RDX/BAMO-AMMO基發(fā)射藥微觀形貌與性能關(guān)聯(lián)分析

劉 毅，肖 霞，張 闊，閆光虎，趙煜華，劉金玉，白 薇

(西安近代化學(xué)研究所，陜西 西安 710065)

引 言

為滿足身管武器裝備對高性能發(fā)射藥的需求，新型黏結(jié)劑發(fā)射藥成為國內(nèi)外研究熱點。以含能熱塑性彈性體(ETPE)為黏結(jié)劑的發(fā)射藥由于可以進一步優(yōu)化發(fā)射藥能量與火焰溫度的關(guān)系，突破傳統(tǒng)硝化棉基發(fā)射藥能量設(shè)計極限，并使發(fā)射藥獲得良好的加工性能和力學(xué)強度，成為發(fā)射藥配方技術(shù)研究領(lǐng)域關(guān)注方向之一[1-2]。

目前，國外對聚疊氮縮水甘油醚(聚GAP)、聚3-硝酸甲酯基-3-甲基氧雜環(huán)丁烷(聚NIMMO)、聚硝化縮水甘油(聚GLYN)和3，3-二(疊氮甲基)氧雜丁環(huán)/3-疊氮甲基氧雜丁環(huán)(BAMO-AMMO)等熱塑性彈性體黏結(jié)劑的發(fā)射藥進行了廣泛研究，其中，以BAMO-AMMO為黏結(jié)劑的熱塑性彈性體發(fā)射藥成為重點研究方向之一[3-4]。國內(nèi)近年來在BAMO-AMMO合成及BAMO-AMMO基發(fā)射藥配方性能研究方面取得了較大進展。甘孝賢等[5]按照一步法聚合工藝，制成了數(shù)均分子質(zhì)量為25000，室溫抗拉強度和延伸率分別為5MPa和400%的BAMO-AMMO材料；宋秀鐸等[6]研究了BAMO-AMMO熱行為及其與含能組分的相容性，表明BAMO-AMMO與RDX、HMX、CL-20、NG、DIANP等材料相容性良好；張闊等[7]研究了BAMO-AMMO基發(fā)射藥熱分解特性；趙瑛等[8]研究了硝胺粒度及類型對BAMO-AMMO基發(fā)射藥燃燒性能的影響。上述工作主要集中在RDX/BAMO-AMMO基發(fā)射藥配方材料合成和燃燒性能研究方面，有關(guān)藥體形貌特征及其對發(fā)射藥力學(xué)性能和燃燒性能的影響鮮有報導(dǎo)。本研究以RDX/BAMO-AMMO基熱塑性彈性體發(fā)射藥藥體形貌為基礎(chǔ)，討論分析了藥體形貌特性、初始缺陷形成機制及其對發(fā)射藥力學(xué)性能和燃燒性能的影響，為RDX/BAMO-AMMO基發(fā)射藥配方優(yōu)化和工藝改善提供借鑒。

1 實 驗

1.1 原 料

BAMO-AMMO、1，5-二疊氮-3-硝基氮雜戊烷(DIANP)，西安近代化學(xué)研究所；RDX，甘肅銀光化學(xué)工業(yè)集團有限公司。

1.2 發(fā)射藥樣品制備

發(fā)射藥樣品1～樣品4配方(質(zhì)量分數(shù))為：RDX,75%；BAMO-AMMO,25%；DIANP增塑劑為外加。分別采用如下成型工藝制備試驗樣品:

樣品1：按75%RDX、25%BAMO-AMMO稱取藥料，加入工藝溶劑捏合混勻后，壓制成18/1的單孔藥條，切斷烘干測試。

樣品2：按75%RDX、25%BAMO-AMMO稱取發(fā)射藥藥料，加入工藝溶劑捏合混勻后，烘干驅(qū)除藥料溶劑，熱壓制成18/1的單孔藥條，切斷測試。

樣品3：按75%RDX、25%BAMO-AMMO稱取藥料，采用“水懸浮”工藝方法制備造型粉，烘干驅(qū)除水分和溶劑后，熱壓制成18/1的單孔藥條，切斷測試。

樣品4：取試樣2烘干藥粒在雙輥壓延機上碾壓5遍，制成片狀測試樣品。

1.3 性能檢測

采用工具刀將分析試樣預(yù)制缺口后折斷，取斷面進行噴金處理，用日本JSM-5800型掃描電鏡觀察斷面微觀形貌。

按GJB770B-415.1沖擊擺法進行低溫(-40℃)沖擊試驗，取低溫沖擊性能測試樣品斷面進行噴金處理，用日本JSM-5800型掃描電鏡觀察沖擊斷面微觀形貌。

采用100mL密閉爆發(fā)器燃燒裝置，裝填密度0.2g/mL，試驗溫度20℃，點火壓力10.98MPa，泄壓片破孔壓力30MPa，對中止燃燒樣品表面進行噴金處理，用日本JSM-5800型掃描電鏡觀察樣品表面微觀形貌。

2 結(jié)果與討論

2.1 微觀形貌特征

圖1為樣品1斷面的SEM照片。

圖1 RDX/BAMO-AMMO基發(fā)射藥斷面的SEM圖片F(xiàn)ig.1 SEM images of fracture surface of RDX/BAMO-AMMO based gun propellant

由圖1可以看到，藥體呈現(xiàn)固體顆粒較高填充度的雙相結(jié)構(gòu)，連續(xù)相為BAMO-AMMO黏結(jié)劑基體，分散相為RDX顆粒，藥體中具有隨機分布的原生孔洞(見圖1(a))；制樣方法使RDX顆粒與基體分離，在斷面形成蜂窩狀黏結(jié)劑“凹穴”(見圖1(b))；試樣斷面RDX顆粒與BAMO-AMMO基體黏結(jié)界面模糊(見圖1(c))；試樣斷面裸露的RDX顆粒與初始RDX形貌對照，晶形完整，表面明顯包裹有黏結(jié)劑基體(見圖1(d))。以上現(xiàn)象說明，原生孔洞是構(gòu)成RDX/BAMO-AMMO基發(fā)射藥藥體的主要初始缺陷；斷面黏結(jié)劑“凹穴”分布位置和尺寸大小顯示RDX顆粒在藥體中分散均勻而無明顯的團聚現(xiàn)象發(fā)生，表明采用溶劑法捏合工藝可以實現(xiàn)高含量固體顆粒藥料的均勻混合；藥體中RDX顆粒黏結(jié)界面模糊，且表面包裹黏結(jié)劑基體，表明RDX顆粒與BAMO-AMMO基體具有一定的黏結(jié)強度。

為進一步分析藥體形貌特征，對RDX/BAMO-AMMO基發(fā)射藥與RDX/NC基發(fā)射藥藥體微觀形貌進行了對比觀察。圖2為RDX及RDX/NC基發(fā)射藥藥體微觀形貌。

圖2 RDX及RDX/NC基發(fā)射藥斷面SEM照片F(xiàn)ig 2 SEM images of RDX and fracture surface of RDX/NC based gun propellant

由圖2可知，RDX/NC基發(fā)射藥藥體沒有類似RDX/BAMO-AMMO基發(fā)射藥的原生孔洞，斷面RDX顆粒與NC基體界面清晰，具有明顯的松動脫黏現(xiàn)象。分析認為，RDX/NC基發(fā)射藥藥體缺陷主要是RDX顆粒與NC基體脫黏產(chǎn)生的黏結(jié)界面縫隙，而非藥體孔洞。由于BAMO-AMMO高分子材料良好的黏彈性，使之比半剛性NC大分子更容易與RDX顆粒形成有效接觸面，BAMO-AMMO的強親核性疊氮基團(—N3)與RDX氫原子(—H)可形成有效作用力，會進一步加強接觸親和力，從而導(dǎo)致RDX與NC的黏結(jié)強度弱于RDX與BAMO-AMMO的黏結(jié)強度。

