趙曉梅,嚴(yán)文榮,張玉成,李 強(qiáng),閆光虎

(西安近代化學(xué)研究所,陜西 西安 710065)

引 言

含能熱塑性彈性體(ETPE)作為黏結(jié)劑用于LOVA 發(fā)射藥具有能量高、易損性低、塑性好、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn),不僅保持了熱塑性彈性體的特性,還增加了發(fā)射藥配方中高能組分的含量,提高了LOVA 發(fā)射藥的能量,解決了發(fā)射藥中能量提高和易損性降低的難題,成為國(guó)內(nèi)外發(fā)射藥研究的熱點(diǎn)之一[1]。但是伴隨著低易損性,LOVA 發(fā)射藥也帶來了點(diǎn)火性能不佳、燃燒不完全、燃燒結(jié)束后留有殘?jiān)葐栴}[2-3],阻礙了其應(yīng)用。

本實(shí)驗(yàn)針對(duì)LOVA 發(fā)射藥存在的點(diǎn)火燃燒方面存在的問題,研究了以熱塑性彈性體BAM O/AMM O 聚合物[4]體系為新型含能黏結(jié)劑、高能添加劑RDX 為主要組分的一種LOVA 發(fā)射藥在常壓及密閉環(huán)境下的燃燒特性,總結(jié)了該類LOVA 發(fā)射藥及其組分的熱分解特性,并推導(dǎo)出該類發(fā)射藥的燃燒機(jī)理,為含能熱塑性彈性體發(fā)射藥的研究應(yīng)用提供借鑒。

1 試 驗(yàn)

1.1 材料及儀器

RDX,粒度為50.0 μm,甘肅銀光工業(yè)集團(tuán)有限公司;熱塑性彈性體Poly(BAMO-AMM O),西安近代化學(xué)研究所。

點(diǎn)火模擬裝置,西安近代化學(xué)研究所;JSM-5800 掃描電鏡,日本日立公司;syc-6000 石英壓電傳感器,德維創(chuàng)公司。

1.2 樣品的制備

根據(jù)理論計(jì)算,設(shè)計(jì)出能量性能符合要求的LOVA 發(fā)射藥配方,根據(jù)半溶劑法常規(guī)擠壓工藝制備發(fā)射藥樣品LOVA-1 和LOVA-2,溶劑選用丙酮,藥型為18/1。

樣品主要配方及理化性能測(cè)試結(jié)果見表1 和表2。

表1 LOVA 發(fā)射藥性能參數(shù)的計(jì)算值Table 1 Calculated parameter results of LOVA propellant

表2 LOVA 發(fā)射藥配方及性能參數(shù)的測(cè)試結(jié)果Table 2 Formulations of LOVA propellant and its tested parameters

1.3 實(shí)驗(yàn)條件

點(diǎn)火模擬試驗(yàn):點(diǎn)火藥為1.1 g NC 點(diǎn)火藥包;藥室體積為138.6 mL;裝填密度為0.12 g/cm3;裝藥量為16.6 g 。

中止燃燒試驗(yàn):泄壓孔Φ20 mm;裝填密度為0.2 g/cm3;試驗(yàn)溫度為20 ℃;點(diǎn)火方式為NC 點(diǎn)火藥包。

2 結(jié)果與討論

2.1 燃燒現(xiàn)象討論

2.1.1 點(diǎn)火模擬實(shí)驗(yàn)

試驗(yàn)前,點(diǎn)火模擬裝置燃燒室內(nèi)壁光滑潔凈,如圖1(a),點(diǎn)火燃燒結(jié)束后LOVA-1 發(fā)射藥的燃燒室內(nèi)壁附有一層明顯黑色絮狀殘?jiān)?見圖1(b),LOVA-2 發(fā)射藥的殘?jiān)黠@,藥室?guī)缀醣缓谏鯛钗锾顫M,見圖1(c)、(d),取出觀察為團(tuán)狀物,質(zhì)量輕。

2.1.2 常壓下點(diǎn)火燃燒實(shí)驗(yàn)

針對(duì)LOVA 發(fā)射藥在點(diǎn)火模擬裝置中燃燒結(jié)束后留有殘?jiān)默F(xiàn)象,進(jìn)行了常溫常壓下LOVA 發(fā)射藥及其黏結(jié)劑組分熱塑性彈性體材料BAM O/AMM O 聚合物的點(diǎn)火燃燒試驗(yàn),并與G R5 型發(fā)射藥的燃燒現(xiàn)象進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果見圖2。

