疊氮類熱塑性彈性體對模壓可燃藥筒燃燒性能的影響

田書春，胡義文，袁小麗，肖樂勤，李忠山，高文歡，周曉紅

(1.西安北方惠安化學工業有限公司，陜西 西安 710302; 2.南京理工大學化工學院，江蘇 南京 210094)

引 言

模壓可燃藥筒作為發射裝藥的容器及配套附件，在射擊后可自行消失，給勤務使用帶來方便，更能提供發射過程的部分能量，一定程度上改善火炮的彈道性能[1]。目前，可燃藥筒在主戰坦克穿甲彈等多個彈種及大口徑火炮模塊裝藥中的應用日益廣泛[2-3]。

隨著對武器威力、射程等要求的不斷提高，彈藥系統不可避免地需要增加裝藥量來提高彈丸初速，從而導致武器裝備面臨高膛壓的嚴峻考驗[4-6]。作為裝藥的一個重要部件，可燃藥筒在發射過程中參與主裝藥的共同燃燒，如果可燃藥筒初始燃速過高，將引起裝藥膛壓進一步增大，膛內壓力波過大等問題，給彈丸發射和內彈道性能帶來不利影響[7-8]。因此，在滿足可燃藥筒力學強度和燃燒潔凈性的要求下，應盡可能降低可燃藥筒的初始燃速，配合發射裝藥達到降低膛壓的目的。

目前，以模壓一次成型工藝制備的可燃藥筒，其多孔結構的設計能夠滿足燃燒完全性的要求，并呈現出滲透性燃燒的特點，不同于一般火藥的幾何燃燒規律。該型藥筒的初始燃燒活度較高，并呈現減面燃燒。對其進行表面涂覆處理，可有效降低其燃速，控制可燃藥筒燃氣釋放速率，同時也能改善藥筒耐潮、耐熱性能[9-10]。此外，疊氮類熱塑性彈性體具有生成熱高、爆溫低、易損性低、可綠色制造等優勢，是未來發射藥研究的重要方向之一[11]。與傳統無機涂覆材料相比，其疏水的有機結構可以改善可燃藥筒的耐潮、耐熱等性能。

本研究采用疊氮類熱塑性彈性體BAMO/AMMO和BAMO/GAP分別對模壓可燃藥筒進行表面涂覆，得到BAMO/AMMO和BAMO/GAP處理藥筒；通過密閉爆發器試驗及抗拉強度試驗，研究了兩種疊氮熱塑性彈性體對可燃藥筒燃燒性能及力學性能的影響。

1 實 驗

1.1 原 料

2號硝化棉(氮質量分數12.0%)、硫酸鹽木漿紙(α-纖維素的質量分數大于95%)、聚醋酸乙烯酯纖維(固體質量分數大于48%)、二苯胺，西安北方惠安化學工業有限公司。

1.2 試樣制備

采用模壓一次成型工藝制備可燃藥筒基體。將BAMO/AMMO含能熱塑性彈性體溶于乙酸乙酯中，配成質量分數為20%的溶液。然后再通過表面處理工藝，將溶液涂覆在可燃藥筒基體內外表面，涂層質量控制在(100±5) g/m2。此后將制品置于抽真空后的烘箱中干燥6 h，溫度為(60±5)℃，然后室溫晾置5 d后即得到BAMO/AMMO處理可燃藥筒，如圖1所示。同樣方法得到BAMO/GAP處理藥筒。

圖1 疊氮類熱塑性彈性體涂覆處理可燃藥筒示意圖Fig.1 Illustration of azido thermoplastic elastomer coated molded combustible cartridge cases

1.3 性能測試

采用密閉爆發器分別對可燃藥筒基體、BAMO/AMMO及BAMO/GAP處理藥筒進行定容燃燒性能試驗。密閉爆發器體積為700mL，點火藥為2號硝化棉，裝填密度為0.2g/cm3，試驗溫度為常溫(25±2)℃，高溫(50±2)℃及低溫(-40±2)℃。其中烘前殘渣質量為密閉爆發器實驗后收集本體內的殘渣質量。然后將殘渣放入烘箱60℃下進行烘干處理，不揮發殘渣的質量即為烘后殘渣質量，揮發份含量為殘渣中可揮發物質的質量分數。

