堵孔钝感高能叠氮硝胺发射药的性能

赵 强，刘 波，刘少武，马方生，王琼林，李梓超

（西安近代化学研究所，陕西 西安 710065）

高能叠氮硝胺发射药是一种新型高能低烧蚀发射药，其火药力高（1227 J·g-1），爆温比同能量的发射药低200～300 K，低温力学性能好（低温抗冲击强度可达9.0 kJ·m-2以上），烟雾残渣少，工艺适应性强，适用于高膛压火炮发射装药［1-2］。为了进一步提升火炮弹道性能，亟需解决高能叠氮硝胺发射药燃烧渐增性欠佳及低温感效果较差的问题。关于提高发射药燃烧渐增性及改善发射药低温感效果，国内外已有一些成功的技术方案，如单基发射药的浸渍钝感包覆技术［3-8］，表面包覆双基（SCDB，surface coated double base）发射药技术［9-12］，国内大粒双基、三基发射药的同材质包覆材料两次包覆技术（“药包药”技术）［13-18］等。而浸渍钝感包覆技术由于浸渍硝化甘油，容易因表面增塑剂含量过高而导致长储过程中功能材料发生迁移，目前主要适用于单基药；SCDB技术主要适用于孔径小于0.3 mm的发射药［12］；“药包药”技术目前只能采用混合装药的方式降低温度系数［13，19］。

因此，若要提高高能叠氮硝胺发射药的燃烧渐增性，改善其低温感效果，同时保持其高能量特性，亟需创新发射药堵孔材料和堵孔工艺。为此，本研究利用高分子复合材料在粒状高能叠氮硝胺发射药孔道中形成“塞子”以封闭其内孔，而后采用含能复合材料对其进行钝感处理，制备了堵孔钝感高能叠氮硝胺发射药，采用爆热和密闭爆发器试验对制备的堵孔钝感发射药的能量和燃烧性能进行了测试，为高能叠氮硝胺发射药的应用研究打下技术基础。

2 实验部分

2.1 试剂与仪器

粒状高能叠氮硝胺发射药，主要组分为硝化棉（NC），硝化甘油（NG），黑索今（RDX），1，5-二叠氮基-3-硝基-3-氮杂戊烷（DIANP）等，西安近代化学研究所；含石墨的高分子复合材料及含硝化棉的含能复合材料均由西安近代化学研究所自制；丙酮和乙醇均为分析纯，西安化学试剂厂。

光泽机，西安近代化学研究所自研，主要由转鼓、控制系统组成，其主要作用是将高分子复合材料及高能叠氮硝胺发射药进行不断旋转使高分子复合材料分散均匀且部分进入发射药内孔中形成“塞子”以堵住发射药内孔。

钝感机，西安近代化学研究所自研，主要由转鼓、进料装置、雾化装置、热风装置、控制系统组成，其主要作用是将含能复合材料经雾化喷头喷出后均匀分散于发射药表面。

2.2 实验过程

称量含石墨的高分子复合材料，加入定量含乙醇的溶剂，常温下搅拌形成高分子复合材料液态混合物，备用；常温下开动光泽机，加入定量粒状高能叠氮硝胺发射药及上述高分子复合材料液态混合物，一定时间后光泽机停机，取出发射药，干燥，所制备样品由端面向孔内延伸一定的距离被高分子复合材料形成的“塞子”所封堵，得到塞子堵孔发射药；称量含硝化棉的含能复合材料，加入定量乙醇与丙酮混合溶剂，常温下搅拌形成含能复合材料液态混合物，备用；常温下开动钝感机，定量加入上述制备的塞子堵孔发射药及含能复合材料液态混合物，通热风，一定时间后钝感机停机，取出发射药，干燥，所制备样品经含能复合材料钝感，得到3种堵孔钝感发射药（表1）。

表1 3种堵孔钝感发射药的堵孔及钝感材料用量Table 1 The amount of plugged and insensitive materials contained in three types of gun propellants %

