輕武器用鈍感發(fā)射藥功能失效閾值預(yù)估方法

趙其林,周宏偉,陳春林,賀 云,張文博,郭禮波,陳 剛,楊 琴

(瀘州北方化學(xué)工業(yè)有限公司，四川 瀘州 646003)

引 言

鈍感發(fā)射藥具有良好的燃燒漸增性，廣泛用于輕武器和中小口徑火炮發(fā)射裝藥[1-3]。發(fā)射藥鈍感技術(shù)始于1943年Hirschfelder JO的理論計(jì)算[4]，該技術(shù)是指在發(fā)射藥表面滲入或涂覆一層緩燃物質(zhì)，以降低燃燒初期的燃?xì)馍伤俾剩S著發(fā)射藥的燃燒，發(fā)射藥燃面所含鈍感劑逐漸減少，燃?xì)馍伤俾手饾u加快，從而使得發(fā)射藥的燃燒速度具有漸增性。鈍感發(fā)射藥由表向里鈍感劑濃度呈遞減分布，在發(fā)射藥貯存過程中，由于分子熱運(yùn)動(dòng)，發(fā)射藥內(nèi)部鈍感劑分布會(huì)逐漸趨于一致，而發(fā)射藥表面鈍感劑濃度降低，使得燃燒初期燃?xì)馍伤俾侍岣撸瑢?dǎo)致發(fā)射裝藥膛壓急劇上升，致使武器射擊過程出現(xiàn)卡殼、底火擊穿/脫落等現(xiàn)象，甚至危及武器使用安全[5-6]。鈍感發(fā)射藥經(jīng)貯存后，因鈍感劑遷移導(dǎo)致彈道性能變化，當(dāng)膛壓增量大于10%時(shí)，定義為鈍感發(fā)射藥功能失效。

2010年，比利時(shí)-法國(guó)-德國(guó)[7]聯(lián)合進(jìn)行了一項(xiàng)關(guān)于5.56mm×45mm彈藥用鈍感雙基發(fā)射藥化學(xué)安定性和彈道穩(wěn)定性研究，目的在于測(cè)定鈍感劑遷移與溫度之間的關(guān)系，了解發(fā)射藥表面鈍感劑濃度的降低對(duì)膛壓升高的影響，試驗(yàn)結(jié)果表明鈍感劑遷移速度呈指數(shù)增長(zhǎng)，貯存溫度越高、時(shí)間越長(zhǎng)，膛壓變化越大，這種變化在所有的試驗(yàn)溫度下(80、70、65和60℃)均可觀察到。

國(guó)內(nèi)應(yīng)三九等[8]用電感耦合等離子發(fā)射光譜法研究了發(fā)射藥中無機(jī)鈍感劑的遷移量隨老化溫度和時(shí)間的變化規(guī)律。武海順等[9]采用電感耦合等離子發(fā)射光譜法，測(cè)定了三基包覆藥中阻燃劑組分二氧化鈦向火藥基體的遷移，得到了TiO2的濃度分布函數(shù)，并就TiO2遷移對(duì)包覆火藥貯存壽命的影響作了討論。丁銀鳳等[10]進(jìn)行了DBP和NA在發(fā)射藥中擴(kuò)散性能的分子動(dòng)力學(xué)模擬，得出不同溫度下DBP和NA在硝化棉基體中的擴(kuò)散系數(shù)，并對(duì)比了兩種鈍感劑擴(kuò)散系數(shù)的大小。潘清[11-12]采用顯微紅外光譜法測(cè)定EI發(fā)射藥中鈍感劑的遷移性能。以上研究均得出發(fā)射藥中組分的擴(kuò)散性符合Fick第二定律。這些研究為鈍感發(fā)射藥功能失效評(píng)價(jià)提供了技術(shù)支撐。

目前，鈍感發(fā)射藥安全貯存壽命可采用“GJB770B 熱加速老化試驗(yàn)法”進(jìn)行預(yù)估，但在發(fā)射藥貯存過程中，由于鈍感劑遷移導(dǎo)致發(fā)射藥裝藥功能失效的貯存時(shí)間評(píng)估仍然還是難題，迫切需要建立相應(yīng)的評(píng)估方法。

1 方法原理

鈍感發(fā)射藥屬于典型的擴(kuò)散劑-聚合物的擴(kuò)散體系[13]。擴(kuò)散劑主要是增塑劑、鈍感劑等；聚合物主要是黏結(jié)劑。發(fā)射藥鈍感過程中，鈍感劑由發(fā)射藥的表層向內(nèi)部的滲透擴(kuò)散是一個(gè)復(fù)雜的物理化學(xué)過程。鈍感發(fā)射藥由表向里鈍感劑呈濃度遞減分布。貯存過程中，鈍感劑向發(fā)射藥基體內(nèi)擴(kuò)散，同時(shí)，發(fā)射藥基體中的增塑劑向鈍感層擴(kuò)散，擴(kuò)散物質(zhì)在擴(kuò)散層內(nèi)各點(diǎn)的濃度隨時(shí)間而變化,導(dǎo)致鈍感層深度和鈍感層各組分濃度梯度發(fā)生變化，直接影響發(fā)射藥的內(nèi)彈道性能。

