堵孔鈍感高能疊氮硝胺發(fā)射藥的性能

趙 強(qiáng)，劉 波，劉少武，馬方生，王瓊林，李梓超

（西安近代化學(xué)研究所，陜西 西安 710065）

高能疊氮硝胺發(fā)射藥是一種新型高能低燒蝕發(fā)射藥，其火藥力高（1227 J·g-1），爆溫比同能量的發(fā)射藥低200～300 K，低溫力學(xué)性能好（低溫抗沖擊強(qiáng)度可達(dá)9.0 kJ·m-2以上），煙霧殘?jiān)?，工藝適應(yīng)性強(qiáng)，適用于高膛壓火炮發(fā)射裝藥［1-2］。為了進(jìn)一步提升火炮彈道性能，亟需解決高能疊氮硝胺發(fā)射藥燃燒漸增性欠佳及低溫感效果較差的問題。關(guān)于提高發(fā)射藥燃燒漸增性及改善發(fā)射藥低溫感效果，國(guó)內(nèi)外已有一些成功的技術(shù)方案，如單基發(fā)射藥的浸漬鈍感包覆技術(shù)［3-8］，表面包覆雙基（SCDB，surface coated double base）發(fā)射藥技術(shù)［9-12］，國(guó)內(nèi)大粒雙基、三基發(fā)射藥的同材質(zhì)包覆材料兩次包覆技術(shù)（“藥包藥”技術(shù)）［13-18］等。而浸漬鈍感包覆技術(shù)由于浸漬硝化甘油，容易因表面增塑劑含量過高而導(dǎo)致長(zhǎng)儲(chǔ)過程中功能材料發(fā)生遷移，目前主要適用于單基藥；SCDB技術(shù)主要適用于孔徑小于0.3 mm的發(fā)射藥［12］；“藥包藥”技術(shù)目前只能采用混合裝藥的方式降低溫度系數(shù)［13，19］。

因此，若要提高高能疊氮硝胺發(fā)射藥的燃燒漸增性，改善其低溫感效果，同時(shí)保持其高能量特性，亟需創(chuàng)新發(fā)射藥堵孔材料和堵孔工藝。為此，本研究利用高分子復(fù)合材料在粒狀高能疊氮硝胺發(fā)射藥孔道中形成“塞子”以封閉其內(nèi)孔，而后采用含能復(fù)合材料對(duì)其進(jìn)行鈍感處理，制備了堵孔鈍感高能疊氮硝胺發(fā)射藥，采用爆熱和密閉爆發(fā)器試驗(yàn)對(duì)制備的堵孔鈍感發(fā)射藥的能量和燃燒性能進(jìn)行了測(cè)試，為高能疊氮硝胺發(fā)射藥的應(yīng)用研究打下技術(shù)基礎(chǔ)。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 試劑與儀器

粒狀高能疊氮硝胺發(fā)射藥，主要組分為硝化棉（NC），硝化甘油（NG），黑索今（RDX），1，5-二疊氮基-3-硝基-3-氮雜戊烷（DIANP）等，西安近代化學(xué)研究所；含石墨的高分子復(fù)合材料及含硝化棉的含能復(fù)合材料均由西安近代化學(xué)研究所自制；丙酮和乙醇均為分析純，西安化學(xué)試劑廠。

光澤機(jī)，西安近代化學(xué)研究所自研，主要由轉(zhuǎn)鼓、控制系統(tǒng)組成，其主要作用是將高分子復(fù)合材料及高能疊氮硝胺發(fā)射藥進(jìn)行不斷旋轉(zhuǎn)使高分子復(fù)合材料分散均勻且部分進(jìn)入發(fā)射藥內(nèi)孔中形成“塞子”以堵住發(fā)射藥內(nèi)孔。

鈍感機(jī)，西安近代化學(xué)研究所自研，主要由轉(zhuǎn)鼓、進(jìn)料裝置、霧化裝置、熱風(fēng)裝置、控制系統(tǒng)組成，其主要作用是將含能復(fù)合材料經(jīng)霧化噴頭噴出后均勻分散于發(fā)射藥表面。

