TMETN含量和NC含氮量對TMETN/NG 混合硝酸酯發射藥力學性能的影響

田 宇，王英博，何衛東，董 軍

(1. 南京理工大學化工學院，江蘇 南京 210094；2. 瀘州北方化學工業有限公司，四川 瀘州 646605)

引 言

武器裝備發展對火炮的初速和炮口動能提出了更高的要求，高膛壓、高裝填密度、高能發射藥裝藥技術被廣泛應用。隨著膛壓和裝填密度的提高，射擊過程中發射藥的受力環境惡化，力學性能不符合要求的發射藥會出現變形或破碎，使發射藥的燃燒表面劇增，造成彈道性能反常，嚴重情況下甚至導致炸膛事故的發生。因此，發射藥良好的力學性能是武器使用安全性和彈道穩定性的重要保證[1]。

雙基發射藥以NC和NG為基本能量成分，具有結構均勻、再現性能好、貯存壽命長和性能穩定等優點[2]。為了提高發射藥能量，常常在雙基發射藥體系中添加RDX等高能固體填料。然而，由于NG自身的物理化學性質導致雙基發射藥的低溫力學性能較差，RDX的加入導致這一問題更加突出，NC作為發射藥黏結劑，其含氮量也明顯影響發射藥的力學性能。

三羥甲基乙烷三硝酸酯(TMETN)是一種含能增塑劑，其化學結構與NG相似，但撞擊感度比NG低很多，毒性、揮發性和吸濕性也比NG小，對NC有著良好的增塑效果[3]，將TMETN/NG混合酯配方引入發射藥配方中可以有效降低發射藥的玻璃化轉變溫度，提高其低溫力學性能，彌補硝胺發射藥力學性能不足的缺陷。但TMETN的能量較NG低，為了保證發射藥的高能特性，采用TMETN/NG混合硝酸酯是保證發射藥高能特征、同時提高其力學性能，特別是低溫力學性能的有效途徑。同時，當增塑劑增塑效果較優時，若適當提高NC的含氮量，并且能被增塑劑很好地吸收塑化，就能提高發射藥的使用效能[4-7]。

為此，本研究以硝胺發射藥配方為基礎，將TMETN部分或完全取代NG，制備了含TMETN/NG的發射藥，并測試了不同溫度下的力學性能，研究了TMETN含量和NC含氮量對發射藥沖擊和壓縮強度的影響，為TMETN/NG混合硝酸酯在發射藥領域中的應用提供參考。

1 實 驗

1.1 試劑與儀器

NC(含氮量12.2%～13.0%)、B型吸收藥、TMETN吸收藥，瀘州北方化學工業有限公司；超細RDX，甘肅銀光化學工業集團有限公司；無水乙醇、丙酮，均為化學純，南京化學試劑有限公司。

SFJ-400型電動攪拌器，上海現代環境工程技術有限公司；水浴烘箱，南京理工大學機電總廠；捏合機，江蘇國貿國泰減速機集團有限公司；Instron型萬能材料試驗機、沖擊試驗機，美國Instron公司。

1.2 TMETN/NG發射藥樣品的制備

硝胺發射藥的基礎配方(質量分數)為：NC，44%；NG，20%；RDX，35%；2號中定劑(C2)，1%。在此基礎上，用TMETN逐漸取代NG(質量分數分別為0、5%、10%、15%、20%)或改變NC含氮量分別為12.2%、12.4%、12.6%、12.8%、13.0%，制備了TMETN/NG發射藥。實驗配方及發射藥能量示性數如表1所示。

表1 TMETN/NG混合硝酸酯發射藥配方及能量示性數Table 1 TMETN/NG mixed nitrate propellant formula and energy indicator number

將NC、B型吸收藥、TMETN吸收藥、RDX按配方比例配好，加入3000mL蒸餾水，在電動攪拌器下以2800r/min的速度攪拌3h。利用真空抽濾的方式，使藥水分離，驅除吸收藥片中的大部分水分，便于壓片。借助壓延機的兩個輥筒的擠壓作用和高溫作用，將粉狀吸收藥壓成片狀，除去經驅水后的吸收藥中的大部分水分，并利于進一步烘干處理。滾筒溫度為80℃，壓延15min。將吸收藥片均勻放在托盤中，并將其放入水浴烘箱(50℃)中5d，將藥片的水分蒸發，使水分含量達到規定的質量要求。

將發射藥藥料以及一半溶劑加入捏合機后正車捏合10min，停機加入另一半溶劑，然后再正車捏合10min，反車捏合10min，循環兩次，再正車捏合70min，整個捏合過程持續2h(醇酮質量比為1∶2，溶棉質量比為1∶2，循環水溫度30℃)。發射藥藥團經油壓機，通過模具(15/1)及過濾網，使藥粒進一步塑化，并清除藥料中的雜質，壓制成一定外徑的藥條以便于成型。在45℃預烘2d，并于50℃干烘5d以驅除揮發性溶劑。

1.3 力學性能測試

采用沖擊試驗機、萬能材料試驗機對發射藥的沖擊強度和壓縮強度進行測試。測試樣品均按GJB770B-2005方法417.1標準制備(沖擊樣品采用15/1管狀藥，長6cm；壓縮樣品長徑比為1∶1)，測試溫度分別為-40、20和50℃。

