硝化纖維素含氮量對(duì)發(fā)射藥力學(xué)性能的影響

胡向明，黃振亞，解德富，宋亞蘋(píng)

(南京理工大學(xué)化工學(xué)院，江蘇 南京 210094)

引 言

隨著火炮發(fā)射裝藥向高裝填密度、高膛壓和高初速方向發(fā)展，對(duì)使用過(guò)程中的安全性提出了更高的要求。研究認(rèn)為[1-2]，粒狀發(fā)射藥在高膛壓下出現(xiàn)破碎，影響發(fā)射藥的燃燒規(guī)律，引起膛壓異常升高。為了滿(mǎn)足發(fā)射藥在高膛壓下的安全使用要求，研究人員致力于改善高能發(fā)射藥的力學(xué)性能，尤其是其低溫力學(xué)性能[3-4]。張鄒鄒等[5]系統(tǒng)研究了溫度對(duì)發(fā)射藥動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的影響，溫度高于0℃時(shí)，發(fā)射藥主要發(fā)生塑性形變，隨著溫度降低，發(fā)射藥受外力沖擊時(shí)逐漸變?yōu)榇嘈詳嗔?；楊建興等[6]通過(guò)改變RDX粒度，改善硝胺發(fā)射藥的低溫力學(xué)性能；張遠(yuǎn)波等[7]利用萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)，研究NC基高能發(fā)射藥的低溫抗沖擊強(qiáng)度，黏結(jié)劑含氮量降低、增塑劑ZSJ-X含量增加、填料粒度降低都有助于提高發(fā)射藥的低溫抗沖擊強(qiáng)度。

本研究通過(guò)調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)配方中NC的含氮量，制備3種不同含氮量的均質(zhì)發(fā)射藥樣品和非均質(zhì)發(fā)射藥樣品，通過(guò)動(dòng)態(tài)熱機(jī)械分析試驗(yàn)、簡(jiǎn)支梁沖擊試驗(yàn)、落錘撞擊試驗(yàn)結(jié)合密閉爆發(fā)器燃燒試驗(yàn)，系統(tǒng)研究NC含氮量對(duì)發(fā)射藥力學(xué)性能的影響規(guī)律，以期改善高能發(fā)射藥的低溫力學(xué)性能。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 材料與儀器

以硝化纖維素(NC)、硝化甘油(NG)、1,5-二疊氮基-3-硝基-3-氮雜戊烷(DA)為主要組分的吸收藥片；黑索金(RDX)，d50=10μm。

DMA Q800型動(dòng)態(tài)熱機(jī)械分析儀、DMA Q800型動(dòng)態(tài)熱機(jī)械分析儀，美國(guó)TA公司；低溫試驗(yàn)箱，上海和呈儀器制造有限公司；簡(jiǎn)支梁沖擊試驗(yàn)機(jī)，擺錘質(zhì)量為2kg，常州德杜精密儀器有限公司；落錘撞擊裝置，落錘質(zhì)量5kg，落高0～100cm，揚(yáng)州市源峰檢測(cè)設(shè)備有限公司。

1.2 發(fā)射藥樣品制備

設(shè)計(jì)制備火藥力基本一致、爆溫(3422±5)K的3種均質(zhì)發(fā)射藥和火藥力基本一致、爆溫(3502±5)K的3種非均質(zhì)發(fā)射藥，其中非均質(zhì)試驗(yàn)樣品中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)(20±5)%的RDX。表1為發(fā)射藥樣品配方。

表1 發(fā)射藥樣品配方Table 1 Formulations of gun propellant

1.3 性能檢測(cè)

1.3.1 動(dòng)態(tài)熱機(jī)械分析

采用動(dòng)態(tài)熱機(jī)械分析儀，通過(guò)動(dòng)態(tài)熱機(jī)械分析試驗(yàn)，獲得損耗模量隨溫度的變化規(guī)律。采用雙懸臂梁夾具，測(cè)試樣品為60mm×15mm×2mm的帶狀樣，測(cè)試頻率1Hz，振幅5μm，溫度范圍-60～80℃，升溫速率2℃/min。

1.3.2 簡(jiǎn)支梁沖擊試驗(yàn)

