梯形內(nèi)嵌多方孔模塊發(fā)射藥的打印制備及定容燃燒性能

［摘 要］ 為了設(shè)計(jì)和制備弧厚小、燃燒時(shí)間短、漸增性好的新型發(fā)射藥，以12.7 mm槍彈裝藥為對(duì)象，設(shè)計(jì)了梯形內(nèi)嵌多方孔結(jié)構(gòu)，采用直寫成型工藝制備了外層弧厚不同、內(nèi)嵌多方孔結(jié)構(gòu)的梯形模塊發(fā)射藥。發(fā)射藥長(zhǎng)41 mm，內(nèi)嵌方孔單邊長(zhǎng)為0.4 mm，內(nèi)孔個(gè)數(shù)為3 105。通過(guò)密閉爆發(fā)器試驗(yàn)，研究了模塊發(fā)射藥和制式藥/模塊發(fā)射藥混合裝藥的定容燃燒性能。結(jié)果表明：打印發(fā)射藥燃燒正常，在相對(duì)壓力Bgt;0.2后，外層弧厚為1.0 mm的模塊發(fā)射藥的動(dòng)態(tài)燃燒活度相對(duì)外層弧厚為0.5 mm的下降較緩；當(dāng)混合裝藥質(zhì)量比為55時(shí)，分裂點(diǎn)后移，燃燒漸增性較好；打印發(fā)射藥在爆發(fā)器內(nèi)燃燒時(shí)間小于8 ms，與制式藥燃燒時(shí)間相當(dāng)，能滿足小口徑武器快速燃燒的要求。

［關(guān)鍵詞］ 內(nèi)嵌多方孔；模塊發(fā)射藥；直寫打??；燃燒性能

［分類號(hào)］ TQ562

Printing Preparation and Constant Volume Combustion Performances of

a Trapezoidal Module Propellant Embedded with Multi-Square Holes

JI Xiaowang①， FAN Wenrui①， LI Chunzhi②， LONG Yiqiang③， ZHOU Weiliang①， XIAO Leqin①

① School of Chemistry and Chemical Engineering， Nanjing University of Science and Technology （Jiangsu Nanjing， 210094）

② Luzhou North Chemical Industry Co.， Ltd. （Sichuan Luzhou， 646000）

③ Sichuan Lingang Wuzhou Engineering Design Co.， Ltd. （Sichuan Luzhou， 646000）

［ＡＢＳＴＲＡＣＴ］ In order to design and prepare a new type of propellant with small arc thickness， short combustion time， and good incremental properties， a trapezoidal structure embedded with multi-square holes was designed for a 12.7 mm cartridge charge. A trapezoidal module propellant with different outer arc thicknesses and embedded multi-square holes was prepared using direct writing molding technology. The length of the trapezoidal module propellant is 41 mm， the side" length of a" embedded square hole is 0.4 mm， and the number of inner holes is 3 105. Constant volume combustion performances of the modular propellant and its mixed charges with standard propellants were studied through closed explosive tests. The results show that the combustion of the printed propellant was normal. After the relative pressure B reaches 0.2， the dynamic combustion activity of the module propellant with an outer arc thickness of 1.0 mm decreases more slowly compared to the module propellant with an outer arc thickness of 0.5 mm. When the mass ratio of the mixed charge is 55， the splitting point shifts backward and the combustion gradually increases. Combustion time of the printed propellant in the explosive device is less than 8 ms， which is equivalent to the combustion time of standard propellant and can meet the requirements of rapid combustion of small caliber weapons.

［KEYWORDS］ embedded with multi-square hole; module propellant; direct writing printing; combustion performance

0 引言

小口徑槍彈武器是現(xiàn)代化戰(zhàn)場(chǎng)的火力支持和個(gè)人武裝的重要組成部分，能夠滿足快速反應(yīng)和不同場(chǎng)景作戰(zhàn)的需求［1］。目前，小口徑槍彈武器主要采用鈍感球扁藥作為發(fā)射動(dòng)力來(lái)源，具有燃燒漸增性，但燃盡性差，在射擊過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生煙、焰、殘?jiān)扔泻ξ镔|(zhì)，污染環(huán)境。而小口徑槍彈用發(fā)射藥要求燃燒時(shí)間短、漸增性好、燃盡性好，這些要求常?；ハ嗝堋⒒ハ嘀萍s［2］。因此，以小口徑武器為研究平臺(tái)，制備弧厚小、燃燒時(shí)間短、漸增性好的新型發(fā)射藥具有重要的研究意義。

