高氮量改性单基发射药的制备和性能研究

于慧芳，李梓超，刘 波，魏 伦，郑 双，韩 冰

(西安近代化学研究所，陕西 西安 710065)

引 言

单基发射药能量较低、弹丸初速低，难以满足新一代武器装备发展的需求。国内外一直致力于通过改性技术来提高单基发射药能量，并改善其燃烧性能。瑞士研制的EI发射药具有燃烧渐增性好、弹丸初速高和装药温度系数低的特点，其相关产品已在小口径火炮、迫击炮等武器装备中应用，带来了显著的军事效益[1-3]。国内王琼林等[4-7]采用“浸渍-钝感”工艺，使用粗制的半成品粒状单基发射药，在专用设备中通过吸收含能增塑剂、阻燃材料等完成增能、钝感过程，制成了具有较高燃烧渐增性、较低温度系数的改性单基发射药。目前，为满足中小口径身管武器弹药特别是穿甲弹等装药高初速的需求，实现提高改性单基发射药能量、改善燃烧性能的目的，提高基础单基发射药的含氮量是一种有效的途径。

单基发射药含氮量由其原材料混合硝化棉的含氮量决定，混合硝化棉含氮量越高，发射药单位体积产生的能量越大，其在醇醚溶剂、增塑剂中的溶解度也越低。本研究以高氮量的单基发射药为对象，通过“浸渍-钝感”工艺处理制备出高氮量改性单基发射药，分析其结构和燃烧性能，并通过内弹道试验进行了验证。

1 实 验

1.1 材料及仪器

本实验采用基础药为7孔粒状单基发射药，含氮量(质量分数)分别为13.0%(低氮量)、13.15%(高氮量)，增能材料为钝化处理的NG溶液；钝感剂NA由西安近代化学研究所自主合成。

JSM5800多用途扫描电子显微镜，日本电子公司；双锥回转式钝感机，西安近代化学研究所。

1.2 改性单基发射药样品的制备

将水、单基发射药在一定温度下投入钝感机中，搅拌状态下，先加入NG溶液，再加入钝感剂NA乳液，通过温度和时间的控制完成增能、钝感过程处理。将制备出的样品进行烘干、选药、打光，即制成改性单基发射药。其中，含氮量13.0%和13.15%的改性单基发射药样品分别标记为LSP-1、 HSP-1；在HSP-1基础上进行工艺温度调整的样品分别标记为HSP-2、HSP-3；HSP-3与 HSP-2相比，增加了一定比例的NG及钝感剂。

1.3 性能测试

密闭爆发器试验中，密闭爆发器药室体积100cm3，装填密度0.2g/cm3，点火药为2#NC，点火压力为10.00MPa，试验温度为20℃。

内弹道试验采用14.5mm测压弹道枪，穿甲燃烧弹头和标准弹壳。膛压测试采用标准铜柱测压，初速(v5)采用恒磁靶测试。高、低温保温采用汉巴高低温箱。

2 结果与讨论

2.1 改性单基发射药的表面结构

图1(a)和(b)分别为含氮量13.15%单基发射药改性前后的扫描电镜照片。由图1(a)可以看出，未处理的单基发射药表面硝化棉纤维沿压伸成型的方向呈现条状连续分布。由图1(b)可以看出，经过浸渍钝感后，NG、钝感剂浸透到单基发射药基体中，硝化棉纤维有部分溶解重塑，形成了由NC、NG和钝感剂构成的薄层，表面平整、光滑。

图2为两种含氮量单基发射药改性后药粒端面的照片。

从图2可以看出，LSP-1样品端面的7个内孔已经完全封堵住，孔周围有较不明显的增塑层； HSP-1样品端面的内孔孔径变小，但未完全封堵住。单基发射药在浸渍钝感过程中，由于NG对NC的溶解塑化和水相中的旋转作用，溶塑部分渐渐流动盖在内孔处，形成自堵孔效果。在所采用的相同浸渍钝感条件下，LSP-1含氮量低，NG的溶解作用更强，端面孔完全被堵住；HSP-1含氮量高，较难被NG溶解塑化，因此堵孔程度较轻。这两种发射药堵孔情况的差异影响其燃烧性能，在常温、低温和高温下起始燃烧破孔的程度不同，带来发射装药起始燃面的变化，使高氮量改性单基发射药装药温度系数与低氮量改性单基发射药相比有增大的趋势。

2.2 改性单基发射药的火药力

表1为4种改性单基发射药样品的火药力测试结果。

表1 火药力测试结果Table 1 The testing result of impetus

注：f为火药力；ɑ为余容。

从表1中可以看出，含氮量为13.15%的改性单基发射药的火药力高于含氮量为13.0%的改性单基发射药。可见，混合硝化棉含氮量增加，即单基药的含氮量增加使其火药力提高，在添加了同样量的NG和钝感剂NA时，改性单基发射药配方能量得到提高，对于提高装药能量具有积极影响。

