NC基高能低敏感發(fā)射藥的低溫抗沖擊強(qiáng)度

張遠(yuǎn)波，軒春雷，劉　波，劉金玉，劉國濤，王瓊林

(西安近代化學(xué)研究所，陜西西安710065)

?

NC基高能低敏感發(fā)射藥的低溫抗沖擊強(qiáng)度

張遠(yuǎn)波，軒春雷，劉波，劉金玉，劉國濤，王瓊林

(西安近代化學(xué)研究所，陜西西安710065)

摘要：為研究NC基高能低敏感發(fā)射藥的低溫力學(xué)性能，通過改變配方中硝化棉(NC)的種類、增塑劑ZSJ-X的含量、FOX-7的含量以及RDX和FOX-7的粒度，制備了4種NC基高能低敏感發(fā)射藥，采用電子萬能材料試驗機(jī)測試了其低溫抗沖擊強(qiáng)度。結(jié)果表明，降低黏結(jié)劑的含氮量，增加增塑劑ZSJ-X的含量，用FOX-7替代部分RDX，降低RDX和FOX-7的粒度，能夠提高NC基高能低敏感發(fā)射藥的低溫抗沖擊強(qiáng)度。當(dāng)NC基高能低敏感發(fā)射藥的配方(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為：NC(含氮量12.6%)37%、ZSJ-X 25%、FOX-7(粒徑19μm)13%、RDX(粒徑5μm)33%時，低溫抗沖擊強(qiáng)度最佳，達(dá)到7.75kJ/m2。

關(guān)鍵詞：應(yīng)用化學(xué)；高能低敏感發(fā)射藥；低溫抗沖擊強(qiáng)度；硝化棉；FOX-7；粒度

引言

為了適應(yīng)現(xiàn)代戰(zhàn)爭環(huán)境及新型武器彈藥的需求，研究人員在通過多種途徑提高發(fā)射藥能量水平的同時還要降低其敏感性。因此，高能低敏感發(fā)射藥已成為新一代發(fā)射藥研究發(fā)展的方向[1-2]。

國內(nèi)外主要采用兩種方法獲得高能低敏感發(fā)射藥，一是通過使用填充高含量固體硝銨的聚合物黏結(jié)基質(zhì)(即聚合物黏結(jié)發(fā)射藥)[3-6]；二是采用硝化纖維素(NC)基配方[7-8]。兩種方法都要求發(fā)射藥具有一定的力學(xué)性能，特別是低溫力學(xué)強(qiáng)度。陳言坤等[9]采用電子萬能試驗機(jī)和自制的抗壓強(qiáng)度測試儀研究了粒狀發(fā)射藥的軸向力學(xué)性能和徑向力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)隨著軸向加載速度的增加，彈性模量增大，抗壓強(qiáng)度變小；劉佳等[10]研究了含RDX多相發(fā)射藥的力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)隨著溫度的升高，含RDX多相發(fā)射藥抗壓性能降低，抗沖擊性能提高；王鋒等[11]研究了含F(xiàn)OX-7發(fā)射藥的低壓燃燒性能及FOX-7用量對發(fā)射藥常溫力學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)隨著FOX-7含量的增加, 發(fā)射藥燃速壓強(qiáng)指數(shù)降低，抗沖擊強(qiáng)度增大。

本研究以NC基高能發(fā)射藥為基礎(chǔ)，通過改變黏結(jié)劑NC的種類，調(diào)整增塑劑ZSJ-X的含量，用FOX-7部分替代RDX，采用不同粒度的RDX和FOX-7，研究了NC基高能低敏感發(fā)射藥的低溫抗沖擊強(qiáng)度，以期為高能低敏感發(fā)射藥在武器上的應(yīng)用提供參考。

1實驗

1.1樣品及儀器

1號NC、3號NC、皮羅棉、RDX(粒度為10μm)，遼寧慶陽化學(xué)工業(yè)公司；FOX-7(粒度分別為19、104、318μm)、RDX(粒度分別為5、30、50μm)、ZSJ-X(酰胺類增塑劑)，西安近代化學(xué)研究所自制。

Instron4505型電子萬能材料試驗機(jī)，美國英斯特朗公司。

1.2樣品的制備

制備了4種NC基高能低敏感發(fā)射藥，配方見表1。

表1　4種NC基高能低敏感發(fā)射藥配方

采用半溶劑法擠壓成型工藝將4種配方發(fā)射藥制成長60cm的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%。