2.2 成型工藝對微觀形貌的影響

為研究成型工藝對發(fā)射藥藥體形貌的影響，采用SEM對不同成型工藝制備的樣品斷面進行了觀察，結(jié)果見圖3。

圖3 不同成型工藝RDX/BAMO-AMMO基ETPE 發(fā)射藥斷面SEM照片F(xiàn)ig.3 SEM images of RDX/BAMO-AMMO based ETPE gun propellant fracture surface prepared by different technologies

對比發(fā)現(xiàn)，溶劑法工藝成型的樣品1藥體“孔洞”缺陷非常明顯，可能是BAMO-AMMO材料在工藝溶劑作用下形成黏稠基體，制樣過程中藥體包裹的空氣和工藝溶劑難以順利排除，在經(jīng)歷擠壓和加熱膨脹后形成獨特的“孔洞”外形，藥體密度為1.45g/cm3。無溶劑工藝成型的樣品2藥體相對密實，“孔洞”缺陷很少，藥體密度為1.63g/cm3。樣品3采用造型粉無溶劑工藝成型，樣品斷面粗糙，具有“孔洞”缺陷，暴露的RDX顆粒表面光滑，可見RDX顆粒與BAMO-AMMO材料由于沒有經(jīng)歷捏合過程的強烈擠壓混合，很容易發(fā)生沿晶分離。樣品2藥粒在光輥壓延機上碾壓獲得的樣品4中RDX顆粒與基體之間出現(xiàn)黏結(jié)細絲，表明二者之間具有一定的黏結(jié)強度；裸露的RDX顆粒與黏結(jié)劑基體界面出現(xiàn)縫隙和孔洞，表明樣品2經(jīng)壓延機碾壓后導(dǎo)致RDX顆?；瑒樱⑴c黏結(jié)劑基體脫黏。上述對比分析認為，由于BAMO-AMMO材料在工藝溶劑作用下十分黏稠，采用溶劑法成型工藝需要結(jié)合抽真空措施排除藥體中包裹的空氣及工藝溶劑，提高藥體致密性；無溶劑成型工藝由于藥料壓制過程中無揮發(fā)性溶劑存在，藥體“孔洞”缺陷少，藥體密度比溶劑法工藝藥體密度提高12.4%，適用于制備RDX/BAMO-AMMO基含能熱塑性彈性體發(fā)射藥。

2.3 增塑劑對微觀形貌的影響

圖4為添加不同含量DIANP增塑劑，并采用樣品2成型工藝制備的樣品斷面SEM圖片。

圖4 含有不同含量增塑劑的RDX/BAMO-AMMO基ETPE 發(fā)射藥斷面SEM照片F(xiàn)ig.4 SEM images of RDX/BAMO-AMMO based ETPE gun propellant fracture surface with different amounts of plasticizer

由圖4可知，無增塑劑樣品斷面裸露的RDX顆粒明顯，藥體具有孔洞缺陷；含有質(zhì)量分數(shù)4%增塑劑的樣品斷面觀察視野變得模糊，裸露的RDX顆粒和孔洞缺陷減少；當(dāng)增塑劑質(zhì)量分數(shù)為8%時，藥體斷面觀察視野暗淡，裸露的RDX顆粒呈零星分布，未見明顯的孔洞缺陷。按照GJB770B-415.1沖擊擺方法分別對不含增塑劑及含有質(zhì)量分數(shù)4%和8%增塑劑的RDX/BAMO-AMMO基發(fā)射藥進行低溫(-40℃)沖擊試驗，得到抗沖擊強度分別為2.7、3.5、4.1kJ/m2。由此可見，添加DIANP增塑劑使黏結(jié)劑更容易包裹在RDX顆粒表面，減少了藥體孔洞缺陷，使RDX/BAMO-AMMO基發(fā)射藥藥體更為致密，進一步提高了低溫抗沖擊性能，而藥體密度及抗沖擊強度增加有益于降低RDX/BAMO-AMMO基發(fā)射藥的燃速壓強指數(shù)[9]，使發(fā)射藥獲得穩(wěn)定的燃燒性能。

