含硝酸鋇的發(fā)射藥包覆層性能試驗(yàn)研究

魏 倫，于慧芳，姚月娟，李梓超，馬方生，劉 波

(西安近代化學(xué)研究所， 西安 710065)

1 引言

身管武器作為戰(zhàn)場(chǎng)壓制和精確打擊的主力裝備，在陸、海、空諸軍兵種廣泛裝備，在當(dāng)今戰(zhàn)爭(zhēng)中發(fā)揮著不可替代的作用。近年來，我國(guó)自行研制并裝備部隊(duì)的各式身管武器總體性能有了很大提高，但與國(guó)外同類裝備相比，存在發(fā)射煙焰嚴(yán)重的問題，不僅造成環(huán)境污染、影響士兵健康和作戰(zhàn)能力、暴露陣地、影響精確制導(dǎo)武器對(duì)目標(biāo)的觀察和跟蹤，嚴(yán)重者甚至?xí)斐晌淦鳠o法正常使用。為了減小身管武器發(fā)射時(shí)的煙霧殘?jiān)?，?guó)內(nèi)外通常采用提高裝藥的氧平衡來提高發(fā)射藥及裝藥的燃燒完全性，或減少惰性材料添加量等途徑來降低煙霧殘?jiān)?。例如發(fā)射藥配方方面，開展了提高硝化甘油含量、硝化棉含氮量及降低低氧含量鈍感劑來提高發(fā)射藥配方中氧平衡的研究，或進(jìn)行了采用高含氧量的新型鈍感劑、消焰劑和點(diǎn)火藥劑等來降低發(fā)射時(shí)固體漂浮性顆粒數(shù)量從而實(shí)現(xiàn)低發(fā)射煙霧的研究；在裝藥結(jié)構(gòu)方面，從弧厚及偏差、可燃藥筒及消焰劑粒度及位置等裝藥結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面進(jìn)行了煙霧殘?jiān)匦匝芯?，目前發(fā)射藥包覆層主要集中在低溫度系數(shù)及燃燒規(guī)律控制等研究方向，發(fā)射藥包覆層煙霧殘?jiān)阅苡绊懙难芯繄?bào)道較少。

本研究設(shè)計(jì)了不同的Ba(NO)/聚酯鈍感劑配比的發(fā)射藥包覆層配方，并制備出試驗(yàn)樣品進(jìn)行包覆層性能測(cè)試，獲得了Ba(NO)對(duì)包覆層燃燒、殘?jiān)?、光透過率等性能影響規(guī)律，并給出了最佳配比，可以為中小口徑火炮低煙霧殘?jiān)l(fā)射藥裝藥設(shè)計(jì)提供參考。

2 試驗(yàn)

2.1 原材料

硫酸鉀(KSO)，分析純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑廠；硝酸鋇(Ba(NO))，分析純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑廠；鈍感劑(NA)，西安近代化學(xué)研究所；吸收藥(DB)，組成為硝化甘油(NG)，硝化棉(NC)，2號(hào)中定劑(C)，西安近代化學(xué)研究所。

2.2 樣品制備

設(shè)計(jì)不同Ba(NO)/NA配比的發(fā)射藥包覆層配方，配方組成如表1所示，采用半溶劑法膠化、壓伸成型、驅(qū)溶工藝，將不同發(fā)射藥包覆層配方制備成粒狀藥型進(jìn)行性能測(cè)試。

2.3 樣品測(cè)試

1) 燃燒性能測(cè)試

爆發(fā)器燃燒曲線測(cè)試按GJB770B—2005 火藥試驗(yàn)方法 703.1方法執(zhí)行。

2) 爆熱測(cè)試

按GJB770B—2005 火藥試驗(yàn)方法701.2方法執(zhí)行。

表1 包覆層試驗(yàn)樣品配方

3) 點(diǎn)火性能測(cè)試

點(diǎn)火藥為2號(hào)小粒黑，質(zhì)量為0.6 g，點(diǎn)火壓力約1.0 MPa，被試樣品量8 g，記錄不同被試樣壓力上升5 MPa時(shí)，所需要的延遲時(shí)間。

4) 煙霧及殘?jiān)鼫y(cè)試

A靜態(tài)煙霧測(cè)試

依據(jù)所標(biāo)Q/AY 513—2011，采用光透過率來表征試樣靜態(tài)煙霧量，入射光源為可見光和近紅外，光透過率測(cè)試裝置如圖1所示，將一定量試樣置入坩堝內(nèi)放在燃燒室中燃燒后，測(cè)試不同試樣的可見和紅外光透過率；點(diǎn)火方式為電點(diǎn)火，燃燒壓力3 MPa，氮?dú)鉃楸Ｗo(hù)氣體，將試樣放置在一恒壓燃燒室中點(diǎn)火燃燒后進(jìn)行測(cè)試。

