高氮量改性單基發(fā)射藥的制備和性能研究

于慧芳，李梓超，劉 波，魏 倫，鄭 雙，韓 冰

(西安近代化學研究所，陜西 西安 710065)

引 言

單基發(fā)射藥能量較低、彈丸初速低，難以滿足新一代武器裝備發(fā)展的需求。國內(nèi)外一直致力于通過改性技術(shù)來提高單基發(fā)射藥能量，并改善其燃燒性能。瑞士研制的EI發(fā)射藥具有燃燒漸增性好、彈丸初速高和裝藥溫度系數(shù)低的特點，其相關(guān)產(chǎn)品已在小口徑火炮、迫擊炮等武器裝備中應(yīng)用，帶來了顯著的軍事效益[1-3]。國內(nèi)王瓊林等[4-7]采用“浸漬-鈍感”工藝，使用粗制的半成品粒狀單基發(fā)射藥，在專用設(shè)備中通過吸收含能增塑劑、阻燃材料等完成增能、鈍感過程，制成了具有較高燃燒漸增性、較低溫度系數(shù)的改性單基發(fā)射藥。目前，為滿足中小口徑身管武器彈藥特別是穿甲彈等裝藥高初速的需求，實現(xiàn)提高改性單基發(fā)射藥能量、改善燃燒性能的目的，提高基礎(chǔ)單基發(fā)射藥的含氮量是一種有效的途徑。

單基發(fā)射藥含氮量由其原材料混合硝化棉的含氮量決定，混合硝化棉含氮量越高，發(fā)射藥單位體積產(chǎn)生的能量越大，其在醇醚溶劑、增塑劑中的溶解度也越低。本研究以高氮量的單基發(fā)射藥為對象，通過“浸漬-鈍感”工藝處理制備出高氮量改性單基發(fā)射藥，分析其結(jié)構(gòu)和燃燒性能，并通過內(nèi)彈道試驗進行了驗證。

1 實 驗

1.1 材料及儀器

本實驗采用基礎(chǔ)藥為7孔粒狀單基發(fā)射藥，含氮量(質(zhì)量分數(shù))分別為13.0%(低氮量)、13.15%(高氮量)，增能材料為鈍化處理的NG溶液；鈍感劑NA由西安近代化學研究所自主合成。

JSM5800多用途掃描電子顯微鏡，日本電子公司；雙錐回轉(zhuǎn)式鈍感機，西安近代化學研究所。

1.2 改性單基發(fā)射藥樣品的制備

將水、單基發(fā)射藥在一定溫度下投入鈍感機中，攪拌狀態(tài)下，先加入NG溶液，再加入鈍感劑NA乳液，通過溫度和時間的控制完成增能、鈍感過程處理。將制備出的樣品進行烘干、選藥、打光，即制成改性單基發(fā)射藥。其中，含氮量13.0%和13.15%的改性單基發(fā)射藥樣品分別標記為LSP-1、 HSP-1；在HSP-1基礎(chǔ)上進行工藝溫度調(diào)整的樣品分別標記為HSP-2、HSP-3；HSP-3與 HSP-2相比，增加了一定比例的NG及鈍感劑。

1.3 性能測試

密閉爆發(fā)器試驗中，密閉爆發(fā)器藥室體積100cm3，裝填密度0.2g/cm3，點火藥為2#NC，點火壓力為10.00MPa，試驗溫度為20℃。

內(nèi)彈道試驗采用14.5mm測壓彈道槍，穿甲燃燒彈頭和標準彈殼。膛壓測試采用標準銅柱測壓，初速(v5)采用恒磁靶測試。高、低溫保溫采用漢巴高低溫箱。

2 結(jié)果與討論

2.1 改性單基發(fā)射藥的表面結(jié)構(gòu)

圖1(a)和(b)分別為含氮量13.15%單基發(fā)射藥改性前后的掃描電鏡照片。由圖1(a)可以看出，未處理的單基發(fā)射藥表面硝化棉纖維沿壓伸成型的方向呈現(xiàn)條狀連續(xù)分布。由圖1(b)可以看出，經(jīng)過浸漬鈍感后，NG、鈍感劑浸透到單基發(fā)射藥基體中，硝化棉纖維有部分溶解重塑，形成了由NC、NG和鈍感劑構(gòu)成的薄層，表面平整、光滑。

