韓 冰，魏 倫，鄭 雙，劉少武，張遠(yuǎn)波，劉 波，李 達(dá)

（西安近代化學(xué)研究所，陜西 西安，710065）

一種新型點火藥的性能研究

韓 冰，魏 倫，鄭 雙，劉少武，張遠(yuǎn)波，劉 波，李 達(dá)

（西安近代化學(xué)研究所，陜西 西安，710065）

為克服黑火藥存在的不足，研制出一種新型高能點火藥，通過黑火藥、新型點火藥在吸濕性、燃燒性能、安全性能及輸出特性等方面的對比試驗，從理論上分析了該點火藥的性能特點。結(jié)果表明：和黑火藥相比，新型點火藥爆熱高、吸濕性小、燃燒后殘渣量少，組分相容性良好；并且，點火的瞬時性和點火強(qiáng)度優(yōu)于黑火藥。

點火藥; 黑火藥; 性能參數(shù); 輸出性能

點火藥是很重要的一類火工藥劑，常用來接受外界刺激點燃其它藥劑，如發(fā)射藥、推進(jìn)劑等［1］?，F(xiàn)在發(fā)射裝藥主要采用黑火藥作為制式點火藥，但是其吸濕性大，而且燃燒后產(chǎn)生大量的煙霧及燃燒殘渣，已嚴(yán)重影響了武器裝備的作戰(zhàn)效能和發(fā)射安全性。因此，積極研制高防潮性、低煙霧、低燃燒殘渣的新型點火藥，提高武器裝備的作戰(zhàn)效能和發(fā)射安全性成為面臨的迫切問題。國內(nèi)外為解決黑火藥的不足、尋找黑火藥的替代品進(jìn)行了大量的研究［2-8］。

針對黑火藥存在的問題，本文以Mg粉為主要可燃物，KClO4為氧化劑，利用過量氧化劑（KClO4）、鎂粉、硝化棉（NC）和硝化二乙二醇（DEGN）等原材料的有機(jī)組合，設(shè)計并制備出一種新型點火藥配方，對其吸濕性、燃燒性能、安全性能及輸出特性進(jìn)行了研究，為其進(jìn)一步試驗和使用提供了基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)。

1　樣品的制備與性能測試

1.1配方設(shè)計

配方設(shè)計從高能量的角度出發(fā)，以Mg粉為主要可燃物，KClO4為氧化劑，利用過量氧化劑（KClO4，粒度為67.1μm）、鎂粉（200目）、硝化棉（NC）和硝化二乙二醇（DEGN）等原材料的有機(jī)組合，設(shè)計出新型點火藥配方，見表1。

表1　新型點火藥配方Tab.1　The formulation of the new kind of ignition powder

1.2樣品制備

含能增塑劑硝化二乙二醇（DEGN）在吸收過程添加，制備成藥片后采用吸收－膠化－壓伸成型工藝進(jìn)行樣品制備，烘藥后篩分。

1.3性能測試

（1）吸濕性按GJB 770B-2005 方法404.1得出。

（2）燃燒性能試驗：點火藥的燃燒性能主要包括爆發(fā)點、爆熱、比容、燃燒殘渣、燃燒時間等。爆發(fā)點按GJB 770B-2005方法606.1 5s延滯期法得出；爆熱按GJB 770B-2005方法701.2恒溫法得出； 比容按GJB 770B-2005方法703.1得出；燃燒殘渣按企標(biāo)Q/AY 426-2008 火藥燃燒殘渣的測定稱量法得出；燃燒時間的測試是將0. 45g 樣品壓入內(nèi)徑為7mm 的鋼管內(nèi)，密度為1.8g·cm-3，點燃后通過光電記錄儀測量其燃燒時間。

（3）真空安定性試驗：依據(jù)GJB 770B-2005方法501.2，研究了點火藥組分之間的相容性，真空安定性試驗采用GJB 772A-97.501.2火藥試驗方法真空安定性試驗壓力傳感器法進(jìn)行測試。

（4）輸出性能試驗：點火藥的輸出性能是指燃燒過程中的壓力變化，采用密閉爆發(fā)器表征點火藥的燃燒時間和最大燃燒壓力，密閉爆發(fā)器試驗條件為本體容積100cm3，樣品量為10.0g，采樣間隔0.04 ms；點火壓力10.98MPa。

2　試驗結(jié)果及討論

2.1吸濕性測試

點火藥的制造、儲存、運(yùn)輸和生產(chǎn)過程周期較長，受潮機(jī)會很多，過高的濕度會使藥劑產(chǎn)生分解反應(yīng)，嚴(yán)重影響其點火性能，甚至瞎火，同時，點傳火藥的吸濕也不利于其長期儲存。按照GJB770B-2005 404.1中吸濕性測定方法，在恒溫常壓條件下，測量試樣的7d的吸濕增量。以吸濕增量為縱坐標(biāo)，以實驗時間為橫坐標(biāo)， 對兩種點火藥做吸濕曲線圖， 結(jié)果如圖1所示。