2.2 實(shí)驗(yàn)過程

稱量含石墨的高分子復(fù)合材料，加入定量含乙醇的溶劑，常溫下攪拌形成高分子復(fù)合材料液態(tài)混合物，備用；常溫下開動(dòng)光澤機(jī)，加入定量粒狀高能疊氮硝胺發(fā)射藥及上述高分子復(fù)合材料液態(tài)混合物，一定時(shí)間后光澤機(jī)停機(jī)，取出發(fā)射藥，干燥，所制備樣品由端面向孔內(nèi)延伸一定的距離被高分子復(fù)合材料形成的“塞子”所封堵，得到塞子堵孔發(fā)射藥；稱量含硝化棉的含能復(fù)合材料，加入定量乙醇與丙酮混合溶劑，常溫下攪拌形成含能復(fù)合材料液態(tài)混合物，備用；常溫下開動(dòng)鈍感機(jī)，定量加入上述制備的塞子堵孔發(fā)射藥及含能復(fù)合材料液態(tài)混合物，通熱風(fēng)，一定時(shí)間后鈍感機(jī)停機(jī)，取出發(fā)射藥，干燥，所制備樣品經(jīng)含能復(fù)合材料鈍感，得到3種堵孔鈍感發(fā)射藥（表1）。

表1 3種堵孔鈍感發(fā)射藥的堵孔及鈍感材料用量Table 1 The amount of plugged and insensitive materials contained in three types of gun propellants %

2.3 性能測(cè)試

2.3.1 理化性能測(cè)試

爆熱測(cè)試依據(jù)GJB770B-2005方法701.2（恒溫法）進(jìn)行。

2.3.2 靜態(tài)燃燒性能和數(shù)據(jù)處理

（1）密閉爆發(fā)器試驗(yàn)

藥室容積 200 mL，裝填密度 0.2 g·cm-3，點(diǎn)火藥2#硝化棉（NC），點(diǎn)火壓力 10 MPa，實(shí)驗(yàn)溫度分別為-40℃（低溫）、20℃（常溫）、50℃（高溫）。

（2）燃燒漸增性因子Pr的計(jì)算［20］

Pr是用來表征發(fā)射藥燃燒漸增性的，其值越大說明燃燒漸增性越強(qiáng)。

依據(jù)（1）式計(jì)算燃燒漸增性因子Pr：

式中，Pr為發(fā)射藥燃燒漸增性因子；Bs為燃燒分裂點(diǎn)對(duì)應(yīng)的B值；Ls為燃燒分裂點(diǎn)對(duì)應(yīng)的動(dòng)態(tài)活度值，MPa-1·s-1；L0.1為相對(duì)壓力 0.1 對(duì)應(yīng)的動(dòng)態(tài)活度值，MPa-1·s-1；L0.3為相對(duì)壓力0.3對(duì)應(yīng)的動(dòng)態(tài)活度值，MPa-1·s-1。

（3）相對(duì)活度溫度系數(shù)的計(jì)算［18］

密閉爆發(fā)器試驗(yàn)可以模擬研究火炮的發(fā)射裝藥的彈道性能，因此嘗試引入相對(duì)活度溫度系數(shù)來表征發(fā)射藥低溫感效應(yīng)。將發(fā)射藥在密閉爆發(fā)器中的燃燒分為燃燒初期、中前期和中后期三個(gè)階段，并定義三個(gè)階段分別對(duì)應(yīng)于相對(duì)壓力B=0.1，0.3，0.6三個(gè)點(diǎn)，計(jì)算這三個(gè)點(diǎn)的相對(duì)活度溫度系數(shù)。

式中，αB表示高溫相對(duì)活度溫度系數(shù)；βB表示低溫相對(duì)活度溫度系數(shù)；LB高表示高溫下的動(dòng)態(tài)活度值，MPa-1·s-1；LB低表示低溫下的動(dòng)態(tài)活度值，MPa-1·s-1；LB常表示常溫下的動(dòng)態(tài)活度值，MPa-1·s-1；B表示相對(duì)壓力。

