RDX粒度对改性单基药燃烧性能及力学性能的影响

王 奥，王彬彬，徐 滨，廖 昕

(南京理工大学化工学院，江苏 南京210094)

引 言

以硝化棉为主要组分的单基发射药因力学性能好、燃烧稳定性高、烧蚀性低，被广泛应用于小口径枪炮武器系统中[1]。但这类发射药能量较低，用于武器中弹丸威力小，难以满足身管武器高射速、远射程、大威力的发展要求[2-3]。因此，提高单基发射药能量性能，且保持其优良力学性能和燃烧稳定性，是单基药改性研究的一个重要方向。RDX作为一种高能炸药，将其添加到发射药中，可以显著提高发射药的能量[4-5]。然而，引入RDX对发射药燃烧性能产生重要影响，尤其是含RDX发射药燃速-压力曲线转折和压力指数大于1的问题影响发射药的燃烧稳定性。

Pillai.A.G.S等[6]研究了RDX粒度对硝胺发射药燃速和压力指数的影响，发现随着RDX粒度的增大，燃速和平均压力指数随之增大；杨建兴[7]利用密闭爆发器试验研究了含RDX叠氮硝胺发射药的燃烧性能，结果表明，在40～120MPa范围内燃速压力指数随压力升高而增大，在120～260MPa范围内燃速压力指数随压力升高而降低。与此同时，RDX作为固体填料添加到发射药中，发射药的结构由均相转变成非均相，在受力过程中易发生固体颗粒与黏结剂界面间的“脱湿”现象，影响其力学性能[8-9]；张远波等[10]研究了NC基高能低敏感发射药的低温抗冲击强度，发现降低RDX与FOX-7的粒度，能够提高其力学性能；刘佳等[11]通过界面黏附能测算，发现RDX与黏结剂的界面能是控制非均质发射药力学性能的主要参数。因此研究RDX粒度对单基发射药燃烧及力学性能的影响十分必要。

本研究制备了含不同粒径(0.5、7.6和100μm)RDX的改性单基药，研究了RDX粒度对改性单基药燃烧及力学性能的影响，并分析了其破坏机理，以期为单基药改性提供一种新途径。

1 实 验

1.1 试剂与仪器

A级硝化棉(NC)(含氮质量分数12.6% )，工业纯，泸州北方化学工业有限公司； RDX，粒径分别为0.5、7.6和100μm，工业纯，甘肃银光化学工业集团有限公司；2,4-二硝基甲苯(DNT)、二苯胺(DPA)，均为AR，国药集团化学试剂有限公司；乙醇、丙酮，均为AR，南京化学试剂有限公司。

JH-500型捏合机、SE2型简支梁式摆锤冲击试验机，上海红星化工机械厂；ZJB-30型油压机，天津市第二锻压机床厂；Quanta 250扫描电镜，美国FEI公司；Instron3367型万能材料试验机，美国英斯特朗公司。

1.2 改性单基发射药的制备

1种单基药与3种改性单基发射药配方见表1。

采用溶剂法挤压成型工艺，分别制成长4cm和6cm的15/1单孔管状药。湿烘驱溶、干烘驱水至其内挥、水分均小于0.5%。

1.3 密闭爆发器试验

对长度为4cm的15/1改性单基药进行密闭爆发器试验，所用密闭爆发器体积为99.87cm3，装填密度为0.20g/cm3，点火压力为10.98MPa，测得p-t曲线，经处理后得到u-p曲线。

1.4 力学性能测试

采用简支梁式摆锤冲击试验机和万能材料试验机对改性单基药在低温(-40 ℃)、常温(20 ℃)和高温(50 ℃)下的抗冲击强度与抗压强度进行测试。用于测试的发射药样品均按GJB 770B-2005 标准规定制备，其中冲击试验样品为长6cm的管状药，压缩试验样品为长径比1∶1的管状药。