鈍感發(fā)射藥貯存過程組分的擴(kuò)散屬不穩(wěn)定擴(kuò)散，各組分的擴(kuò)散受溫度和時(shí)間的影響，溫度越高速度越快，時(shí)間越長(zhǎng)程度越大。貯存過程中，隨著各組分的擴(kuò)散，發(fā)射藥鈍感層的結(jié)構(gòu)不斷變化，發(fā)射藥內(nèi)彈道性能也隨之而變，且與之相對(duì)應(yīng)，即鈍感層結(jié)構(gòu)相同，發(fā)射藥內(nèi)彈道性能相同。而且，無論在何貯存溫度下，只要發(fā)射藥鈍感層變化達(dá)到相同結(jié)構(gòu)，表明擴(kuò)散過程中，積存在擴(kuò)散層某微小體積元中的組分量相同，其彈道性能必定相同。基于這一原理，建立鈍感發(fā)射藥在不同貯存溫度下，功能失效的時(shí)間閾值測(cè)試預(yù)估方法。

根據(jù)Fick第二定律，在不穩(wěn)定擴(kuò)散體系中，擴(kuò)散物質(zhì)在微體積中積聚速率可表示為：

(1)

式中：c為擴(kuò)散物質(zhì)單位體積濃度；D為擴(kuò)散系數(shù)。

設(shè)發(fā)射藥在T1溫度下，貯存t1時(shí)間，其鈍感層某一質(zhì)點(diǎn)(微體積)擴(kuò)散物質(zhì)的積聚量為G1；在T2溫度下，貯存t2時(shí)間，其鈍感層某一質(zhì)點(diǎn)擴(kuò)散物質(zhì)的積聚量為G2,根據(jù)式(1)則：

(2)

(3)

在不同條件下貯存，當(dāng)鈍感層結(jié)構(gòu)達(dá)到相同時(shí)有：G1=G2；c1=c2。

由式(2)/式(3)得：

(4)

根據(jù)熱力學(xué)原理，擴(kuò)散系數(shù)與擴(kuò)散活化能的關(guān)系為：

(5)

式中：D0為指前因子;Q為擴(kuò)散活化能。

設(shè)發(fā)射藥在T1溫度下，其擴(kuò)散物質(zhì)的擴(kuò)散系數(shù)為D1；在T2溫度下，其擴(kuò)散物質(zhì)的積聚量為D2,則：

(6)

(7)

將式(6)、(7)代入式(4)，得：

(8)

以發(fā)射藥膛壓增量10%為發(fā)射藥貯存彈道性能失效的判定標(biāo)準(zhǔn)，選擇3個(gè)溫度點(diǎn)(85、75、65℃)，通過加速貯存試驗(yàn)，測(cè)出各溫度下發(fā)射藥功能失效時(shí)間，計(jì)算出擴(kuò)散活化能，再帶入式(8)，則可計(jì)算出不同溫度下發(fā)射藥彈道性能失效的貯存時(shí)間，從而對(duì)鈍感發(fā)射藥功能失效閾值進(jìn)行預(yù)估。

2 試 驗(yàn)

2.1 樣品配方

A型彈用混合酯鈍感發(fā)射藥，其配方(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為：增塑劑，12%；黏結(jié)劑，80%；鈍感劑，5.5%；其他組分，余量。

B型彈用雙基鈍感發(fā)射藥，其配方(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為：增塑劑，12%；黏結(jié)劑，80%；鈍感劑，6.0%；其他組分，余量。

C型彈用混合酯鈍感發(fā)射藥，其配方(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為：增塑劑，10%；黏結(jié)劑，82%；鈍感劑，5.0%；其他組分，余量。

2.2 試驗(yàn)裝置

高溫烘箱3臺(tái)；A、B、C型彈測(cè)壓彈道槍及相應(yīng)的彈道器材；測(cè)壓銅柱。

2.3 試驗(yàn)過程

將試驗(yàn)樣品采用彈藥包裝用塑(PET)鋁(Al)塑(PE)復(fù)合膜袋封裝，發(fā)射藥每袋約150g。完成包裝后每袋發(fā)射藥均標(biāo)記好發(fā)射藥品號(hào)、批號(hào)、貯存溫度、貯存時(shí)間等信息。

將封裝的發(fā)射藥分別放入65、75、85℃烘箱內(nèi)加速老化，并定期取樣測(cè)試發(fā)射藥最大膛壓平均值。

用75℃和85℃的加速老化結(jié)果對(duì)65℃貯存的功能失效閾值進(jìn)行預(yù)估，并用65℃貯存條件下功能失效的實(shí)測(cè)時(shí)間進(jìn)行驗(yàn)證。

