鉀鹽對發射藥靜態燃燒煙焰性能的影響

何昌輝，王瓊林，魏 倫，劉少武，張遠波，劉 波，韓 冰

(西安近代化學研究所，陜西 西安 710065)

鉀鹽對發射藥靜態燃燒煙焰性能的影響

何昌輝，王瓊林，魏 倫，劉少武，張遠波，劉 波，韓 冰

(西安近代化學研究所，陜西 西安 710065)

為研究鉀鹽對發射藥靜態燃燒煙焰性能的影響，以含鉀鹽的發射藥樣品為對象，采用單幅放大彩色攝影法、微熱電偶測溫法以及雙光路透射率系統，研究了硫酸鉀(K2SO4)、硝酸鉀(KNO3)、新型有機鉀鹽(DK、HK、LK、JK和PK)等對發射藥燃燒時的火焰形貌、火焰峰溫、煙霧可見光透光率的影響。結果表明，無機鉀鹽K2SO4對發射藥靜態燃燒火焰大小和峰溫的抑制效果最好，但會使發射藥靜態燃燒時的煙霧可見光透過率大大降低；高氧含量的新型有機鉀鹽DK、HK及LK對發射藥靜態燃燒火焰大小和峰溫有較好的抑制效果，并且含新型有機鉀鹽的發射藥靜態燃燒時的煙霧可見光透過率較高，3種含高氧含量鉀鹽(LK、DK和HK)的發射藥的煙霧可見光透過率均大于50%；鉀鹽的粒徑從104μm 減小到5μm 時，消焰效果得到提高，但煙霧可見光透過率的變化規律并不一致。

發射藥；鉀鹽；火焰形貌；火焰峰溫；煙霧可見光透過率；靜態燃燒

引 言

為改善身管武器的內彈道性能，具有燃燒漸增性能強、溫度系數低、燒蝕性小等優良性能的鈍感發射藥得到廣泛應用[1-4]。但由于鈍感劑等功能材料的加入，影響了鈍感發射藥的點傳火性能，易引起嚴重的發射煙焰[3-4]。煙焰問題不僅容易暴露己方陣地、影響士兵健康和作戰能力、影響對目標跟蹤和精確打擊，甚至會造成武器無法正常使用。為抑制膛口火焰，通常在發射裝藥中添加硫酸鉀、硝酸鉀等無機鉀鹽消焰劑。但是隨著身管武器和發射藥的不斷發展，傳統所用的無機鉀鹽存在吸濕性強、膛口煙霧大的問題，難以滿足高性能身管武器的需求。

基于上述情況，近年來國內外研究者開始研發新型高效低煙有機鉀鹽消焰劑，如劉波、陳斌等[5-6]研究了新型有機鉀鹽的含量、添加方式等對槍口煙焰的影響。吉麗坤等[7]研究了具有吸濕性小、高氮含量的高分子消焰劑。結果表明，與常用的硫酸鉀、硝酸鉀等無機消焰劑相比，新型有機鉀鹽具有常溫下不吸濕、消焰效果好、燃燒產生的煙霧少等優點。但是關于新型有機鉀鹽對發射藥燃燒時煙焰影響的研究相對較少，因此有必要做進一步的分析研究。

本研究以含有機和無機鉀鹽的發射藥樣品為對象，以四視窗燃燒室和靜態煙室為測試平臺，研究了壓力、鉀鹽種類、鉀鹽粒度對火焰形貌、火焰峰溫及煙霧可見光透過率的影響，為新型有機鉀鹽在發射藥中的應用奠定基礎。

1 實 驗

1.1 材 料

丙酮、乙醇、粒徑為104μm硫酸鉀和硝酸鉀，均為分析純，國藥集團化學試劑廠；粒徑均為104μm的二羥基乙二肟鉀(DK)、二元酸鉀(HK)、一元酸鉀(LK)、偶氮四唑鉀(PK)、二元酸鉀鈉(JK)；粒徑均為5μm的微納米硫酸鉀、微納米硝酸鉀、微納米LK，均為分析純，西安近代化學研究所；雙基藥片(DB)、聚酯鈍感劑(NA)，西安近代化學研究所。