2 结果与讨论

2.1 改性单基药的燃烧性能

采用密闭爆发器试验测得1种单基药与3种不同RDX粒度改性单基药的u-p曲线，如图1所示。

图1 不同RDX粒度改性单基药20℃下的u-p曲线Fig.1 The u-p curves of modified single-base propellant with different particle size of RDX at 20℃

从图1可以看出，在相同压力下，样品1、样品2与样品3的燃速基本一致，u-p曲线平滑，无转折，燃烧稳定。而样品4的燃速远高于样品1，其u-p曲线在60MPa之前，燃烧规律与样品1、样品2与样品3相近，燃速随压力缓慢增大，而在60MPa之后燃速骤增，燃烧规律与其他3种发射药相差较大。

表2与表3为不同粒度RDX改性单基药的燃烧性能参数。可以看出，在整个压力段(50MPa～pdpm)，随着RDX粒度的增加，平均压力指数增大，且样品1、样品2与样品3的平均压力指数小于1，样品4的平均压力指数大于1。其中，样品4在30～60MPa与60～100MPa的两个压力范围内，压力指数由0.6967变为1.1211，压力指数突变，影响燃烧稳定性。

表2 不同粒度RDX改性单基药的燃烧性能参数Table 2 Combustion performance parameters of modified single-base gun propellant with different particle sizes of RDX

注：pm为燃烧最大压力；tm为燃烧结束时间；pdpm为最大压力陡度对应的压力值。

表3 不同粒度RDX改性单基药的压力指数与燃速系数Table 3 The burning rate coefficient and pressure index of modified single-base gun propellant with different particle sizes of RDX

为了分析以上现象产生的原因，分别对不含RDX的单基药及含3种不同粒度RDX改性单基药进行了燃烧中止试验，试验温度为20℃，破孔压力为100MPa，点火压力为10.98MPa。并用扫描电镜对中止燃烧试验后发射药的表面进行了观察，SEM图如图2所示。

图2 4种单基药样品中止燃烧表面的SEM图Fig.2 SEM images of interrupted combustion surface of four kinds of single-base gun propellant

从图2可以看出，样品1、样品2与样品3中止燃烧表面光滑，样品4的表面可见明显凹坑。结合图1、图2与表3可认为导致样品4的u-p曲线异于其他3种样品的原因可能是，在燃烧过程中，NC基体先于RDX分解放热，凝聚相退移速率快，凝聚相所受热量主要来自NC基体、RDX分解放热和火焰区热反馈。在分散均匀的情况下，当RDX含量相同时，粒度越小，RDX颗粒越多，与基体的接触面越大，在凝聚相中吸热熔融分解越充分。而大粒度的RDX在凝聚相中难以完全熔融分解，进而逐渐从NC基体中暴露出来，被抛出燃烧表面，在气相中完成燃烧，增加了总燃烧表面，提高了总燃速。同时大粒度RDX被抛出，脱离NC基体，从而导致单基药燃烧表面凹凸不平，存在洼坑。因此，含100μmRDX的改性单基药燃速明显高于其他样品，且在中止表面燃烧留下RDX脱离后的凹坑。

2.2 改性单基药的力学性能

采用万能材料试验机对改性单基药的抗压强度进行了测试，结果如表4所示。

由表4可知，含RDX质量分数为10%的改性单基药的抗压强度始终低于不含RDX的单基药。改性单基药的抗压强度随着RDX粒度的增大而降低，即样品 1>样品 2>样品 3>样品 4。

采用简支梁式抗冲击试验机测试了4种发射药的抗冲击强度，结果如表5所示。

表4 改性单基药的抗压强度测试结果Table 4 Experimental results of compressive strength of modified single-base gun propellants

表5 改性单基药的抗冲击强度测试结果Table 5 Experimental results of impact strength of modified single-base gun propellants

从表5可以看出，向单基药中添加质量分数为10%的RDX，会降低单基药的抗冲击强度。在不同温度下，随着RDX粒度的增加，改性单基药的抗冲击强度逐渐降低。在所考察的3种粒度RDX中，当RDX粒径为0.5μm时，在低温、常温和高温下的抗冲击强度均较其他两种粒径RDX发射药的大，分别为6.58、18.92和24.26kJ/m2。

