叠氮硝胺发射药强度的落锤撞击实验研究

杨丽侠，张邹邹，杨建新，刘来东

（西安近代化学研究所，陕西 西安 710065）

引 言

发射药应具备较好的力学性能，以耐受火炮膛内环境的动态冲击作用，确保其可控、规律的燃烧。如果在膛内燃烧时因发射药自身的力学性能不佳而发生了材料破碎，就会明显改变发射药的燃烧规律，甚至会因燃烧面积的骤增而发生膛炸事故。然而，高能发射药在高膛压火炮中的受力环境复杂，作用时间极短，在射击过程中，发射药颗粒在膛内存在固相与气相、颗粒与颗粒以及颗粒与内膛壁、弹底部等之间不同程度的冲击、撞击和相互挤压作用，难以直接检测膛内药粒的动态力学过程。因此，多采用模拟试验方法研究发射药在火炮膛内药粒运动状态下的动态力学强度［1－5］，国外有伺服液压试验法、气体炮冲击试验法、霍普金森杆试验法、落锤撞击试验方法等。国内多使用发射药床撞击与挤压试验法、落锤撞击试验法等，其方法多是将撞击前后的发射药进行密闭爆发器燃烧实验，用相对燃面变化计算撞击后发射药的破碎度，表征发射药的动态强度，但在研究中发现，撞击后进行药粒收集时会造成药粒的二次破坏，改变损伤药粒的表面积，在计算发射药破碎度的过程中引入了药粒同时点火、平行层燃烧等假设以及实验偏差等，这些综合影响因素导致该类方法的准确度较差，难以分辨同一配方体系下各发射药品种的动态力学强度。

叠氮硝胺发射药具有能量高、烧蚀低、综合性能优良，在高性能坦克炮、中大口径制式火炮等武器系统具有广阔的应用前景，由于此类高能药为非均质结构，提高其材料的强度一直是研究重点。

为了模拟药粒在膛内撞击弹底的高速冲击过程，对炸药撞击感度用落锤实验装置进行了改进，设计了发射药粒专用的撞击工装，并加装了检测系统，与传统的静态力学实验用抗冲抗压方法相比，无需制作特殊药型，对制式多药型样品可直接检测，且操作简单方便、成本低。本实验采用自研的落锤撞击装置对叠氮硝胺发射药的动态力学性能及影响因素进行了研究，以期为配方优化及动态力学增强机理研究提供基础数据，促进该类高能发射药的应用。

1 实 验

1.1 实验装置及仪器

设计的发射药落锤撞击实验系统由落锤仪、力传感器、数据采集系统、撞击工装等组成，见图1。

图1 发射药落锤撞击实验装置Fig.1 Drop weight test apparatus for gun propellant

力传感器及数据采集系统：瑞士KISTLER公司9361B型压电式力传感器，量程为±60kN，固有频率为28kHz。试验采样频率为500k／s；高低温实验箱：泰安科技有限责任公司，温度范围－60～110℃，±2℃；BCJ型落锤仪：0～100cm，天津市建仪试验机有限责任公司。据资料报道［6］，发射药的动态力学强度与其所受的应变速率有关，常用的落锤装置一般是固定锤重，改变落高，药粒所受的应变速率会随着落高的变化而不同，本研究设计的落锤装置可实现在相同落高下改变锤重，落锤（锤体与配重块连接为一体）在1.0～10kg之间以0.1kg间隔可调，且下落和撞击时稳固，锤体和配重块不发生冲撞。

1.2 发射药配方及药粒尺寸

叠氮硝胺发射药配方（质量分数）见表1。测试样品均为溶剂法制作而成。采用制式高膛压大口径火炮用粒状发射药药型，用21／19花边模具制成，按照GJB770B－2005方法412.1小型药药型尺寸测量法测量药型尺寸［7］，并计算各发射药的横截面积，测量及计算结果见表2。

表1 发射药主要配方Table 1 Formulations of gun propellants

表2 测试样品的药型尺寸Table 2 Dimension and model of the samples

1.3 强度测试试验

为保证撞击能均匀作用于被试样品的横截面上及实验结果的一致性，实验前将每粒被试样品端面磨平，端面的平行度为0.03mm，垂直度好，每50粒发射药样品为1组。将被试样品按粒依次装入撞击工装，在高低温箱内保温2h备用。试验时，撞击工装受到自固定落高自由下落的落锤一次撞击作用，发射药粒会出现完好、完整、裂纹和破碎等，目测发射药撞击后的响应情况，并用工装底部的力传感器检测发射药粒受到的力值变化过程。固定落高，改变锤重，即在落锤撞击速度一致的条件下，研究了高能发射药的落锤撞击响应特性，落锤高度均为80cm，经计算落锤撞击样品时的速度约为4m／s。

2 结果及讨论

2.1 DAGR1基础配方－40℃下的临界撞击能

发射药的低温冷脆特性是导致其使用安全隐患的主要原因，因此选择试验温度为－40℃。临界撞击能（Ea）是指在落锤撞击试验时被试发射药粒50%左右完好、其余发射药粒出现裂纹或破碎时的撞击能量。由于实际应用中的发射药截面积不同，即使同一模具制作，也因配方、工艺及材料的收缩或膨胀系数不同导致截面积的差异，故采用单位面积上的撞击能来表征发射药的抗撞击损伤强度。完好药粒的最大应力为极限抗冲应力，该参数可反映发射药的动态力学强度，且可为发射装药模拟仿真提供边界条件。计算公式为：