圖2為兩種含氮量單基發(fā)射藥改性后藥粒端面的照片。

從圖2可以看出，LSP-1樣品端面的7個內(nèi)孔已經(jīng)完全封堵住，孔周圍有較不明顯的增塑層； HSP-1樣品端面的內(nèi)孔孔徑變小，但未完全封堵住。單基發(fā)射藥在浸漬鈍感過程中，由于NG對NC的溶解塑化和水相中的旋轉(zhuǎn)作用，溶塑部分漸漸流動蓋在內(nèi)孔處，形成自堵孔效果。在所采用的相同浸漬鈍感條件下，LSP-1含氮量低，NG的溶解作用更強，端面孔完全被堵住；HSP-1含氮量高，較難被NG溶解塑化，因此堵孔程度較輕。這兩種發(fā)射藥堵孔情況的差異影響其燃燒性能，在常溫、低溫和高溫下起始燃燒破孔的程度不同，帶來發(fā)射裝藥起始燃面的變化，使高氮量改性單基發(fā)射藥裝藥溫度系數(shù)與低氮量改性單基發(fā)射藥相比有增大的趨勢。

2.2 改性單基發(fā)射藥的火藥力

表1為4種改性單基發(fā)射藥樣品的火藥力測試結(jié)果。

表1 火藥力測試結(jié)果Table 1 The testing result of impetus

注：f為火藥力；ɑ為余容。

從表1中可以看出，含氮量為13.15%的改性單基發(fā)射藥的火藥力高于含氮量為13.0%的改性單基發(fā)射藥。可見，混合硝化棉含氮量增加，即單基藥的含氮量增加使其火藥力提高，在添加了同樣量的NG和鈍感劑NA時，改性單基發(fā)射藥配方能量得到提高，對于提高裝藥能量具有積極影響。

2.3 改性單基發(fā)射藥的燃燒性能

2.3.1 不同含氮量對發(fā)射藥燃燒性能的影響

圖3(a)和圖3(b)分別為不同含氮量改性單基發(fā)射藥密閉爆發(fā)器測試的p—t、L—B曲線。

從圖3(a)可以看出，與LSP-1相比， HSP-1燃氣最大壓力升高，燃燒時間顯著減小，燃燒起始階段壓力曲線變化較快，壓力上升速率高。從圖3(b)可以看出，LSP-1、HSP-1在燃燒初期的燃燒活度低，隨著燃燒的進行，燃燒活度先增加后減小，都具有明顯的燃燒漸增性。但LSP-1燃燒分裂點[8]在B值為0.6附近，HSP-1燃燒分裂點在B值為0.8附近，說明HSP-1燃燒結(jié)束點一致性較好。這是由于兩種改性單基發(fā)射藥的表面堵孔情況不同，LSP-1內(nèi)孔完全堵孔，但各個內(nèi)孔被封堵的厚度不同，在點火燃燒時破孔時間不統(tǒng)一，使藥粒的燃燒結(jié)束點有差異； HSP-1內(nèi)孔沒有封堵，點火燃燒時不存在破孔現(xiàn)象，因此燃燒結(jié)束同時性好。

2.3.2 不同組分含量對發(fā)射藥燃燒性能的影響

圖4(a)和圖4(b)分別為不同組分含量的改性單基發(fā)射藥密閉爆發(fā)器測試的p—t、L—B曲線。

從圖4(a)可以看出，兩個樣品燃燒起始階段壓力曲線平緩，與HSP-2相比，HSP-3燃燒時間增大，燃燒起始階段壓力上升慢，說明增加NG和鈍感劑的含量使起始燃燒速率減小，增加了起始緩燃的效果。從圖4(b)可以看出，HSP-2、HSP-3在起始階段燃燒活度都有降低，呈現(xiàn)前低后高的趨勢，具有明顯的燃燒漸增性。HSP-2燃燒分裂點在B值為0.62附近，HSP-3燃燒分裂點在B值為0.68附近，HSP-3燃燒結(jié)束點一致性較好。在燃燒分裂點之后，HSP-3活度值較高，其燃燒漸增性優(yōu)于HSP-2。