1.進(jìn)氣閥；2.溫度計(jì)；3.入射窗；4.夾套；5.坩堝；6.鋼瓶蓋；7.點(diǎn)火線；8.接受窗；9.排氣閥

B殘?jiān)鼫y(cè)試

熱分解殘?jiān)篢GA-2950(美國(guó)TA公司)使用范圍：室溫至1 000 ℃，保護(hù)氣體為氮?dú)?，壓力?.1 MPa，升溫速率10 ℃/min，測(cè)試不同試樣的熱分解殘?jiān)俜至俊?/p>

密閉爆發(fā)器燃燒殘?jiān)菏覝叵聦⒁欢ㄙ|(zhì)量待測(cè)試樣置于密閉爆發(fā)器中，點(diǎn)火方式為電點(diǎn)火，燃燒后降溫至室溫放出氣體，使用已預(yù)先烘干、定量的棉花蘸水搽拭、沖洗密閉爆發(fā)器內(nèi)壁留下的附著殘?jiān)?，然后將粘有殘?jiān)拿藁ㄔ诤嫦渲泻娓啥?，前后棉花質(zhì)量差即粘附性殘?jiān)|(zhì)量，燃燒殘?jiān)俜至考礊檎掣叫詺堅(jiān)|(zhì)量與待測(cè)試樣質(zhì)量比值。

3 結(jié)果與分析

3.1 氧平衡和爆熱

Ba(NO)、NA、DB及KSO的氧平衡(OB)值見表2所示，試樣的氧平衡和爆熱值如表3。從表2可以看出，原材料NA、DB及KSO氧平衡皆為負(fù)值，Ba(NO)是一種富氧材料，其氧平衡達(dá)77.41%，可以改善體系氧平衡。從表3可以看出Ba(NO)應(yīng)用于包覆層配方中，可以提高氧平衡而降低爆熱，并且對(duì)氧平衡的影響大于對(duì)爆熱的影響。對(duì)比空白樣(XKJ-0)，隨著硝酸鋇使用量的增加，配方氧平衡值逐漸升高，從-31.09%提高至-11.91%，提高幅度近2倍，但爆熱則分別降低了4%、4.6%、7%、7.5%?？梢钥闯?，包覆層配方中引入硝酸鋇將在燃燒過程中釋放出氧原子，與游離態(tài)的碳顆粒結(jié)合，進(jìn)而減少固體煙霧與殘?jiān)纳?，同時(shí)其能量損失較小，不會(huì)因氧平衡的增加帶來爆熱的大幅增加，繼而造成如燒蝕等加劇，較好地實(shí)現(xiàn)了氧平衡和爆熱之間的平衡。

表2 不同原材料組分的氧平衡值

表3 不同試樣氧平衡和爆熱值

3.2 燃燒性能

圖2表示了不同試樣的密閉爆發(fā)器測(cè)試結(jié)果?？梢钥闯鲭S著Ba(NO)的加入，起到了樣品初始階段緩燃的作用，表現(xiàn)為燃速變慢、燃燒時(shí)間增加。包覆層配方硝酸鋇含量為5%、10%、15%和20%時(shí)，燃燒時(shí)間比空白樣(XKJ-0)分別增加了17.9%、27.9%、79.4%和164%，增加幅度較大，Ba(NO)加入至發(fā)射藥包覆層中造成燃速降低的原因可能為：Ba(NO)熔融分解吸熱，導(dǎo)致包覆層在分解過程中釋放傳遞至自身表面凝固相熱量減少，造成溫度下降和凝固相分解速度變慢，降低了燃速，導(dǎo)致燃燒時(shí)間增加，不過過高的硝酸鋇含量對(duì)燃燒性能影響較大，會(huì)帶來燃燒時(shí)間過長(zhǎng)導(dǎo)致出炮口時(shí)燃盡性較差的問題。

圖2 同試樣的密閉爆發(fā)器P-t曲線

3.3 殘?jiān)肮馔高^率

表4、表5為試樣的殘?jiān)俜至?，圖3為煙霧光透過率測(cè)試結(jié)果。表4可看出隨著Ba(NO)/NA比值的增大，試樣的熱分解殘?jiān)葴p小后增加，Ba(NO)/NA為3時(shí)熱分解殘?jiān)钚?；?可看出，試樣的燃燒殘?jiān)灿邢嗤淖兓?guī)律，Ba(NO)/NA為3時(shí)燃燒殘?jiān)钚　?種環(huán)境壓力環(huán)境下，殘?jiān)兓?guī)律相同，高壓條件下試樣的燃燒更加充分，殘?jiān)?。測(cè)試結(jié)果表明Ba(NO)能夠在一定范圍內(nèi)降低殘?jiān)|(zhì)量。

表4 不同試樣的熱分解殘?jiān)|(zhì)量

表5 不同試樣的密閉爆發(fā)器燃燒殘?jiān)|(zhì)量

圖3 不同Ba(NO3)2/NA含量比的試樣光透過率曲線

圖3中可以看出含Ba(NO)的試樣光透過率大于不含Ba(NO)的試樣，同時(shí)隨著Ba(NO)/NA比值的增大，包覆層配方的可見光和紅外透過率變化趨勢(shì)相同，可見光透過率從49.3%上升至68.8%，然后下降至67.1%；紅外透過率從76.0%上升至89.7%，然后下降至88.3%，也可以看出當(dāng)Ba(NO)/NA為3時(shí)，光透過率最大。