式中：Ea为单位面积上的撞击能，J／cm2；m 为落锤质量，kg；g为当地重力加速度，m／s2；h为特性落高，m；S为样品的横截面积，cm2；σm为样品的临界应力，MPa；Fm为样品能承受的最大应力值，kN。

共进行4组撞击试验，每组50粒，结果见表3。

表3 DAGR1样品的撞击试验结果（－40℃）Table 3 Drop weight test results of DAGR1（－40℃）

从表3试验结果可知，DAGR1样品在落高80cm、落锤质量5～6.6kg范围内完好率约为50%，采用统计分析的方法得到该配方的临界撞击能约为33J／cm2。该结果显著优于太根药（Ea为18.8J／cm2）、硝胺药（Ea为14.2J／cm2）、硝基胍药（Ea为3.8J／cm2）［8］，表明叠氮硝胺发射药具有较好的力学强度。

2.2 系列配方样品的低温抗撞击损伤强度

根据不同样品的横截面积调节落锤质量，确保样品受到的撞击能（33J／cm2）与DAGR1基础配方样品的临界值接近，试验温度为－40℃，落高为80cm，观察样品撞击后的响应情况，结果参见表4及图2、图3。

从表4和图2可知，在落锤撞击对比试验中，DAGR1基础配方样品及其调节配方的系列样品，均有部分药粒出现破碎，即低温脆性解体。DAGR1基础配方的完好率为46%，破碎率为18%，样品的撞击响应处于低温破碎临界状态，与DAGR1基础配方样品临界撞击能的结果一致。在相同的撞击能下，DAGR2样品的破碎率为96%，无完好药粒，表明其低温抗冲击性能显著低于DAGR1；DAGR4样品的完好率为30%，破碎率为56%，强度较差；DAGR3样品的完好率为44%，破碎率为22%，低温下动态强度与DAGR1相当。从相对完好率的数据可直观反映样品的低温抗冲击强度，含ETPE的DAGR3样品较好，DAGR2强度差，DAGR4介于中间值。表4中样品的临界应力（σm）与其完好率的变化趋势有差异，DAGR4样品的临界应力略大于完好率较好的DAGR3样品，分析原因与其配方有关，DAGR4配方中RDX含量高，使其刚性略好（破坏形变略小），导致其临界应力值略高。

表4 几种样品的低温撞击试验结果Table 4 Drop weight test results of the four kinds of gun propellants（－40℃）

图2 DAGR1撞击损伤典型图片Fig.2 Photographs of the drop hammer impact fracture of DARG1

图3 DAGR1完好药粒的F－t曲线Fig.3 The F－t curve of the intact granule propellants of DAGR1

由上述结果可知，临界撞击能下发射药落锤撞击试验方法可以评价高能发射药配方由于组分微调对样品抗撞击损伤强度的影响。

2.3 发射药组分对抗撞击损伤强度的影响分析

由高能叠氮硝胺发射药配方可知，DAGR2与DAGR1基础配方中的NC、RDX等含量相同，增塑剂（NG＋DIANP）的总质量分数均为28%，区别在于DAGR1配方的NG质量分数为10%、DIANP质量分数为18%，而DAGR2配方中NG质量分数为18%、DIANP质量分数为10%，DIANP含量减少，使样品的强度变差，表明在增塑剂总含量不变时增加DIANP含量可提高发射药的低温抗冲强度，与周敬等［9］研究结果一致，这主要是由于DIANP中的硝胺基团、叠氮基团和硝化棉形成氢键，其键能增加，使硝化棉和增塑剂间的界面粘结性能变好。

DAGR3配方是在DAGR2配方中添加质量分数1.5%的热塑性弹性体（ETPE），样品的完好率和完整率显著提高，表明外加ETPE可改善叠氮硝胺发射药的低温抗冲击特性。ETPE是一种高分子聚酯黏合剂，具有能量高、密度大、机械感度低等优点，可增强固体填料与黏结剂体系界面间的粘接强度，减少脱湿，增强力学性能。

DAGR4的抗撞击损伤强度较差，这主要是由于其RDX固体含量增加，固体颗粒与硝化棉大分子之间存在的界面层难以形成牢固的粘接，在受到机械撞击时，这些界面层容易发生“脱湿”现象，成为力学破坏的薄弱环节。

根据组分变化对其抗撞击损伤强度影响分析可知，通过微调高能叠氮硝胺发射药配方增塑剂中DIANP的含量，使用ETPE作为力学增强剂，以及减少固体颗粒含量等措施均有利于提高高能叠氮硝胺发射药的抗撞击损伤强度。

3 结 论

（1）采用发射药落锤撞击实验系统测试了4种叠氮硝胺发射药的强度。在落锤撞击初速约为4.0m／s、温度为－40℃条件下，DAGR1叠氮硝胺发射药的临界撞击能约为33J／cm2，其临界抗冲应力约为262MPa，高能叠氮硝胺发射药的低温抗冲击强度优良。

（2）添加质量分数1.5%的ETPE可改善发射药的低温抗冲强度；增塑剂总含量不变，增加DIANP的含量可提高发射药的低温抗冲强度。4种配方低温抗冲强度排序为DARG1＞DAGR3＞DAGR4＞DAGR2。

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