含KBH4点火药的制备及其性能研究

尹 磊，史春红，王丽霞，于国强，雷 珏，徐珉昊



含KBH4点火药的制备及其性能研究

尹 磊，史春红，王丽霞，于国强，雷 珏，徐珉昊

（陕西应用物理化学研究所，陕西 西安，710061）

为寻找新型高能环保点火药，将KBH4作为新型点火药的可燃剂，使用传统机械混合法制备含粘合剂和不含粘合剂的点火药，并对两种含KBH4的点火药的热性能、爆热、感度等进行研究。实验结果表明：含KBH4的新型点火药输出能量较高、相容性好，对火焰和静电火花钝感，加入氟橡胶有效地改善了药剂机械感度和摩擦感度。

点火药；KBH4；爆热；感度

点火药作为火工品中的首发装药，在常规武器、战略武器和航天系统中有着极其重要的作用。贮氢材料是近年来研究的热门材料[1-2]，国外将贮氢材料应用于点火药的研究比较早，如WALKER F E和WASLEY R J[3]发现含有ZrH2的点火药较易点燃；Nakamura等人[4]研究发现TiH2/KClO4点火药在常压下燃烧是低热反应，但是当增加压力或添加硼粉后反应热就会提高。

配位氢化物类贮氢材料由于其质量贮氢密度比较大、热稳定性好、燃烧产物无污染等优点引起了国内外广泛的关注[5-7]，本文将选择配位氢化物类贮氢材料KBH4作为新型高能点火药的可燃剂，将其应用于点火药配方中，对未加入粘合剂和加入粘合剂的新型点火药的热分解、爆热、感度等性能进行研究。

1 新型点火药配方设计与制备

1.1 新型点火药配方设计

1.1.1原材料选择

可燃剂的作用是燃烧时放出大量的热并产生高温，在燃烧时能生成低熔点、高沸点的氧化物，以形成灼热残渣，点火药可燃剂的选择原则是易于氧化。金属硼氢化物KBH4贮氢含量较高、耐热，在空气中稳定、不吸湿，通过理论计算发现KBH4燃烧能量高，满足用于点火药的贮氢材料的要求。所以，选择KBH4作为新型高能点火药的可燃剂。

选择氧化剂时，首先应考虑其中所含的可直接用于氧化可燃剂的氧量，即有效含氧量，KClO4和KNO3是常用的氧化剂，KClO4为白色粉末，熔点610℃，与KNO3相比吸湿性小、有效含氧量高，另外对热、机械冲击感度均比较钝感，所以选择KClO4作为氧化剂。

使用粘合剂的目的在于使烟火药制品具有良好的机械强度，同时调节药剂的燃烧速度，并改善和提高烟火药物理化学安定性。实验中选择的粘合剂为氟橡胶，氟橡胶含有强氧化元素氟，对药剂的热量输出有利，同时氟橡胶的耐热性能和良好弹性又可以提高药剂的热稳定性和抗冲击能力，氟橡胶化学性质稳定也有利于药剂的贮存。

1.1.2新型点火药配比

根据燃烧方程式建立的原则，理论上认为新型点火药按照以下方程式进行燃烧反应：

2KBH4+2KClO4→2KCl+K2O+B2O3+4H2O

经计算可知，零氧平衡时新型点火药的配比为：KBH4∶KClO4=27.8∶27.18。

1.2 新型点火药的制备

本实验采用P4行星型球磨机湿法混合制备点火药，制备工艺流程如图1所示。

图1 新型点火药制备流程

将细化后的原材料KBH4和KClO4烘干，根据原材料配比分别称取可燃剂和氧化剂，将称好的可燃剂和氧化剂混合；将混合物倒入事先准备好的粘合剂中，充分搅拌；把混合好的药剂晾一定时间后造粒，将符合要求的药剂收集烘干，放入干燥设备。

2 实验结果与分析

2.1 形貌表征

使用扫描电镜（SEM）对新型点火药形貌进行分析，图2为新型点火药SEM图，其中图2（a）为不含粘合剂的新型点火药（以下简称KBK）SEM图，图2（b）为添加粘合剂氟橡胶的新型点火药（以下简称KBK-F）SEM图。

图2 新型点火药SEM图

由图2可以看出，两种新型点火药各组分的颗粒近似为球形，颗粒表面比较光滑，粒度分布较均匀。

2.2 新型点火药DSC分析

使用差示扫描量热法（DSC）来分析混合点火药的热分解性能，在氮气保护氛围下，以10℃/min的升温速率从常温升温至560℃，测量物质的物理性质与温度的关系，图3为新型点火药的DSC曲线图。

