TMETN含量和NC含氮量對TMETN/NG 混合硝酸酯發(fā)射藥力學(xué)性能的影響

田 宇，王英博，何衛(wèi)東，董 軍

(1. 南京理工大學(xué)化工學(xué)院，江蘇 南京 210094；2. 瀘州北方化學(xué)工業(yè)有限公司，四川 瀘州 646605)

引 言

武器裝備發(fā)展對火炮的初速和炮口動能提出了更高的要求，高膛壓、高裝填密度、高能發(fā)射藥裝藥技術(shù)被廣泛應(yīng)用。隨著膛壓和裝填密度的提高，射擊過程中發(fā)射藥的受力環(huán)境惡化，力學(xué)性能不符合要求的發(fā)射藥會出現(xiàn)變形或破碎，使發(fā)射藥的燃燒表面劇增，造成彈道性能反常，嚴重情況下甚至導(dǎo)致炸膛事故的發(fā)生。因此，發(fā)射藥良好的力學(xué)性能是武器使用安全性和彈道穩(wěn)定性的重要保證[1]。

雙基發(fā)射藥以NC和NG為基本能量成分，具有結(jié)構(gòu)均勻、再現(xiàn)性能好、貯存壽命長和性能穩(wěn)定等優(yōu)點[2]。為了提高發(fā)射藥能量，常常在雙基發(fā)射藥體系中添加RDX等高能固體填料。然而，由于NG自身的物理化學(xué)性質(zhì)導(dǎo)致雙基發(fā)射藥的低溫力學(xué)性能較差，RDX的加入導(dǎo)致這一問題更加突出，NC作為發(fā)射藥黏結(jié)劑，其含氮量也明顯影響發(fā)射藥的力學(xué)性能。

三羥甲基乙烷三硝酸酯(TMETN)是一種含能增塑劑，其化學(xué)結(jié)構(gòu)與NG相似，但撞擊感度比NG低很多，毒性、揮發(fā)性和吸濕性也比NG小，對NC有著良好的增塑效果[3]，將TMETN/NG混合酯配方引入發(fā)射藥配方中可以有效降低發(fā)射藥的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，提高其低溫力學(xué)性能，彌補硝胺發(fā)射藥力學(xué)性能不足的缺陷。但TMETN的能量較NG低，為了保證發(fā)射藥的高能特性，采用TMETN/NG混合硝酸酯是保證發(fā)射藥高能特征、同時提高其力學(xué)性能，特別是低溫力學(xué)性能的有效途徑。同時，當增塑劑增塑效果較優(yōu)時，若適當提高NC的含氮量，并且能被增塑劑很好地吸收塑化，就能提高發(fā)射藥的使用效能[4-7]。

為此，本研究以硝胺發(fā)射藥配方為基礎(chǔ)，將TMETN部分或完全取代NG，制備了含TMETN/NG的發(fā)射藥，并測試了不同溫度下的力學(xué)性能，研究了TMETN含量和NC含氮量對發(fā)射藥沖擊和壓縮強度的影響，為TMETN/NG混合硝酸酯在發(fā)射藥領(lǐng)域中的應(yīng)用提供參考。

1 實 驗

1.1 試劑與儀器

NC(含氮量12.2%～13.0%)、B型吸收藥、TMETN吸收藥，瀘州北方化學(xué)工業(yè)有限公司；超細RDX，甘肅銀光化學(xué)工業(yè)集團有限公司；無水乙醇、丙酮，均為化學(xué)純，南京化學(xué)試劑有限公司。

SFJ-400型電動攪拌器，上?，F(xiàn)代環(huán)境工程技術(shù)有限公司；水浴烘箱，南京理工大學(xué)機電總廠；捏合機，江蘇國貿(mào)國泰減速機集團有限公司；Instron型萬能材料試驗機、沖擊試驗機，美國Instron公司。

1.2 TMETN/NG發(fā)射藥樣品的制備

硝胺發(fā)射藥的基礎(chǔ)配方(質(zhì)量分數(shù))為：NC，44%；NG，20%；RDX，35%；2號中定劑(C2)，1%。在此基礎(chǔ)上，用TMETN逐漸取代NG(質(zhì)量分數(shù)分別為0、5%、10%、15%、20%)或改變NC含氮量分別為12.2%、12.4%、12.6%、12.8%、13.0%，制備了TMETN/NG發(fā)射藥。實驗配方及發(fā)射藥能量示性數(shù)如表1所示。