圖1　兩種藥劑的吸濕性曲線Fig.1　The hygroscopicity curves of black powder and the new kind of ignition powder

從圖1 可以看出，黑火藥在吸濕的初始階段以較快的速度吸收水分，約經(jīng)過 48h 后，速度逐漸減小，但仍在吸收水分，所以黑火藥的含水量仍在增加。而新型點傳火藥約經(jīng)過24h后，吸濕基本達(dá)到平衡點，制備的3種新型點火藥實驗樣品吸濕性都小于黑火藥。

黑火藥吸濕性較大，是與它的組成成分和結(jié)構(gòu)形狀有關(guān)的。作為主要成分的木炭具有很大的表面吸附和毛細(xì)作用，另一種主要成分硝酸鉀是易溶于水的物質(zhì)，當(dāng)外界的濕度大于其吸濕點時，將發(fā)生潮解，因而會大量吸濕［6］，因此黑火藥一旦在處理和使用中不慎或長期儲存而吸濕，不僅其燃速減慢，燃燒后還留有未完全氧化的炭、硫殘渣；當(dāng)水分含量較大時，不易被點燃而容易造成瞎火現(xiàn)象。新型點火藥的吸濕性小于黑火藥，這是由于硝化棉起到了包覆劑的作用，使部分KClO4晶體與Mg粉不能與外界水分接觸。新型點傳火藥的吸濕性隨KClO4晶體含量的減少而減小，說明高氯酸鉀的吸濕性是新型點火藥吸濕試驗后質(zhì)量增大的最主要原因。本文制備的新型點火藥吸濕性較小，利于儲存、運(yùn)輸，且不會因為吸濕性而對點火性能造成較大的影響。

2.2黑火藥、新型點火藥的理化性能

點火藥的燃燒性能對其使用范圍起著至關(guān)重要的作用，為此，測定了兩種藥劑的基本性質(zhì)和燃燒性能，以新型點火藥配方3為對比對象，結(jié)果如表2 所示。由表2明顯看出，與黑火藥相比，新型點火藥爆熱、比容較高，而發(fā)火點、燃燒殘渣、燃燒速度降低。這是由于硝化棉本身作為一種含能材料，用作點火藥的粘合劑時，除了將各個組分粘結(jié)起來外還提供了一定的能量，提高了點火藥的輸出能量，Mg粉與DEGN的加入，也提高了新型點火藥的能量，因此新型點火藥的爆熱值大。硝化棉及DEGN是由低分子量的氮、氫、氧元素組成，燃燒產(chǎn)物中氣體含量大，大分子量的熔融態(tài)物質(zhì)含量少，配方中DEGN的分解溫度與感度均低于KClO4， 因而它的比容比黑火藥高，而燃燒殘渣含量、發(fā)火點小于黑火藥。同樣由于硝化棉與DEGN含量較大，燃燒殘渣較少，使新型點火藥體系的傳熱性降低，固相預(yù)反應(yīng)時間加長，從而使體系的燃燒速度降低。該新型點火配方藥劑具有較大的爆熱值，在產(chǎn)生高溫殘渣的同時有一定量的氣體。

表2　新型點火藥（DHY-3）和制式黑火藥的理化性能對比Tab.2　Physical and chemical properties of the new kind ignition powder and the normal black powder

一種優(yōu)良的點火劑其燃燒產(chǎn)物不僅應(yīng)有足夠的熱量，而且應(yīng)有大量的燃?xì)?，即點火劑應(yīng)有較高的火藥力，同時具有一定的固體粒子。而本文制備的新型點火藥則具備這樣的特征，該點火藥經(jīng)進(jìn)一步研究改進(jìn)，可作為低敏感發(fā)射藥或推進(jìn)劑的點火藥劑。

2.3真空安定性測試

依據(jù)GJB 770B-2005方法501.2，研究了點火藥組分之間的相容性，測試結(jié)果見表3。

表3　材料相容性試驗結(jié)果Tab.3　Results of compatibility for the compose of the new kind of ignition powder

真空安定性試驗采用GJB 772A-97.501.2火藥試驗方法真空安定性試驗壓力傳感器法進(jìn)行測試，試驗條件：90℃，40h；樣品量：2.5g∶2.5g，測試結(jié)果見表4。

從表3可知，Mg粉、KClO4、DEGN吸收藥等原材料均相容。從表4可知，由于DEGN吸收藥片放氣量大于KClO4，因此配方藥劑的放氣量隨著DEGN吸收藥片加入量的減少，KClO4含量的增大而降低。從表4同時可以看出3種配方藥劑的放氣量都小于2 mL·g-1，表明3種配方藥劑的安定性均合格。另外，還對配方藥劑進(jìn)行了差熱分析實驗，實驗結(jié)果表明，該藥劑的內(nèi)、外相容性良好。

