高燃速功能材料对高能发射药性能的影响.pdf

doi10. 3969/ j. issn. 1001-8352. 2020. 06. 005 高燃速功能材料对高能发射药性能的影响 ❋ 解德富① 黄振亚① 张 成① 卫又华② 宋亚苹① ①南京理工大学化工学院江苏南京，210094 ②西北大学化工学院陕西西安，710069 [摘 要] 为了研究一种具有高能、高燃速特性的新型发射药，在高能发射药的配方体系中添加了两种高燃速功 能材料乙二胺-三乙烯二胺高氯酸盐SY和硝酸肼镍NHN。 利用密闭爆发器试验研究高燃速功能材料对高能 发射药燃速特性的影响规律，并考察其对高能、高燃速发射药综合性能的影响。 采用中止燃烧试验和 SEM 探索了 燃速提高的机理。 结果表明，添加质量分数 3％ 的 SY 或 NHN 可以有效地提高发射药的燃速，使燃速分别提高了 31. 8％、17. 8％，SY 对燃速的提高效果更为显著；高能、高燃速发射药的火药力为 1 200 J/ g 左右，具有较高的能量 特性；在 20 ℃和 －40 ℃下，NDCS-02含 SY的抗冲强度分别为 73. 89 kJ/ m2和 7. 12 kJ/ m2，NDCN-02含 NHN的 抗冲击强度分别为未断和 6. 60 kJ/ m2，力学性能优良；NDCS-02 和 NDCN-02 的撞击感度分别为19. 0、22. 4 cm，摩擦 感度分别为 84％、90％，都可以满足应用要求；NDCS-02 和 NDCN-02 化学安定性测试的放气量分别为 1. 15、1. 79 mL/ g，安定性较好。 中止燃烧试验和 SEM 的测试结果表明，高燃速功能材料先于发射药基体燃烧，使燃烧过程中 燃面增加，从而提高燃速。 [关键词] 发射药；高燃速；燃烧性能；机理 [分类号] TQ562 Influence of High Burning Rate Functional Materials on Properties of High Energy Gun Propellant XIE Defu①， HUANG Zhenya①， ZHANG Cheng①， WEI Youhua②， SONG Yaping① ① School of Chemical Engineering， Nanjing University of Science and Technology Jiangsu Nanjing， 210094 ② School of Chemical Engineering， Northwestern University Shaanxi Xian， 710069 [ABSTRACT] In order to develop a new type of gun propellant characterized by high energy and high burning rate， two high burning rate functional materials SY and NHN were added to the ula system of high energy gun propellant. Their effect on the burning rate characteristics of high energy gun propellant was studied by closed bomb test. The influence on the comprehensive perance of high energy and high burning rate gun propellant was also studied. The mechanism for the increased burning rate was explored by the suspension of the combustion test and SEM observation. Results show that the burning rate of the gun propellant can be effectively increased after the addition of 3％ mass fraction SY or NHN by 31. 8％ and 17. 8％ respectively. The high energy and high burning rate gun propellant has high energy characteristics， and its gunpowder power is about 1 200 J/ g. At the temperatures of 20 ℃ and －40 ℃， impact strength of NDCS-02 contai- ning SY are 73. 89 kJ/ m2and 7. 12 kJ/ m2respectively， while these of NDCN-02 containing NHN are unbroken and 6. 