡，周曉紅

(1.西安北方惠安化學(xué)工業(yè)有限公司，陜西 西安 710302; 2.南京理工大學(xué)化工學(xué)院，江蘇 南京 210094)

引 言

模壓可燃藥筒作為發(fā)射裝藥的容器及配套附件，在射擊后可自行消失，給勤務(wù)使用帶來方便，更能提供發(fā)射過程的部分能量，一定程度上改善火炮的彈道性能[1]。目前，可燃藥筒在主戰(zhàn)坦克穿甲彈等多個彈種及大口徑火炮模塊裝藥中的應(yīng)用日益廣泛[2-3]。

隨著對武器威力、射程等要求的不斷提高，彈藥系統(tǒng)不可避免地需要增加裝藥量來提高彈丸初速，從而導(dǎo)致武器裝備面臨高膛壓的嚴(yán)峻考驗[4-6]。作為裝藥的一個重要部件，可燃藥筒在發(fā)射過程中參與主裝藥的共同燃燒，如果可燃藥筒初始燃速過高，將引起裝藥膛壓進(jìn)一步增大，膛內(nèi)壓力波過大等問題，給彈丸發(fā)射和內(nèi)彈道性能帶來不利影響[7-8]。因此，在滿足可燃藥筒力學(xué)強度和燃燒潔凈性的要求下，應(yīng)盡可能降低可燃藥筒的初始燃速，配合發(fā)射裝藥達(dá)到降低膛壓的目的。

目前，以模壓一次成型工藝制備的可燃藥筒，其多孔結(jié)構(gòu)的設(shè)計能夠滿足燃燒完全性的要求，并呈現(xiàn)出滲透性燃燒的特點，不同于一般火藥的幾何燃燒規(guī)律。該型藥筒的初始燃燒活度較高，并呈現(xiàn)減面燃燒。對其進(jìn)行表面涂覆處理，可有效降低其燃速，控制可燃藥筒燃?xì)忉尫潘俾?，同時也能改善藥筒耐潮、耐熱性能[9-10]。此外，疊氮類熱塑性彈性體具有生成熱高、爆溫低、易損性低、可綠色制造等優(yōu)勢，是未來發(fā)射藥研究的重要方向之一[11]。與傳統(tǒng)無機涂覆材料相比，其疏水的有機結(jié)構(gòu)可以改善可燃藥筒的耐潮、耐熱等性能。

本研究采用疊氮類熱塑性彈性體BAMO/AMMO和BAMO/GAP分別對模壓可燃藥筒進(jìn)行表面涂覆，得到BAMO/AMMO和BAMO/GAP處理藥筒；通過密閉爆發(fā)器試驗及抗拉強度試驗，研究了兩種疊氮熱塑性彈性體對可燃藥筒燃燒性能及力學(xué)性能的影響。

1 實 驗

1.1 原 料

2號硝化棉(氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)12.0%)、硫酸鹽木漿紙(α-纖維素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于95%)、聚醋酸乙烯酯纖維(固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于48%)、二苯胺，西安北方惠安化學(xué)工業(yè)有限公司。

1.2 試樣制備

采用模壓一次成型工藝制備可燃藥筒基體。將BAMO/AMMO含能熱塑性彈性體溶于乙酸乙酯中，配成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的溶液。然后再通過表面處理工藝，將溶液涂覆在可燃藥筒基體內(nèi)外表面，涂層質(zhì)量控制在(100±5) g/m2。此后將制品置于抽真空后的烘箱中干燥6 h，溫度為(60±5)℃，然后室溫晾置5 d后即得到BAMO/AMMO處理可燃藥筒，如圖1所示。同樣方法得到BAMO/GAP處理藥筒。

圖1 疊氮類熱塑性彈性體涂覆處理可燃藥筒示意圖Fig.1 Illustration of azido thermoplastic elastomer coated molded combustible cartridge cases

1.3 性能測試

采用密閉爆發(fā)器分別對可燃藥筒基體、BAMO/AMMO及BAMO/GAP處理藥筒進(jìn)行定容燃燒性能試驗。密閉爆發(fā)器體積為700mL，點火藥為2號硝化棉，裝填密度為0.2g/cm3，試驗溫度為常溫(25±2)℃，高溫(50±2)℃及低溫(-40±2)℃。其中烘前殘渣質(zhì)量為密閉爆發(fā)器實驗后收集本體內(nèi)的殘渣質(zhì)量。然后將殘渣放入烘箱60℃下進(jìn)行烘干處理，不揮發(fā)殘渣的質(zhì)量即為烘后殘渣質(zhì)量，揮發(fā)份含量為殘渣中可揮發(fā)物質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

