球形疊氮硝胺發射藥工藝安全性的實驗研究

馮昌林，李小元，楊建興，張　俊，賈永杰

(1.海軍裝備研究院，北京100161；2.西安近代化學研究所，陜西西安710065)

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球形疊氮硝胺發射藥工藝安全性的實驗研究

馮昌林1，李小元1，楊建興2，張俊1，賈永杰2

(1.海軍裝備研究院，北京100161；2.西安近代化學研究所，陜西西安710065)

摘要：為研究球形疊氮硝胺發射藥的工藝安全性，采用5s爆發點、落錘式撞擊感度儀、摩擦感度儀研究了球形疊氮硝胺發射藥的熱感度、機械感度、靜電感度和沖擊波感度，并與球形制式雙基藥進行了對比。結果表明，對于球形疊氮硝胺發射藥(DAQ)：5s爆發點為228.3℃、爆炸百分數為4%、撞擊感度特性落高(H50)為14.8cm、50%發火電壓為正極 3.27kV/負極3.10kV、50%發火能量為正極1.18J/負極1.06J、沖擊波試驗隔板值37mm；對于球形制式雙基球形藥(SPQ)：5s爆發點為220.4℃、爆炸百分數為20%、撞擊感度特性落高(H50)為14.1cm、50%發火電壓為正極2.30kV/負極2.00kV、50%發火能量為正極0.68J/負極0.64J、沖擊波試驗隔板值為43mm，表明DAQ與SPQ的工藝安全性基本相當。

關鍵詞：物理化學；球形疊氮硝胺發射藥；工藝安全性；熱感度；機械感度；靜電感度

引言

1,5-二疊氮基-3-硝基-3-氮雜戊烷(DIANP)具有高能、低燃溫、燃氣相對分子質量小、產氣量大等優點[1-3]，我國將其引入發射藥配方，研制出新型高能低燒蝕疊氮硝胺發射藥[4-7]，目前已應用于榴彈發射器。由于疊氮硝胺發射藥的燃速高、燃氣生成猛度大，在底部點火的條件下膛內容易產生軸向壓力波，嚴重時可能導致低溫膛壓反常[4-6]。目前關于其燃燒性能、低溫裝藥安全性研究較多，但是關于其球形藥工藝安全性的研究報道較少。

疊氮硝胺發射藥與傳統雙基發射藥的區別是配方中用含能增塑劑1、5-二疊氮基-3-硝基氮雜戊烷(DIANP)部分或全部替代雙基發射藥中的NG，因此有必要開展球形疊氮硝胺發射藥(DAQ)工藝安全性研究。本研究測試了球形疊氮硝胺發射藥的熱感度、撞擊感度、摩擦感度、靜電感度和沖擊波感度[8-9]，并與球形雙基發射藥進行了對比，分析了其工藝安全性，以期為疊氮硝胺發射藥的安全性評價提供參考。

1實驗

1.1發射藥配方及示性數

3種發射藥的配方及能量示性數如表1所示。

表1　3種發射藥的配方及能量示性數

注:f為火藥力；Qv為爆熱；Tv為爆溫。DAQ以硝化棉(NC)為黏結劑、DIANP與硝化甘油(NG)為混合含能增塑劑；SPQ和S-17為制式雙基發射藥球形藥，以NC為黏結劑、采用NG作為單一含能增塑劑。

1.2性能測試

熱感度試驗：按GJB770B-2005 方法606.1測定熱感度值，即根據爆發延滯期與爆發溫度的關系式求出5s延滯期試樣的爆發點，藥量30mg。

撞擊感度試驗：采用經標定的p.5-10W落錘式撞擊感度儀，根據GJB770B-2005方法601.2測定，即以炸藥爆炸百分數為50%時相對應的落高(H50)。落錘質量2.5kg，藥量(35±1)mg，每組試樣25發，溫度10～35℃，相對濕度不大于70%。

摩擦感度試驗：采用MGY-1擺式摩擦感度儀，按照GJB770B-2005方法602.1測試樣品的爆炸百分數。擺角為(80±1)°，正壓力為(2.45±0.01)MPa，每發實驗藥量為(25土1)mg，每組試樣為25發。

