催化劑對太根發射藥燃速的影響

馬方生,趙 軍,堵 平,廖 昕,王澤山

(南京理工大學化工學院,江蘇 南京 210094)

引 言

提高炮口動能是發射藥裝藥研究的主要技術路線。發射藥的作功過程是一個能量轉換的過程,發射藥有規律的燃燒生成高溫、高壓氣體,高溫高壓氣體作為作功介質作膨脹功,實現功能轉化,將彈丸推送到目標[1-3]。因此,發射藥燃氣生成規律是影響其在能量釋放過程中功能轉化效率的重要因素,而對于一定藥型的發射藥其燃氣生成規律由燃速及其變化規律決定,因此,研究調節發射藥燃速的技術具有重要意義。李利、堵平等[4-5]利用鈍感技術對發射藥樣品表面進行鈍感處理,并對發射藥的初始燃燒速度進行了調節;賀增弟、蕭忠良等[6-8]對變燃速發射藥進行了研究,采用物理復合的方式制備了雙層單孔結構的變燃速發射藥,該發射藥外層為低燃速配方、內層為高燃速配方,使用內外燃速的差異調節發射藥的燃氣生成規律。

通過向發射藥基礎配方中引入催化劑,可以在鈍感技術和變燃速技術的基礎上利用化學催化調節發射藥的燃速及其變化規律,從而進一步優化發射藥的燃氣生成規律、促進發射藥裝藥技術的發展。本實驗以密閉爆發器試驗為基礎,對比研究不同催化劑對太根發射藥燃速的調節作用。

1 實 驗

1.1 材料及儀器

太根藥吸收藥片,瀘州北方化學工業公司;丙酮、乙醇,化學純,中國醫藥集團上海化學試劑公司。6種自制催化劑:二茂鐵、三氧化二釔、氫氧化鎳、硝酸鎳、碳酸鎳和鐵酸鎳。

ZJB230型油壓機,天津市第二鍛壓機床廠;成套壓藥和切藥模具,自制;JH2500型捏合機,上海紅星化工機械廠。

1.2 太根發射藥的制備及性能測試

太根發射藥的基礎配方為以硝化棉為黏結劑,二縮三乙二醇二硝酸酯(TEGDN)為增塑劑,在基礎配方的基礎上分別添加不同催化劑制成待測發射藥,催化劑的質量分數均為 1.0%。

太根發射藥的制備工藝采用半溶劑法,主要包括吸收、壓片、塑化及壓伸成型,其中硝化棉與溶劑的質量比為1∶(0.24～ 0.27),乙醇和丙酮混合溶劑的質量比為 1∶1;考慮到單孔藥的燃燒較接近于恒面燃燒,選擇的藥型為單孔管狀藥。

將火藥切成 40mm的藥條,進行密閉爆發器試驗,裝填密度分別為0.12和0.20g/cm3,點火壓力為10MPa。

2 結果與分析

2.1 催化劑對太根發射藥燃速的影響

圖1 加入不同催化劑后太根發射藥的p-t曲線Fig.1 p-t curves of TEGDN propellant after adding different catalysts

在密閉爆發器實驗中,數據采集系統所記錄的是一系列等時間間隔的離散壓力點。用密閉爆發器實驗數據處理程序進行處理 ,得到d p/d t、u、B、I、n等一系列數據。其中,最重要的是燃速u1和燃速壓力指數n,考慮到點火的同時性和藥型分裂后對燃燒表面的影響,數據處理時J的取值范圍通常為 0.15到壓力陡度(d p/d t)的最大值之間。加入不同催化劑調節太根發射藥的燃速,其 p-t曲線見圖 1,u-p曲線見圖 2。

圖2 加入不同催化劑后太根發射藥的u-p曲線Fig.2 u-p curves of TEGDN propellant af ter adding different catalysts

圖1表明,加入二茂鐵后,太根發射藥壓力上升得比太根空白藥慢。由于密閉爆發器實驗中p-t曲線的變化是發射藥的裝藥量、弧厚、燃速共同作用的結果,因此,p-t曲線不能比較不同發射藥間燃速的大小。圖2表明,催化劑三氧化二釔、硝酸鎳、碳酸鎳、鐵酸鎳可以提高太根發射藥的燃速,二茂鐵和氫氧化鎳會降低發射藥的燃速。其中碳酸鎳對太根發射藥燃速的提高最大,二茂鐵對太根發射藥燃速降低的程度最明顯。

為研究不同壓力下含催化劑的太根發射藥燃速的變化,對圖 2中的u-p曲線進行了回歸,計算結果如表1所示。

表1結果表明,碳酸鎳可以有效提高太根發射藥的燃速,50MPa時可以提高19.31%,100MPa時可以提高9.62%,150M Pa時可以提高8.60%;二茂鐵可以明顯降低太根發射藥的燃速,50MPa時可以降低 10.34%,100MPa時可以降低 16.42%,150M Pa時可以降低 12.16%。

表 1 催化劑對太根發射藥燃速的調節Table 1 Adjusting results of catalysts on burning rateof TEGDN propellant

將太根發射藥燃燒的 u-p數據取對數,得到ln u-ln p曲線的斜率,即太根發射藥的燃速壓力指數,不同催化劑調節太根發射藥燃速的ln u-ln p曲線見圖 3。

圖3 加入不同催化劑后太根發射藥的ln u-ln p曲線Fig.3 ln u-ln p curves of TEGDN propellant after adding different catalysts

圖 3顯示,6種催化劑催化太根發射藥燃燒的ln u-ln p曲線幾乎平行,表明 6種催化劑對太根發射藥的燃速壓力指數沒有明顯的改變。

2.2 催化劑對太根發射藥燃速壓力指數的影響

表 2為太根發射藥催化燃燒密閉爆發器的試驗結果,結果表明,不同催化劑對太根發射藥的燃速壓力指數(n)的影響均小于 0.02。

在發射藥燃燒過程中,若在低壓范圍內燃速提高幅度較大,而在高壓范圍內燃速降低,則燃速壓力指數就減小;反之,在低壓范圍內燃速降低幅度大,而在高壓范圍內燃速增加,則燃速壓力指數增大。本研究中,催化劑三氧化二釔、硝酸鎳、碳酸鎳、鐵酸鎳在整個壓力段能夠提高太根發射藥的燃速,而二茂鐵和氫氧化鎳在整個壓力段能夠降低發射藥的燃速,所以催化劑對太根發射藥燃速壓力指數的影響不大。

表 2 太根發射藥催化燃燒密閉爆發器的試驗結果Table 2 Results of TEGDN propellant with different catalysts from closed bomb test

3 結 論

(1)在太根發射藥基礎配方中添加燃燒催化劑,可以有效調節發射藥在高壓狀態下的燃速。

(2)密閉爆發器試驗結果表明,在 50～150MPa,碳酸鎳可以使太根發射藥的燃速提高 8%以上,二茂鐵可使太根發射藥的燃速降低10%。

(3)不同催化劑對發射藥燃速壓力指數的影響均小于 0.02。

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