傳統(tǒng)的發(fā)射藥受制備工藝的限制，在形狀以及結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)上一般采用簡(jiǎn)單的幾何形狀，如管狀、粒狀、層狀、多孔狀等［3］，對(duì)發(fā)射藥的燃燒漸增性的提高十分有限。基于內(nèi)彈道理論和幾何燃燒規(guī)律，高宇晨等［4］分別設(shè)計(jì)了三角形柱狀、梯形柱狀和四邊形柱狀發(fā)射藥；首先，采用幾何切割的方法計(jì)算部分表面積和體積隨燃燒變化的規(guī)律，再進(jìn)行整體加和；最終，得到了完整的發(fā)射藥燃燒規(guī)律。張延康等［5］設(shè)計(jì)、制備了中心開孔式預(yù)制刻槽結(jié)構(gòu)的發(fā)射藥，在避免鈍感劑遷移和能量損失等的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了燃燒過(guò)程中能量釋放的漸增可控。許征光等［6］設(shè)計(jì)、制備了小尺寸四孔長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)的發(fā)射藥；該發(fā)射藥適用于中、小口徑武器，具有裝填密度高、尺寸更易控制等優(yōu)點(diǎn)，也能有效地改善燃燒性能。牛星星等［7］和賈永杰等［8］分別提出了側(cè)面封端的三明治片狀結(jié)構(gòu)和大弧厚六翼星孔棒狀結(jié)構(gòu)的發(fā)射藥模型，通過(guò)調(diào)節(jié)比例尺寸來(lái)實(shí)現(xiàn)發(fā)射藥燃?xì)馍梢?guī)律的可控調(diào)節(jié)和燃燒漸增性的提高。

相較傳統(tǒng)的發(fā)射藥制備技術(shù)，3D打印技術(shù)具有計(jì)量精確、材料適配性廣、安全、高效等特點(diǎn)，能為制備復(fù)雜形狀的發(fā)射藥提供一種更加高效的新途徑［9-10］。張洪林等［11］基于3D打印技術(shù)，設(shè)計(jì)了具有多列環(huán)形空槽管形結(jié)構(gòu)的發(fā)射藥，從理論上驗(yàn)證了高增面燃燒發(fā)射藥設(shè)計(jì)打印的可行性。凡文蕊等［12］通過(guò)直寫3D打印技術(shù)制備了硝化棉（NC）基發(fā)射藥，實(shí)現(xiàn)了能量的漸增性釋放，為新型發(fā)射藥的直寫打印制備奠定了基礎(chǔ)。王沫茹等［13］采用傳統(tǒng)發(fā)射藥配方，通過(guò)擠出式3D打印技術(shù)打印出多種復(fù)雜幾何形狀的雙基發(fā)射藥，尺寸一致性、密實(shí)程度和力學(xué)性能均表現(xiàn)良好。以上結(jié)果均表明，3D打印技術(shù)在發(fā)射藥的制備方面具有巨大潛力。

小口徑槍彈用發(fā)射藥的設(shè)計(jì)要考慮燃燒漸增性、燃燒時(shí)間、燃盡性這3個(gè)重要因素。但三者之間很難平衡，往往相互制約。針對(duì)上述問(wèn)題，研究了一種燃燒時(shí)間短、弧厚小的梯形內(nèi)嵌多方孔的發(fā)射藥結(jié)構(gòu)及直寫打印制備方法，并考察了該發(fā)射藥的定容燃燒性能，為小口徑槍彈發(fā)射藥的研制與發(fā)展提供參考。

1 梯形內(nèi)嵌多方孔模塊發(fā)射藥的藥形設(shè)計(jì)

根據(jù)3D打印可制造特殊形狀的技術(shù)特點(diǎn)和發(fā)射藥按表面平行層逐層燃燒的幾何燃燒規(guī)律［14-17］，結(jié)合12.7 mm槍管武器彈殼裝藥尺寸，設(shè)計(jì)了梯形內(nèi)嵌多方孔結(jié)構(gòu)的模塊發(fā)射藥。