從可燃藥筒樣品中部位置切取120mm圓環，按GJB5472.1-2005方法裁剪成啞鈴狀，進行抗拉強度測試，測試溫度為(25±2)℃，拉伸速率為10mm/min。用試樣破壞時的拉力值計算抗拉強度，測試方法依據GJB5472.3-2005方法，每個試樣測試3次求平均值。

2 結果與討論

2.1 可燃藥筒的常溫燃燒特性

藥筒基體、BAMO/AMMO處理藥筒和BAMO/GAP處理藥筒的常溫燃燒性能p-t曲線、dp/dt-B曲線和Lcp-B曲線見圖2。

圖2 可燃藥筒常溫密閉爆發器燃燒結果曲線Fig.2 Curves describing the combustion results of combustible cartridge cases at normal temperature by closed-bomb test

由圖2(a)可知，表面涂覆處理后的兩個藥筒試樣燃燒速度降低，最大壓強下降，燃燒結束時間延長。圖2(b)中dp/dt-B曲線反應了燃氣生成速率，由于可燃藥筒結構多孔，燃面較大，初期的燃氣生成速率迅速增加，達到最大值后又迅速降低，表現出漸減性燃燒特點。圖2(c)反應了可燃藥筒的動態活性，B<0.05時，Lcp值強烈波動且數值較大，為點火藥燃燒所致。此后3個藥筒的Lcp曲線趨于平緩，數值達到最大值并保持基本穩定，說明3個可燃藥筒主體燃燒階段燃燒穩定。藥筒基體、BAMO/AMMO處理藥筒和BAMO/GAP處理藥筒的常溫燃燒性能見表1。從表1中常溫燃燒性能可知，與未處理可燃藥筒相比，經BAMO/AMMO處理藥筒和BAMO/GAP處理藥筒火藥力分別降低2.3%和1.1%，燃燒結束時間分別延長134%和22%，最大壓力梯度dp/dt分別降低52.3%和5.1%。此外BAMO/AMMO處理藥筒燃氣平均活度5.05，明顯低于其他兩個藥筒試樣。結果表明，對可燃藥筒進行表面涂覆處理，常溫燃燒過程依然穩定，火藥力和最大壓力略微降低，顯著延長燃燒結束時間，延緩燃氣壓力上升速率。其中BAMO/GAP表面涂覆處理對可燃藥筒常溫燃燒性能影響較小，而BAMO/AMMO可燃藥筒基體燃燒規律的改變較為明顯，明顯降低常溫燃氣釋放速率和平均活度，有助于常溫初始燃速的降低。

2.2 可燃藥筒高溫燃燒特性

圖3分別給出了藥筒基體、BAMO/AMMO處理藥筒和BAMO/GAP處理藥筒的高溫燃燒性能p-t曲線、dp/dt-B曲線和Lcp-B曲線，高溫燃燒性能數值結果見表1。

表1 可燃藥筒密閉爆發器試驗結果Table 1 The closed-bomb test results of combustible cartridge cases

注:f為火藥力;pmax為最大壓力;tmax為最大燃燒時間。

圖3 可燃藥筒高溫密閉爆發器燃燒性能曲線Fig.3 Curves describing the combustion performance of combustible cartridge cases at high temperature by closed-bomb test

由圖3(a)可見，BAMO/AMMO處理藥筒和BAMO/GAP處理藥筒的高溫燃燒性能p-t曲線較為接近，但BAMO/GAP處理藥筒燃燒持續時間更長。由表1可知，相對于未處理藥筒基體，BAMO/AMMO處理藥筒和BAMO/GAP處理藥筒的高溫火藥力分別下降0.8%和0.4%，燃燒時間分別延長31%和81%，最大壓力梯度dp/dt分別降低12.1%和27.7%，平均活度分別降低13.6%和23.8%。結果表明，熱塑性彈性體BAMO/AMMO和BAMO/GAP表面處理可燃藥筒基體，在高溫條件下對火藥力影響較小，均可延長燃燒結束時間、降低最大壓力梯度，減小燃氣平均活度，有助于高溫初始燃速降低。

