含六硝基合鈷酸鉀消焰劑的球(扁)形發(fā)射藥性能研究

賀 云，趙其林，陳春林，張世林，周宏偉，郭禮波，張文博，陳 剛

(1.瀘州北方化學(xué)工業(yè)有限公司科研所， 四川 瀘州 640003；2.中北大學(xué) 環(huán)境與安全工程學(xué)院， 太原 030051)

1 引言

發(fā)射藥中加入消焰劑(鉀鹽)是減小槍/炮口火焰的重要手段[1]。針對(duì)輕武器存在射擊煙焰大、殘?jiān)嗟扔泻ι鋼衄F(xiàn)象，需開(kāi)展配方能量與槍口煙焰的綜合協(xié)調(diào)技術(shù)研究。傳統(tǒng)無(wú)機(jī)消焰劑(硝酸鉀、硫酸鉀)是發(fā)射藥常用的氧平衡和消焰效率較高的消焰劑，但這類(lèi)無(wú)機(jī)鉀鹽能量低，在水中的溶解度大，難以適用于在水相制備的球扁藥[2]。另外，硝酸鉀吸濕性大也限制其應(yīng)用[3]。劉波等研究的有機(jī)鉀鹽AK、BK具有吸濕性小、難溶于水等特點(diǎn)，但由于其分子結(jié)構(gòu)中低氧高碳?xì)浜?，在使用中產(chǎn)生的煙霧比較大，從而影響其實(shí)際應(yīng)用[3-4]。國(guó)內(nèi)王光宇等制備了一種含硝基的亞微米級(jí)金屬配位化合物的新型消焰劑GK，該消焰劑具有一定能量水平、不溶(微溶)水、吸濕性小等特點(diǎn)，已在推進(jìn)劑領(lǐng)域開(kāi)展應(yīng)用研究，該消焰劑在發(fā)射藥中的應(yīng)用還鮮見(jiàn)報(bào)道[5]。

目前我國(guó)有關(guān)消焰劑的研究多見(jiàn)于推進(jìn)劑的應(yīng)用中，西安204所在硝胺推進(jìn)劑中加入亞硫酸復(fù)合鉀鹽與K2SO4，降低二次焰效果較好且DSC測(cè)試表明相容性較好，但同時(shí)降低了推進(jìn)劑的燃速[6]。夏天雨等采用TG-DSC聯(lián)用技術(shù)研究含能消焰劑的熱分解動(dòng)力學(xué)，得到炸藥的動(dòng)力學(xué)參數(shù)和機(jī)理函數(shù)[7]。趙鳳起等對(duì)鉀鹽消焰劑進(jìn)行了大量研究，將鉀鹽消焰劑加入到硝化棉基鈍感推進(jìn)劑中，相比于鉀冰晶石，鉀鹽消焰劑對(duì)推進(jìn)劑的平臺(tái)效應(yīng)破壞作用較小，同時(shí)其熱分解對(duì)推進(jìn)劑的影響較小[8-10]。針對(duì)納米鉀鹽消焰劑對(duì)發(fā)射藥性能的影響，韓冰等對(duì)其吸濕性、燃燒性能等進(jìn)行研究，結(jié)果表明，含納米鉀鹽消焰劑的發(fā)射藥吸濕性較小且燃燒穩(wěn)定[11]。采用外加方式在造粒澆鑄工藝推進(jìn)劑中添加了四種傳統(tǒng)消焰劑(LiF、KA、C4O6H4K2和KD)，結(jié)果表明KA與KD可以有效抑制推進(jìn)劑的二次燃燒，發(fā)動(dòng)機(jī)噴焰面積減少80%以上[12]。

美國(guó)研究者提出以無(wú)機(jī)鹽組成可溶固體，包括磷酸銨和含硫化合物，該可溶固體的分解溫度范圍約為175～370 ℃[13]。Babushok及其團(tuán)隊(duì)討論了化學(xué)物質(zhì)對(duì)火焰抑制作用的極限，如五羰基鐵，其效率比目前使用的抑制劑高出約兩個(gè)數(shù)量級(jí)，消焰劑僅在氣相過(guò)程中才可起到較好的抑制火焰的作用[14]。Nikkeshi提供了一種不使用有毒物質(zhì)的復(fù)合消焰劑，在小添加量條件下可實(shí)現(xiàn)較好的消焰效果[15]。

本研究采用表面涂覆與成球過(guò)程內(nèi)添加2種工藝，對(duì)含GK的球扁發(fā)射藥性能進(jìn)行研究，為該消焰劑在球扁發(fā)射藥中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 樣品制備

