梯形内嵌多方孔模块发射药的打印制备及定容燃烧性能

［摘 要］ 为了设计和制备弧厚小、燃烧时间短、渐增性好的新型发射药，以12.7 mm枪弹装药为对象，设计了梯形内嵌多方孔结构，采用直写成型工艺制备了外层弧厚不同、内嵌多方孔结构的梯形模块发射药。发射药长41 mm，内嵌方孔单边长为0.4 mm，内孔个数为3 105。通过密闭爆发器试验，研究了模块发射药和制式药/模块发射药混合装药的定容燃烧性能。结果表明：打印发射药燃烧正常，在相对压力Bgt;0.2后，外层弧厚为1.0 mm的模块发射药的动态燃烧活度相对外层弧厚为0.5 mm的下降较缓；当混合装药质量比为55时，分裂点后移，燃烧渐增性较好；打印发射药在爆发器内燃烧时间小于8 ms，与制式药燃烧时间相当，能满足小口径武器快速燃烧的要求。

［关键词］ 内嵌多方孔；模块发射药；直写打印；燃烧性能

［分类号］ TQ562

Printing Preparation and Constant Volume Combustion Performances of

a Trapezoidal Module Propellant Embedded with Multi-Square Holes

JI Xiaowang①， FAN Wenrui①， LI Chunzhi②， LONG Yiqiang③， ZHOU Weiliang①， XIAO Leqin①

① School of Chemistry and Chemical Engineering， Nanjing University of Science and Technology （Jiangsu Nanjing， 210094）

② Luzhou North Chemical Industry Co.， Ltd. （Sichuan Luzhou， 646000）

③ Sichuan Lingang Wuzhou Engineering Design Co.， Ltd. （Sichuan Luzhou， 646000）

［ＡＢＳＴＲＡＣＴ］ In order to design and prepare a new type of propellant with small arc thickness， short combustion time， and good incremental properties， a trapezoidal structure embedded with multi-square holes was designed for a 12.7 mm cartridge charge. A trapezoidal module propellant with different outer arc thicknesses and embedded multi-square holes was prepared using direct writing molding technology. The length of the trapezoidal module propellant is 41 mm， the side" length of a" embedded square hole is 0.4 mm， and the number of inner holes is 3 105. Constant volume combustion performances of the modular propellant and its mixed charges with standard propellants were studied through closed explosive tests. The results show that the combustion of the printed propellant was normal. After the relative pressure B reaches 0.2， the dynamic combustion activity of the module propellant with an outer arc thickness of 1.0 mm decreases more slowly compared to the module propellant with an outer arc thickness of 0.5 mm. When the mass ratio of the mixed charge is 55， the splitting point shifts backward and the combustion gradually increases. Combustion time of the printed propellant in the explosive device is less than 8 ms， which is equivalent to the combustion time of standard propellant and can meet the requirements of rapid combustion of small caliber weapons.

［KEYWORDS］ embedded with multi-square hole; module propellant; direct writing printing; combustion performance

0 引言

小口径枪弹武器是现代化战场的火力支持和个人武装的重要组成部分，能够满足快速反应和不同场景作战的需求［1］。目前，小口径枪弹武器主要采用钝感球扁药作为发射动力来源，具有燃烧渐增性，但燃尽性差，在射击过程中会产生烟、焰、残渣等有害物质，污染环境。而小口径枪弹用发射药要求燃烧时间短、渐增性好、燃尽性好，这些要求常常互相矛盾、互相制约［2］。因此，以小口径武器为研究平台，制备弧厚小、燃烧时间短、渐增性好的新型发射药具有重要的研究意义。

传统的发射药受制备工艺的限制，在形状以及结构的设计上一般采用简单的几何形状，如管状、粒状、层状、多孔状等［3］，对发射药的燃烧渐增性的提高十分有限。基于内弹道理论和几何燃烧规律，高宇晨等［4］分别设计了三角形柱状、梯形柱状和四边形柱状发射药；首先，采用几何切割的方法计算部分表面积和体积随燃烧变化的规律，再进行整体加和；最终，得到了完整的发射药燃烧规律。张延康等［5］设计、制备了中心开孔式预制刻槽结构的发射药，在避免钝感剂迁移和能量损失等的同时，实现了燃烧过程中能量释放的渐增可控。许征光等［6］设计、制备了小尺寸四孔长方体结构的发射药；该发射药适用于中、小口径武器，具有装填密度高、尺寸更易控制等优点，也能有效地改善燃烧性能。牛星星等［7］和贾永杰等［8］分别提出了侧面封端的三明治片状结构和大弧厚六翼星孔棒状结构的发射药模型，通过调节比例尺寸来实现发射药燃气生成规律的可控调节和燃烧渐增性的提高。