1.2 樣品的制備

發射藥樣品配方(質量分數)為：雙基藥(DB)65%、聚酯鈍感劑(NA)17%和鉀鹽18%。不同鉀鹽中的鉀含量和氧含量如表1所示。

表1 鉀鹽中的鉀含量和氧含量Table 1 The potassium content and oxygen content of potassium salts

制樣工藝為:將雙基藥片、聚酯鈍感劑、鉀鹽用丙酮和乙醇溶解并混合均勻，加熱，連續攪拌使其溶劑揮發后成膠體狀，最后通過反復壓延充分混合，一部分制成粒狀(7孔)樣品用于火焰形貌測試，另一部分制成Ф5mm×20mm的藥條用于火焰峰溫和煙霧可見光透過率測試。

1.3 性能測試

1.3.1 火焰形貌測試

將制成的粒狀發射藥樣品垂直放在點火支架上，然后把點火架放入四視窗燃燒室內，充氮氣使燃燒室內達到預定壓強。采用20V直流電源做點火源，用Ф0.15mm鎳鉻合金絲從樣品上端點燃，啟動照相機拍照，即可得到發射藥穩態燃燒時的火焰形貌。

1.3.2 火焰峰溫測試

采用埋設微熱電偶的方法，將“П”形帶狀(70μm寬，5μm厚)雙鎢錸微熱偶埋設在發射藥試樣(Ф5mm×20mm)中間，然后置于四視窗燃燒室中，充氮氣加壓至設定壓強，采用20V直流電源點火，記錄熱電偶輸出的電信號，通過換算即可得到發射藥樣品穩態燃燒時的火焰峰溫(TP)。

1.3.3 煙霧可見光透過率測試

以靜態燃燒室為實驗平臺，在3MPa氮氣壓強下，通過雙光路煙霧透射率系統對發射藥樣品燃燒煙霧的可見光透過率(η)進行測試。

2 結果與分析

2.1 火焰形貌

2.1.1 鉀鹽種類對火焰形貌的影響

7MPa壓強下，含不同種類鉀鹽的發射藥樣品燃燒時的火焰照片如圖1所示。

由表1和圖1可以看出，在7MPa壓強下，靜態燃燒火焰面積和亮度大小為：KNO3>PK>DK>HK>LK>K2SO4；對于無機鉀鹽，鉀含量高的K2SO4的火焰面積和亮度最小，其消焰效果最好，而含KNO3的發射藥樣品的火焰面積和亮度最大；對于有機鉀鹽，隨著鉀鹽中氧含量的升高，發射藥樣品的靜態燃燒火焰面積和亮度逐漸變小。

由消焰劑的消焰機理[8-10]可知，其消除火焰關鍵在于形成高濃度的KOH以終止鏈式反應。KNO3的鉀含量和氧含量都比較高，但是由于其在低壓下易升華，僅有少部分可分解生成KOH，所以其燃燒時火焰明亮；在4種有機鉀鹽中雖然PK的鉀含量最高，但是其不含氧，在燃燒時自身不產生OH自由基，所以其燃燒時火焰明亮，消焰效果差。因此鉀鹽中有效鉀含量和氧含量越高，其在燃燒時就會產生更多的K+和OH自由基，兩者結合成KOH，就會更好地阻止鏈式反應，有利于抑制火焰。

