RDX粒度對改性單基藥燃燒性能及力學性能的影響

王 奧，王彬彬，徐 濱，廖 昕

(南京理工大學化工學院，江蘇 南京210094)

引 言

以硝化棉為主要組分的單基發射藥因力學性能好、燃燒穩定性高、燒蝕性低，被廣泛應用于小口徑槍炮武器系統中[1]。但這類發射藥能量較低，用于武器中彈丸威力小，難以滿足身管武器高射速、遠射程、大威力的發展要求[2-3]。因此，提高單基發射藥能量性能，且保持其優良力學性能和燃燒穩定性，是單基藥改性研究的一個重要方向。RDX作為一種高能炸藥，將其添加到發射藥中，可以顯著提高發射藥的能量[4-5]。然而，引入RDX對發射藥燃燒性能產生重要影響，尤其是含RDX發射藥燃速-壓力曲線轉折和壓力指數大于1的問題影響發射藥的燃燒穩定性。

Pillai.A.G.S等[6]研究了RDX粒度對硝胺發射藥燃速和壓力指數的影響，發現隨著RDX粒度的增大，燃速和平均壓力指數隨之增大；楊建興[7]利用密閉爆發器試驗研究了含RDX疊氮硝胺發射藥的燃燒性能，結果表明，在40～120MPa范圍內燃速壓力指數隨壓力升高而增大，在120～260MPa范圍內燃速壓力指數隨壓力升高而降低。與此同時，RDX作為固體填料添加到發射藥中，發射藥的結構由均相轉變成非均相，在受力過程中易發生固體顆粒與黏結劑界面間的“脫濕”現象，影響其力學性能[8-9]；張遠波等[10]研究了NC基高能低敏感發射藥的低溫抗沖擊強度，發現降低RDX與FOX-7的粒度，能夠提高其力學性能；劉佳等[11]通過界面黏附能測算，發現RDX與黏結劑的界面能是控制非均質發射藥力學性能的主要參數。因此研究RDX粒度對單基發射藥燃燒及力學性能的影響十分必要。

本研究制備了含不同粒徑(0.5、7.6和100μm)RDX的改性單基藥，研究了RDX粒度對改性單基藥燃燒及力學性能的影響，并分析了其破壞機理，以期為單基藥改性提供一種新途徑。

1 實 驗

1.1 試劑與儀器

A級硝化棉(NC)(含氮質量分數12.6% )，工業純，瀘州北方化學工業有限公司； RDX，粒徑分別為0.5、7.6和100μm，工業純，甘肅銀光化學工業集團有限公司；2,4-二硝基甲苯(DNT)、二苯胺(DPA)，均為AR，國藥集團化學試劑有限公司；乙醇、丙酮，均為AR，南京化學試劑有限公司。

JH-500型捏合機、SE2型簡支梁式擺錘沖擊試驗機，上海紅星化工機械廠；ZJB-30型油壓機，天津市第二鍛壓機床廠；Quanta 250掃描電鏡，美國FEI公司；Instron3367型萬能材料試驗機，美國英斯特朗公司。

1.2 改性單基發射藥的制備

1種單基藥與3種改性單基發射藥配方見表1。

采用溶劑法擠壓成型工藝，分別制成長4cm和6cm的15/1單孔管狀藥。濕烘驅溶、干烘驅水至其內揮、水分均小于0.5%。

1.3 密閉爆發器試驗

對長度為4cm的15/1改性單基藥進行密閉爆發器試驗，所用密閉爆發器體積為99.87cm3，裝填密度為0.20g/cm3，點火壓力為10.98MPa，測得p-t曲線，經處理后得到u-p曲線。

1.4 力學性能測試

采用簡支梁式擺錘沖擊試驗機和萬能材料試驗機對改性單基藥在低溫(-40 ℃)、常溫(20 ℃)和高溫(50 ℃)下的抗沖擊強度與抗壓強度進行測試。用于測試的發射藥樣品均按GJB 770B-2005 標準規定制備，其中沖擊試驗樣品為長6cm的管狀藥，壓縮試驗樣品為長徑比1∶1的管狀藥。

