一种新型点火药的性能研究

韩 冰，魏 伦，郑 双，刘少武，张远波，刘 波，李 达

（西安近代化学研究所，陕西 西安，710065）

一种新型点火药的性能研究

韩 冰，魏 伦，郑 双，刘少武，张远波，刘 波，李 达

（西安近代化学研究所，陕西 西安，710065）

为克服黑火药存在的不足，研制出一种新型高能点火药，通过黑火药、新型点火药在吸湿性、燃烧性能、安全性能及输出特性等方面的对比试验，从理论上分析了该点火药的性能特点。结果表明：和黑火药相比，新型点火药爆热高、吸湿性小、燃烧后残渣量少，组分相容性良好；并且，点火的瞬时性和点火强度优于黑火药。

点火药; 黑火药; 性能参数; 输出性能

点火药是很重要的一类火工药剂，常用来接受外界刺激点燃其它药剂，如发射药、推进剂等［1］。现在发射装药主要采用黑火药作为制式点火药，但是其吸湿性大，而且燃烧后产生大量的烟雾及燃烧残渣，已严重影响了武器装备的作战效能和发射安全性。因此，积极研制高防潮性、低烟雾、低燃烧残渣的新型点火药，提高武器装备的作战效能和发射安全性成为面临的迫切问题。国内外为解决黑火药的不足、寻找黑火药的替代品进行了大量的研究［2-8］。

针对黑火药存在的问题，本文以Mg粉为主要可燃物，KClO4为氧化剂，利用过量氧化剂（KClO4）、镁粉、硝化棉（NC）和硝化二乙二醇（DEGN）等原材料的有机组合，设计并制备出一种新型点火药配方，对其吸湿性、燃烧性能、安全性能及输出特性进行了研究，为其进一步试验和使用提供了基础性数据。

1　样品的制备与性能测试

1.1配方设计

配方设计从高能量的角度出发，以Mg粉为主要可燃物，KClO4为氧化剂，利用过量氧化剂（KClO4，粒度为67.1μm）、镁粉（200目）、硝化棉（NC）和硝化二乙二醇（DEGN）等原材料的有机组合，设计出新型点火药配方，见表1。

表1　新型点火药配方Tab.1　The formulation of the new kind of ignition powder

1.2样品制备

含能增塑剂硝化二乙二醇（DEGN）在吸收过程添加，制备成药片后采用吸收－胶化－压伸成型工艺进行样品制备，烘药后筛分。

1.3性能测试

（1）吸湿性按GJB 770B-2005 方法404.1得出。

（2）燃烧性能试验：点火药的燃烧性能主要包括爆发点、爆热、比容、燃烧残渣、燃烧时间等。爆发点按GJB 770B-2005方法606.1 5s延滞期法得出；爆热按GJB 770B-2005方法701.2恒温法得出； 比容按GJB 770B-2005方法703.1得出；燃烧残渣按企标Q/AY 426-2008 火药燃烧残渣的测定称量法得出；燃烧时间的测试是将0. 45g 样品压入内径为7mm 的钢管内，密度为1.8g·cm-3，点燃后通过光电记录仪测量其燃烧时间。

（3）真空安定性试验：依据GJB 770B-2005方法501.2，研究了点火药组分之间的相容性，真空安定性试验采用GJB 772A-97.501.2火药试验方法真空安定性试验压力传感器法进行测试。

（4）输出性能试验：点火药的输出性能是指燃烧过程中的压力变化，采用密闭爆发器表征点火药的燃烧时间和最大燃烧压力，密闭爆发器试验条件为本体容积100cm3，样品量为10.0g，采样间隔0.04 ms；点火压力10.98MPa。

2　试验结果及讨论

2.1吸湿性测试

点火药的制造、储存、运输和生产过程周期较长，受潮机会很多，过高的湿度会使药剂产生分解反应，严重影响其点火性能，甚至瞎火，同时，点传火药的吸湿也不利于其长期储存。按照GJB770B-2005 404.1中吸湿性测定方法，在恒温常压条件下，测量试样的7d的吸湿增量。以吸湿增量为纵坐标，以实验时间为横坐标， 对两种点火药做吸湿曲线图， 结果如图1所示。

