模压可燃药筒点火特性

邹伟伟，肖乐勤，周伟良

（南京理工大学 化工学院，南京210094）

可燃药筒作为装药的一个重要部件，燃烧特性是其最主要的性能之一[1]，并对内弹道性能有很大的影响.点火阶段作为燃烧的起始段，对可燃药筒的整体燃烧特性及炮膛内装药燃烧过程起着举足轻重的作用.

可燃药筒是一种含能的结构功能性多孔材料，孔隙分布不均一，呈现出渗透性燃烧的特点[2～4]，与符合几何燃烧规律的火药相比，具有特殊的燃烧特性.可燃药筒结构及燃烧规律的特殊性使得其本身具有独特的点火特性[5]，所以不能把火药的点火情况简单地套用于可燃药筒.因此，研究可燃药筒的点火情况对准确了解可燃药筒燃烧性能及装药设计均具有重要的意义.本文通过密闭爆发器试验分析了可燃药筒定容点火特性，探讨了装填密度与点火强度对药筒点火的影响，同时对可燃药筒与单基药的点火特性进行了比较.

1 实验

1.1 试样

以配方N1可燃药筒和4/7－单作为研究试样.N1可燃药筒含硝化棉、硫酸盐木浆纸、黏结剂和助剂，采用抽滤模压工艺制备，样品尺寸35 mm×21mm×2.5mm，50℃水浴烘箱干燥24h.

密闭爆发器中电点火材料选用直径为0.15～0.20mm的镍铬丝，点火药采用2号硝化棉.

1.2 试验方法

真密度：采用Micromeritics AccuPycⅡ1340型真密度分析仪测试，测试介质为高纯氦气，测试原理为气体置换法，测试温度（25±2）℃，可燃药筒试样尺寸为35mm×21mm×2.5mm，测试3次求平均值.

比表面积：以Micromeritics AutoPoreⅣ9500型压汞仪分别表征可燃药筒、4/7－单的比表面积.测试室温为（25±2）℃，可燃药筒试样尺寸为6.5mm×6.5mm×2.5mm.

热分解温度：采用SDT－Q600型TG－DSC分析仪测试，测试气体为氮气，体积流量为30mL/min，升温速率为10℃/min，温度范围为50～650℃.

点火特性：以容积为109mL的密闭爆发器为测试手段，采用 MANFRAMEJV5300A采集系统，SYC－3 000 099 120传感器，测试方法依据GJB 5472.9－2005，测试温度为（25±2）℃，测定结果以3发数据平均.可燃药筒试样尺寸为35mm×21mm×2.5mm.

点火药量的计算遵照GJB 5472.9－2005标准确定.

N1药筒与4/7－单的真密度ρ、比表面积Sg、热分解温度θ及密闭爆发器测得的点火时间tk数据见表1.点火时间定义为电阻丝通电加热到点火药燃烧压力达到10 MPa时所需要的时间.

表1 可燃药筒与4/7－单的结构参数及点火时间

依据固相点火理论，在点火药种类与火药初温相同的情况下，火药的热分解温度越高，密度越大，火药越难点燃，所需要的点火时间越长.由表1可知，与4/7－单相比，N1药筒的密度、热分解温度都较低，且药筒表面粗糙，结构疏松，因此可燃药筒更容易点火，点火时间缩短，这与密闭爆发器测得的结果一致.

图1、图2分别为N1药筒及4/7－单定容燃烧点火阶段的p－t曲线和dp/dt－t曲线（图中曲线为各配方3发平行试验数据，下同）.

2 结果与讨论

2.1 点火理论

点火是火药通过外界能量的激发从非反应状态到反应状态的过渡过程，其基本属性是非定常的[6～8].目前，点火理论主要采用固相点火模型，该模型能够较真实地描述电热丝点火和热固体点火的过程，与密闭爆发器试验符合较好，其定性描述点火影响因素的数学表达式为

式中，tι为点火药点火延迟期，λ为火药的导热系数，ρ为火药的密度，c为火药的比热容，h为总传热系数，Tign为火药点火温度，Tg为点火药燃烧产物的温度，T0为火药初温.