采用簡(jiǎn)支梁式擺錘法對(duì)發(fā)射藥樣品進(jìn)行沖擊試驗(yàn)測(cè)試其抗沖擊強(qiáng)度。測(cè)試樣品為長(zhǎng)度60mm的18/1單孔管狀藥，每個(gè)樣品一組平行試驗(yàn)7次，分別在0、-20和-40℃下恒溫4h以上。

1.3.3 落錘撞擊試驗(yàn)

采用落錘撞擊試驗(yàn)，結(jié)合密閉爆發(fā)器試驗(yàn)，以破碎度表征發(fā)射藥樣品的落錘抗撞擊性能。測(cè)試樣品為長(zhǎng)約13mm的18/19H粒狀藥，測(cè)試前對(duì)藥粒進(jìn)行端面處理，使其兩端面齊整且與側(cè)面垂直。每個(gè)樣品一組平行試驗(yàn)5次，重復(fù)試驗(yàn)兩組，分別在0、-20和-40℃下恒溫4h以上，進(jìn)行95cm落高撞擊試驗(yàn)、并對(duì)-40℃恒溫樣品進(jìn)行75cm落高撞擊試驗(yàn)。收集撞擊后的發(fā)射藥樣品與未經(jīng)撞擊試驗(yàn)的空白樣品分別進(jìn)行密閉爆發(fā)器試驗(yàn)，發(fā)射藥裝填密度為(0.19±0.01)g/cm3，點(diǎn)火藥包為(0.5±0.0005)g的C級(jí)硝化棉，獲得發(fā)射藥燃燒的L—B曲線(xiàn)，再通過(guò)公式(1)計(jì)算樣品受撞擊后的破碎度(Cr)。即：

(1)

式中：Cr為樣品受撞擊后的破碎度；S0、ω0、L0分別為空白樣品的初始燃燒面積、裝藥量和初始燃燒活度；Si、ωi、Li分別為撞擊試驗(yàn)樣品的初始燃燒面積、裝藥量和初始燃燒活度。

2 結(jié)果與討論

2.1 均質(zhì)發(fā)射藥動(dòng)態(tài)熱機(jī)械分析

圖1為樣品LX-01、LX-02、LX-03的動(dòng)態(tài)熱機(jī)械分析曲線(xiàn)，反映了樣品損耗模量(E″)隨溫度的變化情況。

圖1 LX-01、LX-02和LX-03的DMA曲線(xiàn)Fig.1 DMA curves of LX-01,LX-02 and LX-03

α松弛是NC分子主鏈鏈段運(yùn)動(dòng)引起的，β松弛與NC分子側(cè)基和NG等增塑劑分子發(fā)生聯(lián)合運(yùn)動(dòng)相關(guān)[8]。由圖1可以看出，LX-01樣品在-44.55℃出現(xiàn)β松弛峰，LX-02樣品與LX-03樣品分別在-37.07℃和-36.01℃出現(xiàn)β松弛峰，隨著溫度升高，LX-02樣品和LX-03樣品在10～20℃發(fā)生α松弛，LX-01樣品在30℃左右發(fā)生α松弛，在41.74℃出現(xiàn)α松弛峰，LX-03樣品的α松弛峰雖然不明顯，但其α松弛峰溫度小于LX-01樣品和LX-02樣品。在低溫段，NC分子主鏈處于凍結(jié)狀態(tài)，受外力作用時(shí)，主要靠增塑劑小分子以及分子間鍵長(zhǎng)和鍵角變化吸收能量，NC含氮量較低的發(fā)射藥具有較低的β松弛峰，其低溫力學(xué)性能較好，隨著含氮量的增加，力學(xué)性能變差。溫度逐漸升高，NC含氮量較高的發(fā)射藥較早進(jìn)入α松弛轉(zhuǎn)變區(qū)，其力學(xué)性能較好。因此，LX-01樣品的低溫力學(xué)性能相對(duì)較好。

2.2 簡(jiǎn)支梁沖擊性能分析

發(fā)射藥樣品的簡(jiǎn)支梁沖擊性能測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 發(fā)射藥樣品的簡(jiǎn)支梁抗沖擊強(qiáng)度Table 2 Impact strength of gun propellant by simply supported beam pendulum impact test