图1　两种药剂的吸湿性曲线Fig.1　The hygroscopicity curves of black powder and the new kind of ignition powder

从图1 可以看出，黑火药在吸湿的初始阶段以较快的速度吸收水分，约经过 48h 后，速度逐渐减小，但仍在吸收水分，所以黑火药的含水量仍在增加。而新型点传火药约经过24h后，吸湿基本达到平衡点，制备的3种新型点火药实验样品吸湿性都小于黑火药。

黑火药吸湿性较大，是与它的组成成分和结构形状有关的。作为主要成分的木炭具有很大的表面吸附和毛细作用，另一种主要成分硝酸钾是易溶于水的物质，当外界的湿度大于其吸湿点时，将发生潮解，因而会大量吸湿［6］，因此黑火药一旦在处理和使用中不慎或长期储存而吸湿，不仅其燃速减慢，燃烧后还留有未完全氧化的炭、硫残渣；当水分含量较大时，不易被点燃而容易造成瞎火现象。新型点火药的吸湿性小于黑火药，这是由于硝化棉起到了包覆剂的作用，使部分KClO4晶体与Mg粉不能与外界水分接触。新型点传火药的吸湿性随KClO4晶体含量的减少而减小，说明高氯酸钾的吸湿性是新型点火药吸湿试验后质量增大的最主要原因。本文制备的新型点火药吸湿性较小，利于储存、运输，且不会因为吸湿性而对点火性能造成较大的影响。

2.2黑火药、新型点火药的理化性能

点火药的燃烧性能对其使用范围起着至关重要的作用，为此，测定了两种药剂的基本性质和燃烧性能，以新型点火药配方3为对比对象，结果如表2 所示。由表2明显看出，与黑火药相比，新型点火药爆热、比容较高，而发火点、燃烧残渣、燃烧速度降低。这是由于硝化棉本身作为一种含能材料，用作点火药的粘合剂时，除了将各个组分粘结起来外还提供了一定的能量，提高了点火药的输出能量，Mg粉与DEGN的加入，也提高了新型点火药的能量，因此新型点火药的爆热值大。硝化棉及DEGN是由低分子量的氮、氢、氧元素组成，燃烧产物中气体含量大，大分子量的熔融态物质含量少，配方中DEGN的分解温度与感度均低于KClO4， 因而它的比容比黑火药高，而燃烧残渣含量、发火点小于黑火药。同样由于硝化棉与DEGN含量较大，燃烧残渣较少，使新型点火药体系的传热性降低，固相预反应时间加长，从而使体系的燃烧速度降低。该新型点火配方药剂具有较大的爆热值，在产生高温残渣的同时有一定量的气体。

表2　新型点火药（DHY-3）和制式黑火药的理化性能对比Tab.2　Physical and chemical properties of the new kind ignition powder and the normal black powder

一种优良的点火剂其燃烧产物不仅应有足够的热量，而且应有大量的燃气，即点火剂应有较高的火药力，同时具有一定的固体粒子。而本文制备的新型点火药则具备这样的特征，该点火药经进一步研究改进，可作为低敏感发射药或推进剂的点火药剂。

2.3真空安定性测试

依据GJB 770B-2005方法501.2，研究了点火药组分之间的相容性，测试结果见表3。

表3　材料相容性试验结果Tab.3　Results of compatibility for the compose of the new kind of ignition powder

真空安定性试验采用GJB 772A-97.501.2火药试验方法真空安定性试验压力传感器法进行测试，试验条件：90℃，40h；样品量：2.5g∶2.5g，测试结果见表4。

从表3可知，Mg粉、KClO4、DEGN吸收药等原材料均相容。从表4可知，由于DEGN吸收药片放气量大于KClO4，因此配方药剂的放气量随着DEGN吸收药片加入量的减少，KClO4含量的增大而降低。从表4同时可以看出3种配方药剂的放气量都小于2 mL·g-1，表明3种配方药剂的安定性均合格。另外，还对配方药剂进行了差热分析实验，实验结果表明，该药剂的内、外相容性良好。

表4　真空安定性试验结果Tab.4　Vacuum stability of the new kind of ignition powder

2.4输出性能测试

输出性能也是点火药的一项关键指标，它决定着点火过程是否符合主装药的要求［8］。把10.0g 样品放入容积为100cm3的密闭爆发器中，用电点火头发火，通过p——t曲线测试仪记录燃烧过程的压力变化曲线。两种药剂的p——t曲线如图2所示。

