高能燃烧剂配方研究

张兴高，师宏心，刘庚冉，武 湃，李红欣

（防化研究院第五研究所，北京，102205）

随着先进武器装备的发展，高效毁伤已成为发展的目标，燃烧剂作为燃烧武器战斗部毁伤的威力能源，是发展燃烧武器的基础。目前，燃烧毁伤技术的发展主要呈现为高能化和多效能化。Panas等[1]采用高分辨微量量热和膨胀测试仪研究了还原剂-聚四氟乙烯烟火体系的热性能，其中还原剂采用Zn、Al3Mg4、CaSi2金属，该反应体系燃烧时具有高热效应的特点。Steven等[2]研究了在切割火炬中提高材料穿孔性能的燃烧剂配方，该配方由以下组分组成：3%～35%的镁铝合金，30%～70%的CuO，15%～35%的MoO3，此外该配方还可以包含粘合剂组分。为了提高燃烧毁伤效能，需研究高能燃烧剂、提高燃烧温度，为燃烧武器的发展奠定基础。本文基于燃烧温度、燃烧时间、熔渣量随着氧化剂含量和金属粉含量的变化规律，获得了高温燃烧剂配方。

1 实验部分

1.1 实验材料和仪器

实验采用两种金属粉，分别为A和B；氧化剂采用三氧化二铁，分析纯，国药集团化学试剂公司；粘合剂采用粘合剂C。

实验仪器：Thermalert FR1C测温仪，美国雷泰公司；电子秒表，陕西国泰电子仪器有限公司；电子天平，上海精密科学仪器有限公司。

1.2 实验方法

将两种金属粉A和B、三氧化二铁、粘合剂C按照重量百分比称量，混合均匀，然后利用 Φ42mm的模具压制药柱，得到Φ42mm×25mm药柱。

将100g燃烧剂置于钢板上，添加适量点火药，采用电点火头点火，将红外测温仪探头对准高能燃烧剂，调整红外测温仪的架设高度、方位和俯仰角，保证火焰的影像完全充满辐射感温器瞄准视场，使红外测温仪充分接受到热辐射能量。触发点火后，测量高能燃烧剂的燃烧温度并用计算机实时记录下数据。采用秒表记录燃烧时间。采用电子天平称量放置药柱的钢板燃烧前的质量和燃烧后的质量，两者之差即为熔渣质量。

2 实验结果与讨论

2.1 氧化剂含量对燃烧性能的影响

为了使燃烧剂压药成型性好，固定粘合剂含量为8%，则氧化剂和金属粉总含量为92%，进行一系列配方试验，获得了燃烧温度、燃烧时间、熔渣量随着氧化剂含量的变化规律，据此获得了最优的氧化剂含量。燃烧时间随着氧化剂含量的变化规律如图1所示。

图1 燃烧时间随着氧化剂含量的变化曲线Fig.1 The curve of the combustion time vs oxidizer content

由图1可以看出，随着氧化剂含量的增加，燃烧时间增加，当氧化剂含量增加到77%时，点火困难并且燃烧反应持续困难。氧化剂含量为77%时，配方的氧平衡约为+20%，这时药剂中含有过量的氧化剂，这在燃烧过程中是有害无益的，燃烧过程中氧化剂反应不完全，燃烧后燃烧产物中仍然剩有未反应的氧化剂。由于氧化剂的导热系数小于金属粉，氧化剂含量越高，则燃烧过程中固相未反应区接受反应区热反馈的升温速率越慢，其热分解速率也慢。根据埃利·弗里曼稳态燃烧模型，稳态燃烧的速度基本上是由反应温度及传导至未燃物中的热量所决定的[3]，因此氧化剂含量越高，燃烧速度越慢，燃烧时间越长。