結(jié)合某槍彈發(fā)射藥采用的“內(nèi)溶法”球扁藥成型工藝：① 通過(guò)內(nèi)添加方式在成球階段加入GK的方案，經(jīng)鈍感、后處理制得試驗(yàn)樣品A；② 通過(guò)表面涂覆方式在成球、鈍感工序結(jié)束后的涂覆工序加入GK的方案，經(jīng)后處理制得試驗(yàn)樣品B；③ 在制備工藝過(guò)程中未添加GK的試驗(yàn)樣品C。

2.2 內(nèi)添加工藝制備含GK的球扁發(fā)射藥

內(nèi)添加工藝是指在“內(nèi)溶法”成球工藝過(guò)程中，通過(guò)成球工序加入一定含量GK，使GK分布于球扁藥粒內(nèi)部。表1列舉了添加相同含量的不同批次樣品中GK的含量。

表1 內(nèi)添加GK分析結(jié)果

從表1可以看出：① 采用內(nèi)添加工藝加入GK，GK加入量相同時(shí)，制備不同批次的樣品中GK含量較穩(wěn)定，表明內(nèi)添加工藝穩(wěn)定；② GK的吸收率較低，分析可能原因：由于內(nèi)溶法成球工藝中，水棉比約為6～10，成球器內(nèi)水量過(guò)多，加入的GK僅少量吸收進(jìn)入硝化棉內(nèi)部，剩余的仍分散于水相中；③ 加入GK對(duì)體系能量基本無(wú)影響。

2.3 涂覆工藝制備含GK的球扁發(fā)射藥

涂覆工藝是指在藥粒表面通過(guò)噴涂微量粘結(jié)劑，將GK粘結(jié)于藥粒表面。表2列舉了不同加入量樣品中GK的含量。

表2 表面涂覆GK分析結(jié)果

從表2可以看出，采用表面涂覆工藝，GK在工藝過(guò)程中損失較小。但由于輕武器用發(fā)射藥一般尺寸較小，在涂覆過(guò)程中通過(guò)觀察發(fā)現(xiàn)，存在部分藥粒未涂覆上GK或藥粒表面涂覆不均勻的現(xiàn)象。另外，采用該工藝試制樣品在烘干、光澤等后處理工序中存在粉塵大，對(duì)操作人員職業(yè)健康危害大等問(wèn)題。

對(duì)比2種GK添加工藝，其中內(nèi)添加工藝過(guò)程簡(jiǎn)單，僅在成型過(guò)程中隨原材料一并加入，不額外增加工藝過(guò)程，工藝控制參數(shù)不另行設(shè)置，使研制發(fā)射藥在原材料、人工及動(dòng)力成本不變的情況下，能達(dá)到較好的消焰效果。但該工藝GK在發(fā)射藥中的吸收率較低。表面涂覆工藝增加了涂覆過(guò)程，需另行進(jìn)行該工藝操作，額外增加了原材料、人工及動(dòng)力成本。因此，對(duì)于輕武器用球扁發(fā)射藥，采用內(nèi)添加工藝較佳。

3 結(jié)果與討論

3.1 GK與發(fā)射藥組分相容性的研究

采用GJB770B方法502.1(差熱分析和差示掃描量熱法)對(duì)GK與常用球扁發(fā)射藥組分進(jìn)行了相容性測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表3。

表3 差熱分析和差示掃描量熱法測(cè)試結(jié)果

由表3中測(cè)試結(jié)果可知，新型消焰劑GK與發(fā)射藥配方中其他組分相容性較佳，ΔTp≤2.0 ℃且ΔE/Ea=3.7%，說(shuō)明在含GK的球扁發(fā)射藥體系中，硝化棉的熱分解過(guò)程基本穩(wěn)定，GK與硝化棉的熱分解的含能弱鍵斷裂過(guò)程中，均以硝基為分解反應(yīng)的第一步，因此含GK的球扁發(fā)射藥體系中，組分間相互影響較??；同時(shí)，GK的加入對(duì)該體系的能量釋放影響較小，熱量基本沒(méi)有變化。綜合上述分析可知，球扁發(fā)射藥與GK的相容性較佳。

3.2 GK含量對(duì)球扁發(fā)射藥燃燒性能的影響及分析

采用GJB770B方法703.1(微分壓力法)密爆爆發(fā)器測(cè)試，對(duì)GK含量分別為0.015%(A1)、0.02%(A2)及未添加的樣品(C)進(jìn)行了靜態(tài)燃燒測(cè)試，結(jié)果如表4所示。

表4 發(fā)射藥20 ℃密爆特征參數(shù)