相较传统的发射药制备技术，3D打印技术具有计量精确、材料适配性广、安全、高效等特点，能为制备复杂形状的发射药提供一种更加高效的新途径［9-10］。张洪林等［11］基于3D打印技术，设计了具有多列环形空槽管形结构的发射药，从理论上验证了高增面燃烧发射药设计打印的可行性。凡文蕊等［12］通过直写3D打印技术制备了硝化棉（NC）基发射药，实现了能量的渐增性释放，为新型发射药的直写打印制备奠定了基础。王沫茹等［13］采用传统发射药配方，通过挤出式3D打印技术打印出多种复杂几何形状的双基发射药，尺寸一致性、密实程度和力学性能均表现良好。以上结果均表明，3D打印技术在发射药的制备方面具有巨大潜力。

小口径枪弹用发射药的设计要考虑燃烧渐增性、燃烧时间、燃尽性这3个重要因素。但三者之间很难平衡，往往相互制约。针对上述问题，研究了一种燃烧时间短、弧厚小的梯形内嵌多方孔的发射药结构及直写打印制备方法，并考察了该发射药的定容燃烧性能，为小口径枪弹发射药的研制与发展提供参考。

1 梯形内嵌多方孔模块发射药的药形设计

根据3D打印可制造特殊形状的技术特点和发射药按表面平行层逐层燃烧的几何燃烧规律［14-17］，结合12.7 mm枪管武器弹壳装药尺寸，设计了梯形内嵌多方孔结构的模块发射药。

图1为梯形内嵌多方孔模块发射装药示意图。梯形模块发射药排布在圆柱体弹壳内部，梯形结构可以更好地匹配圆形柱体弹壳，提高装填密度。

为了提高梯形模块发射药的燃烧渐增性，采用内嵌多方孔结构的设计思路［12］，将发射药的燃烧分为2个阶段：首先是减面燃烧阶段，由外侧封闭层向内进行燃烧；燃尽瞬间，内嵌多方孔打开，内孔燃面快速增加，此时进入增面燃烧阶段。

记NC-2e1为外侧封闭层弧厚2e1 （0.5 mm）的内嵌多方孔模块发射药；记NC-4e1为外侧封闭层弧厚4e1（1.0 mm）的内嵌多方孔模块发射药。2种梯形内嵌多方孔模块发射药横、纵截面及整体结构示意图如图2～图3所示，形状参数见表1。梯形内嵌多方孔模块发射药长L为41 mm，弧厚2e1为0.5 mm，内嵌方孔总个数n为3 105。考虑到环境、溶剂挥发等因素可能导致的药形收缩，设计内嵌方孔边长c为0.4 mm。

图4为不同形状发射药相对燃烧面积σ与已燃相对厚度Z变化规律的理论计算结果。可以看出：圆柱7孔发射药呈现出先增、后减的燃烧趋势，相对燃烧面积降低至0.13；相较传统的圆柱7孔发射药，2种梯形模块发射药和25方孔发射药在达到燃烧分裂点后，皆进入增面燃烧阶段。其中，2种梯形模块发射药的相对燃烧面积分别约为25方孔发射药的8.5倍和10.9倍；NC-4e1发射药的外侧封闭层弧厚较大，导致分裂点前移，相对燃烧面积约为NC-2e1发射药的1.3倍。以上结果表明，梯形内嵌多方孔结构的发射药具有较高的燃烧渐增性。

2 直写3D打印梯形内嵌多方孔模块发射药

2.1 直写3D打印发射药原理

直写3D打印原理见图5。以传统NC基发射药为配方体系，通过半溶剂法制备具有非牛顿流体特性的发射药打印浆料［17］。采用气动挤出的形式，发射药浆料经过活塞被输送至螺杆，通过调节螺杆的各项参数，控制定量的打印浆料，保持稳定的流量从一定直径的针头连续挤出，并按照预设程序线路逐层、连续堆叠，完成梯形内嵌多方孔模块发射药的直写打印成型。

2.2 梯形内嵌多方孔模块发射药的打印制备

2.2.1 原材料

NC（含氮质量分数为13.48%）、N-丁基硝氧乙基硝胺（Bu-NENA）、三羟甲基乙烷三硝酸酯（TMETN）、N，N-二甲基-N、N-二苯脲（C2），泸州北方化学工业有限公司；乙醇、丙酮，分析纯，国药集团化学试剂有限公司。

2.2.2 打印浆料的预制备

发射药浆料的黏度对直写打印的精度及样品结构质量有直接的影响。参照前期所探索的发射药配方体系，经过大量实验验证，最终确定浆料各组分的质量分数分别为：w（NC）=24.7%、

w（TMETN）=16.7%、 w（C2）=0.4%、 w（Bu-NENA）= 3.6%、 w（乙醇）=18.2%、 w（丙酮）=36.4%。将含NC黏合剂、TMETN、C2的湿物料称重后，均匀摊开在托盘中，然后放入60 ℃水浴烘箱中烘干；保持恒重一段时间后，装入防静电密封袋，备用。按上述质量分数称量，装瓶密封，静置12 h后，备用。