圖1為梯形內(nèi)嵌多方孔模塊發(fā)射裝藥示意圖。梯形模塊發(fā)射藥排布在圓柱體彈殼內(nèi)部，梯形結(jié)構(gòu)可以更好地匹配圓形柱體彈殼，提高裝填密度。

為了提高梯形模塊發(fā)射藥的燃燒漸增性，采用內(nèi)嵌多方孔結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)思路［12］，將發(fā)射藥的燃燒分為2個(gè)階段：首先是減面燃燒階段，由外側(cè)封閉層向內(nèi)進(jìn)行燃燒；燃盡瞬間，內(nèi)嵌多方孔打開，內(nèi)孔燃面快速增加，此時(shí)進(jìn)入增面燃燒階段。

記NC-2e1為外側(cè)封閉層弧厚2e1 （0.5 mm）的內(nèi)嵌多方孔模塊發(fā)射藥；記NC-4e1為外側(cè)封閉層弧厚4e1（1.0 mm）的內(nèi)嵌多方孔模塊發(fā)射藥。2種梯形內(nèi)嵌多方孔模塊發(fā)射藥橫、縱截面及整體結(jié)構(gòu)示意圖如圖2～圖3所示，形狀參數(shù)見表1。梯形內(nèi)嵌多方孔模塊發(fā)射藥長(zhǎng)L為41 mm，弧厚2e1為0.5 mm，內(nèi)嵌方孔總個(gè)數(shù)n為3 105?？紤]到環(huán)境、溶劑揮發(fā)等因素可能導(dǎo)致的藥形收縮，設(shè)計(jì)內(nèi)嵌方孔邊長(zhǎng)c為0.4 mm。

圖4為不同形狀發(fā)射藥相對(duì)燃燒面積σ與已燃相對(duì)厚度Z變化規(guī)律的理論計(jì)算結(jié)果?？梢钥闯觯簣A柱7孔發(fā)射藥呈現(xiàn)出先增、后減的燃燒趨勢(shì)，相對(duì)燃燒面積降低至0.13；相較傳統(tǒng)的圓柱7孔發(fā)射藥，2種梯形模塊發(fā)射藥和25方孔發(fā)射藥在達(dá)到燃燒分裂點(diǎn)后，皆進(jìn)入增面燃燒階段。其中，2種梯形模塊發(fā)射藥的相對(duì)燃燒面積分別約為25方孔發(fā)射藥的8.5倍和10.9倍；NC-4e1發(fā)射藥的外側(cè)封閉層弧厚較大，導(dǎo)致分裂點(diǎn)前移，相對(duì)燃燒面積約為NC-2e1發(fā)射藥的1.3倍。以上結(jié)果表明，梯形內(nèi)嵌多方孔結(jié)構(gòu)的發(fā)射藥具有較高的燃燒漸增性。

2 直寫3D打印梯形內(nèi)嵌多方孔模塊發(fā)射藥

2.1 直寫3D打印發(fā)射藥原理

直寫3D打印原理見圖5。以傳統(tǒng)NC基發(fā)射藥為配方體系，通過(guò)半溶劑法制備具有非牛頓流體特性的發(fā)射藥打印漿料［17］。采用氣動(dòng)擠出的形式，發(fā)射藥漿料經(jīng)過(guò)活塞被輸送至螺桿，通過(guò)調(diào)節(jié)螺桿的各項(xiàng)參數(shù)，控制定量的打印漿料，保持穩(wěn)定的流量從一定直徑的針頭連續(xù)擠出，并按照預(yù)設(shè)程序線路逐層、連續(xù)堆疊，完成梯形內(nèi)嵌多方孔模塊發(fā)射藥的直寫打印成型。

2.2 梯形內(nèi)嵌多方孔模塊發(fā)射藥的打印制備

2.2.1 原材料

NC（含氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)為13.48%）、N-丁基硝氧乙基硝胺（Bu-NENA）、三羥甲基乙烷三硝酸酯（TMETN）、N，N-二甲基-N、N-二苯脲（C2），瀘州北方化學(xué)工業(yè)有限公司；乙醇、丙酮，分析純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