表1 TMETN/NG混合硝酸酯發(fā)射藥配方及能量示性數(shù)Table 1 TMETN/NG mixed nitrate propellant formula and energy indicator number

將NC、B型吸收藥、TMETN吸收藥、RDX按配方比例配好，加入3000mL蒸餾水，在電動攪拌器下以2800r/min的速度攪拌3h。利用真空抽濾的方式，使藥水分離，驅(qū)除吸收藥片中的大部分水分，便于壓片。借助壓延機的兩個輥筒的擠壓作用和高溫作用，將粉狀吸收藥壓成片狀，除去經(jīng)驅(qū)水后的吸收藥中的大部分水分，并利于進一步烘干處理。滾筒溫度為80℃，壓延15min。將吸收藥片均勻放在托盤中，并將其放入水浴烘箱(50℃)中5d，將藥片的水分蒸發(fā)，使水分含量達到規(guī)定的質(zhì)量要求。

將發(fā)射藥藥料以及一半溶劑加入捏合機后正車捏合10min，停機加入另一半溶劑，然后再正車捏合10min，反車捏合10min，循環(huán)兩次，再正車捏合70min，整個捏合過程持續(xù)2h(醇酮質(zhì)量比為1∶2，溶棉質(zhì)量比為1∶2，循環(huán)水溫度30℃)。發(fā)射藥藥團經(jīng)油壓機，通過模具(15/1)及過濾網(wǎng)，使藥粒進一步塑化，并清除藥料中的雜質(zhì)，壓制成一定外徑的藥條以便于成型。在45℃預(yù)烘2d，并于50℃干烘5d以驅(qū)除揮發(fā)性溶劑。

1.3 力學(xué)性能測試

采用沖擊試驗機、萬能材料試驗機對發(fā)射藥的沖擊強度和壓縮強度進行測試。測試樣品均按GJB770B-2005方法417.1標準制備(沖擊樣品采用15/1管狀藥，長6cm；壓縮樣品長徑比為1∶1)，測試溫度分別為-40、20和50℃。

1.4 高壓定容燃燒性能測試

采用高壓密閉爆發(fā)器測試發(fā)射藥高壓情況下的定容燃燒情況，密閉爆發(fā)器體積為107.385mL，裝填密度為0.34g/cm3，點火采用質(zhì)量為1g C棉的點火藥包，點火壓力10MPa，使用15/1管狀發(fā)射藥進行測試，測得發(fā)射藥壓力—時間(p—t)曲線，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理得到發(fā)射藥的p—t和L—B曲線。

2 結(jié)果與討論

2.1 NC含氮量對TMETN/NG發(fā)射藥力學(xué)性能的影響

在-40、20和50℃下，ZTH-1～ZTH-5混合硝酸酯發(fā)射藥樣品的沖擊強度(αk)和壓縮強度(αmax)測試結(jié)果見圖1。

圖1 NC含氮量對混合硝酸酯發(fā)射藥沖擊強度 和壓縮強度的影響Fig.1 Effect of NC nitrogen contents on the impact strength and compression strength of mixed nitrate gun propellants

由圖1可以看出，隨著NC含氮量的變化，TMETN/NG發(fā)射藥的沖擊強度和壓縮強度在高溫、常溫和低溫下的變化趨勢一致，均呈現(xiàn)先小幅度上升后逐漸下降的趨勢。當NC含氮量為12.4%時，發(fā)射藥力學(xué)性能最佳。分析認為，硝化棉在溶劑中溶解的一般規(guī)律是：在醇酮質(zhì)量比1∶2的溶劑中，只有在含氮量為11.0%～12.5%時溶解度最大，隨著含氮量的增加，硝基取代羥基數(shù)量增多，羥基逐漸被酯化，使其與配方中RDX等固體填料中的極性氧原子形成氫鍵的數(shù)目減少，氫鍵之間的作用力減弱，分子鏈間的相互作用力減少，降低了其與固體填料的結(jié)合能力，從而使發(fā)射藥的沖擊強度減少[8-9]。另一方面，當TMETN/NG質(zhì)量比不變時，高氮量的硝化棉/增塑劑體系更容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，這樣有利于裂紋的擴展，使力學(xué)性能變差[4]。