2.3 可燃藥筒低溫燃燒特性

未處理藥筒基體、BAMO/AMMO處理藥筒和BAMO/GAP處理藥筒的低溫燃燒p-t曲線、dp/dt-B曲線和Lcp-B曲線見圖4，其燃燒性能數值列于表1。

圖4 可燃藥筒低溫密閉爆發器燃燒性能曲線Fig.4 Curves describing the combustion performance of combustible cartridge cases at low temperature by closed-bomb test

由圖4(a)可見， BAMO/AMMO處理藥筒和BAMO/GAP處理藥筒的低溫p-t曲線差異仍然較小。對比低溫p-t曲線，BAMO/GAP處理藥筒燃燒持續時間明顯縮短。從表1可知，相對于未處理藥筒基體，BAMO/AMMO處理藥筒和BAMO/GAP處理藥筒的低溫火藥力分別下降1.2%和0.5%，燃燒結束時間分別延長65%和34%，最大壓力梯度dp/dt分別降低45.8%和7.0%，平均活度分別降低42.5%和17.9%。這說明熱塑性彈性體BAMO/AMMO和BAMO/GAP對可燃藥筒進行表面處理，在低溫條件下其火藥力下降較小，燃燒結束點時間明顯延長，燃燒強度和初始燃速降低。此外，與BAMO/GAP處理藥筒對比，BAMO/AMMO處理藥筒的最大壓力梯度及燃氣平均活度下降幅度更明顯。

2.4 可燃藥筒燃燒殘渣質量分析

表2為可燃藥筒定容燃燒后殘渣的質量。

表2 可燃藥筒燃燒后的殘渣質量Table 2 Residual mass after the combustion of combustible cartridge cases

由表2可知，常溫下，藥筒基體、BAMO/AMMO處理藥筒和BAMO/GAP處理藥筒的殘渣質量分別為3.94、3.12和2.92g。與未處理藥筒基體相比，烘干后BAMO/AMMO處理藥筒和BAMO/GAP處理藥筒不揮發性殘渣質量分別減少20.9%和25.9%。這說明常溫條件下BAMO/AMMO和BAMO/GAP表面處理可燃藥筒可使不揮發性殘渣質量有效減少。而高、低溫條件下，藥筒基體、BAMO/AMMO處理藥筒和BAMO/GAP處理藥筒的殘渣質量未發生明顯變化。

2.5 常溫力學性能分析

對模壓藥筒基體和BAMO/AMMO處理藥筒、BAMO/GAP處理藥筒分別進行力學性能測試，其結果見表3。

表3 可燃藥筒力學性能測試結果Table 3 The mechanical properties of combustible cartridge cases

注:σm為拉伸強度;εb為延伸率。

由表3可知，對比未涂覆處理的藥筒，采用BAMO/AMMO和BAMO/GAP表面處理后的可燃藥筒抗拉強度分別降低6.3%和4.0%。此外，涂覆處理后藥筒的延伸率相對于未處理藥筒也有一定程度的下降。這可能是因為表面處理過程中乙酸乙酯破壞了可燃藥筒的內部纖維結構，導致硝化纖維素和木質纖維素自身強度減小，影響藥筒力學性能。總之，采用BAMO/AMMO和BAMO/GAP對可燃藥筒進行表面涂覆處理引起藥筒力學性能略微下降，但能滿足使用要求。

3 結 論

(1)常溫定容燃燒性能中， 與未處理藥筒相比，BAMO/AMMO處理藥筒和BAMO/GAP處理藥筒燃燒時間分別延長134%和22%，最大壓力梯度dp/dt分別降低52.3%和5.1%。高溫下燃燒時間分別延長31%和81%，最大壓力梯度dp/dt分別降低12.1%和27.7%。低溫下燃燒時間分別延長65%和34%，最大壓力梯度dp/dt分別降低45.8%和7.0%。熱塑性彈性體BAMO/AMMO和BAMO/GAP對可燃藥筒進行表面涂覆處理可明顯延長藥筒在高溫、常溫和低溫下的燃燒時間，降低最大壓力梯度，有助于燃速降低，但也引起火藥力略微下降。