圖2 結(jié)果表明,點(diǎn)火燃燒過程中,BAMO/AMM O 聚合物的燃燒火焰很不穩(wěn)定,幾乎不能維持燃燒,在持續(xù)給火條件下,火焰躥火現(xiàn)象嚴(yán)重,并不斷熄滅,同時(shí)有大量氣體生成,生成的氣體快速放出將火焰“吹滅”。燃燒結(jié)束后,BAMO/AMM O 聚合物完全燃燒,無殘?jiān)鼩埩衄F(xiàn)象,說明在氧充足時(shí),黏結(jié)劑組分能夠完全氧化燃燒,生成氣體,無固體殘留物。在相同的常壓條件下LOVA-1、LOVA-2發(fā)射藥樣品能夠維持燃燒,火焰相對(duì)穩(wěn)定,但仍有躥火現(xiàn)象,且燃燒速度快,并伴有大量濃煙生成,燃燒過的藥體區(qū)域留有明顯的黑色殘?jiān)?LOVA-2 發(fā)射藥躥火較明顯,濃煙及燃燒殘?jiān)哺?藥長(zhǎng)約40mm 的LOVA-2 發(fā)射藥樣品燃燒結(jié)束后,留下的殘?jiān)L(zhǎng)度超過80mm,初步分析為碳?xì)埩粑?見圖3。其中很多C 元素在燃燒結(jié)束后以C 單質(zhì)狀態(tài)存在。先分解掉的RDX 沒有能夠與黏結(jié)劑發(fā)生二次反應(yīng)。造成黏結(jié)劑中的C 不能氧化為CO 或者CO2。

圖1 LOVA 發(fā)射藥點(diǎn)火前后燃燒情況對(duì)比Fig.1 The burning chamber estate by LOVA propellant ignition bef-and-aft

與LOVA 發(fā)射藥相比,G R5 發(fā)射藥在常壓下燃燒火焰穩(wěn)定,無躥火現(xiàn)象,燃燒過程中僅有少量煙產(chǎn)生,燃燒結(jié)束后,基本無殘?jiān)鼩埩?見圖2(d)。這是因?yàn)?G R5 型發(fā)射藥配方主要由NC、NG 組成,再添加一定量的高能組分RDX,由于NC 的分解溫度較RDX 低[4],NC、NG 在RDX 燃燒之前就已經(jīng)燃燒,不存在黏結(jié)劑組分因?yàn)榉纸饩徛荒芡耆紵膯栴},所以,G R5 型發(fā)射藥在氧充足的條件下,基本能夠完全燃燒。

2.1.3 中止燃燒試驗(yàn)

中止燃燒試驗(yàn)是通過在點(diǎn)火模擬裝置的堵頭上設(shè)置泄壓擋片,當(dāng)藥室中的發(fā)射藥被點(diǎn)燃,藥室壓力增加到一定程度時(shí),擋片破碎,發(fā)射藥由于藥室壓力突降而熄滅,提取未燃盡樣品進(jìn)行燃燒表面SEM 電鏡觀察,結(jié)果見圖4。

圖4 LOVA 發(fā)射藥表面燃燒后的SEM 照片F(xiàn)ig.4 S EM photographs of LOVA propellant surface after burning

點(diǎn)火前平整的樣品表面在燃燒后均出現(xiàn)微孔,LOVA-1 發(fā)射藥中的孔較多,分析樣品配方,LOVA-1 中黏結(jié)劑含量低,RDX 含量高,由于RDX 的分解溫度比BAM O/AM MO 聚合物低[5-6],該孔應(yīng)為RDX 顆粒燃燒所致,所以孔較多。

2.2 燃燒過程與機(jī)理

經(jīng)過分析,可將LOVA 發(fā)射藥的燃燒分為以下幾個(gè)過程。

(1)點(diǎn)火前LOVA 發(fā)射藥中高能添加劑RDX顆粒均勻分散在BAM O/AM MO 聚合物中,發(fā)射藥表面較平整。

(2)點(diǎn)火后,熱量作用在發(fā)射藥表面,發(fā)射藥表面升溫,并在藥體內(nèi)部形成溫度梯度,表面溫度累積到一定程度時(shí),RDX 顆粒開始吸熱熔融。隨著溫度的進(jìn)一步升高,BAMO/AM MO 聚合物開始軟化并緩慢分解放熱。因?yàn)镽DX 的熔融吸熱需要吸收大量熱量[5],在點(diǎn)火過程中LOVA 發(fā)射藥存在一個(gè)熱量積累的過程,LOVA 發(fā)射藥中RDX 含量相對(duì)較高,熱量積累的過程相對(duì)較長(zhǎng),因此LOVA 發(fā)射藥的點(diǎn)火性能不佳。此時(shí)燃燒表面出現(xiàn)少量小孔穴,系高能添加劑RDX 部分熔融分解所致。

接著進(jìn)入LOVA 發(fā)射藥全面燃燒階段。此時(shí)RDX 和BAM O/AM MO 聚合物完全熔融,并開始分解,樣品燃燒表面出現(xiàn)大量的孔穴(見圖4)。燃燒陣面到達(dá)燃燒面上的RDX 顆粒時(shí),RDX 爆燃使得在燃燒表面形成大量“孔穴”,熱量和壓力沿著孔深入整個(gè)發(fā)射藥內(nèi)部(見圖5)。

圖5 LOVA 發(fā)射藥燃燒過程示意圖Fig.5 Schematic diagran of of combustion process for LOVA propellant

(3)進(jìn)入LOVA 發(fā)射藥的燃燒后期。此時(shí)RDX 基本完全分解,剩余的BAM O/AMM O 聚合物骨架進(jìn)行熱分解。在分解氣體的作用下,樣品表面進(jìn)一步破裂、分解。