图2 燃烧温度随着氧化剂含量的变化曲线Fig.2 The curve of combustion temperature vs oxidizer content

燃烧温度随着氧化剂含量的变化规律如图 2所示。由图2可以看出，随着氧化剂含量的增加，燃烧温度先略有上升后降低，当氧化剂含量为57%时，燃烧温度最高，当氧化剂含量继续增加，燃烧温度逐渐降低。这是因为该燃烧剂配方属于自供氧体系，随着氧化剂含量的增加，配方的氧平衡从负氧到零氧再到正氧平衡，恰好为零氧平衡时，燃烧剂配方的燃烧充分，能量释放的效能高，而负氧平衡时，燃烧不充分，正氧平衡时，有部分氧化剂未参加反应。当氧化剂含量为57%时，约为零氧平衡，这时能量释放的效能高，燃烧温度也最高。

燃烧产物熔渣量随着氧化剂含量的变化规律如图3所示。

图3 熔渣量随着氧化剂含量的变化曲线Fig.3 The curve of sinter amount vs oxidizer content

由图3可以看出，随着氧化剂含量的增加，熔渣量先降低后增加，当氧化剂含量为46%左右时，熔渣量最低，当氧化剂含量小于52%或大于67%时，熔渣质量较差，熔融状态差，尤其是氧化剂含量高时，此时配方呈正氧平衡，燃烧产物中有未反应的氧化剂，这时熔渣量虽多，但质量较差。

综合考虑以上情况，燃烧时间、燃烧温度和熔渣量虽在燃烧毁伤方面均发挥一定作用，鉴于在熔渣质量较好的情况下熔渣量基本相同，并且在燃烧剂中，燃烧时间和燃烧温度是最重要的两个指标，因此定义燃烧时间和燃烧温度的乘积为综合效应参数Y：Y=T×t。综合效应参数Y随氧化剂含量的变化规律如图4所示。

图4 综合效应参数随着氧化剂含量的变化Fig.4 The general effect parameter vs oxidizer content

由图4可以看出，随着氧化剂含量的增加，综合效应参数先增大后减少，在氧化剂含量为 60%左右时，综合效应参数最大，考虑到氧平衡及空气中的少量氧参与反应，因此取氧化剂含量为57%。

2.2 金属粉A和B含量对燃烧性能的影响

研究了燃烧温度、燃烧时间、熔渣量随着金属粉A和B之间比例的变化规律，获得了最优的金属粉A和B比例。固定氧化剂含量为57%、粘合剂C含量为8%，则金属粉总含量为35%，研究金属粉A的含量对燃烧温度等的影响规律。燃烧温度随金属粉A含量的变化规律如图5所示，燃烧时间随金属粉A含量的变化规律如图6所示。

图5 燃烧温度随金属粉A含量的变化Fig.5 The curve of combustion temperature vs metal powder A content

从图5可以看出，随着金属粉A含量的增加，燃烧温度先增加后降低，在金属粉A含量为15%时，燃烧温度最高。

从图6可以看出，随着金属粉A含量的增加，燃烧时间先增加后趋于平缓，在金属粉 A含量为15%～20%时，燃烧时间变化较小。

综合考察燃烧时间和燃烧温度的影响，获得综合效应参数Y随金属粉A含量的变化规律，如图7所示。

图7 综合效应参数随着金属粉A含量的变化规律Fig.7 The general effect parameter vs metal powder A content

从图7可以看出，随着金属粉A含量的增加，综合效应参数先增加后降低，在金属粉A含量为15%时，综合效应参数最高。综上，获得了最优的金属粉含量，即金属粉A含量为15%，金属粉B含量为20%。

3 结论

基于燃烧温度、燃烧时间、熔渣量随着氧化剂含量和金属粉含量的变化规律研究，获得了高温燃烧剂配方，该配方为：氧化剂三氧化二铁含量57%、金属粉A含量15%、金属粉B含量20%、粘合剂C 含量8%。该配方燃烧温度大于2 200℃，有望在难燃目标毁伤上应用。

[1]Panas A. J.，Cudzilo S.．Complementary DSC and dilatometric investigation of M-PTFE pyrotechnic compositions[J]．Journal of Thermal Analysis and Calorimetry，2004(77)：329-340．

[2]Steven P.DA.，Travis S.，Brian M. Pyrotechnic thermite composition:US,7632365[P].2009-12-15．

[3]焦清介，霸书红．烟火辐射学[M]．北京：国防工业出版社，2009．