含F(xiàn)OX-7發(fā)射藥的燃燒性能

劉國濤，劉少武，于慧芳，張遠波，魏 倫，韓 冰，劉 波

（西安近代化學研究所，陜西 西安710065）

引 言

發(fā)射藥具有穩(wěn)定的燃燒性能是其應用于裝藥的先決條件。穩(wěn)定而有規(guī)律的燃燒可賦予發(fā)射藥優(yōu)良的內(nèi)彈道性能。硝胺發(fā)射藥具有能量高，爆溫相對較低的優(yōu)點，近年來在高能低易損發(fā)射藥中的應用研究取得很大的進展。1，1-二氨基-2，2-二硝基乙烯（FOX-7）自合成以來，憑借優(yōu)異的綜合性能受到研究人員的高度關(guān)注。它耐熱性能良好，能量密度高，感度低［1］，為其在高能低敏感火炸藥中的應用奠定了基礎(chǔ)。目前，科研人員已經(jīng)開展了FOX-7在推進劑中的應用研究以及在混合炸藥中的安全性評估［2-5］。

本實驗研究了含F(xiàn)OX-7三基發(fā)射藥的燃速、壓強指數(shù)、壓強變化率，為新型含能材料FOX-7在低敏感發(fā)射藥中的應用提供參考。

1 實 驗

1.1 實驗樣品

發(fā)射藥的配方見表1。采用半溶劑法擠壓成型工藝制備18／1單孔管狀藥。濕烘驅(qū)溶、干烘驅(qū)水，階梯式升溫烘藥至其內(nèi)揮、水分均小于0.5%。

表1 發(fā)射藥配方Table 1 Formulation of the propellants

1.2 密閉爆發(fā)器實驗

密閉爆發(fā)器燃燒室體積為100cm3，按照GJB770A-97703方法進行密閉爆發(fā)器實驗，發(fā)射藥的裝填密度為0.20g／cm3，點火壓強為10MPa，每個樣品的測試數(shù)據(jù)均為3個平行實驗的平均值。

1.3 樣品密度測試

密度測試采用液體靜力法，按GJB770B-2005-401.2方法執(zhí)行。

2 結(jié)果與討論

2.1 FOX-7含量對發(fā)射藥燃速及燃氣生成率的影響

圖1為5種樣品的p-t和u-t曲線。

圖1 5種樣品的p-t和u-t曲線Fig.1 p-t and u-t curves of the five samples

由圖1可知，1～5號樣品的p-t和u-t曲線光滑，說明發(fā)射藥燃燒穩(wěn)定。隨著FOX-7含量的增加，發(fā)射藥達到最大壓力及最大燃速所需的時間逐漸加大，并且燃速的最大值降低，即高FOX-7含量的發(fā)射藥點火難度增加，燃速降低。其原因主要是：（1）高FOX-7含量發(fā)射藥的具有更高的密度，1～5 號樣 品的密度分別為1.582、1.624、1.630、1.645和1.653g／cm3。由于發(fā)射藥密度的增加，相同加熱層體積的發(fā)射藥吸收更多的能量才能達到點火溫度，即達到點火溫度需要更多的時間，點火延滯期變長；（2）FOX-7 分子內(nèi)及分子間存在大量氫鍵，且在升溫過程中有轉(zhuǎn)晶行為［6］。當遇到外界熱刺激時，F(xiàn)OX-7由α相態(tài)向β相態(tài)轉(zhuǎn)變，消耗一定的熱能，而這個過程中FOX-7分子內(nèi)及分子間的氫鍵強度沒有明顯變化［7］。溫度繼續(xù)升高時，F(xiàn)OX-7開始熔化，但由于廣泛存在于分子間及分子內(nèi)的氫鍵存在，這個過程要消耗大量的熱量。因此，在燃燒開始階段，有大量FOX-7存在，表現(xiàn)為發(fā)射藥點火延遲時間增加，到達最大壓強及最大燃速的時間變長；在燃燒過程中，RDX 含量的相對減少及氫鍵解離對FOX-7燃燒反饋效果消弱的共同作用，延長了樣品燃燒達到最大壓強及最大燃速的時間；（3）在210～250℃范圍內(nèi)，F(xiàn)OX-7的分解活化能為243.6kJ／mol，而此時RDX的熱分解活化能為147kJ／mol［8-9］，隨著FOX-7含量的增加，RDX含量相應減少，這增加了高FOX-7含量發(fā)射藥分解放熱的難度。