1.3抗沖擊強(qiáng)度測試

采用GJB770B-2005-417.1方法，測試NC基高能低敏感發(fā)射藥在低溫下(-40℃)的抗沖擊強(qiáng)度，取5次實驗的平均值。

2結(jié)果與討論

2.1硝化棉種類對NC基高能低敏感發(fā)射藥低溫抗沖擊強(qiáng)度的影響

用皮羅棉替代混棉中3號NC，用萬能材料試驗機(jī)測試了GD1發(fā)射藥的低溫抗沖擊強(qiáng)度(αk)，結(jié)果見表2。

表2　不同組分混棉對GD1發(fā)射藥低溫抗沖擊強(qiáng)度的影響

由表2可以看出，以皮羅棉替代3號NC后，GD1發(fā)射藥的低溫抗沖擊強(qiáng)度由3.61kJ/m2提高至5.61kJ/m2。當(dāng)混棉完全為皮羅棉時，GD1發(fā)射藥的低溫抗沖擊強(qiáng)度達(dá)到6.89kJ/m2。這是由于皮羅棉具有較高的數(shù)均分子質(zhì)量且分布較為均勻，聚合度也較大，塑化性能強(qiáng)，有利于提高發(fā)射藥的抗沖擊強(qiáng)度。另一方面，硝化棉中硝酸酯基含量降低以后，其端羥基更容易與配方中的RDX等固體填料中的極性氧原子形成氫鍵，能夠有效提高其與固體填料的結(jié)合能力，從而顯著改善發(fā)射藥的抗沖擊強(qiáng)度。

2.2增塑劑含量對NC基高能低敏感發(fā)射藥低溫抗沖擊強(qiáng)度的影響

采用低敏感的硝酸酯ZSJ-X替代NC，測試了增塑劑ZSJ-X含量對GD2發(fā)射藥抗沖擊強(qiáng)度的影響，結(jié)果見表3。

表3　增塑劑ZSJ-X含量對GD2發(fā)射藥低溫

從表3看出，當(dāng)增塑劑ZSJ-X的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為23.6%～28.9%時，低溫抗沖擊強(qiáng)度顯著提高。這主要是由于增塑劑ZSJ-X上的極性基團(tuán)通過與NC分子上極性基團(tuán)的相互作用，破壞了NC分子間極性基團(tuán)的相互作用及分子間的物理交聯(lián)點，使分子的鏈段運動得以實現(xiàn)，聚合物的玻璃化溫度降低，聚合物低溫韌性增加，表現(xiàn)為其抗沖擊強(qiáng)度增大。當(dāng)增塑劑ZSJ-X含量較小時，NC分子間的物理交聯(lián)點破壞程度較弱，分子內(nèi)多數(shù)鏈段的運動仍然被限制，其對應(yīng)力的響應(yīng)以脆性變形為主。當(dāng)增塑劑ZSJ-X含量增大到使分子鏈間大部分物理交聯(lián)點遭到破壞時，分子鏈段運動受到的限制減弱，發(fā)射藥韌性增加。同時，增加配方中增塑劑ZSJ-X的含量，發(fā)射藥的流動性變好，壓伸成型過程中沿軸向取向的NC分子鏈增多，發(fā)射藥徑向的抗沖擊能力增強(qiáng)。進(jìn)一步增加增塑劑ZSJ-X的含量(即增塑劑ZSJ-X的質(zhì)量分?jǐn)?shù)32.5%)時，發(fā)射藥的低溫抗沖擊強(qiáng)度反而降低，這可能是由于NC過度溶解，低溫下塑性增強(qiáng)，從而造成低溫抗沖擊強(qiáng)度下降。因此，增塑劑ZSJ-X的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為23.6%～28.9%即可。

2.3FOX-7含量對NC基高能低敏感發(fā)射藥低溫抗沖擊強(qiáng)度的影響

研究發(fā)現(xiàn)，加入FOX-7有利于降低發(fā)射藥的敏感性，當(dāng)FOX-7的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于15%時，對發(fā)射藥的能量影響不大。因此，在保證發(fā)射藥高能低敏感的條件下(FOX-7的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于15%)，研究了FOX-7的含量對GD3發(fā)射藥低溫抗沖擊強(qiáng)度的影響，結(jié)果見表4。

表4　FOX-7含量對GD3發(fā)射藥低溫抗沖擊強(qiáng)度的影響

從表4可以看出，用FOX-7部分替代配方中的RDX，發(fā)射藥的低溫抗沖擊強(qiáng)度顯著提高。隨FOX-7含量的增加，發(fā)射藥的低溫抗沖擊強(qiáng)度有所增大。這是因為，F(xiàn)OX-7與RDX具有相同的元素比，但其分子結(jié)構(gòu)有明顯的差異，單位質(zhì)量的FOX-7比RDX含有更多的極性基團(tuán)-NO2和-NH2。FOX-7分子上的-NH2及NC分子上未酯化的羥基使FOX-7與NC之間形成大量的氫鍵，這些化學(xué)鍵及其極性基團(tuán)間的相互作用使FOX-7顆粒較好地吸附在黏結(jié)劑分子上，有利于復(fù)合體系中應(yīng)力的傳遞。同時，F(xiàn)OX-7與NC分子間的相互作用降低了NC分子間極性基團(tuán)的相互作用，有利于NC分子鏈段的運動，從而提高發(fā)射藥對應(yīng)力的塑性變形能力。當(dāng)FOX-7質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到13.1%時，發(fā)射藥的低溫抗沖擊強(qiáng)度達(dá)到5.57kJ/m2；再增加FOX-7的含量，低溫抗沖擊強(qiáng)度增加不大，但此時發(fā)射藥的能量有所降低。因此，將FOX-7質(zhì)量分?jǐn)?shù)定在13.1%左右。