60 kJ/ m2， respectively. The impact sensitivity of NDCS-02 and NDCN-02 are 19. 0 cm and 22. 4 cm， and the friction sensitivity are 84％ and 90％ respectively， which can meet the application requirements. The outgassing volume of NDCS- 02 and NDCN-02 in chemical stability test are 1. 15 mL/ g and 1. 79 mL/ g respectively， showing good stability. Results of the suspension of the combustion test and the SEM show that the high burning rate functional materials burn ahead of the gun propellant matrix， resulting in an increase in the burning surface during the burning process， thereby increasing the burning rate. [KEYWORDS] gun propellant； high burning rate； combustion perance； mechanism 第 49 卷 第 6 期 爆 破 器 材 Vol. 49 No. 6 2020 年 12 月 Explosive Materials Dec. 2020 ❋ 收稿日期2019-12-21 第一作者解德富1992 － ，男，硕士研究生，主要从事高燃速发射药应用研究。 E-mail912516019＠ qq. com 通信作者黄振亚1958 － ，男，研究员，硕导，主要从事含能材料和功能材料相关研究。 E-mailhzy331＠ sohu. com 引言 近年来，不断地涌现出一些新原理、新结构和新 概念装药技术，相较于常规的装药技术，具有更高的 装填密度和能量利用率，可大幅提高火炮内弹道效 率，从而可以获得较高的炮口动能和弹丸初速[1-3]。 其中，随行装药、变燃速发射药装药等新型装药技术 都急需一种具有优良特性的高能、高燃速发射药作 为技术支撑。 因此，开展高燃速发射药的研究是基 础，也是重点[4-6]。 传统的提高发射药燃速的方法有 添加快燃物、微孔结构发射药、燃速调节剂和新型含 能材料等，但选取不合适的方法往往会使发射药能 量性能、力学性能降低，同时使发射药的加工更加困 难[7-11]。 而高燃速功能材料的能量密度和燃速较 高，且具有良好的热稳定性和热安定性等，理论上不 仅可以有效地提高发射药的燃速，而且不会明显地 降低发射药的能量性能，具有广阔的应用前景。 高燃速功能材料乙二胺-三乙烯二胺高氯酸盐 SY和硝酸肼镍NHN是配位化合物，具有高能 量、高燃速和安定性好等特点[12-13]。 在高能发射药 体系中，添加适量的高燃速功能材料 SY 和 NHN，制 备一种具有高能、高燃速的新型发射药。 利用密闭 爆发器试验研究了 SY 和 NHN 对发射药燃烧性能 的影响，探索了燃速提高的机理，并考察 SY 和 HNH 对高能、高燃速发射药综合性能的影响。 1 试验 1. 1 材料和仪器 硝化棉NC、硝化甘油NG、1，5-二叠氮基-3- 硝基-3-氮杂戊烷DIANP和二号中定剂C2组成 的吸收药片，泸州北方化学工业公司；六硝基六氮杂 异戊兹烷CL-20，工业级，辽宁庆阳化学工业公 司； SY 和 NHN，南京理工大学。 JH2500 型捏合机，上海红星化工机械厂；NYJ- 10 型油压机，南京液压机械制造厂；简支梁冲击试 验机仪，摆锤质量为 2 kg，常州德杜精密仪器有限公 司；落锤撞击装置，落锤质量 5 kg，扬州市源峰检测 设备有限公司； Quant 250FEG 型扫描电子显微镜， 美国 FEI 公司。 1. 2 发射药样品 采用半溶剂法，经捏合塑化、挤压成型、晾药、切 药、烘药工艺制备发射药试样，配方见表 1。 表 1 试样配方质量分数 Tab. 1 Sample ulation mass fraction ％ 组分 试样编号 NDC-01NDCS-02NDCN-02 NC53. 349. 449. 4 NG14. 614. 714. 7 DIANP14. 614. 714. 7 CL-2015. 015. 015. 0 SY03. 00 NHN003. 0 其他2. 53. 23. 2 1. 3 性能测试 1. 3. 1 密闭爆发器试验 50 mL 密闭爆发器，0. 2 mm 镍铬丝外接电极点 火，点火电流 20 35 mA，3＃点火药 NC 0. 5 g，试验 温度 20 ℃；40 mm 长 18/1 单孔管状药。 表 2 为发 射药试样的密闭爆发器试验装填条件。 