(2)熱塑性彈性體BAMO/AMMO和BAMO/GAP表面處理可燃藥筒，常溫下燃燒后殘渣質量明顯減少，高、低溫燃燒后殘渣質量變化較小。

(3)常溫下，未處理藥筒、BAMO/AMMO處理藥筒和BAMO/GAP處理藥筒的抗拉強度分別為27.56、25.82和26.46MPa，采用BAMO/AMMO和BAMO/GAP表面涂覆處理后，可燃藥筒力學性能略微下降。

參考文獻:

[1] 白漢德. 可燃藥筒的發展[J]. 兵器知識，1996(6)：7-8.

BAI Han-de. The development of combustible cartridge case [J]. Ordnance Knowledge, 1999(6): 7-8.

[2] 李煜. 纖維改性可燃藥筒的制備與性能研究[D]. 南京：南京理工大學，2010.

LI Yu. Preparation and properties of modificated combustible cartridge cases by fibers [D]. Nanjing: Nanjing University of Science and Technology, 2010.

[3] Kurulkar G R, Syal R K, Singh H. Combustible cartridge case formulation and evalution [J]. Journal of Energetic Materials, 1996, 14(2): 126-149.

[4] 李煜，郭德惠，趙成文，等. 新型含能纖維可燃藥筒性能研究[J]. 含能材料，2009，17(3)：334-338.

LI Yu, GUO De-hui, ZHAO Cheng-wen, et al. Characterization of combustible cartridge cases enhanced by novel energetic fibers [J]. Chinese Journal of Energetic Materials, 2009, 17(3): 334-338.

[5] 鄒偉偉，郝曉琴，張志勇，等. 小口徑模壓可燃藥筒的結構與性能[J]. 火炸藥學報，2015，38(4)：80-85.

ZOU Wei-wei, HAO Xiao-qin, ZHANG Zhi-yong, et al. Structure and performance of small-bored molded combustible cartridge case [J]. Chinese Journal of Explosives & Propellants (Huozhayao Xuebao), 2015, 38(4): 80-85.

[6] 鄒偉偉，郝曉琴，張志勇，等. 小孔徑可燃藥筒及裝藥的燃燒性能研究[J]. 兵工學報，2015，36(8)：1423-1429.

ZOU Wei-wei, HAO Xiao-qin, ZHANG Zhi-yong, et al. Research on combustion performance of small-bore molded combustible cartridge case and charge[J]. Acta Armamentarii, 2015, 36(8): 1423-1429.

[7] 裔璐，堵平，劉瓊. 一種新型可燃藥盒的特性研究[J]. 含能材料，2016，24(10)：990-994.

YI Lu, DU Ping, LIU Qiong. Characteristis of a kind of new combustible cartridge case[J]. Chinese Journal of Energetic Materials, 2016, 24(10): 990-994.

[8] XIAO L Q, ZHOU W W, LI Y, et al. Fractal dimension of pore structure of combustible cartridge cases [J]. Journal of China ordnance, 2012, 32(2): 109-113.

[9] 張兆鈞，徐文娟，張會生. 三種可燃藥筒燃燒特性分析[J]. 兵工學報，1996，17(1)：26-31.

ZHANG Zhao-jun, XU Wen-juan, ZHANG Hui-sheng. Analysis on the burning properties of three kinds of combustible cartridges [J]. Acta Armamentarii, 1996, 17(1): 26-31.

[10] 李煜，趙成文，郭德惠，等. 可燃藥筒的定容燃燒特性[J].火炸藥學報，2009，32(4)：75-79.

LI Yu, ZHAO Cheng-wen, GUO De-hui, et al. Constant-volume combustion properties of combustible cartridge case [J]. Chinese Journal of Explosives & Propellants(Huozhayao Xuebao), 2009, 32(4): 75-79.

[11] 鄭林. 國外熱塑性彈性體發射藥的發展概況[J]. 火炸藥學報，2007,30(6)：64-67.

ZHENG Lin. Progress in the thermoplastic elastomer propellant at abroad [J]. Chinese Journal of Explosives & Propellants (Huozhayao Xuebao), 2007, 30(6): 64-67.