轻武器用钝感发射药功能失效阈值预估方法

赵其林,周宏伟,陈春林,贺 云,张文博,郭礼波,陈 刚,杨 琴

(泸州北方化学工业有限公司，四川 泸州 646003)

引 言

钝感发射药具有良好的燃烧渐增性，广泛用于轻武器和中小口径火炮发射装药[1-3]。发射药钝感技术始于1943年Hirschfelder JO的理论计算[4]，该技术是指在发射药表面渗入或涂覆一层缓燃物质，以降低燃烧初期的燃气生成速率，随着发射药的燃烧，发射药燃面所含钝感剂逐渐减少，燃气生成速率逐渐加快，从而使得发射药的燃烧速度具有渐增性。钝感发射药由表向里钝感剂浓度呈递减分布，在发射药贮存过程中，由于分子热运动，发射药内部钝感剂分布会逐渐趋于一致，而发射药表面钝感剂浓度降低，使得燃烧初期燃气生成速率提高，导致发射装药膛压急剧上升，致使武器射击过程出现卡壳、底火击穿/脱落等现象，甚至危及武器使用安全[5-6]。钝感发射药经贮存后，因钝感剂迁移导致弹道性能变化，当膛压增量大于10%时，定义为钝感发射药功能失效。

2010年，比利时-法国-德国[7]联合进行了一项关于5.56mm×45mm弹药用钝感双基发射药化学安定性和弹道稳定性研究，目的在于测定钝感剂迁移与温度之间的关系，了解发射药表面钝感剂浓度的降低对膛压升高的影响，试验结果表明钝感剂迁移速度呈指数增长，贮存温度越高、时间越长，膛压变化越大，这种变化在所有的试验温度下(80、70、65和60℃)均可观察到。

国内应三九等[8]用电感耦合等离子发射光谱法研究了发射药中无机钝感剂的迁移量随老化温度和时间的变化规律。武海顺等[9]采用电感耦合等离子发射光谱法，测定了三基包覆药中阻燃剂组分二氧化钛向火药基体的迁移，得到了TiO2的浓度分布函数，并就TiO2迁移对包覆火药贮存寿命的影响作了讨论。丁银凤等[10]进行了DBP和NA在发射药中扩散性能的分子动力学模拟，得出不同温度下DBP和NA在硝化棉基体中的扩散系数，并对比了两种钝感剂扩散系数的大小。潘清[11-12]采用显微红外光谱法测定EI发射药中钝感剂的迁移性能。以上研究均得出发射药中组分的扩散性符合Fick第二定律。这些研究为钝感发射药功能失效评价提供了技术支撑。

目前，钝感发射药安全贮存寿命可采用“GJB770B 热加速老化试验法”进行预估，但在发射药贮存过程中，由于钝感剂迁移导致发射药装药功能失效的贮存时间评估仍然还是难题，迫切需要建立相应的评估方法。

1 方法原理

钝感发射药属于典型的扩散剂-聚合物的扩散体系[13]。扩散剂主要是增塑剂、钝感剂等；聚合物主要是黏结剂。发射药钝感过程中，钝感剂由发射药的表层向内部的渗透扩散是一个复杂的物理化学过程。钝感发射药由表向里钝感剂呈浓度递减分布。贮存过程中，钝感剂向发射药基体内扩散，同时，发射药基体中的增塑剂向钝感层扩散，扩散物质在扩散层内各点的浓度随时间而变化,导致钝感层深度和钝感层各组分浓度梯度发生变化，直接影响发射药的内弹道性能。

钝感发射药贮存过程组分的扩散属不稳定扩散，各组分的扩散受温度和时间的影响，温度越高速度越快，时间越长程度越大。贮存过程中，随着各组分的扩散，发射药钝感层的结构不断变化，发射药内弹道性能也随之而变，且与之相对应，即钝感层结构相同，发射药内弹道性能相同。而且，无论在何贮存温度下，只要发射药钝感层变化达到相同结构，表明扩散过程中，积存在扩散层某微小体积元中的组分量相同，其弹道性能必定相同。基于这一原理，建立钝感发射药在不同贮存温度下，功能失效的时间阈值测试预估方法。

根据Fick第二定律，在不稳定扩散体系中，扩散物质在微体积中积聚速率可表示为：

(1)

式中：c为扩散物质单位体积浓度；D为扩散系数。

设发射药在T1温度下，贮存t1时间，其钝感层某一质点(微体积)扩散物质的积聚量为G1；在T2温度下，贮存t2时间，其钝感层某一质点扩散物质的积聚量为G2,根据式(1)则：

(2)

(3)

在不同条件下贮存，当钝感层结构达到相同时有：G1=G2；c1=c2。

由式(2)/式(3)得：

(4)

根据热力学原理，扩散系数与扩散活化能的关系为：

(5)

式中：D0为指前因子;Q为扩散活化能。

设发射药在T1温度下，其扩散物质的扩散系数为D1；在T2温度下，其扩散物质的积聚量为D2,则：

(6)

