趙 強，劉 波，劉少武，馬方生，王瓊林，李梓超

（西安近代化學研究所，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，低溫力學性能好（低溫抗沖擊強度可達9.0 kJ·m-2以上），煙霧殘渣少，工藝適應性強，適用于高膛壓火炮發(fā)射裝藥［1-2］。為了進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，國內外已有一些成功的技術方案，如單基發(fā)射藥的浸漬鈍感包覆技術［3-8］，表面包覆雙基（SCDB，surface coated double base）發(fā)射藥技術［9-12］，國內大粒雙基、三基發(fā)射藥的同材質包覆材料兩次包覆技術（“藥包藥”技術）［13-18］等。而浸漬鈍感包覆技術由于浸漬硝化甘油，容易因表面增塑劑含量過高而導致長儲過程中功能材料發(fā)生遷移，目前主要適用于單基藥；SCDB技術主要適用于孔徑小于0.3 mm的發(fā)射藥［12］；“藥包藥”技術目前只能采用混合裝藥的方式降低溫度系數［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”以封閉其內孔，而后采用含能復合材料對其進行鈍感處理，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)器試驗對制備的堵孔鈍感發(fā)射藥的能量和燃燒性能進行了測試，為高能疊氮硝胺發(fā)射藥的應用研究打下技術基礎。

2 實驗部分

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，西安近代化學研究所；含石墨的高分子復合材料及含硝化棉的含能復合材料均由西安近代化學研究所自制；丙酮和乙醇均為分析純，西安化學試劑廠。

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

鈍感機，西安近代化學研究所自研，主要由轉鼓、進料裝置、霧化裝置、熱風裝置、控制系統(tǒng)組成，其主要作用是將含能復合材料經霧化噴頭噴出后均勻分散于發(fā)射藥表面。

2.2 實驗過程

稱量含石墨的高分子復合材料，加入定量含乙醇的溶劑，常溫下攪拌形成高分子復合材料液態(tài)混合物，備用；常溫下開動光澤機，加入定量粒狀高能疊氮硝胺發(fā)射藥及上述高分子復合材料液態(tài)混合物，一定時間后光澤機停機，取出發(fā)射藥，干燥，所制備樣品由端面向孔內延伸一定的距離被高分子復合材料形成的“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合材料液態(tài)混合物，備用；常溫下開動鈍感機，定量加入上述制備的塞子堵孔發(fā)射藥及含能復合材料液態(tài)混合物，通熱風，一定時間后鈍感機停機，取出發(fā)射藥，干燥，所制備樣品經含能復合材料鈍感，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 性能測試

2.3.1 理化性能測試

爆熱測試依據GJB770B-2005方法701.2（恒溫法）進行。

2.3.2 靜態(tài)燃燒性能和數據處理

（1）密閉爆發(fā)器試驗

藥室容積 200 mL，裝填密度 0.2 g·cm-3，點火藥2#硝化棉（NC），點火壓力 10 MPa，實驗溫度分別為-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。

依據（1）式計算燃燒漸增性因子Pr：

式中，Pr為發(fā)射藥燃燒漸增性因子；Bs為燃燒分裂點對應的B值；Ls為燃燒分裂點對應的動態(tài)活度值，MPa-1·s-1；L0.1為相對壓力 0.1 對應的動態(tài)活度值，MPa-1·s-1；L0.3為相對壓力0.3對應的動態(tài)活度值，MPa-1·s-1。

（3）相對活度溫度系數的計算［18］

密閉爆發(fā)器試驗可以模擬研究火炮的發(fā)射裝藥的彈道性能，因此嘗試引入相對活度溫度系數來表征發(fā)射藥低溫感效應。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階段，并定義三個階段分別對應于相對壓力B=0.1，0.3，0.6三個點，計算這三個點的相對活度溫度系數。

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

3 結果與討論

3.1 爆熱測試結果

空白藥與3種堵孔鈍感發(fā)射藥的爆熱測試結果見表2。

表2 3種堵孔鈍感發(fā)射藥的爆熱測試結果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，與空白藥相比，分別下降2.6%、3.6%和4.3%。分析其原因為鈍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)器測試結果

3.2.1 塞子堵孔及鈍感處理對發(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)現堵孔鈍感發(fā)射藥的結構特征如圖1所示。從外到內依次是：（1）含能復合材料鈍感層；（2）高分子復合材料堵孔層；（3）塞子。

圖1 堵孔鈍感發(fā)射藥的切面結構示意圖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），平緩的趨勢加大，燃燒時間分別延長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合材料部分進入內孔中形成“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，造成整體燃燒時間延長，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

根據圖2b計算得到空白藥以及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，這是因為經塞子堵孔及鈍感處理后，發(fā)射藥燃燒前中期的動態(tài)活度下降，導致L0.1+L0.3的值減?。煌瑫r發(fā)射藥燃燒分裂點提前，且燃燒分裂點處的動態(tài)活度下降，導致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。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，隨著堵孔材料及鈍感材料含量的增加，燃燒漸增性呈現增強的趨勢。

3.2.2 塞子堵孔及鈍感處理對發(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，空白藥的動態(tài)活度順序為高溫＞常溫＞低溫，表現出正常的燃燒-溫度行為。從圖4可知，在B＜0.20范圍內，WCBF-1/18，WCBF-2/18，WCBF-3/18高、常、低溫動態(tài)活度基本保持一致；在0.20＜B＜0.60區(qū)間內，常溫和高溫動態(tài)活度基本保持一致，且大于低溫動態(tài)活度，展現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)射藥的相對燃燒活度溫度系數Table 4 Temperature coefficient of relative combustion activity of untreated gun propellant and three types of plugged and insensitive gun propellants %

根據空白藥與3種堵孔鈍感發(fā)射藥的L-B曲線計算B=0.1，0.3，0.6時的相對活度溫度系數，結果見表4。從表4可知，3種堵孔鈍感發(fā)射藥的高溫相對活度溫度系數的絕對值均值αˉ相較于空白藥均有所下降；WCBF-1/18和WCBF-3/18的低溫相對活度溫度系數的絕對值均值相較于空白藥有所上升，而WCBF-2/18的低溫相對活度溫度系數的絕對值均值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)射藥的低溫相對活度溫度系數的絕對值均值βˉ均大于高溫相對活度溫度系數的絕對值均值αˉ，即堵孔鈍感發(fā)射藥低常溫區(qū)間內的低溫感效果較差，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)將進一步優(yōu)化工藝條件并進行內彈道性能考核驗證。

4 結論

（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，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，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。本實驗條件下，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)器試驗結果表明，3種堵孔鈍感發(fā)射藥 WCBF-1/18、WCBF-2/18、WCBF-3/18的高溫相對活度溫度系數的絕對值均值分別為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)間內低溫感效果好。