2.1.2 鉀鹽粒度對火焰形貌的影響

7MPa壓強下，含粒徑為5、 104μm的KNO3和LK的發射藥樣品燃燒時的火焰照片如圖2所示。

從圖2中可以看到，含粒徑為104μm的KNO3和LK的發射藥樣品的火焰更明亮，火焰面積更大；而含5μm鉀鹽的發射藥樣品的火焰有許多鏈狀亮點且分布致密均勻。這說明消焰劑粒度減小后，其在發射藥樣品中分布更為分散均勻，在燃燒時分解程度更完全，會產生更多的鉀離子和OH自由基，起到抑制火焰的作用。因此小粒度的鉀鹽更有利于抑制火焰。

2.1.3 壓強對火焰形貌的影響

在不同壓強下，含LK和JK的發射藥樣品的火焰形貌照片如圖3所示。

由圖3可以看出，隨著壓強的升高，含相同鉀鹽的發射藥樣品燃燒火焰越明亮，火焰面積越大。這是因為壓強增大，暗區厚度大大減小，氣相火焰區離燃燒表面的距離減小，使氣相反應區向燃燒表面的熱反饋增加，發射藥的燃燒分解速度增加，放熱更快，火焰更加明亮，火焰面積更大。

2.2 火焰峰溫

5MPa壓強下，含相同粒度、不同鉀鹽的發射藥樣品的靜態燃燒火焰峰溫測試結果如表2所示。

表2 含不同鉀鹽的發射藥樣品的靜態燃燒 火焰峰溫測試結果Table 2 Test results of static combustion flame peak temperature of gun propellant samples with different potassium salts

從表2可以看出，鉀鹽對火焰峰溫的抑制程度由強到弱的順序為：K2SO4>LK>PK>HK>DK。這可能是因為火焰的峰溫與鉀鹽燃燒分解時的吸熱能力有關，如無機鉀鹽K2SO4燃燒分解時吸熱能力大，使其火焰峰溫最低；PK具有高氮低碳無氧的結構，燃燒分解時吸熱能力較大，使其火焰峰溫相對較小。

5MPa壓強下，含不同粒度、不同鉀鹽的發射藥樣品的靜態燃燒火焰峰溫測試結果如表3所示。

表3 不同粒度的發射藥樣品的靜態燃燒火焰 峰溫測試結果Table 3 Test results of static combustion flame peak temperature of gun propellant samples with different particle sizes

從表3可以看出，當消焰劑粒度減小時，火焰峰溫略微降低。由鉀鹽粒度對火焰形貌的影響可知，減小消焰劑粒度，對火焰有更好的抑制作用，也抑制了峰溫的升高。

2.3 煙霧的可見光透光率

2.3.1 鉀鹽種類對煙霧可見光透光率的影響

鉀鹽粒徑為104μm的發射藥樣品的靜態燃燒煙霧可見光透過率(η)如表4所示。

表4 含不同鉀鹽的發射藥樣品的靜態燃燒 煙霧可見光透過率Table 4 Visible light transmission of static combustion smoke of gun propellant samples with different potassium salts

從表4可以看出，LK可見光透過率最高，達61.9%；K2SO4可見光透過率最低，為9.5%。分析原因如下：(1)無機鉀鹽鉀離子含量較高(質量分數均達到35%以上)，使得燃燒分解生成的金屬氧化物殘渣量較大；(2)K2SO4燃燒分解溫度較高，導致測試過程中其分解不充分，進一步增大了燃燒殘渣量。相對K2SO4而言，有機鉀鹽金屬離子含量相對較低(大部分質量分數介于20%～30%)，熱分解溫度較低，燃燒更充分，煙霧生成量較小，可見光透過率較高。

對比發現，4種有機鉀鹽中，LK、DK和HK的可見光透過率均大于50%，而PK可見光透過率相對較低。分析認為，前3種有機鉀鹽氧含量較高(質量分數大于40%)，有助于發射藥充分燃燒，減少了微小固體碳顆粒生成量，因此煙霧生成量較小，可見光透過率較高。

