疊氮硝胺發(fā)射藥的貯存性能研究

崔鵬騰，焦旭英，賈永杰，石先銳，胡 睿

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疊氮硝胺發(fā)射藥的貯存性能研究

崔鵬騰，焦旭英，賈永杰，石先銳，胡 睿

（西安近代化學(xué)研究所，陜西 西安，710065）

為研究疊氮硝胺發(fā)射藥的貯存性能，采用熱老化加速壽命試驗(yàn)預(yù)估發(fā)射藥貯存壽命，通過(guò)理化性能試驗(yàn)、14.5mm機(jī)槍試驗(yàn)研究疊氮硝胺發(fā)射藥長(zhǎng)期貯存后的理化性能、內(nèi)彈道性能。結(jié)果表明，采用熱加速老化法預(yù)估疊氮硝胺發(fā)射藥的安全存儲(chǔ)壽命（常溫30℃）為63a，與普通雙基吸收藥相比，具有更好的安定性；長(zhǎng)貯23a以上的疊氮硝胺發(fā)射藥理化性能、安定性、內(nèi)彈道性能穩(wěn)定。研究表明疊氮硝胺發(fā)射藥可以滿(mǎn)足彈藥裝藥長(zhǎng)期貯存使用要求。

發(fā)射藥；疊氮硝胺；貯存性能；熱分解

疊氮硝胺發(fā)射藥[1-2]具有能量調(diào)節(jié)范圍廣、燃速高、力學(xué)性能好、工藝適應(yīng)性強(qiáng)[3]的特點(diǎn)，目前已應(yīng)用于小口徑速射武器裝藥及大口徑火炮裝藥。疊氮硝胺發(fā)射藥本質(zhì)上是一種含有疊氮硝胺[4-5]和硝化甘油的NC濃溶液，在貯存時(shí)可能發(fā)生吸濕、揮發(fā)性溶劑揮發(fā)、增塑劑遷移與汗析現(xiàn)象等問(wèn)題，易導(dǎo)致發(fā)射藥燃燒性能發(fā)生變化，進(jìn)而影響發(fā)射藥的彈道性能。因此，有必要對(duì)疊氮硝胺發(fā)射藥的貯存性能進(jìn)行研究驗(yàn)證，為其大范圍應(yīng)用提供技術(shù)支撐。黃振亞等人[6]對(duì)比研究了加速老化試驗(yàn)前后疊氮硝銨發(fā)射藥樣品的14.5mm機(jī)槍試驗(yàn)內(nèi)彈道性能，以判定其長(zhǎng)貯穩(wěn)定性。本研究通過(guò)熱老化加速壽命試驗(yàn)預(yù)估疊氮硝胺發(fā)射藥的安全貯存壽命，對(duì)比分析經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期自然貯存后疊氮硝胺發(fā)射藥的理化性能、內(nèi)彈道性能，為疊氮硝胺發(fā)射藥壽命預(yù)估及裝藥應(yīng)用提供技術(shù)參考。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)樣品制備

疊氮硝胺發(fā)射藥配方（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）：NC66%，DIANP22.5%，NG10%，安定劑1.5%。試樣制備采用半溶劑擠壓成型工藝：吸收→壓片→塑化→壓伸成型→切藥→烘藥→光澤→混同→包裝。塑化過(guò)程中硝化棉與溶劑的質(zhì)量比為1∶0.22，乙醇和丙酮混合溶劑的質(zhì)量比為1∶1。1993年制備的6/7七孔粒狀疊氮硝胺發(fā)射藥，自然貯存23a，貯存條件為溫度低于30℃，濕度小于80％，代號(hào)為DA-6/7-1993。2016年采用同等工藝條件制備6/7七孔粒狀疊氮硝胺發(fā)射藥，代號(hào)為DA-6/7-2016。

1.2 熱加速老化試驗(yàn)

按照GJB 770B-2005 506.1預(yù)估安全貯存壽命熱加速老化法相關(guān)要求，進(jìn)行疊氮硝胺發(fā)射藥（DA-6/ 7-2016）熱加速老化試驗(yàn)，加速老化溫度分別為65℃、75℃、85℃和95℃，老化一定時(shí)間后定期取出一部分樣品進(jìn)行安定劑含量檢測(cè)。

1.3 理化性能測(cè)試

采用快速溶劑萃取技術(shù)和高效液相色譜法（ASE-HPLC）[5]測(cè)定DA-6/7-2016疊氮硝胺發(fā)射藥樣品中安定劑含量。按照GJB 770B-2005發(fā)射藥相關(guān)理化性能測(cè)試要求，進(jìn)行自然存貯前后疊氮硝胺發(fā)射藥樣品（DA- 6/7-1993）的爆熱、水分、內(nèi)揮、密度和甲基紫變色時(shí)間測(cè)試。采用美國(guó)TA公司DSC910S型高壓差示掃描量熱（PDSC）分析儀測(cè)試高壓（3MPa）條件下樣品的熱分解性能，鋁質(zhì)樣品池，樣品量＜2mg，升溫速率為10℃/min，動(dòng)態(tài)氮?dú)鈿夥?，流速?0mL/ min。