靜電感度試驗：JGY-50型靜電火花感度儀，測量方法參照GJB/Z 736.11-90《火工品試驗方法電火工品靜電敏感度試驗》進行。充電電壓7kV，電容0.01μF，針距2.5mm，裝藥量25.0mg，溫度25℃，濕度49%。

沖擊波感度試驗：測量方法參照GJB772A-97方法605.1，用升降法測定50%發生爆轟的隔板厚度。裝藥尺寸為Φ36mm×140mm，鋼管璧厚為6mm；主發裝藥為澆注TNT/PETN(質量比50∶50)，密度為(1.58±0.02)g/cm3，帶有8號雷管孔；隔板為不同厚度的有機玻璃片，用于組合不同的隔板值；見證板為Φ70mm×35mm的45號鋼板。

2結果與討論

2.1DIANP對發射藥安全性能的影響

表2為兩種增塑劑的常規安全性數據。

表2　DIANP和NG的安全性能對比[10-13]

注：t0為超始分解溫度；tp為熱分解峰溫。

由表2可見，DIANP的最高放熱峰峰值溫度(238℃)遠高于NG(198℃)，可知前者熱安定性較好； DIANP的5s爆發點(283℃)高于NG(222℃)，說明DIANP的熱感度優于NG；DIANP的摩擦感度及撞擊感度均小于NG，說明DIANP的機械感度也優于NG。

分析認為[13]，含能化合物在外界機械作用刺激下感度的大小與其分子中含能基團的性質、數量以及分子鍵等有一定的關系。而且起爆過程取決于分子中優先斷裂的弱鍵，稱為“觸發鏈”。 在1,5-二疊氮基-3-硝基-3-氮雜戊烷(DIANP)分子中，含能基團為—N3(2個)、—N—NO2(1個)，而在丙三醇三硝酸酯(NG)分子中，其含能基團為—O—NO2(3個)，這3種基團中，其鍵能由大到小的順序為：—N3>—N—NO2>—O—NO2，由此推斷DIANP的感度低于NG，這與實測數據相一致。

研究表明[14]，DIANP對硝化棉的增塑性能優于NG，有利于發射藥的制備工藝。由DIANP/NG組成的含能增塑劑能夠形成低共溶混合物，其凝固點低于-17℃，這表明不僅能提高發射藥的綜合性能，對改善以硝化甘油為含能增塑劑的發射藥的生產安全性也是有利的[11-13]。由此可見，用DIANP替代NG、或與NG組成含能增塑劑對發射藥的安全性沒有影響。

2.2球形疊氮硝胺發射藥感度性能

2.2.1球形疊氮硝胺發射藥的熱刺激響應特性

采用5s延滯期爆發點測試3種發射藥的熱感度，DAQ、SPQ、S-17發射藥的5s爆發點溫度分別為228.3、220、231.5℃?？梢钥闯?，DAQ發射藥的熱穩定性好于SPQ發射藥，但比S-17發射藥弱。

DAQ發射藥與SPQ發射藥配方相比，溶棉比(硝化棉與增塑劑含量的質量比)相同，只是DAQ用質量分數13%DIANP部分取代NG作為含能增塑劑，可見用DIANP替代NG后能夠提高發射藥的熱穩定性，這與表2中DIANP的熱分解溫度及5s爆發點溫度高于NG的結果是一致的。與另外兩種發射藥相比，S-17發射藥中增塑劑的質量分數減少5%，硝化棉質量分數增加5%，其熱穩定性相對較好。

2.2.2球形疊氮硝胺發射藥的機械刺激響應特性

測試了3種發射藥的機械感度，結果見表3。

表3　3種發射藥的機械感度測試結果

由表3可見，SPQ發射藥和S-17發射藥的摩擦感度均高于DAQ發射藥，這與表2中NG的摩擦感度高于DIANP的結果一致。3種發射藥的撞擊感度相當，SPQ的撞擊感度稍高于另外兩種發射藥，這與NG含量稍高有關。