2.2.3 梯形内嵌多方孔模块发射药的打印成型

发射药浆料静置完成后呈透明胶状。称取42 g浆料，装入料筒中进行离心脱泡；将含脱泡后的发射药浆料的料筒旋装至直写打印设备上，并与气路相连，调节恒压供气系统的气压至0.5 MPa；为了满足发射药弧厚小的需求，选择直径为0.57 mm的针头进行直写打印；在气压作用下，浆料经螺杆流道由针头挤出，进而与基板接触，针头按照预设打印路径逐层堆积，得到梯形内嵌多方孔模块发射药样品;最后，将打印样品放置于冰箱冷冻、驱溶、固化、定型。制备完成的梯形内嵌多方孔模块发射药实物如图6所示。

3 静态定容燃烧测试

将打印好的梯形内嵌多方孔模块发射药进行定容燃烧实验，测定静态燃烧规律。根据GJB 770B—2005《火药试验方法》703.1［18］，在室温下，采用燃烧室容积为20 mL的密闭爆发器本体，点火压力10 MPa，点火药为C级NC粉末，系统采样频率为1 MHz，通道数为4。

将实验中采集的初始数据点进行滤波及微分处理后，用Origin软件绘制压力-时间（p-t）曲线和压力变化速率-时间（dp/dt-t）曲线；并按照式（1）、式（2）进行处理，得到动态燃烧活度-相对压力（L-B）曲线。

L=dp/dtpipm；（1）

B=pipm。（2）

式中：pi和pm分别为瞬时压力和最大压力。

4 结果与讨论

4.1 不同外弧厚对梯形内嵌多方孔模块发射药的燃烧性能影响

为了研究外弧厚对梯形内嵌多方孔模块发射药燃烧性能的影响，选取NC-2e1、NC-4e1 2种样品进行定容燃烧测试。图7（a）为测得的p-t曲线。微分平滑处理后，得到L-B曲线，见图7（b）。由图7可得出定容燃烧测试结果，见表2。表2中：tp为燃烧达到峰值压力的时间；pmax为峰值压力；Δ为装填密度;Lmax为最大动态燃烧活度。

由表2和图7（a）可见，NC-2e1 达到峰值压力的时间小于NC-4e1 。这是因为，NC-2e1 的外弧厚较小，先于NC-4e1 打开内孔，出现增面燃烧；NC-2e1 和NC-4e1 燃烧达到峰值压力的时间分别约4.49、 6.23 ms，2种发射药的燃烧时间均满足小口径枪弹用发射药的要求。

从表2和图7（b）的L-B曲线可以看出，当外弧厚增加至原来2倍时，最大动态燃烧活度Lmax由0.87 MPa－1·s－1缩小至0.50 MPa－1·s－1；NC-2e1 的动态燃烧活度整体明显高于NC-4e1 ，说明随着梯形内嵌多方孔模块发射药外弧厚的增大，能量释放效率降低。而当0.13lt;Blt;0.60时，NC-2e1 的能量释放效率的下降趋势较为明显。分析原因，可能是在打印NC-2e1 的外侧封闭层过程中，打印高度过高，导致线条之间存在缝隙，未形成密闭的多方孔结构；另外，溶剂挥发导致样品整体收缩，进而内嵌方孔位置发生偏差。因此，为了制备得到精确、完整的内嵌多方孔结构，设备精度、材料适配性、固化速率等方面需要进一步提高。

4.2 不同混合比例对混合装药燃烧性能的影响

将梯形模块发射药NC-2e1 和NC-4e1 分别与D-5/7发射药按照质量比73、 55进行混合装药。

标记m（NC-2e1 ）m（D-5/7）=73时为样品1#；

m（NC-2e1 ）m（D-5/7）=55时为样品2#；

m（NC-4e1 ）m（D-5/7）=73时为样品3#；

m（NC-4e1 ）m（D-5/7）=55时为样品4#。

定容燃烧的p-t曲线、L-B曲线分别如图8～图9所示。得出燃烧测试结果如表3所示。

由图8可以看出，2种梯形内嵌多方孔模块发射药和D-5/7发射药按照质量比73、 55进行装药时，燃烧达到峰值压力的时间均小于D-5/7发射药（8.21 ms），说明梯形内嵌多方孔模块发射药符合小弧厚发射药的燃烧特点，能够缩短混合装药的燃烧时间。

从图9和表3可以发现，当质量比为55时，混合装药的装填密度最大，且具有良好的燃烧渐增性。随着梯形内嵌多方孔模块发射药所占比例的增加，混合装药的最大动态燃烧活度也随之提高。分析原因，主要是梯形模块发射药的内嵌多方孔个数多，内孔打开后，燃面快速增加。因此，初始阶段的梯形内嵌多方孔模块发射药的动态燃烧活度较大。但由于内、外层弧厚比的实际值与设计值存在一定差异，可能导致分裂点提前。因此，进一步优化工艺与材料适配性对小弧厚、异形、异构发射药的制备和燃烧性能改进具有重要意义。

5 结论

1）采用半溶剂法的直写打印技术可以制备复杂结构的NC基发射药。

2）半溶剂法直写打印NC基发射药的燃烧渐增性受发射药尺寸精确性影响较大，仍需要对打印物料黏度、溶剂挥发速率、打印速率和发射药形状与结构等因素进行系统、深入的研究。

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