由表2可以看出，對(duì)同一發(fā)射藥樣品，隨著溫度降低，發(fā)射藥樣品的簡(jiǎn)支梁抗沖擊強(qiáng)度明顯降低。NC含氮量對(duì)發(fā)射藥簡(jiǎn)支梁抗沖擊強(qiáng)度的影響與溫度有關(guān)。在均質(zhì)發(fā)射藥體系中，隨著NC含氮量增大，0℃條件下的抗沖擊強(qiáng)度增大，-20℃條件下的抗沖擊強(qiáng)度變化規(guī)律不明顯，-40℃條件下的抗沖擊強(qiáng)度明顯降低。在非均質(zhì)發(fā)射藥體系中，隨著NC含氮量增大，0℃和-20℃條件下的抗沖擊強(qiáng)度變化規(guī)律不明顯，-40℃條件下的抗沖擊強(qiáng)度明顯降低?？赡苁且?yàn)?，NC含氮量較低時(shí)，NC分子含有較多的-OH，NC與RDX間氫鍵相對(duì)較多，界面間氫鍵結(jié)合起主導(dǎo)作用，隨著NC含氮量增大，NC分子-OH減少，NC與RDX的氫鍵作用減弱，界面結(jié)合主要受脫濕影響。

2.3 撞擊強(qiáng)度分析

圖2為發(fā)射藥樣品在-40℃、95cm落高條件下落錘撞擊后的表觀形貌圖。均質(zhì)發(fā)射藥品中，LX-03樣品裂紋比較明顯，其次為L(zhǎng)X-02樣品，LX-01樣品相對(duì)較好。非均質(zhì)藥樣品中，LX-07樣品有鼓脹現(xiàn)象和裂紋，LX-08樣品和LX-09樣品破碎程度很大。

圖2 發(fā)射藥樣品-40℃、95cm撞擊后的表觀形貌圖Fig.2 Appearance graphs of gun propellant under -40℃and 95cm drop height

根據(jù)密閉爆發(fā)器所測(cè)得的燃燒壓力曲線(xiàn)，采用公式(2)和(3)計(jì)算出動(dòng)態(tài)燃燒活度L和相對(duì)壓力B：

(2)

(3)

圖3為發(fā)射藥LX-07在不同落錘撞擊條件下的L—B曲線(xiàn)，圖4為各樣品在-40℃、95cm落錘撞擊條件下的L—B曲線(xiàn)。從圖3可以看出，與未受落錘撞擊的空白藥相比，藥粒溫度越低、落高越高，初始動(dòng)態(tài)燃燒活度越高，初始燃面越大。圖4中，均質(zhì)發(fā)射藥和非均質(zhì)發(fā)射藥中，隨著含氮量的增加，初始動(dòng)態(tài)燃燒活度增大，但各樣品的破碎情況還需和對(duì)應(yīng)的空白樣品進(jìn)行比較。

由于L—B曲線(xiàn)存在明顯的波動(dòng)性，初始燃燒活度取單點(diǎn)數(shù)據(jù)存在很大的隨機(jī)性，因此取初始燃燒階段某一范圍的平均值較為合理。但如果取值范圍太大，發(fā)射藥燃燒過(guò)多；取值范圍太小則易受點(diǎn)火不一致性的影響，均不能真實(shí)反映發(fā)射藥的初始燃燒表面積。根據(jù)數(shù)據(jù)處理分析，當(dāng)相對(duì)壓力B值為0.07時(shí)，發(fā)射藥燃燒質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為3%，可較好地反映發(fā)射藥樣品的初始燃燒情況。因此，本研究取B值為Bi～0.07范圍內(nèi)的L平均值作為初始燃燒活度(Bi為燃燒的起始相對(duì)壓力)，計(jì)算處理得到發(fā)射藥樣品受撞擊后的破碎度。

圖3 LX-07樣品不同撞擊試驗(yàn)條件下的L—B曲線(xiàn)Fig.3 L—B curves of LX-07 sample under different impact test conditions