当RDX填充的改性单基药受到冲击载荷作用时，NC黏结剂较易变形和吸收能量，而RDX变形能力差，这就决定了改性单基药的冲击断裂破坏方式与单基药不同。为了进一步研究RDX粒度大小对改性单基药力学性能的影响，用扫描电子显微镜观察了不含RDX的单基药与含不同粒度RDX的改性单基药样品在低温条件下的冲击断裂面，如图3所示。

图3 改性单基药的冲击断面SEM图Fig.3 SEM images of impact fractured surface for modified single-base gun propellants

由图3(a)可以看出， NC基体塑化均匀，整个体系为均相体系。比较图3(b)与图3(c)可以发现，样品2中粒径0.5μm RDX颗粒在NC基体中分布均匀，经过冲击作用后，颗粒与NC基体间无明显空隙，结合较好。而样品3中的RDX粒径变大，在部分颗粒与基体间有明显空隙，并有少量RDX颗粒从基体中脱落，留下“空穴”，粒径7.6μm RDX颗粒与基体结合不牢。从图3(d)可以看出，样品4中RDX粒径大，颗粒数量少，受到冲击时，部分RDX颗粒直接破碎。

未添加RDX时，单基药为均质体系，单基药的强度主要由NC基体的强度决定。添加RDX后，破坏了原有的均相体系，因此RDX改性单基药的抗冲击强度低于单基药。随着RDX粒度的减小，颗粒比表面积增大，与NC的接触更加良好，结合更加紧密，受到外力冲击后，RDX不易从基体脱离。因此，样品2的抗冲击强度高于样品3。

由上述可知，当RDX粒度较小时，改性单基药受到冲击后，其主要承力结构是RDX颗粒与NC黏结剂的界面，改性单基药的细观断裂模式为RDX颗粒与黏结剂的界面脱粘。此时，改性单基药的抗冲击强度主要受RDX颗粒与NC基体的黏结强度影响。

随着RDX粒度的增大，在工业制备过程中，容易包裹气泡、溶剂或者其他杂质而形成内部孔穴、位错、杂质以及表面凹陷等缺陷；同时，由于晶粒随机生长，导致RDX颗粒的形状不规则。粗RDX受到挤压、冲击等作用力时，在内部有缺陷处形成应力集中并首先出现裂纹，然后崩裂破碎[12-13]。因此RDX粒度越大，强度越低。发射药样品受到冲击时，粗RDX颗粒首先破碎，从而影响到整个体系的抗冲击强度。

由图3可以看出，RDX改性单基药的冲击断裂模式分为两种：(1)当RDX粒度较小时，RDX颗粒强度高，单基药冲击断裂主要是因RDX与基体脱粘引起的，抗冲击强度主要受RDX颗粒与NC基体间的界面强度影响；(2)当RDX粒度增大到一定程度后，RDX颗粒强度降低至一定值，此时单基药受冲击后断裂主要由RDX颗粒率先破碎引起，RDX颗粒的自身强度对改性单基药的抗冲击强度影响很大。

因此，RDX粒度大小显著影响改性单基药样品的断裂过程，RDX粒度越小，改性单基药的抗冲击强度越大。

3 结 论

(1)在RDX质量分数为10%时，在整个测试压力区间内，RDX粒度越大，改性单基药的燃速越快。小粒径RDX(0.5μm与7.6μm)改性单基药燃烧稳定；当RDX粒径增至100μm时，制得的改性单基药在60MPa附近u-p曲线出现转折，燃速压力指数突变，燃烧不稳定。

(2)随着RDX粒度的减小，RDX改性单基药的抗冲击强度增强。

(3)RDX粒度显著影响改性单基药样品的断裂模式。当RDX粒度较小时，改性单基药的抗冲击强度主要受RDX颗粒与NC基体的界面黏结强度影响。当RDX粒度增大后，其抗冲击强度主要受RDX颗粒自身强度及其与NC基体界面黏结强度的共同影响。

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