2.4RDX和FOX-7粒度對NC基高能低敏感發(fā)射藥低溫抗沖擊強(qiáng)度的影響

以RDX和FOX-7作為固體填料，研究其粒度對GD4發(fā)射藥低溫抗沖擊強(qiáng)度的影響，結(jié)果見表5。

表5　RDX和FOX-7粒度對GD4發(fā)射藥低溫

從表5可以看出，隨著RDX和FOX-7粒度的減小，GD4發(fā)射藥的低溫抗沖擊強(qiáng)度顯著提高。這是因為在NC及固體填料含量一定時，固體填料的粒度影響其與黏結(jié)劑的結(jié)合。在發(fā)射藥制備過程中，機(jī)械、熱等因素的作用使固體填料均勻分散在黏結(jié)劑之間，且兩者接觸良好，固體填料在體系中起物理交聯(lián)點作用。小粒度RDX和FOX-7的比表面積大，與黏結(jié)劑結(jié)合更加緊密，形成分子間相互作用力的強(qiáng)度更高、數(shù)量更多，即小粒度的RDX和FOX-7與黏結(jié)劑的結(jié)合強(qiáng)度比大粒度的RDX和FOX-7的高；同時，高的比表面積有利于分散外加的沖擊力，減小單位面積的受力，降低外力對復(fù)合體系結(jié)構(gòu)的破壞。在相同固體含量的前提下，小粒度RDX和FOX-7的數(shù)量多，與黏結(jié)劑形成的物理交聯(lián)點增加，這有利于外力在復(fù)合材料體系內(nèi)部的傳遞，不易形成應(yīng)力集中，提高了發(fā)射藥對外力的響應(yīng)能力，降低了外力的破壞作用。當(dāng)FOX-7粒徑為19μm，RDX粒徑為5μm時，GD4發(fā)射藥的低溫抗沖擊強(qiáng)度為6.38kJ/m2。如果再減小FOX-7與RDX的粒度，會發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象，發(fā)射藥的低溫抗沖擊強(qiáng)度反而有所降低。因此，RDX和FOX-7的最佳粒徑分別為5μm和19μm。

2.5NC基高能低敏感發(fā)射藥的最佳配方及敏感性

根據(jù)上述實驗，確定最佳配方(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為：含氮量為12.6%的皮羅棉27%；增塑劑ZSJ-X為25%；FOX-7(粒徑19μm)為13%；RDX(粒徑5μm)為33%。測得該配方低溫抗沖擊強(qiáng)度為7.75kJ/m2，火藥力為1205J/g，爆熱為4102J/g。測試了該配方和傳統(tǒng)三胍發(fā)射藥的敏感性，結(jié)果見表6。

表6　常規(guī)發(fā)射藥和NC基高能低敏感發(fā)射藥的敏感性對比

從表6可以看出，經(jīng)5s爆發(fā)點、DSC、射流撞擊、快烤、慢烤及子彈撞擊等敏感性試驗，該配方的敏感性優(yōu)于傳統(tǒng)三胍發(fā)射藥。

3結(jié)論

(1)以含氮量為12.6%的皮羅棉作為黏結(jié)劑，提高增塑劑ZSJ-X的含量，用FOX-7部分替代RDX，減小RDX和FOX-7的粒度，有助于提高NC基高能低敏感發(fā)射藥的低溫抗沖擊強(qiáng)度。

(2)發(fā)射藥最佳配方(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為：含氮量為12.6%的皮羅棉27%；增塑劑ZSJ-X 為25%；FOX-7(粒徑19μm)為13%；RDX(粒徑5μm)為33%，此時發(fā)射藥的低溫抗沖擊強(qiáng)度最佳，為7.75kJ/m2。

參考文獻(xiàn)：

[1]徐復(fù)銘．2l世紀(jì)先進(jìn)發(fā)射藥(2)[J]．南京理工大學(xué)學(xué)報，2003，27(5)：551-560．

XU Fu-ming. Advanced gun propellants of the 21st century (2) [J]. Journal of Nanjing University of Science and Technology, 2003, 27(5): 551-560.

[2]付小龍，樊學(xué)忠. 鈍感推進(jìn)劑組成研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J]. 火炸藥學(xué)報, 2014, 37(5): 1-8.

