一种LOVA 发射药燃烧残渣现象分析

赵晓梅,严文荣,张玉成,李 强,闫光虎

(西安近代化学研究所,陕西 西安 710065)

引 言

含能热塑性弹性体(ETPE)作为黏结剂用于LOVA 发射药具有能量高、易损性低、塑性好、环保等优点,不仅保持了热塑性弹性体的特性,还增加了发射药配方中高能组分的含量,提高了LOVA 发射药的能量,解决了发射药中能量提高和易损性降低的难题,成为国内外发射药研究的热点之一[1]。但是伴随着低易损性,LOVA 发射药也带来了点火性能不佳、燃烧不完全、燃烧结束后留有残渣等问题[2-3],阻碍了其应用。

本实验针对LOVA 发射药存在的点火燃烧方面存在的问题,研究了以热塑性弹性体BAM O/AMM O 聚合物[4]体系为新型含能黏结剂、高能添加剂RDX 为主要组分的一种LOVA 发射药在常压及密闭环境下的燃烧特性,总结了该类LOVA 发射药及其组分的热分解特性,并推导出该类发射药的燃烧机理,为含能热塑性弹性体发射药的研究应用提供借鉴。

1 试 验

1.1 材料及仪器

RDX,粒度为50.0 μm,甘肃银光工业集团有限公司;热塑性弹性体Poly(BAMO-AMM O),西安近代化学研究所。

点火模拟装置,西安近代化学研究所;JSM-5800 扫描电镜,日本日立公司;syc-6000 石英压电传感器,德维创公司。

1.2 样品的制备

根据理论计算,设计出能量性能符合要求的LOVA 发射药配方,根据半溶剂法常规挤压工艺制备发射药样品LOVA-1 和LOVA-2,溶剂选用丙酮,药型为18/1。

样品主要配方及理化性能测试结果见表1 和表2。

表1 LOVA 发射药性能参数的计算值Table 1 Calculated parameter results of LOVA propellant

表2 LOVA 发射药配方及性能参数的测试结果Table 2 Formulations of LOVA propellant and its tested parameters

1.3 实验条件

点火模拟试验:点火药为1.1 g NC 点火药包;药室体积为138.6 mL;装填密度为0.12 g/cm3;装药量为16.6 g 。

中止燃烧试验:泄压孔Φ20 mm;装填密度为0.2 g/cm3;试验温度为20 ℃;点火方式为NC 点火药包。

2 结果与讨论

2.1 燃烧现象讨论

2.1.1 点火模拟实验

试验前,点火模拟装置燃烧室内壁光滑洁净,如图1(a),点火燃烧结束后LOVA-1 发射药的燃烧室内壁附有一层明显黑色絮状残渣,见图1(b),LOVA-2 发射药的残渣更明显,药室几乎被黑色絮状物填满,见图1(c)、(d),取出观察为团状物,质量轻。

2.1.2 常压下点火燃烧实验

针对LOVA 发射药在点火模拟装置中燃烧结束后留有残渣的现象,进行了常温常压下LOVA 发射药及其黏结剂组分热塑性弹性体材料BAM O/AMM O 聚合物的点火燃烧试验,并与G R5 型发射药的燃烧现象进行对比,结果见图2。

图2 结果表明,点火燃烧过程中,BAMO/AMM O 聚合物的燃烧火焰很不稳定,几乎不能维持燃烧,在持续给火条件下,火焰蹿火现象严重,并不断熄灭,同时有大量气体生成,生成的气体快速放出将火焰“吹灭”。燃烧结束后,BAMO/AMM O 聚合物完全燃烧,无残渣残留现象,说明在氧充足时,黏结剂组分能够完全氧化燃烧,生成气体,无固体残留物。在相同的常压条件下LOVA-1、LOVA-2发射药样品能够维持燃烧,火焰相对稳定,但仍有蹿火现象,且燃烧速度快,并伴有大量浓烟生成,燃烧过的药体区域留有明显的黑色残渣,LOVA-2 发射药蹿火较明显,浓烟及燃烧残渣也更多,药长约40mm 的LOVA-2 发射药样品燃烧结束后,留下的残渣长度超过80mm,初步分析为碳残留物,见图3。其中很多C 元素在燃烧结束后以C 单质状态存在。先分解掉的RDX 没有能够与黏结剂发生二次反应。造成黏结剂中的C 不能氧化为CO 或者CO2。

图1 LOVA 发射药点火前后燃烧情况对比Fig.1 The burning chamber estate by LOVA propellant ignition bef-and-aft

与LOVA 发射药相比,G R5 发射药在常压下燃烧火焰稳定,无蹿火现象,燃烧过程中仅有少量烟产生,燃烧结束后,基本无残渣残留,见图2(d)。这是因为,G R5 型发射药配方主要由NC、NG 组成,再添加一定量的高能组分RDX,由于NC 的分解温度较RDX 低[4],NC、NG 在RDX 燃烧之前就已经燃烧,不存在黏结剂组分因为分解缓慢而不能完全燃烧的问题,所以,G R5 型发射药在氧充足的条件下,基本能够完全燃烧。