表4　真空安定性試驗結(jié)果Tab.4　Vacuum stability of the new kind of ignition powder

2.4輸出性能測試

輸出性能也是點火藥的一項關(guān)鍵指標(biāo)，它決定著點火過程是否符合主裝藥的要求［8］。把10.0g 樣品放入容積為100cm3的密閉爆發(fā)器中，用電點火頭發(fā)火，通過p——t曲線測試儀記錄燃燒過程的壓力變化曲線。兩種藥劑的p——t曲線如圖2所示。

圖2　兩種點火藥的p——t曲線Fig.2　p——t curves of black powder and the new kind of ignition powder

當(dāng)點火藥在密閉爆發(fā)器中燃燒時，生成大量氣體，同時反應(yīng)放熱使密閉爆發(fā)器內(nèi)的溫度迅速升高。當(dāng)燃燒連續(xù)進(jìn)行時，密閉爆發(fā)器中的氣體量不斷增大，而溫度也不斷升高，從而使容器內(nèi)的壓力隨時間迅速上升。從兩種點傳火藥的p——t曲線看， 黑火藥初始階段建立壓力所需的時間長，整個點火過程平緩，點火壓力較低，在密閉爆發(fā)器中燃燒0.010 9s后達(dá)到最大燃燒壓力，最大燃燒壓力Pmax為48.96 MPa；而新型點傳火藥在初始階段壓力上升迅速，燃燒速度快，點火壓力急速升高，DHY-1在密閉爆發(fā)器中燃燒0.004 1s后即達(dá)到最大燃燒壓力，燃燒的最大燃燒壓力Pmax為132.92MPa；DHY-2在密閉爆發(fā)器中燃燒0.005 9s后即達(dá)到最大燃燒壓力，燃燒的最大燃燒壓力Pmax為104.34MPa；DHY-3在密閉爆發(fā)器中燃燒0.006s后即達(dá)到最大燃燒壓力，燃燒的最大燃燒壓力Pmax為89.35MPa；相對于DHY-2樣品，DHY-3樣品初始階段壓力上升較快，這是由于其配方中Mg含量較高的緣故。

黑火藥燃燒后固體產(chǎn)物含量偏高，氣體含量偏低，比容較小，做功能力弱，因此黑火藥點火能力較弱；而新型點傳火藥燃燒后產(chǎn)生的低分子量氣體較多，比容大，使火藥的燃燒壓力迅速增加，燃燒時間迅速縮短，因此新型點傳火藥點火能力較強(qiáng)。由圖2可以推測出，新型點傳火藥的點火的瞬時性和點火強(qiáng)度均優(yōu)于黑火藥。

3　結(jié) 論

（1）新型點火藥的吸濕性小于黑火藥；

（2） 新型點火藥在爆熱、比容方面比黑火藥高，而在發(fā)火點、燃燒速度方面比黑火藥低；

（3）新型點火藥安定性良好；

（4）從輸出性能看，新型點火藥的點火猛度高，持續(xù)時間短，點火的瞬時性和點火強(qiáng)度優(yōu)于黑火藥。

［1］ 潘功配.煙火技術(shù)基礎(chǔ)與應(yīng)用［M］.南京：江蘇科技出版社，1989.

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［3］ 崔慶忠，李滿. C/KNO3點火藥研究［J］.火工品，2001（2）：31- 32.

［4］ 唐桂林，趙家玉等.黑火藥的改進(jìn)研究［J］.火工品，2002 （4）： 25-26.［5］ 崔慶忠，李滿.水在黑火藥中的作用［J］.火工品，2000（1）：35- 37.

［6］ 朱艷輝，高俊國，等.一種高能點火藥吸濕性的研究［J］.軍械工程學(xué)院學(xué)報，2007（1）：55-57.

［7］ 易乃絨，史春紅.一種含HMX的新型高能點火藥［J］. 火工品，2004（3）：9-12.

［8］ 崔慶忠，張夫明.一種新型點火藥的性能研究［J］. 火工品，1999（2）：13-15.

Study on the Performance of A New Kind of Ignition Powder

HAN Bing，WEI Lun，ZHENG Shuang，LIU Shao-wu，ZHANG Yuan-bo，LIU Bo， LI Da
（Xi’an Modern Chemistry Research Institute，Xi’an，710065）

Aimed at the problem of black powder， a new kind of ignition powder was designed. A theoretical analysis on the performance of the new ignition powder was carried out， based on the comparative tests between the black powder and the new ignition powder in the hygroscopic， combustion performance and output characteristics. Results show that the explosion heat of the new ignition powder was higher， its hygroscopicity was reduced， and the amount of combustion solid residua was decreased than those of black powder，meanwhile， the composition of new ignition powder has good compatibility. The test indicated the output power of the new ignition powder is also considerably higher than that of black powder.

Ignition powder；Black powder；Performance parameters；Output characteristic

TQ562

A

1003-1480（2015）02-0022-04

2014-10-12

韓冰（1982-），男，在讀碩士研究生，從事發(fā)射藥裝藥研究。