FU Xiao-long, FAN Xue-Zhong. Research and development trends of insensitive solid propellant formalation[J]. Chinese Journal of Explosives and Propellants, 2014, 37(5): 1-8.

[3]Simmons R L. Reduced gun barrel erosion with advanced gun propellants[C]∥36th Annual Gun and Ammunition Symposium and Exhibition. San Diego, CA: Naval Surface Warfare Center Indian Head, 2001.

[4]Sanghavi R R, Kamale P J, Shaikh M A R, et al. Glycidyl azide polymer-based enhanced energy LOVA gun propallant[J]. Defence Science Journal, 2006, 56(3): 407-416.

[5]Sanghavi R R, Kamale P J, Shaikh M A, et al. HMX based enhanced energy LOVA gun propellant[J]. Journal of Hazardous Materials, 2007, 143(1/2): 532-534.

[6]Vruushali Khire, Kamale P J, Amarjit Singh, et al. Studies on LOVA gun propellants containing energetic binder[C]∥38th International Annual Conference. Karlsruhe: ICT, 2007: 22/1-22/8.

[7]Beat Vogelsanger, Hanspeter Andres, Ulrich Schadeli, et al. Tomorrow’s LOVA-propellantspolymer-bonded or niteocellulose-based[C]∥35th International Annual Conference. Karlsruhe: ICT, 2004: 7/1-7/17.

[8]Chakraborthy T, Raha K, Omprakash B, et al. A study on gun propellants based on Butyl-NENA[J]. Journal of Energetic Materials, 2004, 22(1): 41-53.

[9]陳言坤，羅興柏，甄建偉，等．粒狀發(fā)射藥的力學(xué)性能[J]．火炸藥學(xué)報，2013,36(6):82-85.

CHEN Yan-kun, LUO Xing-bai, ZHEN Jian-wei, et al. Mechanical properties of granular gun propellant [J]. Chinese Journal of Explosives and Propellants, 2013, 36(6): 82-85.

[10]劉佳，張麗華，馬忠亮，等．含RDX多相發(fā)射藥力學(xué)性能研究[J]．化學(xué)推進(jìn)劑與高分子材料，2013，11(4)：87-89．

LIU Jia, ZHANG Li-hua, MA Zhong-liang, et al. Study on mechanical properties of multi-phase gun-propellant containing RDX[J]. Chemical Propellants and Polymeric Materials, 2013, 11(4): 87-89.

[11]王鋒，劉國濤，張遠(yuǎn)波，等．含F(xiàn)OX-7發(fā)射藥的低壓燃燒性能及力學(xué)性能[J].含能材料，2013，21(4)：522-526.

WANG Feng, LIU Guo-tao, ZHANG Yuan-bo, et al. Combustion and mechanical performance of gun propellant containing FOX-7 at low pressure[J]. Chinese Journal of Energetic Materials, 2013, 21(4): 522-526.

Low Temperature Impact Strength of Nitrocellulose Based High

Energy-Low Vulnerability Gun Propellant

ZHANG Yuan-bo, XUAN Chun-lei, LIU Bo, LIU Jin-yu, LIU Guo-tao, WANG Qiong-lin

(Xi′an Modern Chemistry Research Institute, Xi′an 710065，China)

Abstract:To study the low temperature impact strength of nitrocellulose (NC) based high energy -low vulnerability gun propellant, four kinds of NC based high energy-low vulnerability gun propellants were prepared by changing the kind of NC, content of plasticizer ZSJ-X and FOX-7, and granularities of RDX and FOX-7 in formulations. Their low temperature impact strength were measured by an electronic universal material testing machine. The results show that the low temperature impact strength of NC based high energy-low vulnerability gun propellant can be improved through reducing the nitrogen content of binder, enhancing the content of ZSJ-X, partly replacing RDX with FOX-7 and reducing the granularity of RDX and FOX-7. When the formulation of NC based high energy-low vulnerability gun propellant is(mass fraction): NC of 37%; ZSJ-X of 25%; FOX-7(particle size of 1μm) of 13%; RDX(particle size of 5μm) of 33%, the low temperature impact strength is the best with the value of 7.75kJ/m2.

Keywords:applied chemistry; high energy-low vulnerability gun propellant; low temperature impact strength; NC; FOX-7; granularity

作者簡介:張遠(yuǎn)波(1977-)，男，高級工程師，從事發(fā)射藥配方及裝藥工藝研究。

基金項目:國防基礎(chǔ)產(chǎn)品創(chuàng)新計劃火炸藥科研究專項

收稿日期:2014-05-22；修回日期:2014-10-19

中圖分類號：TJ55; O69

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1007-7812(2015)01-0078-04

DOI：10.14077/j.issn.1007-7812.2015.01.018