2.1.3 中止燃烧试验

中止燃烧试验是通过在点火模拟装置的堵头上设置泄压挡片,当药室中的发射药被点燃,药室压力增加到一定程度时,挡片破碎,发射药由于药室压力突降而熄灭,提取未燃尽样品进行燃烧表面SEM 电镜观察,结果见图4。

图4 LOVA 发射药表面燃烧后的SEM 照片Fig.4 S EM photographs of LOVA propellant surface after burning

点火前平整的样品表面在燃烧后均出现微孔,LOVA-1 发射药中的孔较多,分析样品配方,LOVA-1 中黏结剂含量低,RDX 含量高,由于RDX 的分解温度比BAM O/AM MO 聚合物低[5-6],该孔应为RDX 颗粒燃烧所致,所以孔较多。

2.2 燃烧过程与机理

经过分析,可将LOVA 发射药的燃烧分为以下几个过程。

(1)点火前LOVA 发射药中高能添加剂RDX颗粒均匀分散在BAM O/AM MO 聚合物中,发射药表面较平整。

(2)点火后,热量作用在发射药表面,发射药表面升温,并在药体内部形成温度梯度,表面温度累积到一定程度时,RDX 颗粒开始吸热熔融。随着温度的进一步升高,BAMO/AM MO 聚合物开始软化并缓慢分解放热。因为RDX 的熔融吸热需要吸收大量热量[5],在点火过程中LOVA 发射药存在一个热量积累的过程,LOVA 发射药中RDX 含量相对较高,热量积累的过程相对较长,因此LOVA 发射药的点火性能不佳。此时燃烧表面出现少量小孔穴,系高能添加剂RDX 部分熔融分解所致。

接着进入LOVA 发射药全面燃烧阶段。此时RDX 和BAM O/AM MO 聚合物完全熔融,并开始分解,样品燃烧表面出现大量的孔穴(见图4)。燃烧阵面到达燃烧面上的RDX 颗粒时,RDX 爆燃使得在燃烧表面形成大量“孔穴”,热量和压力沿着孔深入整个发射药内部(见图5)。

图5 LOVA 发射药燃烧过程示意图Fig.5 Schematic diagran of of combustion process for LOVA propellant

(3)进入LOVA 发射药的燃烧后期。此时RDX 基本完全分解,剩余的BAM O/AMM O 聚合物骨架进行热分解。在分解气体的作用下,样品表面进一步破裂、分解。

由于LOVA 发射药中两种主要组分的因为热分解特性不同,在点火燃烧时具有燃烧不同步性的特点。在BAMO/AM MO 聚合物达到分解温度前,发射药表面的RDX 颗粒首先熔融燃烧并消耗环境中的氧,当BAMO/AM M O 聚合物组分开始氧化分解时,所需的热量和氧又被紧挨表面的RDX 颗粒消耗,即未燃RDX 颗粒从环境中夺氧及热,致使黏结剂因分解所需热及氧严重不足停止了分解反应而炭化。发射药在密闭爆发器以及常压条件下燃烧后留下的残渣应为聚合物中未燃尽的大分子C骨架。根据发射药的特性,燃烧过程中有大量气体生成,浓烟亦应为没有氧化的C 颗粒。同时,样品边燃烧边生成气体,将C 残渣冲击膨胀,使得最终生成的黑色残渣较原样品长出许多。

综上可知,LOVA 发射药中两种主要组分的燃烧不同步性是造成该类发射药燃烧不完全、燃烧后留有残渣现象的一大原因。

2.3 氧系数的影响

氧系数为火药中所含氧化元素物质的量与所含可燃元素完全氧化所需氧的物质的量之比,即

本研究中,经计算发射药LOVA-1,LOVA-2样品的氧系数分别为0.432 和0.317。

可知,LOVA 发射药氧含量不足,高分子物质不能完全氧化燃烧,是LOVA 发射药不能完全燃烧的原因之一。

3 结 论

(1)LOVA 发射药的两种主要组分的燃烧不同步是造成该类发射药燃烧结束后留有残渣的一个主要原因。RDX 首先受热分解,燃烧速度快于黏结剂BAM O/AM MO 聚合物,使得慢一步分解的BAMO/AM MO 黏结剂来不及被氧化。

(2)LOVA 发射药的氧系数较低,氧含量不足,黏结剂组分中的高分子物质不能完全氧化燃烧,也是LOVA 发射药有燃烧残渣存在的原因之一。

[1]徐复铭.21世纪先进发射药:低敏感高能发射药—新配方、装药、点火和理论模拟技术[J].火炸药学报,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.低易损性发射药性能研究[D].南京:南京理工大学,2004.

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

[3]殷雅侠,徐赛龙,王端,等.一种新型LOVA 发射药点火性能的研究[J].火炸药学报,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]杨文宝,戚士莲,杨爱华.硝胺发射药的热行为与燃烧性能的关系[J].火炸药学报,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]刘子如,刘艳,范夕萍,等.RDX、H MX 的热分解Ⅰ热分析特征量[J].火炸药学报,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]宋秀铎,赵凤起,王江宁,等.BAMO-AMMO 的热行为及其与含能组分的相容性[J].火炸药学报,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.