2.2 TMETN含量對TMETN/NG發(fā)射藥力學(xué)性能的影響

混合硝酸酯發(fā)射藥樣品ZTH-6～ZTH-10在-40、20和50℃下的沖擊強度(αk)和壓縮強度(αmax)測試結(jié)果見圖2。

圖2 TMETN含量對混合硝酸酯發(fā)射藥沖擊強度 和壓縮強度的影響Fig.2 Effect of NC TMETN content on the impact strength and compression strength of mixed nitrate gun propellants

由圖2可以看出，TMETN/NG發(fā)射藥的低溫沖擊強度隨TMETN含量的增加呈逐漸上升趨勢，高溫、常溫沖擊強度則有所降低。而抗壓強度在高溫、常溫、低溫下變化規(guī)律一致，均逐漸上升。分析認為，TMETN雖然與NG結(jié)構(gòu)相似，但其增塑性能優(yōu)于NG，且易溶解NC，其分子中的極性基團更易與NC分子中的極性基團相互作用，從而破壞NC分子間極性基團的相互作用及分子間的物理交聯(lián)點，使分子的鏈段運動得以實現(xiàn)，聚合物的玻璃化溫度降低，低溫韌性增加，表現(xiàn)為力學(xué)性能增強[10]。同時由于TMETN分子體積大于NG，隨著TMETN含量的增加，發(fā)射藥TMETN/NG的分子體積增加，NC分子鏈之間的距離和活動空間增加，分子間相互作用力減弱，導(dǎo)致沖擊強度下降[2]。綜合表現(xiàn)為低溫沖擊強度升高，高溫、常溫沖擊強度下降。

2.3 TMETN含量對TMETN/NG發(fā)射藥燃燒性能的影響

為了檢驗發(fā)射藥在高壓燃燒條件下的燃燒性能，選出3個典型配方ZTH-6、ZTH-7和ZTH-8分別在高溫(50℃)、常溫(20℃)和低溫(-40℃)條件下進行了高壓密閉爆發(fā)器實驗(裝填密度為0.34g/cm3)，得到不同溫度下發(fā)射藥樣品的p—t、L—B曲線，結(jié)果如圖3、圖4和圖5所示。

由圖3～圖5可以看出，在高壓條件下，3種發(fā)射藥樣品在不同溫度條件下的p—t、L—B曲線均光滑，符合管狀發(fā)射藥正常燃燒的變化規(guī)律，表明在高壓定容燃燒條件下，發(fā)射藥沒有出現(xiàn)明顯的碎裂現(xiàn)象。

圖3 不同溫度條件下ZTH-6配方的p—t、L—B曲線Fig.3 The p—t and L—B curves of ZTH-6 formulation under different temperature conditions圖4 不同溫度條件下ZTH-7配方的p—t、L—B曲線Fig.4 The p—t and L—B curves of ZTH-7 formulation under different temperature conditions圖5 不同溫度條件下ZTH-8配方的p—t、L—B曲線Fig.5 The p—t and L—B curves of ZTH-8 formulation under different temperature conditions

3 結(jié) 論

(1)NC含氮量影響TMETN/NG混合硝酸酯發(fā)射藥的力學(xué)性能，在試驗范圍內(nèi)(含氮量12.2%～13.0%)，隨著NC含氮量的增加，發(fā)射藥的沖擊強度和壓縮強度在高溫、常溫和低溫下的變化趨勢一致，均呈現(xiàn)先小幅度上升后逐漸下降的趨勢，含氮量12.4%時，沖擊強度和壓縮強度最高。

(2)TMETN可明顯提高發(fā)射藥的力學(xué)性能，隨著TMETN取代NG的質(zhì)量分數(shù)由0增加至20%，混合硝酸酯發(fā)射藥的低溫沖擊強度不斷增加，高溫、常溫下的沖擊強度則呈現(xiàn)相反的趨勢，而壓縮強度均呈現(xiàn)上升趨勢。

(3)高壓定容燃燒條件下，NG/TMETN發(fā)射藥的燃燒穩(wěn)定，不同溫度下發(fā)射藥燃燒過程中沒有出現(xiàn)明顯的碎裂現(xiàn)象。