納米材料對發射藥的影響及身管延壽作用

宋遒志，朵英賢

(北京理工大學 爆炸科學與技術國家重點實驗室，北京 100081)

身管是火炮和自動武器的關鍵部件，槍、炮發射時，發射藥燃燒生成大量高溫(一般大于2 500 K)和高壓(一般大于200 MPa)氣體并推動彈丸向前運動，內膛受到如下3個方面的作用:1)高溫高壓火藥燃氣對身管內膛的燒蝕;2)高速流動火藥燃氣以及未燃燒的火藥顆粒對內膛的沖刷;3)彈頭、彈帶擠入線膛的機械擠壓以及高速運動所造成對內膛的摩擦磨損.這幾方面的因素會造成身管燒蝕磨損失效，嚴重影響身管使用壽命［1］.目前，隨著防空反導要求的進一步提高，小口徑高炮向更高射速方向發展，更高射速受到身管壽命問題的制約.大口徑火炮向大射程和大威力方向發展，從而加大火炮的壓制縱深和覆蓋面積，這就要求發射藥的能量高和炮彈更高的出口初速，這樣，高溫高壓火藥燃氣對身管內膛燒蝕更嚴重，進一步影響身管的使用壽命.因此，延長身管使用壽命一直是兵器領域的重要研究課題，也是難題之一［2-3］.

目前，一種延長身管壽命的普遍方法是在發射藥中添加TiO2型、滑石粉型、多元型和801型等緩蝕劑來降低火藥燃氣對身管內膛燒蝕，從而延長火炮和自動武器身管壽命［4-6］.但該方法同時帶來許多負作用，如火藥燃燒不完全、殘渣多、堵塞導氣孔、掛銅現象嚴重等，而且由于其殘渣固著于一些機構表面使武器故障率提高，維護難度增加.

近年，北京理工大學采用納米材料改性發射藥的方法來延長身管使用壽命，取得較好的效果，使某型號自動武器身管的常溫壽命提高了30%左右［7-10］.前期研究證實納米材料對身管的常溫壽命提高是有幫助的，但是在高、低、常溫條件下，納米材料的延壽效果尚不確定.本文以該型號自動武器為研究對象，以槍用雙基球扁發射藥為研究載體，說明了納米材料的設計思想，研究了納米材料對發射藥的制造工藝及性能的影響，并制備了含納米材料的發射藥，進行了使用含納米材料發射藥和制式發射藥的身管高溫、低溫、常溫全壽命及超壽命對比實驗，并對實驗現象和結果進行了分析，確定了納米材料的身管延壽作用.

1 納米材料的制備

選用具有緩蝕和潤滑功能的納米顆粒，并對其使用有機長鏈大分子化合物進行表面修飾，從而得到納米復合材料.納米材料應用于發射藥時，其分散程度對應用效果影響很大［7］.采用表面修飾的方法來實現納米材料的分散;采用有機長鏈大分子包敷納米粒子，保證納米材料的分散性.考慮到發射藥的制造工藝，納米材料在發射藥中必須均勻分布.使用石油醚為中間溶劑，使納米復合材料在石油醚中溶解，然后將含有納米材料的石油醚均勻混合液在發射藥的成球工序中，添加到發射藥中.這樣，要求表面修飾的有機長鏈大分子化合物具有兩極性，一極與納米顆粒以化學鍵的形式牢固連接，另一極是親油的，能在有機溶劑石油醚中溶解，從而達到很好的分散目的.其有機長鏈大分子的結構決定了在石油醚中的溶解度.

修飾用的有機長鏈大分子為C、H化合物，在發射藥爆燃時，產生裂解，分解產生的C、H同火藥燃氣中的CO2、H2O發生化學反應，產生 CO、H2，使火藥燃氣中的CO2氧化性氣體減少而CO增加，從而減緩CO2的氧化反應，同時減少H2O對身管內膛的氧化作用，這樣，有機長鏈大分子化合物也起到輔助降燒蝕作用.具體反應如下:

經過反復試驗，制備的納米復合材料中的納米顆粒粒度為20～60 nm，有機物含量為28%左右，在石油謎中良好分散.

2 納米材料對發射藥的影響

2.1 納米材料對發射藥制備工藝的影響

該型號發射藥為混合酯球扁發射藥.其球扁形的藥型要求發射藥弧厚較薄，薄弧厚能縮短發射藥燃燒時間，提高發射藥的燃燒完全性.添加納米材料改性該型號發射藥時，在配方設計上，取消原制式發射藥中的801緩蝕添加劑，將納米材料添加到發射藥中，保持發射藥的其它配方組份不變，這樣，有利于保持原發射藥的能量不變.進行納米材料改性發射藥研究時，必須要滿足如下2個基本前提:

1)納米材料在發射藥中要處于分散狀態且混合均勻.