2.2 可燃药筒的定容点火特性

对4/7－单及 N1可燃药筒进行密闭爆发器试验，比较2种火药的定容点火特性.点火强度为10 MPa，装填密度为0.12g/cm3.

图1 N1药筒与4/7－单点火阶段的p－t曲线

图2 N1药筒与4/7－单点火阶段的dp/dt－t曲线

由图1、图2中曲线可知，同一个试样3发试验的结果具有较好的重现性.由图1可知，相比4/7－单，N1药筒点火段的压力上升迅速，达到10 MPa所需要的时间明显缩短，这主要是由二者比表面积与密度不同引起的.比表面积大，则装药总表面积增加，即吸热表面增大，热量散失快；密度与热传导系数有关，密度大，热传导系数就大，热量向火药内部的传输速度就快，同样会使得点火段的热量散失加速.由表1中数据可知，N1药筒的比表面积、密度都较4/7－单小，因而药筒点火段的热散失慢，点火药燃烧速度加快，压力上升迅速.dp/dt曲线反映了点火段的燃气生成速率，曲线的峰值表明点火药的燃烧速率在该点达到极值.图2中，N1药筒的dp/dt－t曲线峰值出现在6ms处，6.7ms后可燃药筒开始燃烧使得压力速率再次上升，药筒点燃具有一定的延迟；而4/7－单的dp/dt曲线未出现明显的峰值，点火延迟时间短，但燃气生成速率较缓，压力上升滞后.

依据图2中N1药筒的dp/dt－t曲线的变化趋势，可将药筒的点火过程分为3个阶段：①电点火击发阶段（0～1ms），该过程中电能转化为热能，时间延长，热量逐渐积累，点火药温度升高，在1ms左右开始燃烧；②可燃药筒着火阶段AB段（1～6.7ms），点火药燃气以热传导的方式和高温的点火药气体以对流及火焰辐射方式，使得药筒表面层温度升高，化学反应速度加快，可燃药筒开始燃烧；③可燃药筒燃烧的初始阶段BC段（6.7～7.13ms），为点火过程的第三阶段，该过程中药筒表面反应放出的热量向内层传递，使得内层温度升高，反应速度加快，火焰加速向内层传播，反映在p－t曲线上即为压力迅速上升，该过程为点火药和可燃药筒共同燃烧阶段.

2.3 装填密度对可燃药筒点火特性的影响

对N1可燃药筒进行2种装填密度（0.12g/cm3和0.20g/cm3）的密闭爆发器试验.定容点火时间见表2，表中，pi为点火强度，Δ为装填密度，tk为点火时间.所得药筒点火阶段的p－t曲线和dp/dt－t曲线分别见图3和图4.

表2 N1可燃药筒不同条件下密闭爆发器点火时间

图3 不同装填密度下N1可燃药筒点火阶段的p－t曲线

图4 不同装填密度下N1可燃药筒点火阶段的dp/dt－t曲线

在图3中，不同装填密度下N1可燃药筒点火过程中压力上升趋势一致，点火时间基本不变，只是在时间段5～7ms间有一定的区别.装填密度提高，装药中药筒的总表面积增加，吸热表面增大，热散失较快；点火过程的第二阶段压力上升较慢，但药筒点燃后，高装填密度下的压力迅速增长.可见，点火过程中可燃药筒参与燃烧，影响点火段的p－t曲线及点火时间.由图4可知，装填密度对dp/dt曲线影响较大.低装填密度下，N1药筒受热至开始燃烧，具有一定的延迟，而在高装填密度下，dp/dt曲线未出现峰值，说明药筒在峰值6ms前已经开始燃烧，点火延迟缩短.

2.4 点火强度对可燃药筒点火特性的影响

对N1药筒进行10MPa和20MPa 2种点火压力下的密闭爆发器试验，研究不同点火强度对可燃药筒点火特性的影响，装填密度为0.12g/cm3.