3 結(jié)果與討論

3.1 爆熱測(cè)試結(jié)果

空白藥與3種堵孔鈍感發(fā)射藥的爆熱測(cè)試結(jié)果見表2。

表2 3種堵孔鈍感發(fā)射藥的爆熱測(cè)試結(jié)果Table 2 Testing results for heat of explosion of three types of plugged and insensitive gun propellants

從表2可知：隨著堵孔材料及鈍感材料含量的增加，3種堵孔鈍感發(fā)射藥WCBF-1/18、WCBF-2/18、WCBF-3/18的爆熱值呈下降趨勢(shì)，與空白藥相比，分別下降2.6%、3.6%和4.3%。分析其原因?yàn)殁g感材料能量相較于空白藥有所下降且WCBF-2/18鈍感材料含量高于WCBF-1/18；堵孔材料中高分子材料及石墨均為非含能組分且WCBF-3/18堵孔材料含量高于WCBF-2/18。

3.2 密閉爆發(fā)器測(cè)試結(jié)果

3.2.1 塞子堵孔及鈍感處理對(duì)發(fā)射藥燃燒性能的影響

制備的堵孔鈍感發(fā)射藥沿軸向切開，在顯微鏡下觀察，發(fā)現(xiàn)堵孔鈍感發(fā)射藥的結(jié)構(gòu)特征如圖1所示。從外到內(nèi)依次是：（1）含能復(fù)合材料鈍感層；（2）高分子復(fù)合材料堵孔層；（3）塞子。

圖1 堵孔鈍感發(fā)射藥的切面結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Section structure diagram of plugged and insensitive gun propellants

空白藥與3種堵孔鈍感發(fā)射藥的p-t、L-B曲線分別見圖2a和圖2b。

從圖2a可知，與空白藥相比，3種堵孔鈍感發(fā)射藥的燃燒起始階段p-t曲線均比較平緩，但隨著堵孔材料及鈍感材料含量的增加（WCBF-1/18、WCBF-2/18、WCBF-3/18），平緩的趨勢(shì)加大，燃燒時(shí)間分別延長(zhǎng)7.7、9.9、12.8 ms；3種堵孔鈍感發(fā)射藥的最大壓力（pm）分別為 284.5、280.6、280.1 MPa，比空白藥分別下降2.5%、3.8%、4.0%。這是由于一方面堵孔鈍感發(fā)射藥初始燃燒表面層為含能復(fù)合材料鈍感層，其燃速低于基體藥燃速；另一方面由于含有石墨的高分子復(fù)合材料部分進(jìn)入內(nèi)孔中形成“塞子”以及鈍感層的作用，堵孔鈍感發(fā)射藥的初始燃面相比空白藥小很多。因此，堵孔鈍感發(fā)射藥燃燒初期氣體生成速率較低，造成整體燃燒時(shí)間延長(zhǎng)，p-t曲線后移。

圖2 空白藥與3種堵孔鈍感發(fā)射藥的p-t和L-B曲線Fig.2 The p-t and L-B curves of untreated gun propellant and three types of plugged and insensitive gun propellants

表3 空白藥與3種堵孔鈍感發(fā)射藥的Pr值Table 3 Prvalues of untreated gun propellant and three types of plugged and insensitive gun propellants

根據(jù)圖2b計(jì)算得到空白藥以及3種堵孔鈍感發(fā)射藥的燃燒漸增性因子Pr值，結(jié)果見表3?？梢钥吹?，3種堵孔鈍感發(fā)射藥的燃燒漸增性相比空白藥有所增強(qiáng)，這是因?yàn)榻?jīng)塞子堵孔及鈍感處理后，發(fā)射藥燃燒前中期的動(dòng)態(tài)活度下降，導(dǎo)致L0.1+L0.3的值減?。煌瑫r(shí)發(fā)射藥燃燒分裂點(diǎn)提前，且燃燒分裂點(diǎn)處的動(dòng)態(tài)活度下降，導(dǎo)致Bs×Ls的值減小，總體上使燃燒漸增性因子Pr值變大，燃燒漸增性增強(qiáng)。WCBF-1/18，WCBF-2/18，WCBF-3/18的燃燒漸增性因子Pr值分別為0.552，0.563，0.576，即在一定范圍內(nèi)，隨著堵孔材料及鈍感材料含量的增加，燃燒漸增性呈現(xiàn)增強(qiáng)的趨勢(shì)。