2.3.2 鉀鹽粒度對煙霧可見光透光率的影響

含不同粒度鉀鹽發射藥樣品的靜態燃燒煙霧可見光透過率(η)如表5所示。

表5 不同粒度鉀鹽發射藥樣品的靜態燃燒 煙霧可見光透過率Table 5 Visible light transmission of static combustion smoke of gun propellant samples with different particle sizes

由表5可以看出，含104μm LK的發射藥樣品的可見光透過率最大，含5μm K2SO4的發射藥樣品可見光透過率最小。當LK和K2SO4粒徑由104μm減小為5μm時，燃燒煙霧的可見光透過率降低。而KNO3的試驗結果則相反，當粒徑由104μm減小為5μm時，煙霧的可見光透過率增加。這種相反的變化規律，與光源-固體顆粒的相互作用有關。可能的原因如下：

對于K2SO4，隨著顆粒粒度減小，顆粒數量增加、顆粒尺寸更接近可見光波長，而其熱分解溫度高，燃燒過程中顆粒外表僅少量分解，造成煙霧可見光透過率下降。

對于KNO3，隨著顆粒粒度減小，顆粒數量增加、顆粒尺寸更接近可見光波長，但由于其熱分解溫度低，5μm的小顆粒相對于104μm的大顆粒在燃燒過程中分解更完全，顆粒容易熔融、分解，只留下少量分解殘渣，且殘渣顆粒尺寸遠小于光源波長，造成煙霧可見光透過率增大。

對于有機鉀鹽LK，隨著顆粒粒度減小，顆粒數量增加、顆粒尺寸更接近可見光波長，雖然其熱分解溫度比較低，但有效氧含量低于硫酸鉀和硝酸鉀，燃燒不充分，殘渣顆粒數量多，且顆粒尺寸更接近光源波長，造成煙霧可見光透過率下降。

3 結 論

(1)無機鉀鹽K2SO4對發射藥靜態燃燒火焰的抑制效果最好，但是會使發射藥靜態燃燒時的煙霧可見光透光率大大降低，加重了煙霧的生成。

(2)高含氧量的有機鉀鹽對發射藥靜態燃燒火焰有較好的抑制效果，并且含有機鉀鹽發射藥靜態燃燒時的煙霧可見光透過率較高，3種高氧含量鉀鹽(LK、DK、PK)的可見光透過率均大于50%。

(3)鉀鹽的粒徑從104μm 減小到5μm 時，消焰效果得到提高，但是不同種類鉀鹽煙霧的可見光透光率的變化規律并不一致。

(4)綜合消焰效果和煙霧的大小來看，建議未來設計高效低煙霧消焰劑的方向為：具有較高的鉀含量、氧含量，并且具有較強的吸熱性。

[1] 王澤山, 何衛東, 徐復銘.火炮發射藥及裝藥設計原理與技術[M]. 北京: 北京理工大學出版社, 2014.

[2] 任務正, 王澤山.火炸藥理論與實踐[M]. 北京: 中國北方化學工業總公司, 2001.

[3] 王瓊林, 劉少武, 吳建軍.鈍感劑對發射藥槍口煙霧特性影響的研究[J]. 火炸藥學報, 1998, 21(3): 17-19. WANG Qiong-lin, LIU Shao-wu, WU Jian-jun.Study on effect of deterrents on gun muzzle smoke[J]. Chinese Journal of Explosives & Propellants(Huozhayao Xuebao), 1998, 21(3): 17-19.

[4] 王瓊林, 劉少武, 譚惠民, 等.具有潔凈燃燒特征的高分子鈍感槍藥[J]. 火炸藥學報, 2003, 26(4): 5-7. WANG Qiong-lin, LIU Shao-wu, TAN Hui-min, et al. Study on the clear-burning gun propellant [J]. Chinese Journal of Explosives & Propellants(Huozhayao Xuebao), 2003, 26(4): 5-7.

