RDX 基高能發射藥的抗撞擊損傷性能

周 敬，楊麗俠，陳曉明，張鄒鄒，趙寶明，靳建偉

（西安近代化學研究所，陜西西安710065）

引 言

隨著坦克炮等高膛壓高裝填密度裝藥武器系統的發展，對發射藥的能量性能提出更高的要求，采用高能固體組分RDX 是目前提高發射藥能量的基本途徑之一［1－2］。國內外對RDX 基高能發射藥配方研究較多，英國研制成功的F527／428 高能硝胺發射藥，其主要成分為NC、NG、RDX、硝基胍（NGU），火藥力為1218kJ／kg，火焰溫度為3 688K［3－4］，已應用于L11式120mm 坦克炮。國內研制出RGD7硝胺發射藥［5］，其主要成分為NC、NG、RDX、NGU，火藥力為1 226kJ／kg，火焰溫度為3 618K。RP5［6］是在RGD7基礎上進行改進的高能發射藥，其主要成分為NC、NG、RDX、NGU、DA，火藥力為1226kJ／kg，火焰溫度為3518K。然而，高能發射藥仍存在低溫強度偏低、爆溫高等問題，阻礙了其在新一代武器中的應用［7］。目前，國內對發射藥力學性能的評價主要以靜態抗壓和抗沖性能的檢測結果為準［8］，但該方法需要專門制作特殊的發射藥藥型且無法模擬發射藥在火炮膛內高壓高應變速率的過程。王澤山、黃振亞等［8－11］用落錘撞擊并結合密閉爆發器實驗來表征發射藥粒的抗撞擊損傷性能，不需要改變發射藥藥型就可進行實驗，能夠較好地模擬發射藥在火炮膛內動態受力情況，并能分析撞擊損傷對發射藥起始燃燒性能的影響。

本研究以R0 發射藥為基礎，通過調節配方中共混增塑劑DA和NG的質量比、NC含氮量以及改變工藝溶劑體積比制備了RDX基高能發射藥樣品，用落錘撞擊裝置和密閉爆發器測試了各發射藥的抗撞擊損傷性能，以期為RDX 基高能發射藥在新一代高膛壓武器中的應用研究提供參考。

1 實 驗

1．1 材料與儀器

硝化棉（NC），四川瀘州化工廠；RDX，蘭州白銀銀光化學材料廠；硝化甘油（NG）、1，5－二疊氮基－3－硝基氮雜戊烷（DA），西安近代化學研究所。

BCJ型落錘撞擊裝置，天津市建儀實驗機有限責任公司，落錘質量5kg，標尺量程0～100cm；高低溫實驗箱，泰安科技有限責任公司，溫度為（－60±2）～（100±2）℃；密閉爆發器，西安近代化學研究所，藥室體積100mL，耐壓值為350MPa；Quanta 600FEG 型電子掃描電鏡，美國FEI公司，放大倍數為40萬倍，分辨率為1nm。

1．2 樣品的制備

4種RDX 基發射藥均采用DA和NG為共混增塑劑，其配方組成及溶劑體積比見表1。

表1 發射藥配方及溶劑體積比Table 1 Formulation and solvent volume ratio of the gun propellants

發射藥樣品的藥型及尺寸參照大口徑火炮用粒狀發射藥藥型，制成弧厚約1．9mm，孔道直徑d0約0．5mm，外徑D0約14mm，長度約16mm 的19孔發射藥藥粒。以均質的ZT－12A 太根發射藥為參比樣品，其配方（質量分數）為NC58%，NG28%，TEGN9．5%。

1．3 落錘撞擊實驗

實驗前將樣品的端面磨平，要求垂直度好，每種樣品準備1組基準樣品和若干組測試樣品，每組為7粒（約20g），各樣品的藥粒高度基本保持一致；將測試樣品按粒依次裝入裝配裝置，在高低溫箱內－40℃下保溫2h待測。

實驗發現，當落錘高度為17．5cm時，可區分各發射藥抗撞擊損傷性能，故選用該高度進行落錘實驗。每發分別重復3組。

1．4密閉爆發器實驗

按照GJB770A－97703方法，將基準樣品和測試樣品進行密閉爆發器實驗，裝填密度約為0．2g／cm3，將測得的p－t曲線處理后得到L－B 曲線［9－11］：

式中：p 為密閉爆發器實驗壓力，pm為密閉爆發器實驗最大壓力。

用撞擊前后相對初始燃面的變化計算發射藥的破碎度［9］（PSD），計算公式如下：

式中：ω、ω0分別為測試樣品和基準樣品在密閉爆發器實驗中的裝藥量，其中ω≈ω0；S0、L0分別為測試樣品在密閉爆發器實驗中的初始燃燒面積和初始動態活度；、為基準樣品在密閉爆發器實驗中的初始燃燒面積和初始動態活度。