2)含納米材料的發射藥必須滿足該型號發射藥的內彈道指標要求.由于納米復合材料的納米顆粒進行了表面修飾，因此納米顆粒間是分散的，不存在納米顆粒間的軟團聚現象.需要考慮的是納米復合材料在發射藥中如何混合均勻，關于這個問題，必須要結合發射藥的制備工序來研究.

該型號發射藥的主要工序為:成球→烘干→篩分→鈍感→烘干→上光包敷→壓扁.在進行納米材料改性發射藥研究時，將納米材料在成球工序加入到發射藥中，加入量為0.6%.含納米材料發射藥的制備后續工藝與制式發射藥一樣.

為保證納米材料在發射藥中混合均勻，在成球工序前增加了一道乳化分散工序，具體如下:將納米材料在石油醚(沸程30～60℃)中進行充分溶解，與計量好的并經熱水溶脹的明膠一起入膠體磨乳化20～40 min，使其充分分散.乳化完畢，通過水浴加熱的方式，使混合液溫度緩慢升到45～65℃，使石油醚揮發出來，同時采用石油醚回收裝置進行回收石油醚.基本可以認為納米材料與明膠乳化液均勻混合.

在成球工序中，依次按規定將水、硝化棉、中定劑、納米材料和明膠的乳化液、乙酸乙酯、泰根等原料加入到成球鍋中進行攪拌成球，得到半成品藥粒.成球是該型號發射藥制備的關鍵工序，納米材料的加入對該工序影響較大，具體表現為:

1)增加了膠滴分散的難度，發射藥溶膠不易分散成球;

2)制得的發射藥半成品藥粒藥型尺寸較小，藥粒比較圓，類似于球形藥.

對成球工序的工藝參數進行了調整，提高成球攪拌轉速和升溫溫度，通過反復試驗，解決了發射藥溶膠的分散成球問題.制備的半成品藥粒直徑與制式藥半成品藥粒的直徑相近，但藥粒比較圓.

由于藥粒圓，藥粒弧厚大，在后續的壓扁工序中，由于發射藥的壓扁率較大，使發射藥粒由于壓扁產生的微裂紋增多，發射藥的機械強度降低.低溫發射時，藥粒在高溫高壓火藥燃氣的沖擊下發生破碎，造成燃燒初始面積猛增，膛壓也隨之增高，導致制備的發射藥的內彈道性能出現低溫膛壓反常現象，如表1所示.從表1可知，批次1和批次2的低溫(-45℃)膛壓均高于其常溫和高溫膛壓.

表1 發射藥內彈道指標及含納米材料發射藥內彈道測試數據Table 1 Interior ballistics performances of standard propellant and interior ballistics data of propellant with nanomaterial

為解決上述問題，對成球工序的工藝參數進行了調整，采用二次加乙酸乙酯的方法，即在成球工序中，將水加入成球鍋中并攪拌，加入硝化棉、納米材料明膠乳化液，混棉后加入乙酸乙酯、太根等原料.待液面和攪拌狀況正常后，封閉成球鍋蓋板升高鍋內溫度.攪拌一段時間后，檢查發射藥溶膠的分散情況，若已分散成球，再向成球鍋中補加乙酸乙酯，利用乙酸乙酯對藥粒的溶解性，將藥粒的弧厚作薄.這樣可降低藥粒的壓扁率.通過采用這些措施，制備了弧厚和粒徑與制式發射藥相當發射藥半成品藥粒.經過后續工序后，制備了滿足內彈道指標的含納米材料發射藥，如表2所示.

表2 含納米材料發射藥的內彈道數據Table 2 The interior ballistics data of the propellant with nanomaterial

2.2 納米材料對發射藥能的影響

2.2.1 納米材料對發射藥抗燒蝕性能的影響

發射藥的抗燒蝕性是衡量發射藥性能的一項重要指標，對于小口徑槍彈所用發射藥，其燒蝕性能測試通常采用半密閉爆發器法來測量，如圖1所示.測試時通過調整控壓片的厚度來保證燃燒室內的壓力，以使燃燒室內的火藥燃氣壓力與實彈射擊時武器身管內的火藥燃氣壓力一致.半密閉爆發器中的發射藥通過電子點火裝置點燃后，在密閉空間中快速爆燃，壓力和溫度迅速升高，達到一定壓力時，高溫高壓的火藥燃氣沖破控壓片，沿著燒蝕管通道快速排到空氣中.同時，火藥燃氣會對燒蝕管的內壁造成燒蝕，而使燒蝕管的重量減輕，一般地，每個燒蝕管重復使用3次.這樣，通過測量燒蝕管的失重量來衡量發射藥的抗燒蝕性能.