[5] 劉波, 鄭雙, 劉少武,等.消焰劑降低槍口火焰的研究[J]. 含能材料, 2012, 20(1): 80-82. LIU Bo, ZHENG Shuang, LIU Shao-wu, et al. Research of reducing the muzzle flame by flame inhibitor[J]. Chinese Journal of Energetic Materials, 2012, 20(1): 80-82.

[6] 陳斌, 王瓊林, 姬月萍, 等. 偶氮四唑鉀的合成表征及其對槍口煙焰的抑制[J]. 含能材料, 2014, 22(4): 478-481. CHEN Bin, WANG Qiong-lin, JI Yue-ping, et al. Synthesis and characterization of cotassium 5, 5′-azotetrazolate and its effect on reducing muzzle flame and smoke[J]. Chinese Journal of Energetic Materials, 2014, 22(4): 478-481.

[7] 吉麗坤, 張麗華. 高分子消焰劑聚(N-丙烯酰基-甘氨酸鉀)的合成及表征[J].化學推進劑與高分子材料, 2010, 8 (3): 46-48. Jl Li-kun, ZHANG Li-hua. Synthesis and characteristics of poly(Potassium N-Acryloyl-Giycinate) as macro molecular flame inhibitor[J]. Chemical Propellants & Polymeric Materials, 2010, 8(3): 46-48.

[8] Friedman R, Levy J B. Inhibition of opposed-jet methane-air diffusion flames. The effects of alkali metal vapours and orgenic halides [J].Combustion and Flame, 1977(7): 195-201.

[9] McHale E T. Flame inhibition by potassiume compounds [J].Combustion and Flame, 1975, (7): 277-279.

[10] Cohen A, Decker L. Chemical mechanism for secondary flash suppression[C]∥18th Symposium(international) on Combustion. Pittaburgh:The Combustion Institute,1981,23: 225-231.

Effect of Potassium Salts on the Smoke and Flame Characteristics during Static Combustion of Gun Propellant

HE Chang-hui, WANG Qiong-lin, WEI Lun, LIU Shao-wu, ZHANG Yuan-bo, LIU Bo, HAN Bing

(Xi′an Modern Chemistry Research Institute, Xi′an 710065, China)

To study the effect of potassium salts on the smoke and flame characteristics during static combustion of gun propellant, taking the gun propellant samples containing potassium salt as the object, the effects of potassium sulfate, potassium nitrate, new organic potassium salts (DK,HK,LK,JK and PK)on the flame morphology, flame peak temperature and the visible light transmittance of smoke during gun propellant combustion were researched by using single amplification photography, micro thermocouple temperature measurement method and double light path transmission system. The results show that the inorganic potassium salt K2SO4has the best inhibition effect on the size and peak temperature of flame for the static combustion of gun propellant, but it can make the visible light transmittance of smoke greatly reduce for the static combustion of gun propellant. The organic potassium salts DK, HK and LK with high oxygen content have better inhibition effect on the size and peak temperature of flame for the static combustion of gun propellant. Besides, the visible light transmittance of smoke for the static combustion of propellant containing organic potassium salt is relatively high. The visible light transmittance of smoke for three kinds of the propellant containing organic potassium salt with high oxygen content (LK,DK and HK) is greater than 50%.When the particle size of the potassium salts is reduced from 104μm to 5μm, the antiflash effect is improved, but the change of the visible light transmittance of smoke is not consistent.

gun propellant; potassium salts; flame morphology; flame peak temperature; smoke visible light transmittance;static combustion

10.14077/j.issn.1007-7812.2017.03.020

2016-11-23；

2017-05-04

陸軍預先研究項目(No. 301110104)

何昌輝(1988-)，男，碩士研究生，從事發射藥技術研究。E-mail:hechanghui1989@163.com

王瓊林(1966-)，男，博士，博導，研究員，從事發射藥及裝藥技術研究。E-mail:wangqionglin369@126.com

TJ55;TQ562

A

1007-7812(2017)03-0102-05