2 結果與討論

2．1 破碎度計算

5種發射藥落錘撞擊實驗的典型圖片見圖1，R2樣品的p－t曲線和L－B 曲線見圖2。

圖1 5種發射藥的落錘撞擊損傷圖片Fig．1 Photographs of the drop hammer impact fracture of five kinds of gun propellants

圖2 R2樣品撞擊前后p－t曲線和L－B 曲線Fig．2 p－t and L－Bcurves of R2samples before and after being impacted

在燃燒初始階段，受點火壓力、裝填方式等影響，L－B 曲線初始段波動較大，采用初始點的L 值或最高點的L 值來表征初始動態活度將產生較大的隨機偏差，不能準確反映初始燃面的變化，相對壓力B 在0～0．1動態活度的變化能客觀反映發射藥燃燒初期的情況，故選取B 在0～0．1L 的平均值為初始動態活度值L0。

根據公式（2）計算發射藥的破碎度，結果見表2。

由圖1 和表2 可以看出，經配方和工藝改進后，RDX基發射藥的抗撞擊損傷性能得到改善，特別是共混增塑劑中DA含量較高的R3，其強度與均質太根藥ZT－12A 相當，可滿足高膛壓火炮的應用要求。

表2 發射藥樣品的破碎度Table 2 The fracture degree of gun propellant samples

2．2 抗撞擊損傷性能的影響因素

2．2．1 DA含量對抗撞擊損傷性能的影響

R3配方是在R0配方的基礎上改變了增塑劑配比，增加了DA加入量。由表2 可知，相同撞擊條件下，R0 破碎度為3．27，R3 破碎度則降為1．19，抗撞擊性能明顯高于R0。這是因為DA中的硝胺基團、疊氮基團，RDX 中的硝胺基團以及NG、NC中的硝酸酯基都存在電負性很高的元素（如O、N），通過硝化棉中的羥基氫原子可形成氫鍵。其中一種形成氫鍵的方式是－NO2為強的吸電子基團（電子云分布見圖3），使氧原子上電子云富集，與硝化棉上的羥基氫形成氫鍵（鍵能21kJ／mol），形成該類型氫鍵的分子有NC－NC、NCNG、NC－DA、NC－RDX；另外硝胺基團中的氨基氮原子和疊氮中的氮原子存在孤對電子，也可以與硝化棉上的羥基氫形成氫鍵（鍵能為29kJ／mol），形成該類型氫鍵的分子有NC－DA、NC－RDX。

圖3 RDX、DA和NG的電子云分布圖Fig．3 Electron cloud distribution of RDX，DA and NG

與NG 相比，DA與NC形成氫鍵的作用點多，且DA中N上的孤對電子與羥基形成氫鍵的鍵能強于NG、NC中氧原子和羥基形成的氫鍵，有助于提高增塑劑與NC的作用力，達到兩者充分混合的目的，從而削弱NC分子鏈自身之間的氫鍵作用，增大了分子鏈間的距離和活動空間，有效改善了硝化棉的塑性和柔韌性。隨著共混增塑劑中DA含量的提高，有助于組分間的均勻混合。3種發射藥樣品的掃描電鏡照片見圖4。由圖4可看出，R3比R0更加均勻密實，表面較為平整，孔洞等薄弱環節較少，減少了應力集中點，藥粒的抗撞擊損傷性能得到提高。

圖4 3種發射藥的掃描電鏡照片Fig．4 SEM photographs of the three kinds of gun propellants

2．2．2 硝化棉含氮量對抗撞擊損傷性能的影響

R2改用含氮量（質量分數）12．6%的硝化棉后，與R0相比，破碎度降至1．74，力學強度也明顯提高。一方面是由于硝化棉分子鏈上含有羥基和硝酸酯基團，硝化棉含氮量降低，分子鏈中的硝酸酯基團減少，羥基數目增多，使得硝化棉與增塑劑、RDX間形成氫鍵的數目增加，降低了硝化棉分子之間的作用力，有助于發射藥中硝化棉與其余組分的混合塑化；另一方面，含氮量降低同時也減小了硝化棉分子鏈取代基的體積，空間位阻降低，有利于分子鏈的內旋轉，降低硝化棉分子鏈的剛性，增加了柔順性，有助于發射藥的塑化。從圖4可以看出，R2比R0混合得更加均勻密實，內部孔洞較小，故在受外力撞擊時，發射藥不易發生破碎等損傷，有較好的抗撞擊損傷性能［12］。

2．2．3 溶劑醇酮比對抗撞擊損傷性能的影響

改變R1的溶劑配比（乙醇與丙酮的體積比為4∶6），破碎度為2．67，比R0的破碎度有所降低，這主要是由乙醇和丙酮對硝化棉溶塑能力的差別造成的。硝化棉、丙酮、乙醇的溶度參數分別為19．46、19．62和26．13（J／cm3）0．5。混合溶劑中丙酮的含量越高，與硝化棉的溶度參數越接近。所以，適當提高溶劑中丙酮的含量，有利于硝化棉的溶脹及塑化，增加硝化棉分子鏈的流動性，有助于黏合劑NC與固體顆粒RDX的浸潤，使得黏合劑與固體界面結合的越牢固，增強固體顆粒與基體間的相互作用，實現界面的良好粘結，從而改善樣品的抗撞擊損傷性能。