1.4 彈道性能試驗(yàn)

采用1956式制式14.5mm機(jī)槍試驗(yàn)平臺(tái)，測(cè)試長(zhǎng)期自然存貯前后的疊氮硝胺發(fā)射藥樣品（DA-6/7- 1993）在高低常溫（20℃、-40℃、50℃）下的初速、膛壓。

2 結(jié)果與討論

2.1 疊氮硝胺發(fā)射藥的安全貯存壽命預(yù)估

發(fā)射藥在貯存過(guò)程中發(fā)生質(zhì)量變化的根本原因是發(fā)射藥的自催化分解，安定劑可以減緩發(fā)射藥的自分解速度，從而延長(zhǎng)發(fā)射藥的使用壽命。本研究采用熱老化加速壽命試驗(yàn)，進(jìn)行疊氮硝胺發(fā)射藥安全貯存壽命預(yù)估。圖1為疊氮硝胺發(fā)射藥的熱老化加速壽命試驗(yàn)曲線(xiàn)，以DA-6/7-2016發(fā)射藥為樣品進(jìn)行了65℃、75℃、85℃和95℃ 4 個(gè)溫度點(diǎn)的加速老化試驗(yàn)，并跟蹤測(cè)定有效安定劑含量的變化，以有效安定劑消耗50%作為安全貯存壽命的臨界點(diǎn)。

圖1 疊氮硝胺發(fā)射藥95℃、85℃、75℃和65℃熱老化加速試驗(yàn)曲線(xiàn)

在圖1上，通過(guò)安定劑含量50%消耗點(diǎn)作一水平線(xiàn)，求出疊氮硝胺發(fā)射藥在各溫度上老化時(shí)安定劑含量下降50%的時(shí)間，最后用線(xiàn)性最小二乘法按貝瑟洛特（Berthelot）方程式（1）進(jìn)行線(xiàn)性回歸，計(jì)算出疊氮硝胺發(fā)射藥在常溫（30℃）下的安全貯存時(shí)間。

=+log（1）

式（1）中：，為系數(shù)。分析圖1熱加速老化試驗(yàn)曲線(xiàn)，獲得疊氮硝胺發(fā)射藥在95℃、85℃、75℃和65℃溫度下消耗50%有效安定劑所對(duì)應(yīng)的老化時(shí)間分別為6.81 d、22.27 d、88.93 d和278.04 d。

通過(guò)貝瑟洛特方程（1）進(jìn)行線(xiàn)性回歸，求得方程的實(shí)驗(yàn)式為：=110.203 6-18.377 6log（2）

外推至30℃，求得疊氮硝胺發(fā)射藥在常溫(30℃)的安全貯存壽命：30≈ 63a。普通雙基體系發(fā)射藥安全貯存壽命為30~40a，因此，疊氮硝胺發(fā)射藥具有更好的安定性。

2.2 疊氮硝胺發(fā)射藥的長(zhǎng)貯理化性能

將1993年制備的疊氮硝胺發(fā)射藥（DA-6/7-1993）自然存放23a，對(duì)樣品長(zhǎng)期貯存前、后的理化性能進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 貯存前后理化性能

Tab.1 The physical chemistry performance before and after storage

圖2 長(zhǎng)貯后的疊氮硝胺發(fā)射藥樣品

長(zhǎng)貯后的疊氮硝胺發(fā)射藥如圖2所示，其表觀(guān)形貌良好，無(wú)發(fā)粘、結(jié)團(tuán)現(xiàn)象，無(wú)汗析特征。由表1可見(jiàn)，長(zhǎng)貯前、后疊氮硝胺發(fā)射藥密度、燃燒層厚度無(wú)變化，水分、爆熱值變化低于3%，表明疊氮硝胺發(fā)射藥長(zhǎng)期貯存后基本理化性能保持不變，因此疊氮硝胺與硝化棉體系性能穩(wěn)定，各組分物理化學(xué)相容性良好，在自然條件下可以長(zhǎng)期穩(wěn)定存放。同時(shí)，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的貯存，發(fā)射藥會(huì)發(fā)生輕微的吸潮及自催化分解反應(yīng)，表現(xiàn)為內(nèi)揮發(fā)分含量降低，但其主要物理、化學(xué)性能不發(fā)生顯著變化，反映了疊氮硝胺發(fā)射藥長(zhǎng)貯過(guò)程中自催化分解速度比較緩慢。