從可燃藥筒樣品中部位置切取120mm圓環(huán)，按GJB5472.1-2005方法裁剪成啞鈴狀，進(jìn)行抗拉強度測試，測試溫度為(25±2)℃，拉伸速率為10mm/min。用試樣破壞時的拉力值計算抗拉強度，測試方法依據(jù)GJB5472.3-2005方法，每個試樣測試3次求平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 可燃藥筒的常溫燃燒特性

藥筒基體、BAMO/AMMO處理藥筒和BAMO/GAP處理藥筒的常溫燃燒性能p-t曲線、dp/dt-B曲線和Lcp-B曲線見圖2。

圖2 可燃藥筒常溫密閉爆發(fā)器燃燒結(jié)果曲線Fig.2 Curves describing the combustion results of combustible cartridge cases at normal temperature by closed-bomb test

由圖2(a)可知，表面涂覆處理后的兩個藥筒試樣燃燒速度降低，最大壓強下降，燃燒結(jié)束時間延長。圖2(b)中dp/dt-B曲線反應(yīng)了燃?xì)馍伤俾剩捎诳扇妓幫步Y(jié)構(gòu)多孔，燃面較大，初期的燃?xì)馍伤俾恃杆僭黾?，達(dá)到最大值后又迅速降低，表現(xiàn)出漸減性燃燒特點。圖2(c)反應(yīng)了可燃藥筒的動態(tài)活性，B<0.05時，Lcp值強烈波動且數(shù)值較大，為點火藥燃燒所致。此后3個藥筒的Lcp曲線趨于平緩，數(shù)值達(dá)到最大值并保持基本穩(wěn)定，說明3個可燃藥筒主體燃燒階段燃燒穩(wěn)定。藥筒基體、BAMO/AMMO處理藥筒和BAMO/GAP處理藥筒的常溫燃燒性能見表1。從表1中常溫燃燒性能可知，與未處理可燃藥筒相比，經(jīng)BAMO/AMMO處理藥筒和BAMO/GAP處理藥筒火藥力分別降低2.3%和1.1%，燃燒結(jié)束時間分別延長134%和22%，最大壓力梯度dp/dt分別降低52.3%和5.1%。此外BAMO/AMMO處理藥筒燃?xì)馄骄疃?.05，明顯低于其他兩個藥筒試樣。結(jié)果表明，對可燃藥筒進(jìn)行表面涂覆處理，常溫燃燒過程依然穩(wěn)定，火藥力和最大壓力略微降低，顯著延長燃燒結(jié)束時間，延緩燃?xì)鈮毫ι仙俾?。其中BAMO/GAP表面涂覆處理對可燃藥筒常溫燃燒性能影響較小，而BAMO/AMMO可燃藥筒基體燃燒規(guī)律的改變較為明顯，明顯降低常溫燃?xì)忉尫潘俾屎推骄疃?，有助于常溫初始燃速的降低?/p>

2.2 可燃藥筒高溫燃燒特性

圖3分別給出了藥筒基體、BAMO/AMMO處理藥筒和BAMO/GAP處理藥筒的高溫燃燒性能p-t曲線、dp/dt-B曲線和Lcp-B曲線，高溫燃燒性能數(shù)值結(jié)果見表1。

表1 可燃藥筒密閉爆發(fā)器試驗結(jié)果Table 1 The closed-bomb test results of combustible cartridge cases

注:f為火藥力;pmax為最大壓力;tmax為最大燃燒時間。

圖3 可燃藥筒高溫密閉爆發(fā)器燃燒性能曲線Fig.3 Curves describing the combustion performance of combustible cartridge cases at high temperature by closed-bomb test

由圖3(a)可見，BAMO/AMMO處理藥筒和BAMO/GAP處理藥筒的高溫燃燒性能p-t曲線較為接近，但BAMO/GAP處理藥筒燃燒持續(xù)時間更長。由表1可知，相對于未處理藥筒基體，BAMO/AMMO處理藥筒和BAMO/GAP處理藥筒的高溫火藥力分別下降0.8%和0.4%，燃燒時間分別延長31%和81%，最大壓力梯度dp/dt分別降低12.1%和27.7%，平均活度分別降低13.6%和23.8%。結(jié)果表明，熱塑性彈性體BAMO/AMMO和BAMO/GAP表面處理可燃藥筒基體，在高溫條件下對火藥力影響較小，均可延長燃燒結(jié)束時間、降低最大壓力梯度，減小燃?xì)馄骄疃龋兄诟邷爻跏既妓俳档汀?/p>

2.3 可燃藥筒低溫燃燒特性

未處理藥筒基體、BAMO/AMMO處理藥筒和BAMO/GAP處理藥筒的低溫燃燒p-t曲線、dp/dt-B曲線和Lcp-B曲線見圖4，其燃燒性能數(shù)值列于表1。