造成光透過率先增加后降低、熱分解殘?jiān)腿紵龤堅(jiān)葴p小后增加的原因可能為：Ba(NO)分解后生產(chǎn)的富氧基團(tuán)O、O與配方中剩余的惰性物質(zhì)或基團(tuán)進(jìn)一步發(fā)生燃燒反應(yīng)，降低了燃燒混合產(chǎn)物中固體顆粒數(shù)量，致使光透過率升高、殘?jiān)档停荁a(NO)加入也會(huì)因自身分解產(chǎn)生固體顆粒殘?jiān)?，因此?dāng)加入量超過某一臨界值時(shí)，Ba(NO)所消耗的固體顆粒小于自身分解產(chǎn)生的固體顆粒，固體顆粒總量增加，就會(huì)導(dǎo)致殘?jiān)凸馔高^率的下降。因Ba(NO)氧平衡數(shù)值是NA鈍感劑的1/3，2種材料基本實(shí)現(xiàn)零氧平衡質(zhì)量配比約為3，此時(shí)Ba(NO)所消耗的固體顆粒大于自身分解產(chǎn)生的固體顆粒，此時(shí)殘?jiān)钚。馔高^率最大。

3.4 點(diǎn)火性能

表6為不同試樣的點(diǎn)火延遲期。可以看出隨著Ba(NO)含量增加，試樣的點(diǎn)火延遲期變長(zhǎng)，當(dāng)Ba(NO)含量為10%時(shí)，點(diǎn)火延遲期為683 ms，當(dāng)含量為20%，點(diǎn)火嚴(yán)重延遲，點(diǎn)火延遲期為857 ms，觀察試樣表面時(shí)發(fā)現(xiàn)燃燒暗區(qū)藥體出現(xiàn)了熔融狀態(tài)，因此可以預(yù)計(jì)隨著試樣中Ba(NO)含量的持續(xù)增加，點(diǎn)火性能變差，將會(huì)出現(xiàn)無法正常點(diǎn)火燃燒。

表6 不同試樣的點(diǎn)火延遲期

3.5 發(fā)射藥包覆層抑制煙霧途徑討論

以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，包覆層配方中使用Ba(NO)可以起到提高氧平衡、改善燃燒性能、降低燃燒殘?jiān)蜔熿F的目的。但添加量應(yīng)在合適的范圍內(nèi)，添加量過小，抑制殘?jiān)蜔熿F效果不明顯；添加量過大，點(diǎn)火困難，燃燒時(shí)間過長(zhǎng)，燃盡性變差。因此針對(duì)含聚酯鈍感劑、Ba(NO)及硫酸鉀的包覆層配方，為了減少發(fā)射煙霧、提高可見光透過率、解決應(yīng)用基礎(chǔ)問題，作者建議采取以下措施：

一是應(yīng)關(guān)注配方的能量，Ba(NO)的加入會(huì)造成爆熱減小，過小的爆熱會(huì)對(duì)Ba(NO)熱分解、點(diǎn)火及燃燒造成不利影響，影響應(yīng)用；二是要考慮包覆工藝的可實(shí)現(xiàn)性，應(yīng)控制Ba(NO)和硫酸鉀等固體顆粒物的總含量，固體含量過高，工藝可操作性和穩(wěn)定性較差，固含量總量應(yīng)控制在30%以內(nèi)；三是為了改善氧平衡、減少煙霧殘?jiān)|(zhì)量，應(yīng)提高Ba(NO)的質(zhì)量，但是Ba(NO)與NA比值應(yīng)不宜過大，否則燃燒和點(diǎn)火性能變差，光透過率降低、殘?jiān)黾印?shí)際應(yīng)用過程中，一般包覆層與基礎(chǔ)藥質(zhì)量比為2%～10%，因此本實(shí)驗(yàn)條件下Ba(NO)與NA比值為3，試樣氧平衡、煙霧光透過率及殘?jiān)|(zhì)量最佳，對(duì)基礎(chǔ)藥燃燒性能影響最小。

4 結(jié)論

1) 隨著硝酸鋇含量從0～20%增加，發(fā)射藥包覆層配方氧平衡值逐漸升高，從-31.09%提高至-11.91%，提高近2倍，但爆熱從3 079 J/g減小至2 848 J/g，降低接近8%，表明硝酸鋇的加入對(duì)氧平衡的影響大于對(duì)爆熱的影響。

2) 隨著Ba(NO)含量的增加，不同壓力下試樣的殘?jiān)|(zhì)量呈減小后增大的趨勢(shì)，光透過率則呈相反的變化規(guī)律。

3) 包覆層配方中Ba(NO)添加量應(yīng)在合適的范圍內(nèi)，Ba(NO)與NA比值為3時(shí)，試樣氧平衡、煙霧光透過率及殘?jiān)|(zhì)量最佳，對(duì)基礎(chǔ)藥燃燒性能影響最小。