由于LOVA 發(fā)射藥中兩種主要組分的因?yàn)闊岱纸馓匦圆煌?在點(diǎn)火燃燒時(shí)具有燃燒不同步性的特點(diǎn)。在BAMO/AM MO 聚合物達(dá)到分解溫度前,發(fā)射藥表面的RDX 顆粒首先熔融燃燒并消耗環(huán)境中的氧,當(dāng)BAMO/AM M O 聚合物組分開始氧化分解時(shí),所需的熱量和氧又被緊挨表面的RDX 顆粒消耗,即未燃RDX 顆粒從環(huán)境中奪氧及熱,致使黏結(jié)劑因分解所需熱及氧嚴(yán)重不足停止了分解反應(yīng)而炭化。發(fā)射藥在密閉爆發(fā)器以及常壓條件下燃燒后留下的殘?jiān)鼞?yīng)為聚合物中未燃盡的大分子C骨架。根據(jù)發(fā)射藥的特性,燃燒過程中有大量氣體生成,濃煙亦應(yīng)為沒有氧化的C 顆粒。同時(shí),樣品邊燃燒邊生成氣體,將C 殘?jiān)鼪_擊膨脹,使得最終生成的黑色殘?jiān)^原樣品長(zhǎng)出許多。

綜上可知,LOVA 發(fā)射藥中兩種主要組分的燃燒不同步性是造成該類發(fā)射藥燃燒不完全、燃燒后留有殘?jiān)F(xiàn)象的一大原因。

2.3 氧系數(shù)的影響

氧系數(shù)為火藥中所含氧化元素物質(zhì)的量與所含可燃元素完全氧化所需氧的物質(zhì)的量之比,即

本研究中,經(jīng)計(jì)算發(fā)射藥LOVA-1,LOVA-2樣品的氧系數(shù)分別為0.432 和0.317。

可知,LOVA 發(fā)射藥氧含量不足,高分子物質(zhì)不能完全氧化燃燒,是LOVA 發(fā)射藥不能完全燃燒的原因之一。

3 結(jié) 論

(1)LOVA 發(fā)射藥的兩種主要組分的燃燒不同步是造成該類發(fā)射藥燃燒結(jié)束后留有殘?jiān)囊粋€(gè)主要原因。RDX 首先受熱分解,燃燒速度快于黏結(jié)劑BAM O/AM MO 聚合物,使得慢一步分解的BAMO/AM MO 黏結(jié)劑來不及被氧化。

(2)LOVA 發(fā)射藥的氧系數(shù)較低,氧含量不足,黏結(jié)劑組分中的高分子物質(zhì)不能完全氧化燃燒,也是LOVA 發(fā)射藥有燃燒殘?jiān)嬖诘脑蛑弧?/p>

[1]徐復(fù)銘.21世紀(jì)先進(jìn)發(fā)射藥:低敏感高能發(fā)射藥—新配方、裝藥、點(diǎn)火和理論模擬技術(shù)[J].火炸藥學(xué)報(bào),2003,26(4):43-48.

XU Fu-ming.The insensitive high energy propellants in the 21th century[J].Chinese Journal of Explosives and Propellants,2003,26(4):43-48.

[2]廖昕.低易損性發(fā)射藥性能研究[D].南京:南京理工大學(xué),2004.

LIAO Xin.S tudy on performance of LOVA propellants[D].Nanjing:Nanjing University of Science and Technology,2004.

[3]殷雅俠,徐賽龍,王端,等.一種新型LOVA 發(fā)射藥點(diǎn)火性能的研究[J].火炸藥學(xué)報(bào),2002,25(1):8-9.

YIN Ya-xia,XUN Sai-long,WANG Duan,et al.The study on ignition performance of a noval LOVA propellant[J].Chinese Journal of Explosives and Propellants,2002,25(1):8-9.

[4]楊文寶,戚士蓮,楊愛華.硝胺發(fā)射藥的熱行為與燃燒性能的關(guān)系[J].火炸藥學(xué)報(bào),1994(1):1-5.

YANG Wen-bao,QI Ai-lian,YANG Ai-hua.Thermochemical behavior and combustion property of nitramine propellant[J].Chinese Journal of Explosives and Propellants,1994(1):1-5.

[5]劉子如,劉艷,范夕萍,等.RDX、H MX 的熱分解Ⅰ熱分析特征量[J].火炸藥學(xué)報(bào),2004,27(2):63-66.

LIU Zi-ru,LIU Yan,FAN Xi-ping.Thermal decomposition of RDX and HMX.Part I:characteristic values of thermal analysis[J].Chinese Journal of Explosives and Propellants,2004,27(2):63-66.

[6]宋秀鐸,趙鳳起,王江寧,等.BAMO-AMMO 的熱行為及其與含能組分的相容性[J].火炸藥學(xué)報(bào),2008,31(3):17-22.

SONG Xiu-duo,ZH AO Feng-qi,WANG Jiang-ning.Thermal behaviors of BAMO-AMMO and its compatibility with some energetic materials[J].Chinese Journal of Explosives and Propellants,2008,31(3):17-22.