通過(guò)圖1中p-t曲線及表4中數(shù)據(jù)可以看出，隨著GK含量的增加，密閉爆發(fā)器測(cè)試結(jié)果中最大壓力略有升高，同時(shí)燃燒結(jié)束點(diǎn)提前；圖1中dp/dt-t曲線表明燃?xì)馍伤俾孰SGK含量的升高而上升。由于GK含氧量較高，可使球扁發(fā)射藥燃燒產(chǎn)物較為充分燃燒，同時(shí)其產(chǎn)物具有較好的傳熱性，因此，隨著GK含量的增加，球扁發(fā)射藥燃速增大，單位時(shí)間內(nèi)氣體生成量上升，最大壓力略有升高且燃燒結(jié)束點(diǎn)提前。

圖1 發(fā)射藥p-t、dp/dt-t曲線Fig.1 p-t and dp/dt-t curves of propellants

3.3 GK含量對(duì)球扁發(fā)射藥槍口煙焰的影響及分析討論

采用高速攝影法、煙霧透過(guò)率法(Q/HE2-359)測(cè)試不同GK含量樣品的槍口煙焰結(jié)果如表5所示。

結(jié)合表5與表6中測(cè)試結(jié)果可以看出：① 采用內(nèi)添加工藝加入微量GK后，能夠有效降低槍口火焰面積，當(dāng)GK含量超過(guò)0.015%時(shí)，槍口火焰面積降低30%以上；② 采用內(nèi)添加工藝加入微量GK后，隨樣品GK含量增加，煙霧透過(guò)率逐漸降低。與未添加GK樣品相比，當(dāng)GK含量為0.01%時(shí)，其煙霧透過(guò)率相當(dāng)。通過(guò)分析表6中測(cè)試結(jié)果并比較圖2與圖3可知，添加新型消焰劑GK可明顯降低槍口火焰面積，隨著球扁發(fā)射藥中GK含量的增加，槍口火焰面積明顯降低，表明新型消焰劑GK起到良好的消除槍口火焰的效果。

表5 槍口焰試驗(yàn)結(jié)果

表6 槍口煙霧測(cè)試結(jié)果Table 6 Test results of muzzle smoke

圖2 樣品C槍口火焰照片F(xiàn)ig.2 Gunfire of Sample C

圖3 制式發(fā)射藥槍口火焰照片F(xiàn)ig.3 Gunfire of standard propellant

3.4 GK對(duì)球扁發(fā)射藥感度的影響及討論

采用GJB770B方法601.2(特性落高)、602.1(爆炸概率法)對(duì)含GK的球扁發(fā)射藥感度進(jìn)行測(cè)試，由表7及表8試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，添加微量GK發(fā)射藥樣品與未添加GK的參比樣相比，其靜電感度、摩擦感度、撞擊感度測(cè)試結(jié)果基本相當(dāng)。由于含能化合物在外界機(jī)械作用下(如：靜電、摩擦或撞擊)感度大小與所含組分中分子含能基團(tuán)的性質(zhì)有關(guān)，在外界機(jī)械作用下，GK與硝化棉中斷裂的含能基團(tuán)均為-NO2，因此加入GK的球扁發(fā)射藥與未添加GK的發(fā)射藥有相似的機(jī)械感度，故添加微量GK對(duì)發(fā)射藥感度影響較小。

表7 靜電感度性能試驗(yàn)結(jié)果

表8 摩擦感度與撞擊感度性能試驗(yàn)結(jié)果

3.5 GK對(duì)球扁發(fā)射藥吸濕性的影響及討論

采用GJB770B方法404.1(干燥器平衡法)進(jìn)行了吸濕性測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表9所示。

表9 發(fā)射藥吸濕性試驗(yàn)

表9中測(cè)試結(jié)果可以看出，在高、低濕度條件下，內(nèi)添加GK樣品的吸濕性與參比樣相比，其吸濕性基本相當(dāng)，表明添加GK對(duì)發(fā)射藥的吸濕性影響較小。

4 結(jié)論

1) 采用“內(nèi)溶法”球扁藥制備工藝時(shí)，通過(guò)內(nèi)添加工藝加入GK，工藝穩(wěn)定。

2) 隨著GK含量的增大，球扁發(fā)射藥燃燒結(jié)束點(diǎn)提前，最大膛壓略有上升，其吸濕性及感度略有上升。

3) 將GK作為消焰劑應(yīng)用于球扁發(fā)射藥中，在槍口煙霧透光率相當(dāng)?shù)臈l件下，槍口火焰面積能夠降低30%以上，同時(shí)，隨GK含量上升，球扁發(fā)射藥的感度、吸濕性略有上升。