表 2 密闭爆发器试验装填条件 Tab. 2 Loading conditions of closed bomb test 试样编号装填密度/ gcm －3 NDC-010. 200 0 NDCS-020. 198 5 NDCN-020. 196 5 1. 3. 2 抗冲性能测试 采用简支梁式抗冲试验来检测高能、高燃速发 射药试样的抗冲强度。 试验样品采用 60 mm 的 18/ 1 单孔管状药，每组 7 个试样去掉一个最大值和一 个最小值，取5 个有效数据，在常温20 ℃和低温 －40 ℃环境下保温 4 h，进行试样的抗冲强度测 试，抗冲强度以一组试样的平均值表示。 1. 3. 3 机械感度测试 撞击感度测试采用 GJB772A1997 方法 601. 2 特性落高法。 摩擦感度采用 GJB772A1997 方法 602. 1 爆炸概率法。 1. 3. 4 相容性和化学安定性测试 相容性和化学安定性测试采用 GJB772A1997 方法 501. 2 压力传感器法。 2 结果与讨论 2. 1 高燃速功能材料对发射药燃速特性的影响 将密闭爆发器试验的测试结果 p-t 曲线转化为 燃速随压力变化的 u-p 曲线和动态燃烧活度随相对 82 爆 破 器 材 第 49 卷第 6 期 压力变化的 L-B 曲线。 分别如图 1、图 2 所示。 图 1 试样的 u-p 曲线 Fig. 1 u-p curves of samples 图 2 试样的 L-B 曲线 Fig. 2 L-B curves of samples 从图 1 可以看出，添加高燃速功能材料的试样 NDCS-02、NDCN-02 相较于空白样 NDC-01，燃速均 有不同程度的提高；其中，含 SY 样品的燃速提高效 果更为显著。 从图 2 可以看出，各个发射药试样的 L-B 曲线都比较平滑，说明试样的燃烧过程比较稳 定，即 SY、NHN 的加入并不影响试样的燃烧稳定 性。 相较于 NDC-01，另外两个试样燃烧阶段的活度 值显著增加，表明燃烧过程中燃面增加，且燃烧时间 缩短。 其中，NDCS-02 在 B ＝ 0. 2 位置时，L 具有上 升的趋势，表现出一定的燃烧渐增性。 对密闭爆发器试验数据进行线性回归处理，得 到指数式燃速系数 A、正比式燃速系数 u1，并通过 u1 计算出添加高燃速功能材料的发射药试样相较于空 白样 NDC-01 的燃速提高幅度 k。 表 3 为试样的燃 速参数测试结果，其中，pm为最大压力。 表 3 试样的燃速参数测试结果 Tab. 3 Burning rate parameters of samples 试样编号 pm/ MPa A/ mms －1 MPa － n u1/ mms －1 MPa －1 k/ ％ NDC-01302. 32. 1311. 232 NDCN-02291. 92. 0171. 45117. 8 NDCS-02294. 81. 4481. 62431. 8 从表 3 可以看出，添加 SY 或 NHN 的试样，燃 速均有不同的程度的提高。 NDCS-02、NDCN-02 的 燃速分别比空白样提高了 31. 8％、17. 8％。 对比各 个试样的最大压力 pm可以看出，SY、NHN 加入后， 发射药试样的能量有一定程度的降低。 2. 2 燃速压力指数变化规律 为了研究高燃速功能材料对高能发射药燃速压 力指数的影响，对不同压力范围内的 Lnu 和 Lnp 进 行线性回归处理。 表 4 为试样的燃速压力指数变化 规律。 表 4 中，pd为对应 dp/ dt 最大值的压力，pd 250 MPa 时，压力范围 150 pd为 150 250 MPa。 表 4 试样的燃速压力指数变化规律 Tab. 4 Change rule of burning rate pressure index of test samples 试样编号50 150 MPa150 pd50 pd NDC-010. 9600. 7850. 896 NDCS-021. 1210. 8881. 074 NDCN-020. 9760. 7540. 940 从表 4 可知，随着压力的升高，各试样的燃速压 力指数均逐渐降低。 其中，NDCN-02 和 NDC-01 在 整个压力范围内的燃速压力指数都小于 1，NHN 的 加入对燃速压力指数影响较小；NDCS-02 在 50 150 MPa 压力范围内的燃速压力指数大于1，随着压 力的升高，逐渐降到小于 1。 从试样的燃速压力指 数变化规律和 L-B 曲线可以看出，当燃速压力指数 大于 1 时，在 B ＝0. 2 位置，L 均呈现一段上升的趋 势，试样的燃烧过程具有一定的渐增性。 2. 3 火药力 表 5 为各试样火药力的计算和测试结果。 从表 5 可以看出，火药力 f 的测试值略低于理论计算值， 主要是因为试样中存在少量的工艺溶剂和水分。 NDCS-02、NDCN-02 相较于空白样NDC-01， f 的计算 和测试结果均没有明显的变化。 即 SY 或 NHN 加 到高能发射药配方体系中，没有明显地改变高能发 射药的火药力，具备的高能量特性满足于高能、高燃 速发射药的应用要求。 