綜合比較，球形疊氮硝胺發射藥的機械感度與球形雙基發射藥相當，且不高于現有同類高能雙基發射藥。

2.2.3球形疊氮硝胺發射藥的靜電火花響應特性

表4為3種發射藥的靜電火花感度測試結果。

由表4可見 ，DAQ發射藥的50%發火電壓及發火能量均小于SPQ及S-17發射藥，表明球形疊氮硝胺發射藥的靜電感度低于雙基發射藥球形藥。

表4　3種發射藥的靜電火花感度測試結果

注：U為50%發火電壓；Q為50%發火能量。

王桂香等[15]研究表明，硝胺類化合物爆速和爆壓隨分子中NO2數、環數和鏈長的增大而增大，而靜電感度存在隨爆速和爆壓值增大而增大的定性趨勢。分析認為，DIANP分子中的NO2(1個)比NG分子中 NO2(3個)少，因此，與NG相比DIANP的爆速和爆壓較小，由此可以推測DIANP的靜電感度小于NG，所以球形疊氮硝胺發射藥的靜電感度小于雙基發射藥球形藥。

2.2.4球形疊氮硝胺發射藥的沖擊波響應特性

測試了3種發射藥的沖擊波感度，結果見表5。由表5可見，沖擊波感度值由大到小的順序為：SPQ>DAQ>S-17；發射藥爆熱高、火藥力高者沖擊波感度大。這可能與受試樣品的活性、裝藥總能量以及沖擊波在藥體內傳播狀態變化有關。綜合來看，球形疊氮硝胺發射藥與球形雙基發射藥的沖擊波感度基本相當。

表5　3種發射藥的沖擊波感度測試結果

注：D為球形發射藥粒徑；Δ為裝填密度；L為隔板厚度。

3結論

(1)將1、5-二疊氮基-3-硝基氮雜戊烷(DIANP)替代NG應用于發射藥中，使發射藥的熱穩定性、熱安定性、熱感度、機械感度等性能明顯提高，因此，DIANP可作為含能增塑劑用于發射藥中。

(2)球形疊氮硝胺發射藥的熱感度、機械撞擊感度、沖擊波感度與球形雙基發射藥基本相當，摩擦感度和靜電感度略低于雙基發射藥球形藥。

(3)球形疊氮硝胺發射藥的工藝安全性與球形雙基發射藥基本相當。

參考文獻：

[1]Simmons R L.Azido nitramine：US，4450110[P].1984.

[2]Frankel M B，Witucki E F，Nuys V. 1，5-Diazido-3-nitrazapentane：US，4761250[P].1988.

[3]Flanagan J E.1，5-Diazido-3-nitrazapentane and mehod of preparation thereof：US，5013856[P].1991.

[4]楊麗俠，蔣樹君，李麗，等.表面處理對疊氮硝胺發射藥起始燃燒性能的影響[J].火炸藥學報，2004，27(1)：66-67.

YANG Li-xia，JIANG Shu-jun，LI Li，et al.Influence of the surface treating of azidonitramine propellants on their initial combustion[J].Chinese Journal of Explosives and Propellants，2004，27(1)：66-67.

[5]魏學濤，卿輝，崔鵬騰，等.疊氮硝胺發射藥燃燒性能調控技術[J].火炸藥學報，2004，27(4)：46-49.

WEI Xue-tao，QING Hui，CUI Peng-teng，et al.Ajustment on the burning behaviors of the propellant containing diazidopenane[J]. Chinese Journal of Explosives and Propellants，2004，27(4)：46-49.

[6]楊建興，賈永杰，劉國權，等.DAGR125發射藥燃燒特征[J].火炸藥學報，2010，33(5)：69-71.

YANG Jian-xing，JIA Yong-jie，LIU Guo-quan，et al. Study on combustion characteristics of DAGR125 gun propellant[J]. Chinese Journal of Explosives and Propellants，2010，33(5)：69-71.

[7]楊建興，舒安民，張闊，等.疊氮硝胺發射藥內溶法成球工藝研究[J].火炸藥學報，2013，36(3)：87-90.

YANG Jian-xing，SHU An-min，ZHANG Kuo，et al. Study on the inner dissolution manufacture process for ball-grain of azidonitramine gun propellant [J]. Chinese Journal of Explosives and Propellants，2013，36(3)：87-90.

[8]張續柱.雙基火藥[M].北京：北京理工大學出版社，1997.

[9]金長榮，任務正，楊紅梅，等.火炸藥理論與實踐[M].北京：中國北方化學工業總公司，2001.

[10]姬月萍，蘭英，李普瑞，等. 1，5-二疊氮基-3-硝基氮雜戊烷的合成及表征[J].火炸藥學報，2008，31(3)：44-46.