2.2.2 打印漿料的預(yù)制備

發(fā)射藥漿料的黏度對(duì)直寫打印的精度及樣品結(jié)構(gòu)質(zhì)量有直接的影響。參照前期所探索的發(fā)射藥配方體系，經(jīng)過(guò)大量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，最終確定漿料各組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為：w（NC）=24.7%、

w（TMETN）=16.7%、 w（C2）=0.4%、 w（Bu-NENA）= 3.6%、 w（乙醇）=18.2%、 w（丙酮）=36.4%。將含NC黏合劑、TMETN、C2的濕物料稱重后，均勻攤開在托盤中，然后放入60 ℃水浴烘箱中烘干；保持恒重一段時(shí)間后，裝入防靜電密封袋，備用。按上述質(zhì)量分?jǐn)?shù)稱量，裝瓶密封，靜置12 h后，備用。

2.2.3 梯形內(nèi)嵌多方孔模塊發(fā)射藥的打印成型

發(fā)射藥漿料靜置完成后呈透明膠狀。稱取42 g漿料，裝入料筒中進(jìn)行離心脫泡；將含脫泡后的發(fā)射藥漿料的料筒旋裝至直寫打印設(shè)備上，并與氣路相連，調(diào)節(jié)恒壓供氣系統(tǒng)的氣壓至0.5 MPa；為了滿足發(fā)射藥弧厚小的需求，選擇直徑為0.57 mm的針頭進(jìn)行直寫打?。辉跉鈮鹤饔孟?，漿料經(jīng)螺桿流道由針頭擠出，進(jìn)而與基板接觸，針頭按照預(yù)設(shè)打印路徑逐層堆積，得到梯形內(nèi)嵌多方孔模塊發(fā)射藥樣品;最后，將打印樣品放置于冰箱冷凍、驅(qū)溶、固化、定型。制備完成的梯形內(nèi)嵌多方孔模塊發(fā)射藥實(shí)物如圖6所示。

3 靜態(tài)定容燃燒測(cè)試

將打印好的梯形內(nèi)嵌多方孔模塊發(fā)射藥進(jìn)行定容燃燒實(shí)驗(yàn)，測(cè)定靜態(tài)燃燒規(guī)律。根據(jù)GJB 770B—2005《火藥試驗(yàn)方法》703.1［18］，在室溫下，采用燃燒室容積為20 mL的密閉爆發(fā)器本體，點(diǎn)火壓力10 MPa，點(diǎn)火藥為C級(jí)NC粉末，系統(tǒng)采樣頻率為1 MHz，通道數(shù)為4。

將實(shí)驗(yàn)中采集的初始數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行濾波及微分處理后，用Origin軟件繪制壓力-時(shí)間（p-t）曲線和壓力變化速率-時(shí)間（dp/dt-t）曲線；并按照式（1）、式（2）進(jìn)行處理，得到動(dòng)態(tài)燃燒活度-相對(duì)壓力（L-B）曲線。

L=dp/dtpipm；（1）

B=pipm。（2）

式中：pi和pm分別為瞬時(shí)壓力和最大壓力。

4 結(jié)果與討論

4.1 不同外弧厚對(duì)梯形內(nèi)嵌多方孔模塊發(fā)射藥的燃燒性能影響

為了研究外弧厚對(duì)梯形內(nèi)嵌多方孔模塊發(fā)射藥燃燒性能的影響，選取NC-2e1、NC-4e1 2種樣品進(jìn)行定容燃燒測(cè)試。圖7（a）為測(cè)得的p-t曲線。微分平滑處理后，得到L-B曲線，見圖7（b）。由圖7可得出定容燃燒測(cè)試結(jié)果，見表2。表2中：tp為燃燒達(dá)到峰值壓力的時(shí)間；pmax為峰值壓力；Δ為裝填密度;Lmax為最大動(dòng)態(tài)燃燒活度。

由表2和圖7（a）可見，NC-2e1 達(dá)到峰值壓力的時(shí)間小于NC-4e1 。這是因?yàn)?，NC-2e1 的外弧厚較小，先于NC-4e1 打開內(nèi)孔，出現(xiàn)增面燃燒；NC-2e1 和NC-4e1 燃燒達(dá)到峰值壓力的時(shí)間分別約4.49、 6.23 ms，2種發(fā)射藥的燃燒時(shí)間均滿足小口徑槍彈用發(fā)射藥的要求。