2.3 性能测试

2.3.1 理化性能测试

爆热测试依据GJB770B-2005方法701.2（恒温法）进行。

2.3.2 静态燃烧性能和数据处理

（1）密闭爆发器试验

药室容积 200 mL，装填密度 0.2 g·cm-3，点火药2#硝化棉（NC），点火压力 10 MPa，实验温度分别为-40℃（低温）、20℃（常温）、50℃（高温）。

（2）燃烧渐增性因子Pr的计算［20］

Pr是用来表征发射药燃烧渐增性的，其值越大说明燃烧渐增性越强。

依据（1）式计算燃烧渐增性因子Pr：

式中，Pr为发射药燃烧渐增性因子；Bs为燃烧分裂点对应的B值；Ls为燃烧分裂点对应的动态活度值，MPa-1·s-1；L0.1为相对压力 0.1 对应的动态活度值，MPa-1·s-1；L0.3为相对压力0.3对应的动态活度值，MPa-1·s-1。

（3）相对活度温度系数的计算［18］

密闭爆发器试验可以模拟研究火炮的发射装药的弹道性能，因此尝试引入相对活度温度系数来表征发射药低温感效应。将发射药在密闭爆发器中的燃烧分为燃烧初期、中前期和中后期三个阶段，并定义三个阶段分别对应于相对压力B=0.1，0.3，0.6三个点，计算这三个点的相对活度温度系数。

式中，αB表示高温相对活度温度系数；βB表示低温相对活度温度系数；LB高表示高温下的动态活度值，MPa-1·s-1；LB低表示低温下的动态活度值，MPa-1·s-1；LB常表示常温下的动态活度值，MPa-1·s-1；B表示相对压力。

3 结果与讨论

3.1 爆热测试结果

空白药与3种堵孔钝感发射药的爆热测试结果见表2。

表2 3种堵孔钝感发射药的爆热测试结果Table 2 Testing results for heat of explosion of three types of plugged and insensitive gun propellants

从表2可知：随着堵孔材料及钝感材料含量的增加，3种堵孔钝感发射药WCBF-1/18、WCBF-2/18、WCBF-3/18的爆热值呈下降趋势，与空白药相比，分别下降2.6%、3.6%和4.3%。分析其原因为钝感材料能量相较于空白药有所下降且WCBF-2/18钝感材料含量高于WCBF-1/18；堵孔材料中高分子材料及石墨均为非含能组分且WCBF-3/18堵孔材料含量高于WCBF-2/18。

3.2 密闭爆发器测试结果

3.2.1 塞子堵孔及钝感处理对发射药燃烧性能的影响

制备的堵孔钝感发射药沿轴向切开，在显微镜下观察，发现堵孔钝感发射药的结构特征如图1所示。从外到内依次是：（1）含能复合材料钝感层；（2）高分子复合材料堵孔层；（3）塞子。

图1 堵孔钝感发射药的切面结构示意图Fig.1 Section structure diagram of plugged and insensitive gun propellants

空白药与3种堵孔钝感发射药的p-t、L-B曲线分别见图2a和图2b。

从图2a可知，与空白药相比，3种堵孔钝感发射药的燃烧起始阶段p-t曲线均比较平缓，但随着堵孔材料及钝感材料含量的增加（WCBF-1/18、WCBF-2/18、WCBF-3/18），平缓的趋势加大，燃烧时间分别延长7.7、9.9、12.8 ms；3种堵孔钝感发射药的最大压力（pm）分别为 284.5、280.6、280.1 MPa，比空白药分别下降2.5%、3.8%、4.0%。这是由于一方面堵孔钝感发射药初始燃烧表面层为含能复合材料钝感层，其燃速低于基体药燃速；另一方面由于含有石墨的高分子复合材料部分进入内孔中形成“塞子”以及钝感层的作用，堵孔钝感发射药的初始燃面相比空白药小很多。因此，堵孔钝感发射药燃烧初期气体生成速率较低，造成整体燃烧时间延长，p-t曲线后移。