(7)

将式(6)、(7)代入式(4)，得：

(8)

以发射药膛压增量10%为发射药贮存弹道性能失效的判定标准，选择3个温度点(85、75、65℃)，通过加速贮存试验，测出各温度下发射药功能失效时间，计算出扩散活化能，再带入式(8)，则可计算出不同温度下发射药弹道性能失效的贮存时间，从而对钝感发射药功能失效阈值进行预估。

2 试 验

2.1 样品配方

A型弹用混合酯钝感发射药，其配方(质量分数)为：增塑剂，12%；黏结剂，80%；钝感剂，5.5%；其他组分，余量。

B型弹用双基钝感发射药，其配方(质量分数)为：增塑剂，12%；黏结剂，80%；钝感剂，6.0%；其他组分，余量。

C型弹用混合酯钝感发射药，其配方(质量分数)为：增塑剂，10%；黏结剂，82%；钝感剂，5.0%；其他组分，余量。

2.2 试验装置

高温烘箱3台；A、B、C型弹测压弹道枪及相应的弹道器材；测压铜柱。

2.3 试验过程

将试验样品采用弹药包装用塑(PET)铝(Al)塑(PE)复合膜袋封装，发射药每袋约150g。完成包装后每袋发射药均标记好发射药品号、批号、贮存温度、贮存时间等信息。

将封装的发射药分别放入65、75、85℃烘箱内加速老化，并定期取样测试发射药最大膛压平均值。

用75℃和85℃的加速老化结果对65℃贮存的功能失效阈值进行预估，并用65℃贮存条件下功能失效的实测时间进行验证。

3 结果与分析

3.1 A、B、C型弹用混合酯钝感发射药功能失效阈值预估

以A型弹用混合酯钝感发射药为例，其加速老化内弹道试验结果见表1。

表1 A型弹用混合酯钝感发射药加速老化内弹道试验结果

以10%膛压增量作为内弹道膛压功能失效判定标准，用插值法由表1可求A型弹用混合酯钝感发射药75℃时失效时间约为21.2d，85℃时失效时间约为5.9d，带入式(8)可得：

解得：Q=1.35×105kJ/kg

以75℃内弹道膛压功能失效时间为基准，将Q值代入式(8)，计算65℃内弹道膛压功能失效时间：

即A型弹用混合酯钝感发射药在65℃下贮存，其膛压功能失效时间为82.2d。

B型和C型钝感发射药加速老化内弹道试验结果见表2。

表2 B型和C型弹用双基钝感发射药加速老化内弹道试验结果

计算得到B型和C型钝感发射药在65℃下贮存，其膛压功能失效时间分别为50.5d和162.2d。

3.2 试验结果与计算结果对比

在65℃贮存温度下，对A、B、C型发射药进行高温长贮，实测65℃下的内弹道膛压功能失效时间，由插值法求得其功能失效时间试验数据见表3。

表3 A、B、C型弹用发射药65℃贮存样品内弹道试验结果

用插值法由表3求得A型、B型、C型弹用钝感发射药在65℃贮存温度下，膛压功能失效时间分别为91.6、52.0 、176.1d，与计算值分别相差9.4、1.5、13.9d，偏差分别为10.3%、2.9%、7.9%。

4 发射药膛压功能失效阈值预估

4.1 预估方法

为减小测试误差，将发射药样品分别在65、75、85℃下进行加速老化试验，测量其内弹道功能失效的扩散活化能，并计算出平均值，作为预估内弹道功能失效的扩散活化能，再以65℃内弹道功能失效阈值为基准，计算不同温度下发射药功能失效阈值。

平均活化能：

(9)

不同温度下功能失效阈值：

(10)

4.2 贮存阈值预估

将B型弹用双基钝感发射药65、75、85℃功能失效阈值(实测值)带入式(8),则有：

解得：Q1=1.39×105kJ/kg；Q2=1.36×105kJ/kg；Q3=1.37×105kJ/kg。

具体计算结果见图1。

图1 B型弹用双基钝感发射药功能失效阈值与贮存温度关系曲线

由计算可知，要满足常规弹药17年的贮存寿命要求，B型弹用双基钝感发射药的贮存温度应控制在34.8℃以下。

用同样的方法，计算可得要满足常规弹药17年的贮存寿命要求，A型弹用混合酯钝感发射药的贮存温度应控制在38.2℃以下；C型弹用双基钝感发射药的贮存温度应控制在41.7℃以下。

5 结 论

(1)采用Fick第二定律和扩散系数与扩散活化能的关系，建立了轻武器用钝感发射药功能失效阈值预估方法，通过3种配方发射药高温长贮试验证实了该方法在65℃至85℃温度段的可靠性，在更低温度下该预估方法的适应性还有待于进一步研究。

(2)3种配方发射药在实际长贮中均出现随着长贮时间的延长弹道性能恶化的现象，这种变化随着温度的提高而加剧，膛压变化率呈指数规律上升, 符合Fick 第二定律的扩散模型。