不同点火强度下，N1可燃药筒点火阶段的p－t曲线、dp/dt－t曲线见图5、图6，点火压力10 MPa为弱点火，20 MPa为强点火.由图5和表2可知，强点火条件下，p－t曲线的上升陡度增加，点火时间缩短.而在图6中，弱点火下dp/dt－t曲线出现峰值，具有较强的燃烧振荡，且在6ms处出现平台，该平台是可燃药筒受热而不断升温的过程.强点火下，燃气生成速率增大，基本呈指数上升，且dp/dt－t曲线没有出现峰值，平台消失，这表明点火强度的增大提高了点火段的燃气生成速率，加速了点火药燃烧产生的高温气体产物和火焰沿药筒表面的传播速度，缩短了药筒的定容点火时间.点火压力的迅速建立不仅保证了可燃药筒的稳定燃烧，而且使可燃药筒的着火同时性得到提高.

结合图4分析结果可知，装填密度增加或点火强度提高都会使得药筒的点火延迟时间缩短，点火过程第二阶段末期的燃气生成速率迅速增加.

图5 不同点火强度下N1可燃药筒点火阶段的p－t曲线

图6 不同点火强度下N1可燃药筒点火阶段的dp/dt－t曲线

3 结论

①在定容燃烧试验中，与4/7－单相比，可燃药筒点火段的压力上升迅速，燃气生成速率高，点火时间缩短.

②可燃药筒的定容点火过程分为3个阶段，即电点火击发阶段、着火阶段与药筒的初级燃烧阶段.

③定容燃烧试验中，装填密度提高，可燃药筒点火段压力上升趋势不变，点火时间不变，但点火延迟时间缩短.点火强度提高，药筒点火段的压力上升陡度增加，燃气生成速率提高，点火时间缩短.

[1]SHEDGE M T，PATEL C H，TADKOD S K.Polyvinyl acetate resin as a binder effecting mechanical and combustion properties of combustible cartridge case formulations[J].Defence Science Journal，2008，58（3）：390－397.

[2]李煜，郭德惠，赵成文，等.新型含能纤维可燃药筒的性能研究[J].含能材料，2009，17（3）：334－338.LI Yu，GUO De－hui，ZHAO Cheng－wen，et al.Characterization of combustible cartridge cases enhanced by novel energetic fibers[J].Chinese Journal of Energetic Materials，2009，17（3）：334－338.（in Chinese）

[3]SYAL R K，SINDKER D V，NARR P S，et al.Hazard assessment formanufacture of combustible cartridge cases using picrite[J].Defence Science Journal，1996，46（2）：71－75.

[4]胡国胜，张丽华，牛秉彝.单基与多基火药[M].北京：兵器工业出版社，1996：104－121.HU Guo－sheng，ZHANG Li－hua，NIU Bing－yi.Single－base propellant and multibase propellant[M].Beijing：Ordnance Industry Press，1996：104－121.（in Chinese）

[5]KURULKAR G C，SYAL R K，SINGH H.Combustible cartridge case formulation and evaluation[J].Journal of Energetic Materials，1996，14（2）：127－132.

[6]金志明，翁春生.高等内弹道学[M].北京：高等教育出版社，2003：237－253.JING Zhi－ming， WENG Chun－sheng.Advanced interior ballistics[M].Beijing：High Education Press，2003：237－253.（in Chinese）

[7]王泽山，韩盘铭，张续柱.火药实验[M].北京：中国科学技术出版社，1992：140－147.WANG Ze－shan，HAN Pan－ming，ZHANG Xu－zhu.Proprellant experimant[M].Beijing：China Science and Technology Pubishing House，1992：140－147.（in Chinese）

[8]王世英，胡焕性.点火强度对B炸药燃烧行为之影响[J].含能材料，2003，11（3）：141－143.WANG Shi－ying，HU Huan－xing.The effect of ignition intensity in composition B on the burning behavior[J].Chinese Journal of Energetic Materials，2003，11（3）：141－143.（in Chinese）