图2 空白药与3种堵孔钝感发射药的p-t和L-B曲线Fig.2 The p-t and L-B curves of untreated gun propellant and three types of plugged and insensitive gun propellants

表3 空白药与3种堵孔钝感发射药的Pr值Table 3 Prvalues of untreated gun propellant and three types of plugged and insensitive gun propellants

根据图2b计算得到空白药以及3种堵孔钝感发射药的燃烧渐增性因子Pr值，结果见表3。可以看到，3种堵孔钝感发射药的燃烧渐增性相比空白药有所增强，这是因为经塞子堵孔及钝感处理后，发射药燃烧前中期的动态活度下降，导致L0.1+L0.3的值减小；同时发射药燃烧分裂点提前，且燃烧分裂点处的动态活度下降，导致Bs×Ls的值减小，总体上使燃烧渐增性因子Pr值变大，燃烧渐增性增强。WCBF-1/18，WCBF-2/18，WCBF-3/18的燃烧渐增性因子Pr值分别为0.552，0.563，0.576，即在一定范围内，随着堵孔材料及钝感材料含量的增加，燃烧渐增性呈现增强的趋势。

3.2.2 塞子堵孔及钝感处理对发射药低温感效果的影响

空白药与3种堵孔钝感发射药高、常、低温的L-B曲线分别见图3和图4。

从图3可知，在B＞0.30范围内，空白药的动态活度顺序为高温＞常温＞低温，表现出正常的燃烧-温度行为。从图4可知，在B＜0.20范围内，WCBF-1/18，WCBF-2/18，WCBF-3/18高、常、低温动态活度基本保持一致；在0.20＜B＜0.60区间内，常温和高温动态活度基本保持一致，且大于低温动态活度，展现出一定程度的低温感效果。

图3 空白药不同温度下的L-B曲线Fig.3 L-B curves of untreated gun propellant at different temperatures

图4 3种堵孔钝感发射药在不同温度下的L-B曲线Fig.4 L-B curves of three types of plugged and insensitive gun propellants at different temperatures

表4 空白药与3种堵孔钝感发射药的相对燃烧活度温度系数Table 4 Temperature coefficient of relative combustion activity of untreated gun propellant and three types of plugged and insensitive gun propellants %

根据空白药与3种堵孔钝感发射药的L-B曲线计算B=0.1，0.3，0.6时的相对活度温度系数，结果见表4。从表4可知，3种堵孔钝感发射药的高温相对活度温度系数的绝对值均值αˉ相较于空白药均有所下降；WCBF-1/18和WCBF-3/18的低温相对活度温度系数的绝对值均值相较于空白药有所上升，而WCBF-2/18的低温相对活度温度系数的绝对值均值βˉ相较于空白药有所下降，可推断WCBF-2/18的低温感效果最好。

3种堵孔钝感发射药的低温相对活度温度系数的绝对值均值βˉ均大于高温相对活度温度系数的绝对值均值αˉ，即堵孔钝感发射药低常温区间内的低温感效果较差，或可采用与空白药混装的方法以改善低温感效果［21］，后续将进一步优化工艺条件并进行内弹道性能考核验证。

4 结论

（1）随着堵孔材料及钝感材料含量的增加，堵孔钝感高能叠氮硝胺发射药的爆热值呈下降趋势，WCBF-1/18、WCBF-2/18、WCBF-3/18的爆热值相较于空白药分别下降2.6%、3.6%和4.3%，能量下降较小。

（2）在一定范围内，堵孔材料及钝感材料含量越大，堵孔钝感高能叠氮硝胺发射药的燃烧渐增性越强。本实验条件下，堵孔材料含量1.6%，钝感材料含量6%的样品WCBF-3/18的燃烧渐增性效果最好。

（3）高、常、低温密闭爆发器试验结果表明，3种堵孔钝感发射药 WCBF-1/18、WCBF-2/18、WCBF-3/18的高温相对活度温度系数的绝对值均值分别为2.87%、1.89%和1.56%，相较于空白药均有所下降，表明堵孔钝感发射药高常温区间内低温感效果好。