圖4 可燃藥筒低溫密閉爆發(fā)器燃燒性能曲線Fig.4 Curves describing the combustion performance of combustible cartridge cases at low temperature by closed-bomb test

由圖4(a)可見， BAMO/AMMO處理藥筒和BAMO/GAP處理藥筒的低溫p-t曲線差異仍然較小。對比低溫p-t曲線，BAMO/GAP處理藥筒燃燒持續(xù)時間明顯縮短。從表1可知，相對于未處理藥筒基體，BAMO/AMMO處理藥筒和BAMO/GAP處理藥筒的低溫火藥力分別下降1.2%和0.5%，燃燒結(jié)束時間分別延長65%和34%，最大壓力梯度dp/dt分別降低45.8%和7.0%，平均活度分別降低42.5%和17.9%。這說明熱塑性彈性體BAMO/AMMO和BAMO/GAP對可燃藥筒進(jìn)行表面處理，在低溫條件下其火藥力下降較小，燃燒結(jié)束點時間明顯延長，燃燒強度和初始燃速降低。此外，與BAMO/GAP處理藥筒對比，BAMO/AMMO處理藥筒的最大壓力梯度及燃?xì)馄骄疃认陆捣雀黠@。

2.4 可燃藥筒燃燒殘渣質(zhì)量分析

表2為可燃藥筒定容燃燒后殘渣的質(zhì)量。

表2 可燃藥筒燃燒后的殘渣質(zhì)量Table 2 Residual mass after the combustion of combustible cartridge cases

由表2可知，常溫下，藥筒基體、BAMO/AMMO處理藥筒和BAMO/GAP處理藥筒的殘渣質(zhì)量分別為3.94、3.12和2.92g。與未處理藥筒基體相比，烘干后BAMO/AMMO處理藥筒和BAMO/GAP處理藥筒不揮發(fā)性殘渣質(zhì)量分別減少20.9%和25.9%。這說明常溫條件下BAMO/AMMO和BAMO/GAP表面處理可燃藥筒可使不揮發(fā)性殘渣質(zhì)量有效減少。而高、低溫條件下，藥筒基體、BAMO/AMMO處理藥筒和BAMO/GAP處理藥筒的殘渣質(zhì)量未發(fā)生明顯變化。

2.5 常溫力學(xué)性能分析

對模壓藥筒基體和BAMO/AMMO處理藥筒、BAMO/GAP處理藥筒分別進(jìn)行力學(xué)性能測試，其結(jié)果見表3。

表3 可燃藥筒力學(xué)性能測試結(jié)果Table 3 The mechanical properties of combustible cartridge cases

注:σm為拉伸強度;εb為延伸率。

由表3可知，對比未涂覆處理的藥筒，采用BAMO/AMMO和BAMO/GAP表面處理后的可燃藥筒抗拉強度分別降低6.3%和4.0%。此外，涂覆處理后藥筒的延伸率相對于未處理藥筒也有一定程度的下降。這可能是因為表面處理過程中乙酸乙酯破壞了可燃藥筒的內(nèi)部纖維結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致硝化纖維素和木質(zhì)纖維素自身強度減小，影響藥筒力學(xué)性能。總之，采用BAMO/AMMO和BAMO/GAP對可燃藥筒進(jìn)行表面涂覆處理引起藥筒力學(xué)性能略微下降，但能滿足使用要求。

3 結(jié) 論

(1)常溫定容燃燒性能中， 與未處理藥筒相比，BAMO/AMMO處理藥筒和BAMO/GAP處理藥筒燃燒時間分別延長134%和22%，最大壓力梯度dp/dt分別降低52.3%和5.1%。高溫下燃燒時間分別延長31%和81%，最大壓力梯度dp/dt分別降低12.1%和27.7%。低溫下燃燒時間分別延長65%和34%，最大壓力梯度dp/dt分別降低45.8%和7.0%。熱塑性彈性體BAMO/AMMO和BAMO/GAP對可燃藥筒進(jìn)行表面涂覆處理可明顯延長藥筒在高溫、常溫和低溫下的燃燒時間，降低最大壓力梯度，有助于燃速降低，但也引起火藥力略微下降。

(2)熱塑性彈性體BAMO/AMMO和BAMO/GAP表面處理可燃藥筒，常溫下燃燒后殘渣質(zhì)量明顯減少，高、低溫燃燒后殘渣質(zhì)量變化較小。

(3)常溫下，未處理藥筒、BAMO/AMMO處理藥筒和BAMO/GAP處理藥筒的抗拉強度分別為27.56、25.82和26.46MPa，采用BAMO/AMMO和BAMO/GAP表面涂覆處理后，可燃藥筒力學(xué)性能略微下降。

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