圖2為5種樣品的Γ-Ψ曲線。從圖2可以看出，1～5 號樣品的起始燃燒猛度均較低，但隨著FOX-7含量的增加，發(fā)射藥的起始燃燒猛度及漸增性均有降低的趨勢。這是因為，試驗所用樣品為單孔管狀藥，在燃燒過程中，發(fā)射藥按平行層燃燒，燃燒面積基本不變，理論上Γ-Ψ應為直線。但發(fā)射藥的燃速壓強指數(shù)大于1，導致燃氣生成率有增加的趨勢。而高FOX-7含量發(fā)射藥燃燒漸增性的降低，從側(cè)面說明隨著FOX-7含量的增加，發(fā)射藥的燃速壓強指數(shù)降低。

圖2 5種樣品的Γ-Ψ 曲線Fig.2 Γ-Ψcurves of the five samples

2.2 FOX-7含量對壓強變化率（dp／dt）的影響

由圖3可以看出，隨著FOX-7含量的增加，發(fā)射藥達到最大壓強變化率的時間變長，即壓強變化率的增長速率變小，并且樣品壓強變化率的最大值顯著降低。1 和2 號樣品的壓強變化率最大值相近，3～5號樣品的壓強變化率最大值降低明顯。即發(fā)射藥中FOX-7質(zhì)量分數(shù)低于5%時，不能有效降低其壓強變化率；當FOX-7質(zhì)量分數(shù)大于15%時，密閉爆發(fā)器中發(fā)射藥燃氣的壓力變化率顯著降低。這說明隨著FOX-7質(zhì)量分數(shù)的增加，發(fā)射藥燃速對壓強變化的敏感性降低，發(fā)射藥在燃燒過程中壓強劇增的可能性降低，有利于發(fā)射藥的穩(wěn)定燃燒。

圖3 5種樣品的dp／dt-t曲線Fig.3 dp／dt-t curves of the five samples

2.3 FOX-7含量對壓強指數(shù)的影響

表2為發(fā)射藥的密閉爆發(fā)器實驗結(jié)果，考慮到點火過程及藥型分裂后燃燒表面的影響，數(shù)據(jù)處理時，壓力的取值范圍為：Ψ為0.15時或其滯后的鄰近點對應的壓力為初始壓力，以dp／dt取最大值時對應的壓力為燃燒結(jié)束壓力，記作dptm。

表2 發(fā)射藥密閉爆發(fā)器實驗結(jié)果Table 2 Experimental results of propellant obtained by closed bomb tests

由表2可以看出，1～5號樣品在不同的壓強段具有不同的壓強指數(shù)和燃速系數(shù)。隨著FOX-7含量的增加，在50～100MPa及100～150MPa兩個壓強段的壓強指數(shù)變化不明顯，150～200MPa和200～dptmMPa兩個壓強段的壓強指數(shù)則顯著降低，整個燃燒過程的壓強指數(shù)逐漸降低。在50～dptmMPa范圍內(nèi)，隨著壓強的增加，不同樣品的燃速系數(shù)均有增大的趨勢，壓強指數(shù)則顯著降低。隨著FOX-7含量的增加，相同壓強段的燃速系數(shù)大體呈降低趨勢。結(jié)合式（1）［10］可以看出，當壓強小于150MPa時，壓力對FOX-7、RDX 分解速度、燃燒速度的影響能力相當，改變樣品中FOX-7含量對樣品壓力指數(shù)的影響不大；當壓強大于150MPa 時，F(xiàn)OX-7燃速受壓強增長的影響弱于相同條件下對RDX 的影響，表現(xiàn)為FOX-7降低壓強指數(shù)的能力強于RDX，F(xiàn)OX-7引起壓強增長的速度遠大于對燃速增長的貢獻，發(fā)射藥的壓強指數(shù)顯著降低。綜合整個燃燒過程，增加樣品中FOX-7的含量可降低發(fā)射藥的壓力指數(shù)。

3 結(jié) 論

（1）含F(xiàn)OX-7 發(fā)射藥能夠穩(wěn)定燃燒。隨著FOX-7含量的增加，發(fā)射藥點火延滯時間增大，燃速及其增長速度均降低，達到最大燃速的時間增長。

（2）當FOX-7質(zhì)量分數(shù)低于5%時，對發(fā)射藥燃燒時壓強變化率的影響不大；當其質(zhì)量分數(shù)超過15%時，可顯著降低發(fā)射藥壓強變化率的最大值及其增長速率；高FOX-7含量發(fā)射藥燃燒過程中壓強劇變的可能性變小，有利于其穩(wěn)定燃燒。

（3）在50～150MPa，F(xiàn)OX-7改善發(fā)射藥壓強指數(shù)的能力不明顯；隨著燃燒壓力的增加，含F(xiàn)OX-7發(fā)射藥的壓力指數(shù)逐漸降低，尤其當燃燒壓力大于200MPa時，其燃速壓強指數(shù)顯著降低。隨著FOX-7含量的增加，發(fā)射藥的壓強指數(shù)及燃速系數(shù)均降低，有利于發(fā)射藥的穩(wěn)定燃燒。

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