2 結果與討論

2.1 改性單基藥的燃燒性能

采用密閉爆發器試驗測得1種單基藥與3種不同RDX粒度改性單基藥的u-p曲線，如圖1所示。

圖1 不同RDX粒度改性單基藥20℃下的u-p曲線Fig.1 The u-p curves of modified single-base propellant with different particle size of RDX at 20℃

從圖1可以看出，在相同壓力下，樣品1、樣品2與樣品3的燃速基本一致，u-p曲線平滑，無轉折，燃燒穩定。而樣品4的燃速遠高于樣品1，其u-p曲線在60MPa之前，燃燒規律與樣品1、樣品2與樣品3相近，燃速隨壓力緩慢增大，而在60MPa之后燃速驟增，燃燒規律與其他3種發射藥相差較大。

表2與表3為不同粒度RDX改性單基藥的燃燒性能參數?？梢钥闯?，在整個壓力段(50MPa～pdpm)，隨著RDX粒度的增加，平均壓力指數增大，且樣品1、樣品2與樣品3的平均壓力指數小于1，樣品4的平均壓力指數大于1。其中，樣品4在30～60MPa與60～100MPa的兩個壓力范圍內，壓力指數由0.6967變為1.1211，壓力指數突變，影響燃燒穩定性。

表2 不同粒度RDX改性單基藥的燃燒性能參數Table 2 Combustion performance parameters of modified single-base gun propellant with different particle sizes of RDX

注：pm為燃燒最大壓力；tm為燃燒結束時間；pdpm為最大壓力陡度對應的壓力值。

表3 不同粒度RDX改性單基藥的壓力指數與燃速系數Table 3 The burning rate coefficient and pressure index of modified single-base gun propellant with different particle sizes of RDX

為了分析以上現象產生的原因，分別對不含RDX的單基藥及含3種不同粒度RDX改性單基藥進行了燃燒中止試驗，試驗溫度為20℃，破孔壓力為100MPa，點火壓力為10.98MPa。并用掃描電鏡對中止燃燒試驗后發射藥的表面進行了觀察，SEM圖如圖2所示。

圖2 4種單基藥樣品中止燃燒表面的SEM圖Fig.2 SEM images of interrupted combustion surface of four kinds of single-base gun propellant

從圖2可以看出，樣品1、樣品2與樣品3中止燃燒表面光滑，樣品4的表面可見明顯凹坑。結合圖1、圖2與表3可認為導致樣品4的u-p曲線異于其他3種樣品的原因可能是，在燃燒過程中，NC基體先于RDX分解放熱，凝聚相退移速率快，凝聚相所受熱量主要來自NC基體、RDX分解放熱和火焰區熱反饋。在分散均勻的情況下，當RDX含量相同時，粒度越小，RDX顆粒越多，與基體的接觸面越大，在凝聚相中吸熱熔融分解越充分。而大粒度的RDX在凝聚相中難以完全熔融分解，進而逐漸從NC基體中暴露出來，被拋出燃燒表面，在氣相中完成燃燒，增加了總燃燒表面，提高了總燃速。同時大粒度RDX被拋出，脫離NC基體，從而導致單基藥燃燒表面凹凸不平，存在洼坑。因此，含100μmRDX的改性單基藥燃速明顯高于其他樣品，且在中止表面燃燒留下RDX脫離后的凹坑。

2.2 改性單基藥的力學性能

采用萬能材料試驗機對改性單基藥的抗壓強度進行了測試，結果如表4所示。

由表4可知，含RDX質量分數為10%的改性單基藥的抗壓強度始終低于不含RDX的單基藥。改性單基藥的抗壓強度隨著RDX粒度的增大而降低，即樣品 1>樣品 2>樣品 3>樣品 4。

采用簡支梁式抗沖擊試驗機測試了4種發射藥的抗沖擊強度，結果如表5所示。

表4 改性單基藥的抗壓強度測試結果Table 4 Experimental results of compressive strength of modified single-base gun propellants

表5 改性單基藥的抗沖擊強度測試結果Table 5 Experimental results of impact strength of modified single-base gun propellants

從表5可以看出，向單基藥中添加質量分數為10%的RDX，會降低單基藥的抗沖擊強度。在不同溫度下，隨著RDX粒度的增加，改性單基藥的抗沖擊強度逐漸降低。在所考察的3種粒度RDX中，當RDX粒徑為0.5μm時，在低溫、常溫和高溫下的抗沖擊強度均較其他兩種粒徑RDX發射藥的大，分別為6.58、18.92和24.26kJ/m2。