图2　两种点火药的p——t曲线Fig.2　p——t curves of black powder and the new kind of ignition powder

当点火药在密闭爆发器中燃烧时，生成大量气体，同时反应放热使密闭爆发器内的温度迅速升高。当燃烧连续进行时，密闭爆发器中的气体量不断增大，而温度也不断升高，从而使容器内的压力随时间迅速上升。从两种点传火药的p——t曲线看， 黑火药初始阶段建立压力所需的时间长，整个点火过程平缓，点火压力较低，在密闭爆发器中燃烧0.010 9s后达到最大燃烧压力，最大燃烧压力Pmax为48.96 MPa；而新型点传火药在初始阶段压力上升迅速，燃烧速度快，点火压力急速升高，DHY-1在密闭爆发器中燃烧0.004 1s后即达到最大燃烧压力，燃烧的最大燃烧压力Pmax为132.92MPa；DHY-2在密闭爆发器中燃烧0.005 9s后即达到最大燃烧压力，燃烧的最大燃烧压力Pmax为104.34MPa；DHY-3在密闭爆发器中燃烧0.006s后即达到最大燃烧压力，燃烧的最大燃烧压力Pmax为89.35MPa；相对于DHY-2样品，DHY-3样品初始阶段压力上升较快，这是由于其配方中Mg含量较高的缘故。

黑火药燃烧后固体产物含量偏高，气体含量偏低，比容较小，做功能力弱，因此黑火药点火能力较弱；而新型点传火药燃烧后产生的低分子量气体较多，比容大，使火药的燃烧压力迅速增加，燃烧时间迅速缩短，因此新型点传火药点火能力较强。由图2可以推测出，新型点传火药的点火的瞬时性和点火强度均优于黑火药。

3　结 论

（1）新型点火药的吸湿性小于黑火药；

（2） 新型点火药在爆热、比容方面比黑火药高，而在发火点、燃烧速度方面比黑火药低；

（3）新型点火药安定性良好；

（4）从输出性能看，新型点火药的点火猛度高，持续时间短，点火的瞬时性和点火强度优于黑火药。

［1］ 潘功配.烟火技术基础与应用［M］.南京：江苏科技出版社，1989.

［2］ 成一，陈守文.点火药点火性能的研究［J］.火工品，2001（4）： 21-22.

［3］ 崔庆忠，李满. C/KNO3点火药研究［J］.火工品，2001（2）：31- 32.

［4］ 唐桂林，赵家玉等.黑火药的改进研究［J］.火工品，2002 （4）： 25-26.［5］ 崔庆忠，李满.水在黑火药中的作用［J］.火工品，2000（1）：35- 37.

［6］ 朱艳辉，高俊国，等.一种高能点火药吸湿性的研究［J］.军械工程学院学报，2007（1）：55-57.

［7］ 易乃绒，史春红.一种含HMX的新型高能点火药［J］. 火工品，2004（3）：9-12.

［8］ 崔庆忠，张夫明.一种新型点火药的性能研究［J］. 火工品，1999（2）：13-15.

Study on the Performance of A New Kind of Ignition Powder

HAN Bing，WEI Lun，ZHENG Shuang，LIU Shao-wu，ZHANG Yuan-bo，LIU Bo， LI Da
（Xi’an Modern Chemistry Research Institute，Xi’an，710065）

Aimed at the problem of black powder， a new kind of ignition powder was designed. A theoretical analysis on the performance of the new ignition powder was carried out， based on the comparative tests between the black powder and the new ignition powder in the hygroscopic， combustion performance and output characteristics. Results show that the explosion heat of the new ignition powder was higher， its hygroscopicity was reduced， and the amount of combustion solid residua was decreased than those of black powder，meanwhile， the composition of new ignition powder has good compatibility. The test indicated the output power of the new ignition powder is also considerably higher than that of black powder.

Ignition powder；Black powder；Performance parameters；Output characteristic

TQ562

A

1003-1480（2015）02-0022-04

2014-10-12

韩冰（1982-），男，在读硕士研究生，从事发射药装药研究。