2.4 低溫沖擊斷面微觀形貌特征

圖5是樣品1的低溫沖擊斷面SEM照片。由圖5可知，斷面的黏結(jié)劑基體平整光滑，RDX顆粒晶型完整，且與黏結(jié)劑黏結(jié)界面模糊，表面明顯包裹有黏結(jié)劑材料。RDX/BAMO-AMMO發(fā)射藥低溫沖擊破壞具有明顯的脆性斷裂特性，沖擊破壞主要來自黏結(jié)劑基體之間的斷裂，有關(guān)黏結(jié)劑基體與RDX顆粒的界面脫黏(沿晶斷裂)和RDX顆粒破裂(穿晶斷裂)現(xiàn)象不明顯。發(fā)射藥斷裂路徑上分布許多大小不一的原生孔洞，減少了藥體承受恒定應(yīng)力的有效面積，導(dǎo)致初始裂紋更容易發(fā)展為破壞性開裂。分析認為，由于RDX顆粒強度比較高，黏結(jié)劑強度主要表現(xiàn)為分子間范德華力，在外力作用下，RDX/BAMO-AMMO發(fā)射藥藥體斷裂主要是黏結(jié)劑開裂。因此，要提高RDX/BAMO-AMMO發(fā)射藥低溫抗沖擊強度，關(guān)鍵是要增強黏結(jié)劑材料低溫抗沖擊強度，使黏結(jié)劑由脆性斷裂向韌性斷裂轉(zhuǎn)變，同時通過改進工藝或添加增塑劑的措施減少藥體孔洞缺陷。

圖5 RDX/BAMO-AMMO基ETPE發(fā)射藥在-40℃下 沖擊試驗斷面SEM照片F(xiàn)ig.5 SEM images of RDX/BAMO-AMMO based ETPE gun propellant fracture surface after impact testing at -40℃

2.5 中止燃燒表面微觀形貌特征

圖6為樣品2在30MPa條件下中止燃燒試驗前后的表面形貌SEM照片。

圖6 中止燃燒前后RDX/BAMO-AMMO基ETPE發(fā)射藥 表面SEM圖片F(xiàn)ig.6 SEM images of RDX/BAMO-AMMO based ETPE gun propellant surface before and after interrupted burning test

由圖6可知，未燃燒的發(fā)射藥表面相對平滑，而中止燃燒發(fā)射藥表面呈現(xiàn)大量RDX爆燃產(chǎn)生的“孔穴”，并觀察到“喇叭口燃燒孔洞”。分析認為，RDX/BAMO-AMMO發(fā)射藥燃燒過程具有明顯的RDX爆燃特性，在RDX爆燃與原生孔洞缺陷雙重影響下，容易導(dǎo)致發(fā)射藥非平行層燃燒。因此，提高RDX/BAMO-AMMO發(fā)射藥燃燒穩(wěn)定性：一是要提高黏結(jié)劑體系燃速，通過縮小黏結(jié)劑體系燃速與RDX爆燃速度的差異，消除RDX爆燃孔穴對藥體的影響;二是要減少藥體原生孔洞缺陷，提高藥體致密程度。

3 結(jié) 論

(1)RDX/BAMO-AMMO基發(fā)射藥屬于高含量固體顆粒填充高分子聚合物的雙相共混體系，連續(xù)相為BAMO-AMMO黏結(jié)劑基體，分散相為RDX顆粒，共混體系中RDX顆粒和BAMO-AMMO基體可形成良好的黏結(jié)界面。

(2)原生孔洞是RDX/BAMO-AMMO基發(fā)射藥藥體的主要缺陷，選用無溶劑成型工藝和添加DIANP增塑劑時可減少藥體孔洞缺陷，提高藥體致密性和低溫抗沖擊強度。

(3)低溫條件下RDX/BAMO-AMMO基發(fā)射藥藥體沖擊破壞主要來自黏結(jié)劑基體的脆性斷裂，而非RDX顆粒與BAMO-AMMO黏結(jié)劑基體的脫黏；RDX/BAMO-AMMO基發(fā)射藥燃燒過程具有明顯的RDX顆粒爆燃特性，RDX顆粒爆燃及藥體孔洞缺陷容易導(dǎo)致發(fā)射藥非平行層燃燒。