當RDX填充的改性單基藥受到沖擊載荷作用時，NC黏結劑較易變形和吸收能量，而RDX變形能力差，這就決定了改性單基藥的沖擊斷裂破壞方式與單基藥不同。為了進一步研究RDX粒度大小對改性單基藥力學性能的影響，用掃描電子顯微鏡觀察了不含RDX的單基藥與含不同粒度RDX的改性單基藥樣品在低溫條件下的沖擊斷裂面，如圖3所示。

圖3 改性單基藥的沖擊斷面SEM圖Fig.3 SEM images of impact fractured surface for modified single-base gun propellants

由圖3(a)可以看出， NC基體塑化均勻，整個體系為均相體系。比較圖3(b)與圖3(c)可以發現，樣品2中粒徑0.5μm RDX顆粒在NC基體中分布均勻，經過沖擊作用后，顆粒與NC基體間無明顯空隙，結合較好。而樣品3中的RDX粒徑變大，在部分顆粒與基體間有明顯空隙，并有少量RDX顆粒從基體中脫落，留下“空穴”，粒徑7.6μm RDX顆粒與基體結合不牢。從圖3(d)可以看出，樣品4中RDX粒徑大，顆粒數量少，受到沖擊時，部分RDX顆粒直接破碎。

未添加RDX時，單基藥為均質體系，單基藥的強度主要由NC基體的強度決定。添加RDX后，破壞了原有的均相體系，因此RDX改性單基藥的抗沖擊強度低于單基藥。隨著RDX粒度的減小，顆粒比表面積增大，與NC的接觸更加良好，結合更加緊密，受到外力沖擊后，RDX不易從基體脫離。因此，樣品2的抗沖擊強度高于樣品3。

由上述可知，當RDX粒度較小時，改性單基藥受到沖擊后，其主要承力結構是RDX顆粒與NC黏結劑的界面，改性單基藥的細觀斷裂模式為RDX顆粒與黏結劑的界面脫粘。此時，改性單基藥的抗沖擊強度主要受RDX顆粒與NC基體的黏結強度影響。

隨著RDX粒度的增大，在工業制備過程中，容易包裹氣泡、溶劑或者其他雜質而形成內部孔穴、位錯、雜質以及表面凹陷等缺陷；同時，由于晶粒隨機生長，導致RDX顆粒的形狀不規則。粗RDX受到擠壓、沖擊等作用力時，在內部有缺陷處形成應力集中并首先出現裂紋，然后崩裂破碎[12-13]。因此RDX粒度越大，強度越低。發射藥樣品受到沖擊時，粗RDX顆粒首先破碎，從而影響到整個體系的抗沖擊強度。

由圖3可以看出，RDX改性單基藥的沖擊斷裂模式分為兩種：(1)當RDX粒度較小時，RDX顆粒強度高，單基藥沖擊斷裂主要是因RDX與基體脫粘引起的，抗沖擊強度主要受RDX顆粒與NC基體間的界面強度影響；(2)當RDX粒度增大到一定程度后，RDX顆粒強度降低至一定值，此時單基藥受沖擊后斷裂主要由RDX顆粒率先破碎引起，RDX顆粒的自身強度對改性單基藥的抗沖擊強度影響很大。

因此，RDX粒度大小顯著影響改性單基藥樣品的斷裂過程，RDX粒度越小，改性單基藥的抗沖擊強度越大。

3 結 論

(1)在RDX質量分數為10%時，在整個測試壓力區間內，RDX粒度越大，改性單基藥的燃速越快。小粒徑RDX(0.5μm與7.6μm)改性單基藥燃燒穩定；當RDX粒徑增至100μm時，制得的改性單基藥在60MPa附近u-p曲線出現轉折，燃速壓力指數突變，燃燒不穩定。

(2)隨著RDX粒度的減小，RDX改性單基藥的抗沖擊強度增強。

(3)RDX粒度顯著影響改性單基藥樣品的斷裂模式。當RDX粒度較小時，改性單基藥的抗沖擊強度主要受RDX顆粒與NC基體的界面黏結強度影響。當RDX粒度增大后，其抗沖擊強度主要受RDX顆粒自身強度及其與NC基體界面黏結強度的共同影響。

參考文獻:

[1] 王澤山，何衛東，徐復銘.火藥裝藥設計原理與技術[M]. 北京：北京理工大學出版社，2006.