图3 新型点火药的DSC曲线图

从图3可以看出，KBK和KBK-F均在（382±4）℃时有1个明显的放热峰，这是点火药的反应峰，此峰面积较大，说明两种新型点火药反应比较完全。KBK和KBK-F均在（303±1）℃时有1个明显的吸热峰，据文献资料[8]知KClO4在290~310℃发生晶型转变，由斜方形转变为立方形，说明在不含粘合剂和含粘合剂氟橡胶的新型点火药中KClO4的晶型转变温度并未发生改变，KBH4、KClO4以及粘合剂间具有良好的相容性。

2.3 新型点火药爆热结果分析

爆热是评价点火药能量性能的常用参数，爆热测定执行GB J5891.29-2006标准，在抽真空的量热弹内进行，引燃量热弹内的药剂，以水为测温介质，在恒温状态下测定量热计中内桶水的温升值，通过热平衡原理求出药剂的爆热。表1为新型点火药的爆热结果。

表1 新型点火药的爆热结果

Tab.1 Explosion heat of new type ignition powder

由表1中数据对比分析可知，两种新型点火药爆热均较高，接近理论计算值，说明点火药各组分反应较完全；氟橡胶含有强氧化元素氟，含氟量约为60%，对药剂输出能量有利，所以加入粘合剂氟橡胶的新型点火药爆热略高。

2.4 新型点火药感度结果分析

感度是火工药剂非常重要的特性，在点火药的研制、生产、贮存及使用过程中，安全问题至关重要。本试验撞击感度的测量执行GJB 5891.22-2006标准，装药量20mg，锤重500g，测试50%发火高度；摩擦感度的测量执行GJB 5891.24-2006标准，装药量20mg，摆角50°，压力0.64MPa，测试发火率；测试火焰感度执行GJB 5891.25-2006标准，装药量20mg，测试50%发火距离；静电火花感度测量执行GJB 5891.27- 2006标准，装药量20mg，测试50%发火能量，表2为两种新型点火药感度试验结果。

表2 新型点火药感度试验结果

Tab.2 Results of sensitivity tests of new type ignition powder

从表2看出，加入粘合剂氟橡胶的新型点火药KBK-F撞击感度和摩擦感度较KBK钝感；两种新型点火药均对火焰和静电火花钝感，KBK-F火焰感度较KBK钝感。

对粘合剂而言，最早提出的粘合机理是机械结合理论，即液体状的粘合剂流入并填充被粘物表面，一旦固化，粘合剂与被粘物便通过互相咬合而连接。现今较为普遍的吸附理论认为：粘合作用是粘合剂与被粘物分子在界面层上相互吸附而产生的。氟橡胶弹性良好，将其作为粘合剂加入到新型点火药配方中使点火药具有足够的机械强度，降低了药剂的机械感度。因此，KBK-F较KBK的撞击感度和摩擦感度钝感。

3 结论

（1）制备的新型点火药粒表面比较光滑，粒度分布较均匀；（2）KBH4、KClO4以及粘合剂氟橡胶间具有良好的相容性，新型点火药点火反应比较完全、点火稳定性较好；（3）KBK和KBK-F新型点火药输出能量较高；（4）两种新型点火药均对火焰和静电火花钝感；（5）氟橡胶的加入有效改善了点火药的撞击、摩擦感度，以及火焰感度。

[1] 贾乃涛,张旭东,任晓辉,等.贮氢材料研究进展[J].山东轻工业学院学报,2007,21(4):54-57．

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[4] Nakamura Hidetsugul, Beppu Shintaroul, Akiyoshi Miyakol. Thermal reaction and combustion of titanium hydride-boron- potassium perchlorate mixture[J]．Journal of the Japan Explosi- ves Society,1999,60(6):268-273．

[5] 吴朝玲,陈云贵,等.贮氢材料及贮氢技术的发展评述[C]//中国功能材料科技与产业高层论坛论文集.重庆:中国仪器仪表学会仪表材料分会,2011．

[6] 廖赛,张静,丁德军,等.新型轻质储氢材料-金属铝氢化物的研究进展[J].稀有金属,2012,36(3):483-490．

[7] 汪云华,王靖坤,赵家春.固体储氢材料的研究进展[J].材料导报,2011,25(5):120-124．

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Research on Preparation and Performance of Ignition Powder Containing KBH4

YIN Lei，SHI Chun-hong，WANG Li-xia，YU Guo-qiang，LEI Jue，XU Min-hao

（Shannxi Applied Physics and Chemistry Research Institute，Xi'an，710061）

KBH4was selected as ignition powder combustible agent, the ignition powder with adhesive or without were prepared by traditional manufacturing process. DSC, explosion heat and sensitivity of the two ignition powder were characterized and analyzed. Test results indicated that explosion heat was higher, and they were insensitive to flame and electrostatic，the ignition powder with adhesive had lower impact sensitivity and friction sensitivity than that without adhesive.

Ignition powder；KBH4；Explosion heat；Sensitivity

TQ562

A

1003-1480（2014）02-0030-03

2014-02-19

尹磊（1988-），男，在读硕士研究生，主要从事新型火工药剂研制工作。