1.4 高壓定容燃燒性能測試

采用高壓密閉爆發器測試發射藥高壓情況下的定容燃燒情況，密閉爆發器體積為107.385mL，裝填密度為0.34g/cm3，點火采用質量為1g C棉的點火藥包，點火壓力10MPa，使用15/1管狀發射藥進行測試，測得發射藥壓力—時間(p—t)曲線，經過數據處理得到發射藥的p—t和L—B曲線。

2 結果與討論

2.1 NC含氮量對TMETN/NG發射藥力學性能的影響

在-40、20和50℃下，ZTH-1～ZTH-5混合硝酸酯發射藥樣品的沖擊強度(αk)和壓縮強度(αmax)測試結果見圖1。

圖1 NC含氮量對混合硝酸酯發射藥沖擊強度 和壓縮強度的影響Fig.1 Effect of NC nitrogen contents on the impact strength and compression strength of mixed nitrate gun propellants

由圖1可以看出，隨著NC含氮量的變化，TMETN/NG發射藥的沖擊強度和壓縮強度在高溫、常溫和低溫下的變化趨勢一致，均呈現先小幅度上升后逐漸下降的趨勢。當NC含氮量為12.4%時，發射藥力學性能最佳。分析認為，硝化棉在溶劑中溶解的一般規律是：在醇酮質量比1∶2的溶劑中，只有在含氮量為11.0%～12.5%時溶解度最大，隨著含氮量的增加，硝基取代羥基數量增多，羥基逐漸被酯化，使其與配方中RDX等固體填料中的極性氧原子形成氫鍵的數目減少，氫鍵之間的作用力減弱，分子鏈間的相互作用力減少，降低了其與固體填料的結合能力，從而使發射藥的沖擊強度減少[8-9]。另一方面，當TMETN/NG質量比不變時，高氮量的硝化棉/增塑劑體系更容易產生應力集中，這樣有利于裂紋的擴展，使力學性能變差[4]。

2.2 TMETN含量對TMETN/NG發射藥力學性能的影響

混合硝酸酯發射藥樣品ZTH-6～ZTH-10在-40、20和50℃下的沖擊強度(αk)和壓縮強度(αmax)測試結果見圖2。

圖2 TMETN含量對混合硝酸酯發射藥沖擊強度 和壓縮強度的影響Fig.2 Effect of NC TMETN content on the impact strength and compression strength of mixed nitrate gun propellants

由圖2可以看出，TMETN/NG發射藥的低溫沖擊強度隨TMETN含量的增加呈逐漸上升趨勢，高溫、常溫沖擊強度則有所降低。而抗壓強度在高溫、常溫、低溫下變化規律一致，均逐漸上升。分析認為，TMETN雖然與NG結構相似，但其增塑性能優于NG，且易溶解NC，其分子中的極性基團更易與NC分子中的極性基團相互作用，從而破壞NC分子間極性基團的相互作用及分子間的物理交聯點，使分子的鏈段運動得以實現，聚合物的玻璃化溫度降低，低溫韌性增加，表現為力學性能增強[10]。同時由于TMETN分子體積大于NG，隨著TMETN含量的增加，發射藥TMETN/NG的分子體積增加，NC分子鏈之間的距離和活動空間增加，分子間相互作用力減弱，導致沖擊強度下降[2]。綜合表現為低溫沖擊強度升高，高溫、常溫沖擊強度下降。

2.3 TMETN含量對TMETN/NG發射藥燃燒性能的影響

為了檢驗發射藥在高壓燃燒條件下的燃燒性能，選出3個典型配方ZTH-6、ZTH-7和ZTH-8分別在高溫(50℃)、常溫(20℃)和低溫(-40℃)條件下進行了高壓密閉爆發器實驗(裝填密度為0.34g/cm3)，得到不同溫度下發射藥樣品的p—t、L—B曲線，結果如圖3、圖4和圖5所示。

由圖3～圖5可以看出，在高壓條件下，3種發射藥樣品在不同溫度條件下的p—t、L—B曲線均光滑，符合管狀發射藥正常燃燒的變化規律，表明在高壓定容燃燒條件下，發射藥沒有出現明顯的碎裂現象。

圖3 不同溫度條件下ZTH-6配方的p—t、L—B曲線Fig.3 The p—t and L—B curves of ZTH-6 formulation under different temperature conditions圖4 不同溫度條件下ZTH-7配方的p—t、L—B曲線Fig.4 The p—t and L—B curves of ZTH-7 formulation under different temperature conditions圖5 不同溫度條件下ZTH-8配方的p—t、L—B曲線Fig.5 The p—t and L—B curves of ZTH-8 formulation under different temperature conditions

3 結 論

(1)NC含氮量影響TMETN/NG混合硝酸酯發射藥的力學性能，在試驗范圍內(含氮量12.2%～13.0%)，隨著NC含氮量的增加，發射藥的沖擊強度和壓縮強度在高溫、常溫和低溫下的變化趨勢一致，均呈現先小幅度上升后逐漸下降的趨勢，含氮量12.4%時，沖擊強度和壓縮強度最高。

(2)TMETN可明顯提高發射藥的力學性能，隨著TMETN取代NG的質量分數由0增加至20%，混合硝酸酯發射藥的低溫沖擊強度不斷增加，高溫、常溫下的沖擊強度則呈現相反的趨勢，而壓縮強度均呈現上升趨勢。

(3)高壓定容燃燒條件下，NG/TMETN發射藥的燃燒穩定，不同溫度下發射藥燃燒過程中沒有出現明顯的碎裂現象。