2.3 疊氮硝胺發(fā)射藥安定性

為進(jìn)一步研究發(fā)射藥長(zhǎng)貯前后的安定性，進(jìn)行了甲基紫試驗(yàn)和DSC試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可知，經(jīng)過(guò)23a的自然貯存，疊氮硝胺發(fā)射藥甲基紫試紙變色時(shí)間變化不顯著，熱分解峰溫度基本沒(méi)有變化，熱安定性沒(méi)有明顯改變，可以長(zhǎng)期存放。

表2 甲基紫試驗(yàn)、DSC試驗(yàn)結(jié)果

Tab.2 Results of methyl-violet test and DSC test

分析認(rèn)為，疊氮硝胺發(fā)射藥在貯存過(guò)程中，自催化分解反應(yīng)緩慢地放出CO2、NO2等氧化性氣體，這些分解氣體被中定劑及時(shí)地吸收，減少了分解氣體的聚集量，表現(xiàn)為甲基紫變色時(shí)間變化不大，發(fā)射藥安定性好。此外，疊氮硝胺發(fā)射藥長(zhǎng)貯前后的熱分解溫度分別為192.9℃和192.1℃，且試驗(yàn)過(guò)程中均只出現(xiàn)1個(gè)分解放熱峰，說(shuō)明經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期存放后各組分之間結(jié)合良好，沒(méi)有組分分離析出情況。其可能原因是疊氮硝胺對(duì)硝化棉良好的增塑能力，而且疊氮硝胺與硝化甘油可以完全互溶，能夠形成低共溶混合物，有效提高了疊氮硝胺發(fā)射藥組分間的結(jié)合力，保證了其長(zhǎng)期存儲(chǔ)期間的穩(wěn)定性。

2.4 內(nèi)彈道性能驗(yàn)證

疊氮硝銨發(fā)射藥長(zhǎng)貯前后的內(nèi)彈道性能試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。由表3可以看出，長(zhǎng)貯前、后疊氮硝胺發(fā)射藥常溫（20℃）下膛壓、初速變化浮動(dòng)低于0.5%，低溫（-40℃）、高溫（50℃）膛壓、初速浮動(dòng)不超過(guò)3%，考慮測(cè)試數(shù)據(jù)采集誤差的影響，可以認(rèn)為疊氮硝胺發(fā)射藥長(zhǎng)貯23a后彈道性能基本無(wú)變化，燃燒性能穩(wěn)定，燃速基本保持不變，并且高低常溫，燃燒過(guò)程未出現(xiàn)侵蝕、解體等不良現(xiàn)象。

表3 疊氮硝胺發(fā)射藥長(zhǎng)貯前后的內(nèi)彈道性能

Tab.3 Interior ballistic performance of azidonitramine gun propellant before and after storage

3 結(jié)論

（1）疊氮硝胺發(fā)射藥預(yù)估安全貯存壽命為63a，而普通雙基體系發(fā)射藥安全貯存壽命為30~40a，說(shuō)明疊氮硝胺發(fā)射藥具有更好的安定性。（2）長(zhǎng)貯23a以上的疊氮硝胺發(fā)射藥理化性能良好，安定性能穩(wěn)定，自然條件下可以長(zhǎng)期安全穩(wěn)定存放。（3）疊氮硝胺發(fā)射藥長(zhǎng)貯后燃燒性能穩(wěn)定，內(nèi)彈道性能沒(méi)有明顯變化，可以滿(mǎn)足彈藥裝藥長(zhǎng)期貯存使用要求。

[1] 魏學(xué)濤,卿輝,崔鵬騰,等.疊氮硝胺發(fā)射藥燃燒性能調(diào)控技術(shù)[J].火炸藥學(xué)報(bào),2004,27(4):46-49.

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Study on the Storage Performance of Azidonitramine Gun Propellant

CUI Peng-teng , JIAO Xu-ying ,JIA Yong-jie，SHI Xian-rui，HU Rui

(Xi’an Modern Chemistry Research Institute, Xi’an, 710065)

In order to study the storage performance of azidonitramine gun propellant, the storage stability life was investigated by the thermal accelerated test, as well as the long-storage stability was investigated by physical chemistry performance tests and 14.5mm gun tests. Results show that the safe storage life at 30 ℃obtained by Berthelot’s equation is 63years, which is better than that of double-based propellants. The storage performance and interior ballistic performance of azidonitramine gun propellant storaged 23 years is stable. The study indicate that azidonitramine gun propellant can meet the long storage requirement of ammunition.

Gun propellant；DIANP；Storage performance；Thermal decomposition

1003-1480（2018）03-0035-03

TQ562

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2018.03.009

2017-11-12

崔鵬騰（1979 -），男，副研究員，主要從事發(fā)射藥配方與工藝研究。