圖1 燒蝕試驗裝置結構示意Fig.1 Structure diagram of vented vessel testing

采用2個批次制備的含納米材料發射藥和制式發射藥作對比實驗，測試數據如表3所示.從表3可知，2個批次的含納米材料發射藥的燒蝕管燒蝕量都小于標準制式發射藥的燒蝕管燒蝕量，其燒蝕量分別為標準制式發射藥的燒蝕管燒蝕量的93%和90%.因此，含納米材料發射藥的抗燒蝕性能優于標準制式發射藥.

表3 燒蝕試驗數據Table 3 The erosion test data of the propellant

2.2.2 納米材料對發射藥燃燒完全性的影響

為測試納米材料對發射藥燃燒完全性的影響，分別使用含納米材料發射藥和制式發射藥各裝了30發子彈，子彈滿足內彈道指標要求.使用制式步槍進行發射實驗，通過收集發射30發子彈后的火藥殘渣來評價發射藥的燃燒完全性，燃燒完全性試驗數據如表4所示.試驗結果表明，含納米材料發射藥的燃燒完全性為99.55%和99.30%，制式發射藥的燃燒完全性為99.31%，因此，含0.6%納米材料的發射藥與含0.4%801緩蝕劑的制式發射藥燃燒完全性相當.

表4 燃燒完全性測試數據Table 4 The combustion completion test data of the propellant

2.2.3 納米材料對發射藥燃燒性能的影響

使用含納米材料發射藥和制式發射藥在測壓彈道槍上分別進行了發射藥燃燒時的壓力-時間曲線和壓力-長度測試.測試子彈在測壓彈道槍上發射時，身管內膛的火藥燃氣壓力與時間、壓力與身管長度間的關系，以衡量發射藥的燃燒性能(如圖2、3所示)，表明加入納米緩蝕劑后的發射藥與制式發射藥燃燒性能相當，燃燒曲線光滑，燃燒穩定.

圖2 發射藥瞠壓－時間曲線Fig.2 The P-t curves of the propellants

圖3 發射藥瞠壓－長度曲線Fig.3 The P － L curves of the propellants

3 身管壽命實驗及分析

3.1 身管壽命實驗

采用含納米材料發射藥制備了20 000發彈，為方便計，簡稱納米彈.選用了2支自動步槍，稱為1#槍和2#槍分別使用納米彈和普通制式彈進行高溫、低溫、常溫全壽命和超壽命對比試驗，以考核含納米材料發射藥的身管延壽效果.該型號槍械的壽命試驗與槍管相關的失效判定標準為凡出現下列4種情況中任意一種現象，即認為身管壽命已終止:1)散布精度R50大于11cm;2)初速下降量大于6%;3)橫彈孔和橢圓孔超過20%;4)槍管出現裂紋或失去功能.

該自動步槍的壽命指標為10 000發，在指標內的槍管壽命試驗根據GJB3484-98《槍械性能試驗方法》進行.10 000發以后的超壽命試驗參照GJB3484-98《槍械性能試驗方法》進行，試驗計劃分4個射擊循環來進行，各循環的高、低、常溫計劃射彈量見表5所示.

2支槍的壽命試驗數據如表6所示.可知1#槍射彈16 314發時，散布精度和初速合格，射彈17 314發后，散布精度超標，判定壽命中止.確定1#槍槍管壽命為16 314發.2#槍射彈15 212發時，散布精度和初速合格，射彈16 212發后，散布精度超標，判定壽命中止.因此，確定2#槍槍管壽命為15 212發.這樣，使用含納米材料發射藥使身管壽命延長1 102發，身管壽命提高7.2%.

表5 壽命試驗計劃射彈數Table 5 Planned number of shots for the life test of gun barrel

表6 身管壽命試驗數據Table 6 Life test data of gun barrel

3.2 試驗中身管燒蝕情況

在壽命試驗過程中對2支槍身管的內膛進行了觀測，身管內膛燒蝕情況如表7所示.顯示采用含納米材料發射藥高膛壓區的鉻層燒蝕脫落明顯好于使用制式發射藥，說明在膛線起始部及高膛壓區，采用含納米材料發射藥時身管的燒蝕情況明顯好于采用制式發射藥時身管的燒蝕情況.

表7 身管內膛燒蝕情況Table 7 Erosion of gun barrel in course of test

3.3 試驗結果分析

從表6的壽命試驗數據可知，1#槍的身管失效是由于散布精度超標，而此時速度降為3.6%.2#槍的身管失效也是由于散布精度超標，且失效時速度降也達到5.9%，接近于失效標準.