3.2.2 塞子堵孔及鈍感處理對(duì)發(fā)射藥低溫感效果的影響

空白藥與3種堵孔鈍感發(fā)射藥高、常、低溫的L-B曲線分別見圖3和圖4。

從圖3可知，在B＞0.30范圍內(nèi)，空白藥的動(dòng)態(tài)活度順序?yàn)楦邷兀境兀镜蜏?，表現(xiàn)出正常的燃燒-溫度行為。從圖4可知，在B＜0.20范圍內(nèi)，WCBF-1/18，WCBF-2/18，WCBF-3/18高、常、低溫動(dòng)態(tài)活度基本保持一致；在0.20＜B＜0.60區(qū)間內(nèi)，常溫和高溫動(dòng)態(tài)活度基本保持一致，且大于低溫動(dòng)態(tài)活度，展現(xiàn)出一定程度的低溫感效果。

圖3 空白藥不同溫度下的L-B曲線Fig.3 L-B curves of untreated gun propellant at different temperatures

圖4 3種堵孔鈍感發(fā)射藥在不同溫度下的L-B曲線Fig.4 L-B curves of three types of plugged and insensitive gun propellants at different temperatures

表4 空白藥與3種堵孔鈍感發(fā)射藥的相對(duì)燃燒活度溫度系數(shù)Table 4 Temperature coefficient of relative combustion activity of untreated gun propellant and three types of plugged and insensitive gun propellants %

根據(jù)空白藥與3種堵孔鈍感發(fā)射藥的L-B曲線計(jì)算B=0.1，0.3，0.6時(shí)的相對(duì)活度溫度系數(shù)，結(jié)果見表4。從表4可知，3種堵孔鈍感發(fā)射藥的高溫相對(duì)活度溫度系數(shù)的絕對(duì)值均值αˉ相較于空白藥均有所下降；WCBF-1/18和WCBF-3/18的低溫相對(duì)活度溫度系數(shù)的絕對(duì)值均值相較于空白藥有所上升，而WCBF-2/18的低溫相對(duì)活度溫度系數(shù)的絕對(duì)值均值βˉ相較于空白藥有所下降，可推斷WCBF-2/18的低溫感效果最好。

3種堵孔鈍感發(fā)射藥的低溫相對(duì)活度溫度系數(shù)的絕對(duì)值均值βˉ均大于高溫相對(duì)活度溫度系數(shù)的絕對(duì)值均值αˉ，即堵孔鈍感發(fā)射藥低常溫區(qū)間內(nèi)的低溫感效果較差，或可采用與空白藥混裝的方法以改善低溫感效果［21］，后續(xù)將進(jìn)一步優(yōu)化工藝條件并進(jìn)行內(nèi)彈道性能考核驗(yàn)證。

4 結(jié)論

（1）隨著堵孔材料及鈍感材料含量的增加，堵孔鈍感高能疊氮硝胺發(fā)射藥的爆熱值呈下降趨勢(shì)，WCBF-1/18、WCBF-2/18、WCBF-3/18的爆熱值相較于空白藥分別下降2.6%、3.6%和4.3%，能量下降較小。

（2）在一定范圍內(nèi)，堵孔材料及鈍感材料含量越大，堵孔鈍感高能疊氮硝胺發(fā)射藥的燃燒漸增性越強(qiáng)。本實(shí)驗(yàn)條件下，堵孔材料含量1.6%，鈍感材料含量6%的樣品WCBF-3/18的燃燒漸增性效果最好。

（3）高、常、低溫密閉爆發(fā)器試驗(yàn)結(jié)果表明，3種堵孔鈍感發(fā)射藥 WCBF-1/18、WCBF-2/18、WCBF-3/18的高溫相對(duì)活度溫度系數(shù)的絕對(duì)值均值分別為2.87%、1.89%和1.56%，相較于空白藥均有所下降，表明堵孔鈍感發(fā)射藥高常溫區(qū)間內(nèi)低溫感效果好。