[2] Simmons R L. Reduced gun barrel erosion with advanced gun propeIlants[C]∥36th Annual Gun and Ammunition Symposium and Exhibition. San Diego，CA：Naval Surface Warfare Center Indian Head，2001．

[3] Laveritt C S，Conroy P J，Johnson A W，et al. Relative erosivity of nitramine gun propellants with thermoplastic/elastomer binder systems[R]. MD: Army Research Lab，Aberdeen Proving Ground，2001.

[4] 劉佳, 張麗華，馬忠亮，等. 含RDX多相發射藥力學性能研究[J]. 化學推進劑與高分子材料，2013，11(4):87-89.

LIU Jia，ZHANG Li-hua，MA Zhong-liang，et al.Study on mechanical properties of multi-phase gun-propellant containing RDX[J].Chemical Propellants & Polymeric Materials，2013， 11(4):87-89.

[5] Sanghavi R R，Khire V H，Chakraborthy T K，et al. Studies on RDX influence on performance increase of triple base propellants[J]. Propellants Explosives Pyrotechnics，2006，31(4):318-321.

[6] Pillai A G S，Dayanandan C R，Joshi M M，et al. Studies on the effects of RDX particle size on the burning rate of gun propellants[J]. Defence Science Journal,1996，46(2): 83-86.

[7] 楊建興，賈永杰，劉毅，等.含RDX的疊氮硝胺發射藥熱分解與燃燒性能[J]. 含能材料，2012，20(2):180-183.

YANG Jian-xing，JIA Yong-jie，LIU Yi，et al. Thermal decomposition and combustion performance of azidonitramine gun propellant containing RDX[J].Chinese Journal of Energetic Materials，2012，20(2):180-183.

[8] 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 mechanical performance of high-energy nitroamine propellant[J]. Chinese Journal of Explosives & Propellants (Huozhayao Xuebao)，2005，28(3):1-3.

[9] 董天寶，韋興文，張巍耀，等. PBX斷裂力學行為研究進展[J].火炸藥學報，2017，40(4)：1-7.

DONG Tian-bao，WEI Xing-wen，ZHANG Wei-yao，et al. Research progress on fracture mechanical behaviors of PBX[J]. Chinese Journal of Explosives & Propellants(Huozhayao Xuebao),2017，40(4):1-7.

[10] 張遠波，軒春雷，劉波，等. NC基高能低敏感發射藥的低溫抗沖擊強度[J]. 火炸藥學報，2015，38(1):78-81.

ZHANG Yuan-bo，XUAN Chun-lei，LIU Bo，et al. Low temperature impact strength of nitrocellulose based high energy-low vulnerability gun propellant[J]. Chinese Journal of Explosives & Propellants(Huozhayao Xuebao)，2015，38(1):78-81.

[11] 劉佳，馬忠亮，張麗華，等. 微觀參量表征RDX含量對非均質單基發射藥力學性能的影響[J]. 含能材料，2015， 23(7):676-681.

LIU Jia，MA Zhong-liang，ZHANG Li-hua，et al. Influence of RDX content on mechanical properties of heterogeneous single-base gun-propellant characterized by microphysical parameter[J]. Chinese Journal of Energetic Materials，2015，23(7):676-681.

[12] 焦清介，李江存，任慧，等. RDX粒度對改性雙基推進劑性能影響[J]. 含能材料，2007，15(3):220-223.

JIAO Qing-jie，LI Jiang-cun，REN Hui，et al. Effect of RDX particle size on properties of CMDB propellant[J]. Chinese Journal of Energetic Materials，2007，15(3):220-223.

[13] 劉杰.具有降感特性納米硝胺炸藥的可控制備及應用基礎研究[D].南京：南京理工大學，2015.

LIU Jie. Controlled preparation of lower sensitivity characterized nanometer nitramine explosives and their applying basic research[D].Nanjing: Nanjing University of Science and Technology,2015.