一般地，散布精度超標主要是由于身管膛口磨損，使子彈出口時擾動過大造成的.而速度降主要是由于高膛壓區的燒蝕嚴重，使彈丸在膛內運動時閉氣不嚴導致速度下降大.根據高溫、低溫、常溫壽命試驗結果說明，使用含納米材料發射藥的1#槍主要是由于膛口磨損造成精度下降而失效;使用普通制式發射藥1#槍是由于膛口磨損造成精度下降而失效，同時高膛壓區的燒蝕也導致速度降接近失效標準.

在前期的身管常溫壽命試驗研究中［8］，使用含納米材料發射藥，身管失效是由于散布精度超標所致，失效時速度降為3.92%.使用普通制式發射藥，身管失效是由于速度降達到失效標準所致，2支試驗槍的壽后散布精度R50分別為8.7 cm和8.7 cm.而且，對壽命試驗后身管的解剖分析，也表明使用含納米材料發射藥改善了彈膛的燒蝕情況.

結合發射藥的燒蝕試驗，表明發射藥中加入納米材料后，顯著地改善了發射藥的抗燒蝕性能，有利于提高身管壽命.

4 結論

1)納米材料改性的發射藥滿足該型號發射藥的內彈道性能指標要求，其抗燒蝕性能優于制式發射藥，燃燒完全性和燃燒性能與制式發射藥相當.

2)通過使用含納米材料發射藥和制式發射藥的身管高溫、低溫、常溫全壽命及超壽命對比試驗表明，納米材料加入到發射藥中能有效提高身管使用壽命.

［1］王道宏.現代火炮工程實踐［M］.北京:國防工業出版社，1997:208-219.WANG Daohong.Modern artillery engineering and practice［M］.Beijing:National Defence Industry Press，1997:208-219.

［2］張喜發，盧興華.火炮燒蝕內彈道學［M］.北京:國防工業出版社，2001:195-209.ZHANG Xifa，LU Xinghua.Erosion interior ballistics of gun［M］.Beijing:National Defence Industry Press，2001:195-209.

［3］金志明.槍炮內彈道學［M］.北京:北京理工大學出版社，2004:308-329.JIN Zhiming.Interior ballistic of gun［M］.Beijing:Beijing Institute of Technology Press，2004:308-329.

［4］梁西瑤，任英良.緩蝕添加劑降燒蝕效果及使用性能的研究［J］.兵器材料科學與工程，1997，20(3):24-29.LIANG Xiyao，REN Yingliang.Study on erosion reduction and useful proper ties of inhibitor［J］.Ordnance Material Science and Engineering，1997，20(3):24-29.

［5］孟繁榮，馮士德，李憲一.新型緩蝕添加劑配方設計研究［J］.彈道學報，1994(3):26-30.MENG Fanrong，FENG.Shide，LI Xianyi.Design and research of new type reduce erosion additive prescription［J］.Journal of Ballistics，1994(3):26-30.

［6］任英良.彈藥緩蝕添加劑降低身管溫升的熱化學分析［J］.兵工學報彈箭分冊，1988(3):95-100.REN Yingliang.Thermochemistry analysis on reducing temperature rise of gun tube by using additive prescription［J］.Projectiles，Rockets and Missiles Section of Acta Armament II，1988(3):95-100.

［7］陳永才.納米材料對武器身管的延壽機理及試驗研究［D］.北京:北京理工大學，2006:44-75.CHEN Yongcai.Mechanism and experiment research to increase the service life of gun barrel by adding nanomaterials in propellant［D］.Beijing:Beijing Institute of Technology，2006:44-75.

［8］宋遒志，王建中，陳永才.基于納米材料改性發射藥的身管延壽技術研究［J］.北京理工大學學報，2007，27(8):662-665.SONG Qiuzhi，WANG Jianzhong， CHEN Yongcai.Research on technology for increasing the service life of gun barrel by adding namomaterial to the propellant［J］.Transactions of Beijing Institute of Technology，2007，27(8):662-665.

［9］SONG Qiuzhi，CHEN Yongcai.Research on effect of adding nanomaterial to propellant on gun barrel［J］.Journal of China Ordnance，2010，6(1):48-53

［10］宋遒志，王建中，陳永才，等.發射藥中納米材料的分散性對身管延壽的影響研究［J］.兵工學報，2009，30(3):289-294.SONG Qiuzhi，WANG Jianzhong，CHEN Yongcai，et al.Influence of dispersing property of nanomaterial mixed into propellant on the service life of gun barrel［J］.Acta Armament II，2009，30(3):289-294.