表 5 火药力 f 的计算和测试结果 Tab. 5 Calculation and test results of gunpowder power f J/ g 试样编号f计算f测试 NDC-011 208. 51 175. 4 NDCN-021 213. 21 170. 0 NDCS-021 225. 91 188. 0 922020 年 12 月 高燃速功能材料对高能发射药性能的影响 解德富，等 2. 4 抗冲性能 表 6 为试样在常温 20 ℃和低温 －40 ℃环境下 抗冲强度的测试结果。 表 6 试样的抗冲强度 Tab. 6 Impact strength of samples kJ/ m2 试样编号20 ℃－40 ℃ NDC-0163. 506. 14 NDCS-0273. 897. 12 NDCN-02未断6. 60 由表 6 可知，在常温和低温下，试样 NDCS-02、 NDCN-02 相较于 NDC-01 均具有较大的抗冲强度， 即 SY 或 NHN 能改善高能发射药的力学性能。 2. 5 机械感度 表 7 为试样的撞击感度和摩擦感度测试结果。 表 7 试样的撞击感度和摩擦感度 Tab. 7 Impact sensitivity and friction sensitivity of samples 试样编号撞击感度 H50/ cm摩擦感度/ ％ NDC-0135. 558 NDCS-0219. 084 NDCN-0222. 490 从表 7 可以看出，添加 SY 或 NHN 到高能发射 药配方体系中，试样的撞击感度和摩擦感度都有一 定程度的提高。 2. 6 相容性 表 8 为 SY、NHN 与发射药配方组分的相容性 试验结果。 R 为试样 3 次试验的平均净放气量， mL。 R 3. 0 mL 时，表明相容。 表 8 相容性试验结果 Tab. 8 Compatibility test results mL 试验样品R/ mL结论 SY 与 NC/ NG/ DIANP/ C2－0. 51相容 SY 与 CL-20－1. 70相容 NHN 与 NC/ NG/ DIANP/ C2－0. 37相容 NHN 与 CL-20－0. 78相容 从表 8 可知，SY、NHN 与高能发射药常用配方 组分、CL-20 之间 R 均小于 3. 0 mL，相容性良好。 2. 7 化学安定性 表 9 为高能、高燃速发射药试样的化学安定性 测试结果。 从表 9 可知，NDCS-02、NDCN-02的放气量分别 表 9 试样的化学安定性 Tab. 9 Chemical stability of samples mL/ g 试样编号真空安定性 V/ mLg －1 结果 NDCS-021. 15合格 NDCN-021. 79合格 为 1. 15、1. 79 mL/ g，均具有较好的安定性。 2. 8 燃速提高的机理探索 在常温下， 对添加高燃速功能材料的试样 NDCS-02、NDCN-02 和空白样 NDC-01 进行中止燃 烧试验。 中止燃烧试验后的发射药试样如图 3 所 示。 采用扫描电子显微镜观察中止燃烧试样的表面 物理结构形貌变化。 图 4 为 NDCS-02、NDCN-02 和 空白样 NDC-01 的 SEM 图放大倍数为 1 600。 图 3 中止燃烧试验样品 Fig. 3 Samples in interrupted combustion test 图 4 中止燃烧试样的 SEM 图 Fig. 4 SEM image of samples in interrupted combustion test 03 爆 破 器 材 第 49 卷第 6 期 从图 4 可以看出，中止燃烧试验后的发射药试 样燃烧表面均形成凹凸不平的连续熔融层。 添加高 燃速功能材料的试样的燃烧表面相较于空白样 NDC-01 均出现不同程度的空穴，导致燃烧过程中的 燃烧面增加。 可能是由于高燃速功能材料具有较高 的燃速，先于发射药基体燃烧，从而在基体表面留下 不同程度的空穴。 发射药在燃烧过程中，产生高温 燃气并向空穴内部渗透，形成对流燃烧，同时增加了 燃烧的表面积，进而促使发射药的燃速增加。 3 结论 1添加高燃速功能材料 SY、NHN 可以有效地 提高发射药的燃速，其中，SY 的燃速提高效果更为 显著。 高能、高燃速发射药试样具有稳定的燃烧过 程，当燃速压力指数大于 1 时，添加 SY 的发射药试 样表现出一定的燃烧渐增性。 2 添加 SY 或 NHN 到高能发射药配方体系中， 火药力均没有明显的变化，且各试样都具有较大的 抗冲强度，力学性能优良；撞击感度和摩擦感度也都 可以满足应用要求，安全性能较好；SY、NHN 与高能 发射药配方组分之间具有良好的相容性，试样的放 气量都不大于 2. 0 mL/ g，安定性较好。 3中止燃烧试验和 SEM 的测试结果表明，高燃 速功能材料由于具有较高的燃速，先于发射药基体 燃烧，致使燃烧过程中燃面增加，从而提高燃速。 参 考 文 献 [1] 邹华. 基于差动原理的新型随行装药技术研究[D]. 南京南京理工大学，2014. 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