3 結(jié)果與分析

3.1 A、B、C型彈用混合酯鈍感發(fā)射藥功能失效閾值預(yù)估

以A型彈用混合酯鈍感發(fā)射藥為例，其加速老化內(nèi)彈道試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 A型彈用混合酯鈍感發(fā)射藥加速老化內(nèi)彈道試驗(yàn)結(jié)果

以10%膛壓增量作為內(nèi)彈道膛壓功能失效判定標(biāo)準(zhǔn)，用插值法由表1可求A型彈用混合酯鈍感發(fā)射藥75℃時(shí)失效時(shí)間約為21.2d，85℃時(shí)失效時(shí)間約為5.9d，帶入式(8)可得：

解得：Q=1.35×105kJ/kg

以75℃內(nèi)彈道膛壓功能失效時(shí)間為基準(zhǔn)，將Q值代入式(8)，計(jì)算65℃內(nèi)彈道膛壓功能失效時(shí)間：

即A型彈用混合酯鈍感發(fā)射藥在65℃下貯存，其膛壓功能失效時(shí)間為82.2d。

B型和C型鈍感發(fā)射藥加速老化內(nèi)彈道試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 B型和C型彈用雙基鈍感發(fā)射藥加速老化內(nèi)彈道試驗(yàn)結(jié)果

計(jì)算得到B型和C型鈍感發(fā)射藥在65℃下貯存，其膛壓功能失效時(shí)間分別為50.5d和162.2d。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果對(duì)比

在65℃貯存溫度下，對(duì)A、B、C型發(fā)射藥進(jìn)行高溫長(zhǎng)貯，實(shí)測(cè)65℃下的內(nèi)彈道膛壓功能失效時(shí)間，由插值法求得其功能失效時(shí)間試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表3。

表3 A、B、C型彈用發(fā)射藥65℃貯存樣品內(nèi)彈道試驗(yàn)結(jié)果

用插值法由表3求得A型、B型、C型彈用鈍感發(fā)射藥在65℃貯存溫度下，膛壓功能失效時(shí)間分別為91.6、52.0 、176.1d，與計(jì)算值分別相差9.4、1.5、13.9d，偏差分別為10.3%、2.9%、7.9%。

4 發(fā)射藥膛壓功能失效閾值預(yù)估

4.1 預(yù)估方法

為減小測(cè)試誤差，將發(fā)射藥樣品分別在65、75、85℃下進(jìn)行加速老化試驗(yàn)，測(cè)量其內(nèi)彈道功能失效的擴(kuò)散活化能，并計(jì)算出平均值，作為預(yù)估內(nèi)彈道功能失效的擴(kuò)散活化能，再以65℃內(nèi)彈道功能失效閾值為基準(zhǔn)，計(jì)算不同溫度下發(fā)射藥功能失效閾值。

平均活化能：

(9)

不同溫度下功能失效閾值：

(10)

4.2 貯存閾值預(yù)估

將B型彈用雙基鈍感發(fā)射藥65、75、85℃功能失效閾值(實(shí)測(cè)值)帶入式(8),則有：

解得：Q1=1.39×105kJ/kg；Q2=1.36×105kJ/kg；Q3=1.37×105kJ/kg。

具體計(jì)算結(jié)果見圖1。

圖1 B型彈用雙基鈍感發(fā)射藥功能失效閾值與貯存溫度關(guān)系曲線

由計(jì)算可知，要滿足常規(guī)彈藥17年的貯存壽命要求，B型彈用雙基鈍感發(fā)射藥的貯存溫度應(yīng)控制在34.8℃以下。

用同樣的方法，計(jì)算可得要滿足常規(guī)彈藥17年的貯存壽命要求，A型彈用混合酯鈍感發(fā)射藥的貯存溫度應(yīng)控制在38.2℃以下；C型彈用雙基鈍感發(fā)射藥的貯存溫度應(yīng)控制在41.7℃以下。

5 結(jié) 論

(1)采用Fick第二定律和擴(kuò)散系數(shù)與擴(kuò)散活化能的關(guān)系，建立了輕武器用鈍感發(fā)射藥功能失效閾值預(yù)估方法，通過3種配方發(fā)射藥高溫長(zhǎng)貯試驗(yàn)證實(shí)了該方法在65℃至85℃溫度段的可靠性，在更低溫度下該預(yù)估方法的適應(yīng)性還有待于進(jìn)一步研究。

(2)3種配方發(fā)射藥在實(shí)際長(zhǎng)貯中均出現(xiàn)隨著長(zhǎng)貯時(shí)間的延長(zhǎng)彈道性能惡化的現(xiàn)象，這種變化隨著溫度的提高而加劇，膛壓變化率呈指數(shù)規(guī)律上升, 符合Fick 第二定律的擴(kuò)散模型。