從表2和圖7（b）的L-B曲線可以看出，當(dāng)外弧厚增加至原來(lái)2倍時(shí)，最大動(dòng)態(tài)燃燒活度Lmax由0.87 MPa－1·s－1縮小至0.50 MPa－1·s－1；NC-2e1 的動(dòng)態(tài)燃燒活度整體明顯高于NC-4e1 ，說(shuō)明隨著梯形內(nèi)嵌多方孔模塊發(fā)射藥外弧厚的增大，能量釋放效率降低。而當(dāng)0.13lt;Blt;0.60時(shí)，NC-2e1 的能量釋放效率的下降趨勢(shì)較為明顯。分析原因，可能是在打印NC-2e1 的外側(cè)封閉層過(guò)程中，打印高度過(guò)高，導(dǎo)致線條之間存在縫隙，未形成密閉的多方孔結(jié)構(gòu)；另外，溶劑揮發(fā)導(dǎo)致樣品整體收縮，進(jìn)而內(nèi)嵌方孔位置發(fā)生偏差。因此，為了制備得到精確、完整的內(nèi)嵌多方孔結(jié)構(gòu)，設(shè)備精度、材料適配性、固化速率等方面需要進(jìn)一步提高。

4.2 不同混合比例對(duì)混合裝藥燃燒性能的影響

將梯形模塊發(fā)射藥NC-2e1 和NC-4e1 分別與D-5/7發(fā)射藥按照質(zhì)量比73、 55進(jìn)行混合裝藥。

標(biāo)記m（NC-2e1 ）m（D-5/7）=73時(shí)為樣品1#；

m（NC-2e1 ）m（D-5/7）=55時(shí)為樣品2#；

m（NC-4e1 ）m（D-5/7）=73時(shí)為樣品3#；

m（NC-4e1 ）m（D-5/7）=55時(shí)為樣品4#。

定容燃燒的p-t曲線、L-B曲線分別如圖8～圖9所示。得出燃燒測(cè)試結(jié)果如表3所示。

由圖8可以看出，2種梯形內(nèi)嵌多方孔模塊發(fā)射藥和D-5/7發(fā)射藥按照質(zhì)量比73、 55進(jìn)行裝藥時(shí)，燃燒達(dá)到峰值壓力的時(shí)間均小于D-5/7發(fā)射藥（8.21 ms），說(shuō)明梯形內(nèi)嵌多方孔模塊發(fā)射藥符合小弧厚發(fā)射藥的燃燒特點(diǎn)，能夠縮短混合裝藥的燃燒時(shí)間。

從圖9和表3可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)質(zhì)量比為55時(shí)，混合裝藥的裝填密度最大，且具有良好的燃燒漸增性。隨著梯形內(nèi)嵌多方孔模塊發(fā)射藥所占比例的增加，混合裝藥的最大動(dòng)態(tài)燃燒活度也隨之提高。分析原因，主要是梯形模塊發(fā)射藥的內(nèi)嵌多方孔個(gè)數(shù)多，內(nèi)孔打開后，燃面快速增加。因此，初始階段的梯形內(nèi)嵌多方孔模塊發(fā)射藥的動(dòng)態(tài)燃燒活度較大。但由于內(nèi)、外層弧厚比的實(shí)際值與設(shè)計(jì)值存在一定差異，可能導(dǎo)致分裂點(diǎn)提前。因此，進(jìn)一步優(yōu)化工藝與材料適配性對(duì)小弧厚、異形、異構(gòu)發(fā)射藥的制備和燃燒性能改進(jìn)具有重要意義。

5 結(jié)論

1）采用半溶劑法的直寫打印技術(shù)可以制備復(fù)雜結(jié)構(gòu)的NC基發(fā)射藥。

2）半溶劑法直寫打印NC基發(fā)射藥的燃燒漸增性受發(fā)射藥尺寸精確性影響較大，仍需要對(duì)打印物料黏度、溶劑揮發(fā)速率、打印速率和發(fā)射藥形狀與結(jié)構(gòu)等因素進(jìn)行系統(tǒng)、深入的研究。

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