2.4 內(nèi)彈道性能

表2為4種改性單基發(fā)射藥樣品常溫(20℃)時內(nèi)彈道試驗結(jié)果。

表2 改性單基發(fā)射藥內(nèi)彈道試驗結(jié)果Table 2 The testing results of interior ballistic for modified single-base gun propellants

從表2中可以看出，在相同工藝條件下，與LSP-1相比，HSP-1裝藥量少5g，膛壓相當，初速略低；經(jīng)過適當調(diào)整工藝參數(shù)，并增加一定比例的NG和鈍感劑后，HSP-2、HSP-3裝藥量明顯增加，對比LSP-1初速分別提高了6.1和16.9m/s，提高幅度為0.6%和1.7%。結(jié)果表明，高氮量改性單基發(fā)射藥在能量上的提升效果可以顯著體現(xiàn)在內(nèi)彈道性能上，在裝藥量略低的情況下，達到同等或更高的彈丸初速，可適用于裝藥空間小、彈丸初速要求高的穿甲彈等彈藥[9]。

表3和圖5分別為LSP-1、HSP-3在高、常和低溫下的內(nèi)彈道試驗結(jié)果和溫度系數(shù)結(jié)果。

表3 LSP-1和HSP-3發(fā)射藥的溫度系數(shù)試驗結(jié)果Table 3 The testing results of temperature coefficient for gun propellants LSP-1和 HSP-3

由表3和圖5可知，LSP-1樣品的低溫初速為958.7m/s，比常溫初速降低3.7%；高溫膛壓為270.2MPa，初速為974.8m/s，比常溫膛壓、初速分別降低了3.2%和2.1%，呈現(xiàn)常溫膛壓、初速最高的尖峰型溫度系數(shù)特征。HSP-3樣品的低溫初速為981.1m/s，比常溫初速降低3.1%，高溫膛壓為290.4MPa，初速1023.6m/s，比常溫膛壓、初速分別升高4.3%、1.1%，即膛壓、初速隨溫度升高而升高，溫度系數(shù)較制式單基發(fā)射藥產(chǎn)品小[10]。

分析認為，這是由于兩種含氮量改性單基發(fā)射藥表面堵孔情況的差異造成的。LSP-1樣品已經(jīng)達到了硝化甘油和鈍感劑用量的上限，藥粒端面堵孔程度深、厚度大，起始燃燒階段燃面小，表面增塑層在高溫時呈現(xiàn)顯著的黏彈性，低溫時增塑層呈現(xiàn)一定的脆性但燃速較低，因此點火瞬時破孔率均比常溫時小，出現(xiàn)了常溫膛壓初速高，高、低溫膛壓初速低的情況。高氮量改性單基發(fā)射藥堵孔程度較淺或不堵孔，起始階段燃面大或在點火時容易破孔，這一特點使其工藝適應(yīng)性更好，可以增加NG含量使溫度系數(shù)減小，又不會出現(xiàn)負溫度系數(shù)的現(xiàn)象，避免了在裝藥中出現(xiàn)低溫膛壓超高的現(xiàn)象。

3 結(jié) 論

(1)采用浸漬-鈍感工藝制備的含氮量13.15%的改性單基發(fā)射藥，其表面形成了由NC、NG和鈍感劑構(gòu)成的平滑薄層，火藥力比含氮量13.0%的改性單基發(fā)射藥提高10～20J/g,且由于NG對高氮量NC的溶塑能力差，藥粒端面的堵孔程度也比低氮量改性單基發(fā)射藥淺，或不完全堵孔。

(2)高氮量改性單基發(fā)射藥起始階段燃燒活度降低，呈現(xiàn)前低后高的趨勢，具有明顯的燃燒漸增性，增加一定比例NG和鈍感劑含量的HSP-3在燃燒分裂點之后，活度值較高，燃燒漸增性最好。

(3)內(nèi)彈道試驗表明，與低氮量改性單基發(fā)射藥相比，高氮量改性單基發(fā)射藥HSP-3在裝藥量較低的條件下，彈丸初速比低氮量改性單基發(fā)射藥提高16.9m/s；高低溫試驗中，膛壓、初速隨溫度升高而升高，不出現(xiàn)負溫度系數(shù)，對于裝藥空間較為緊張的穿甲彈等武器系統(tǒng)具有明顯的能量優(yōu)勢，也避免了低溫反常現(xiàn)象的發(fā)生。