2.3 改性单基发射药的燃烧性能

2.3.1 不同含氮量对发射药燃烧性能的影响

图3(a)和图3(b)分别为不同含氮量改性单基发射药密闭爆发器测试的p—t、L—B曲线。

从图3(a)可以看出，与LSP-1相比， HSP-1燃气最大压力升高，燃烧时间显著减小，燃烧起始阶段压力曲线变化较快，压力上升速率高。从图3(b)可以看出，LSP-1、HSP-1在燃烧初期的燃烧活度低，随着燃烧的进行，燃烧活度先增加后减小，都具有明显的燃烧渐增性。但LSP-1燃烧分裂点[8]在B值为0.6附近，HSP-1燃烧分裂点在B值为0.8附近，说明HSP-1燃烧结束点一致性较好。这是由于两种改性单基发射药的表面堵孔情况不同，LSP-1内孔完全堵孔，但各个内孔被封堵的厚度不同，在点火燃烧时破孔时间不统一，使药粒的燃烧结束点有差异； HSP-1内孔没有封堵，点火燃烧时不存在破孔现象，因此燃烧结束同时性好。

2.3.2 不同组分含量对发射药燃烧性能的影响

图4(a)和图4(b)分别为不同组分含量的改性单基发射药密闭爆发器测试的p—t、L—B曲线。

从图4(a)可以看出，两个样品燃烧起始阶段压力曲线平缓，与HSP-2相比，HSP-3燃烧时间增大，燃烧起始阶段压力上升慢，说明增加NG和钝感剂的含量使起始燃烧速率减小，增加了起始缓燃的效果。从图4(b)可以看出，HSP-2、HSP-3在起始阶段燃烧活度都有降低，呈现前低后高的趋势，具有明显的燃烧渐增性。HSP-2燃烧分裂点在B值为0.62附近，HSP-3燃烧分裂点在B值为0.68附近，HSP-3燃烧结束点一致性较好。在燃烧分裂点之后，HSP-3活度值较高，其燃烧渐增性优于HSP-2。

2.4 内弹道性能

表2为4种改性单基发射药样品常温(20℃)时内弹道试验结果。

表2 改性单基发射药内弹道试验结果Table 2 The testing results of interior ballistic for modified single-base gun propellants

从表2中可以看出，在相同工艺条件下，与LSP-1相比，HSP-1装药量少5g，膛压相当，初速略低；经过适当调整工艺参数，并增加一定比例的NG和钝感剂后，HSP-2、HSP-3装药量明显增加，对比LSP-1初速分别提高了6.1和16.9m/s，提高幅度为0.6%和1.7%。结果表明，高氮量改性单基发射药在能量上的提升效果可以显著体现在内弹道性能上，在装药量略低的情况下，达到同等或更高的弹丸初速，可适用于装药空间小、弹丸初速要求高的穿甲弹等弹药[9]。

表3和图5分别为LSP-1、HSP-3在高、常和低温下的内弹道试验结果和温度系数结果。

表3 LSP-1和HSP-3发射药的温度系数试验结果Table 3 The testing results of temperature coefficient for gun propellants LSP-1和 HSP-3

由表3和图5可知，LSP-1样品的低温初速为958.7m/s，比常温初速降低3.7%；高温膛压为270.2MPa，初速为974.8m/s，比常温膛压、初速分别降低了3.2%和2.1%，呈现常温膛压、初速最高的尖峰型温度系数特征。HSP-3样品的低温初速为981.1m/s，比常温初速降低3.1%，高温膛压为290.4MPa，初速1023.6m/s，比常温膛压、初速分别升高4.3%、1.1%，即膛压、初速随温度升高而升高，温度系数较制式单基发射药产品小[10]。

分析认为，这是由于两种含氮量改性单基发射药表面堵孔情况的差异造成的。LSP-1样品已经达到了硝化甘油和钝感剂用量的上限，药粒端面堵孔程度深、厚度大，起始燃烧阶段燃面小，表面增塑层在高温时呈现显著的黏弹性，低温时增塑层呈现一定的脆性但燃速较低，因此点火瞬时破孔率均比常温时小，出现了常温膛压初速高，高、低温膛压初速低的情况。高氮量改性单基发射药堵孔程度较浅或不堵孔，起始阶段燃面大或在点火时容易破孔，这一特点使其工艺适应性更好，可以增加NG含量使温度系数减小，又不会出现负温度系数的现象，避免了在装药中出现低温膛压超高的现象。

3 结 论

(1)采用浸渍-钝感工艺制备的含氮量13.15%的改性单基发射药，其表面形成了由NC、NG和钝感剂构成的平滑薄层，火药力比含氮量13.0%的改性单基发射药提高10～20J/g,且由于NG对高氮量NC的溶塑能力差，药粒端面的堵孔程度也比低氮量改性单基发射药浅，或不完全堵孔。

(2)高氮量改性单基发射药起始阶段燃烧活度降低，呈现前低后高的趋势，具有明显的燃烧渐增性，增加一定比例NG和钝感剂含量的HSP-3在燃烧分裂点之后，活度值较高，燃烧渐增性最好。

(3)内弹道试验表明，与低氮量改性单基发射药相比，高氮量改性单基发射药HSP-3在装药量较低的条件下，弹丸初速比低氮量改性单基发射药提高16.9m/s；高低温试验中，膛压、初速随温度升高而升高，不出现负温度系数，对于装药空间较为紧张的穿甲弹等武器系统具有明显的能量优势，也避免了低温反常现象的发生。