圖4 各樣品在-40℃、95cm撞擊試驗(yàn)條件的L—B曲線(xiàn)Fig.4 L—B curves of each sample under -40℃and 95cm drop height

表3為均質(zhì)發(fā)射藥樣品與非均質(zhì)發(fā)射藥樣品落錘撞擊性能檢測(cè)的破碎度(Cr)結(jié)果。從理論上講，破碎度數(shù)據(jù)等于1即表明發(fā)射藥樣品撞擊試驗(yàn)前后的初始燃燒表面積不變。在0℃和-20℃條件下，部分破碎度數(shù)據(jù)出現(xiàn)小于1的現(xiàn)象，說(shuō)明燃燒面積發(fā)生了變化，原因是發(fā)射藥樣品受落錘撞擊作用后產(chǎn)生了明顯的變形，外觀呈腰鼓狀、內(nèi)孔縮小，導(dǎo)致初始燃燒面積減小。

由表3數(shù)據(jù)的變化規(guī)律可以看出，溫度越低，各發(fā)射藥樣品受撞擊后的破碎度越大，符合隨著溫度降低，發(fā)射藥落錘撞擊性能減弱的基本規(guī)律。NC含氮量對(duì)發(fā)射藥落錘撞擊強(qiáng)度的影響同樣與溫度有關(guān)。在均質(zhì)發(fā)射藥體系中，隨著NC含氮量增大，0℃條件下的撞擊破碎度減小，-20℃條件下的撞擊破碎度變化規(guī)律不明顯，-40℃條件下的撞擊破碎度明顯增大。在非均質(zhì)發(fā)射藥體系中，隨著NC含氮量增大，0℃條件下的撞擊破碎度變化規(guī)律不明顯；-20℃和-40℃條件下的撞擊破碎度明顯增大。一方面，發(fā)射藥NC含氮量較低時(shí)，NC的羥基含量增加、硝酸酯基團(tuán)減少，與NG、DA增塑劑的塑化效果更好，更有利于與增塑劑以及RDX填料的極性氧原子發(fā)生氫鍵結(jié)合[9]；另一方面，NC含氮量較低時(shí)，NC分子鏈分布更加均勻，與RDX氫鍵結(jié)合更容易，發(fā)射藥的低溫落錘撞擊性能較好。

表3 發(fā)射藥樣品的撞擊破碎度Table 3 Impact fragmentation degree of gun propellants

各發(fā)射藥樣品含氮量變化對(duì)落錘撞擊強(qiáng)度和簡(jiǎn)支梁沖擊強(qiáng)度的影響規(guī)律相吻合。另外，在-40～0℃內(nèi)，均質(zhì)發(fā)射藥的落錘抗撞擊性能隨NC含氮量的變化規(guī)律與動(dòng)態(tài)熱機(jī)械分析結(jié)果也基本一致。

3 結(jié) 論

(1)NC含氮量對(duì)發(fā)射藥力學(xué)性能的影響與溫度有關(guān)，在0℃條件下，NC含氮量較高的發(fā)射藥具有較好的簡(jiǎn)支梁抗沖擊強(qiáng)度與落錘抗撞擊強(qiáng)度；在-40℃低溫條件下，隨著NC含氮量增大，發(fā)射藥的簡(jiǎn)支梁沖擊強(qiáng)度和落錘撞擊強(qiáng)度都明顯降低。

(2)在0℃下，隨NC含氮量增大，均質(zhì)發(fā)射藥簡(jiǎn)支梁抗沖擊強(qiáng)度和落錘抗撞擊強(qiáng)度增大，在-20℃下的變化規(guī)律不明顯。NC含氮量較高的樣品DMA曲線(xiàn)的β峰溫較高，在-40℃下，隨NC含氮量增大，簡(jiǎn)支梁抗沖擊強(qiáng)度和落錘抗撞擊強(qiáng)度降低。

(3)非均質(zhì)發(fā)射藥的簡(jiǎn)支梁抗沖擊強(qiáng)度和落錘抗撞擊強(qiáng)度在0℃下的變化規(guī)律不明顯，在-20℃和-40℃下隨NC含氮量的增大而降低。