3 結 論

（1）在NC、RDX 含量以及共混增塑劑總含量不變的條件下，提高DA與NG的質量比，可顯著改善RDX基發射藥的低溫（－40℃）抗撞擊損傷性能，破碎度由3．27降至1．19。

（2）降低NC含氮量或增加溶劑中丙酮含量有助于改善樣品的抗撞擊損傷性能。

（3）經過配方與工藝優化，RDX 基高能發射藥的動態抗撞擊損傷性能與均質太根藥ZT－12A相當。

致謝：感謝西安近代化學研究所六部工藝組在制樣等方面給予的支持和幫助。

［1］ 徐皖育，何衛東，王澤山．JMZ發射藥力學性能研究［J］．含能材料，2007，15（3）：235－239．XU Wan－yu，HE Wei－dong，WANG Ze－shan．Mechanical properties of JMZ gun propellants［J］．Chinese Journal of Energetic Materials，2007，15（3）：235－239．

［2］ 芮筱亭，贠來峰，沙南生，等．發射裝藥發射安全性評定技術的研究進展［J］．兵工學報，2005，26（5）：690－696．RUI Xiao－ting，YUN Lai－feng，SHA Nan－sheng，et al．Advance on launch safety for gun propellant charge［J］．Acta Armamentarii，2005，26（5）：690－696．

［3］ Leadore M G．Mechanical properties of aerojet，thiokol，and JA2high－energy gun propellants at 1．5m／s deformation rate，ADA399116［R］．Spring Field：NTIS，2002．

［4］ Leadore M G．Mechanical response of future combat systems high－energy gun propellants at high－strain rate，ADA402939［R］．Spring Field：NTIS，2002．

［5］ 趙毅，黃振亞，劉少武，等．改善高能硝胺發射藥力學性能研究［J］．火炸藥學報，2005，28（3）：1－3．ZHAO Yi，HUANG Zhen－ya，LIU Shao－wu，et al．Study of improving the mechanical performance of high－energy nitroamine propellant［J］．Chinese Journal of Explosives and Propellants，2005，28（3）：1－3．

［6］ 魏倫，王瓊林，劉少武，等．多層發射藥的燃燒特性［J］．火炸藥學報，2009，32（6）：75－78．WEI Lun，WANG Qiong－lin，LIU Shao－wu，et al．Combustion characteristics of multilayer gun proprllant［J］．Chinese Journal of Explosives and Propellants，2009，32（6）：75－78．

［7］ 史先揚，王澤山．低溫感高能硝胺發射藥實驗研究［J］．火炸藥學報，2001，24（1）：4－6．SHI Xian－yang，WANG Ze－shan．Experiments on the low temperature sensitivity coefficient high－energy nitroamine propellant［J］．Chinese Journal of Explosives and Propellants，2001，24（1）：4－6．

［8］ 堵平，何衛東，王澤山．低溫感發射藥包覆層的力學性能［J］．火炸藥學報，2005（2）：35－38．DU Ping，HE Wei－dong，WANG Ze－shan．Mechanical performance of coating－layer of LTSC propellant［J］．Chinese Journal of Explosives and Propellants，2005（2）：35－38．

［9］ 黃金．發射藥動態力學性能檢測技術及評價方法研究［D］．南京：南京理工大學，2012．HUANG Jin．Study on the detection technology of dynamic mechanical properties of propellants and evaluation methods［D］．Nanjing：Nanjing University of Science and Technology，2012．

［10］王燕，芮筱亭，陳濤，等．發射藥床初始堆積形態對破碎程度的影響［J］．火炸藥學報，2013，36（4）：53－56．WANG Yan，RUI Xiao－ting，CHEN Tao，et al．Effect of initial packing pattern on fragmentation degree of propellant beds［J］．Chinese Journal of Explosives and Propellants，2013，36（4）：53－56．

［11］馮賓賓，芮筱亭，徐浩，等．發射過程中某硝胺發射裝藥的動態擠壓破碎情況［J］．火炸藥學報，2012，35（2）：70－73．FENG Bin－bin，RUI Xiao－ting，XU Hao，et al．Dynamic compression fracture condition of one nitroamine propellant charge during launch course［J］．Chinese Journal of Explosives and Propellants，2012，35（2）：70－73．

［12］鄭林，李生慧，魏學濤，等．硝化棉含氮量對疊氮硝胺發射藥力學性能的影響［J］．火炸藥學報，2003，26（3）：47－50．ZHENG Lin，LI Sheng－hui，WEI Xue－tao，et al．The influence of nitrogen content of nitrocellulose on the mechanical properties of the diazidonitrazapentane Propellant［J］．Chinese Journal of Explosives and Propellants，2003，26（3）：47－50．