JI Yue-ping，LAN Ying, LI Pu-rui, et al. Synthesis and characterization of 1,5-diazido-3-nitrazapentane(DIANP)[J].Chinese Journal of Explosives and Propellants，2005，28(3)：44-46.

[11]丁鋒，蘭英，汪偉，等. 1，5-二疊氮基-3-硝基-3-氮雜戊烷(DIANP)的性能及應用[C]∥2005年中國兵工學會青年學術年會暨陜西省兵工學會第八屆青年學術交流會.西安：陜西省兵工學會，2005：129-131.

[12]汪偉，丁峰，梁憶，等. DIANP純度標準物質的制備及表征[J].火炸藥學報，2010，33(5)：52-55.

WANG Wei，DING Feng， LIANG Yi， et al. Preparation and characterization of DIANP certified reference material[J].Chinese Journal of Explosives and Propellants，2010，33(5)：52-55.

[13]王建靈，姬月萍，高福磊，等. 疊氮硝胺安全性能參數的實驗測定[J].含能材料，2011，19(6)：693-696.

WANG Jian-ling，JI Yue-ping，GAO Fu-lei，et al.Experimental measurement of safety parameters of DIANP[J]. Chinese Journal of Energetic Materials，2011，19(6)：693-696.

[14]楊建興，崔鵬騰，賈永杰，等. 1，5-二疊氮基-3-硝基氮雜戊烷對硝化棉的溶塑作用[J].火炸藥學報，2011，34(2)：84-86.

YANG Jian-xing，CUI Peng-teng, JIA Yong-jie，et al. Plastication of 1,5-diazido-3-nitrazapentane on nitrocellulose[J]. Chinese Journal of Explosives and Propellants，2011，34(2)：84-86.

[15]王桂香，肖鶴鳴，居學海，等.含能材料的密度、爆速、爆壓和靜電感度的理論研究[J].化學學報，2007，65(6)：517-524.

[5]Coleman T F, Li Yu-ying. An interior trust region approach for nonlinear minimization subject to bounds [J]. SIAM Journal on Optimization, 1996, 6(2): 418-445.

Experimental Study on the Processing Safety of Spherical Azidonitramine Gun Propellant

FENG Chang-lin1， LI Xiao-yuan1，YANG Jian-xing2，ZHANG Jun1，JIA Yong-jie2

(1. Naval Academy of Armament, Beijing 100161,China; 2.Xi′an Modern Chemistry Research Institure,

Xi′an 710065,China)

Abstract:To study the processing safety of spherical azidonitramine gun propellant manufacture, the thermal sensitivity, mechanical sensitivity, electrostatic sensitivity and shock wave sensitivity of spherical azidonitramine gun propellant were studied by 5s explosion temperature test, drop hammer impact sensitivity test, friction sensitivity test and compared with the spherical traditional double-base propellant. Results show that for azidonitramine gun propellant (DAQ): 5s explosion point, 228.3℃; friction sensitivity, 4%; characteristic drop height of impact sensitivity(H50), 14.8cm; 50% firing voltage, anode 3.27kV /cathode 3.10kV; 50% firing energy, anode 1.18J/cathode 1.06J; gap value of shock wave test, 37mm. For traditional spherical double- base gun propellant (SPQ): 5s explosion point , 220.4℃; friction sensitivity, 20%, characteristic drop height of impact sensitivity(H50), 14.1cm; 50% firing voltage, anode 2.30kV /cathode 2.00kV; 50% firing energy, anode 0.68J/cathode 0.64J; gap value of shock wave test impact wave sensitivity, 43mm, indicating that the DAQ has almost the same processing safety as SPQ.

Keywords:physical chemistry; spherical azidonitramine gun propellant; processing safety; thermal sensitivity; mechanical sensitivity; electrostatic sensitivity

通訊作者:楊建興(1978-)，男，副研究員，從事發射藥技術研究。

作者簡介:馮昌林(1983-)，男，工程師，博士，從事艦炮彈藥論證與研究。

基金項目:國家重大基礎研究項目

收稿日期:2015-05-26；修回日期:2015-07-20

中圖分類號：TJ55; X93

文獻標志碼：A

文章編號：1007-7812(2015)05-0095-04

DOI：10.14077/j.issn.1007-7812.2015.05.020