纖維素甘油醚硝酸酯改善球扁發(fā)射藥低溫內(nèi)彈道性能的研究

劉燕華，陳春林，楊 琴，張曉志，陳鵬萬(wàn)，邵自強(qiáng)

(1.北京理工大學(xué) 材料學(xué)院&北京市纖維素及其衍生材料工程技術(shù)研究中心, 北京 100081; 2.瀘州北方化學(xué)工業(yè)有限公司, 四川 瀘州 646000; 3.中國(guó)北方化學(xué)研究院集團(tuán)有限公司, 北京 100089)

引 言

球扁發(fā)射藥因具有裝填密度高、流散性好、燃燒性能好、內(nèi)彈道性能優(yōu)良等特點(diǎn)，有助于提高武器初速及提升武器系統(tǒng)的綜合性能，且制造工藝簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)效益顯著，已廣泛應(yīng)用于中小口徑身管武器[1-3]。然而，隨著新一代中小口徑身管武器的要求不斷提升[4]，現(xiàn)有的球扁發(fā)射藥由于技術(shù)水平限制，已無(wú)法滿足其使用要求[5]，其中藥型尺寸、膛壓、鈍感等成為關(guān)鍵突破點(diǎn)，為此，需在原配方基礎(chǔ)上，通過(guò)添加固體含能材料或提高硝化纖維素(NC)含氮量等技術(shù)途徑，以達(dá)到提高發(fā)射藥能量的目的。

前期研究表明[1-3]，在雙基球扁發(fā)射藥中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%～18%的固體含能材料或提高NC含氮量后，雖能提高能量性能，但卻增加了原雙基球扁發(fā)射藥的低溫脆性，進(jìn)而導(dǎo)致低溫膛壓偏高。如以某30mm炮彈為試驗(yàn)平臺(tái)，采用5類RDX，可使發(fā)射藥的常溫、高溫性能提升顯著，但低溫膛壓偏高的問(wèn)題一直未解決，分析原因可能為：(1)雙基球扁發(fā)射藥中的NC與固體含能材料存在空隙，因而影響了各組分之間的黏結(jié)性；(2)提高NC含氮量后，高氮量NC的剛性增強(qiáng)、韌性降低，導(dǎo)致低溫力學(xué)性能較差。雙基球扁發(fā)射藥中常用的鈍感劑如鄰苯二甲酸二正辛酯(DOP)、鄰苯二甲酸二丁酯(DBP)、二號(hào)中定劑等，均不能貢獻(xiàn)能量，使用時(shí)會(huì)導(dǎo)致鈍感球扁藥的能量下降，因此具有一定的局限性[6]。

以纖維素為原料，經(jīng)堿化、醚化后，在纖維素大分子鏈上引入二羥丙氧基支鏈，然后再經(jīng)硝化而得到的一種熱塑性纖維素基含能材料，即纖維素甘油醚硝酸酯(NGEC)。研究發(fā)現(xiàn)[7-8]，由于NGEC大分子鏈上引入的支鏈增加了大分子鏈的柔順性，具有內(nèi)增塑的作用，同時(shí)也降低了其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)，且NGEC與NC結(jié)構(gòu)相似，因而呈現(xiàn)出較好的溶解性、能量性能、力學(xué)性能以及燃燒性能。

將NGEC應(yīng)用于改性雙基推進(jìn)劑上[9-10]，可提高其力學(xué)性能，改善加工性能。將NGEC部分取代NC或木質(zhì)纖維素應(yīng)用于可燃藥筒上[11]，明顯改善了可燃藥筒的加工塑性，提高了可燃藥筒的最大壓強(qiáng)梯度和平均反應(yīng)活度，使燃速變快，縮短了燃燒結(jié)束時(shí)間。

鑒于NGEC的內(nèi)增塑結(jié)構(gòu)，針對(duì)添加高能固體含量的球扁發(fā)射藥存在的低溫膛壓偏高問(wèn)題，本研究采用NGEC替代部分NC的工藝，通過(guò)對(duì)球扁藥的外形設(shè)計(jì)，研制出一類新型的高能量、低感度的新型雙基球扁發(fā)射藥，旨在解決其低溫膛壓偏高問(wèn)題，并改善其燃燒性能和內(nèi)彈道性能，進(jìn)而滿足新一代中小口徑身管武器高初速的要求，以期為NGEC在球扁發(fā)射藥中的應(yīng)用提供理論和數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 試劑與儀器

NGEC，西安北方惠安化學(xué)工業(yè)有限公司；硝化纖維素(B級(jí)棉，含氮量為13.37%；D級(jí)棉，含氮量為11.88%)，四川北方硝化纖維素股份有限公司；球扁藥所用基本配方原料(硝化甘油、鈍感劑等)，瀘州北方化學(xué)工業(yè)有限公司。

Vario EL元素分析儀，德國(guó)Elementar公司；螺桿擠壓機(jī)(Φ40mm)，遼寧華新機(jī)械廠；蒸溶鍋(體積1m3)、鈍感鍋(體積0.1m3)，宜賓北方鑫安復(fù)合材料有限公司；壓扁機(jī)(Φ160mm×320mm)，四川樂(lè)山亞聯(lián)機(jī)械有限公司；撞擊感度測(cè)試機(jī)、摩擦感度撞擊測(cè)試機(jī)，瀘州北方化學(xué)工業(yè)有限公司；密閉爆發(fā)器(容積50mL)，咸陽(yáng)寶豐機(jī)械電器有限公司；簡(jiǎn)支梁沖擊試驗(yàn)機(jī)，擺錘質(zhì)量為2kg，常州德杜精密儀器有限公司；落錘撞擊裝置，落錘質(zhì)量5kg，落高0～100cm，揚(yáng)州市源峰檢測(cè)設(shè)備有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

1.2.1 球扁藥的外形設(shè)計(jì)

雙基球扁發(fā)射藥的配方設(shè)計(jì)以某30mm炮彈為應(yīng)用背景，在滿足原內(nèi)彈道指標(biāo)及火藥力要求的前提下，解決其低溫膛壓偏高問(wèn)題。按照某制式發(fā)射藥的配方制備球扁發(fā)射藥，結(jié)合所用武器彈道諸元對(duì)藥型尺寸進(jìn)行了設(shè)計(jì)，計(jì)算公式如下：

2e1=Ik(制式藥)×2u1(制式藥)

(1)

(2)

式中：2e1、D分別為設(shè)計(jì)雙基球扁藥的燃燒層厚度(mm)、直徑(mm)；Ik(制式藥)、u1(制式藥)、2e1(制式藥)、D(制式藥)分別為制式雙基球扁藥的壓力全沖量(MPa·s)、燃速系數(shù)(mm·MPa-1·s-1)、燃燒層厚度(mm)、直徑(mm)。

已知某制式發(fā)射藥配方Ik≈0.45～0.50MPa·s，u1≈0.60～0.7mm/(MPa·s)，2e1=0.69mm，D=1.6mm。因設(shè)計(jì)的雙基球扁藥是以某制式發(fā)射藥的配方為基礎(chǔ)，故能量亦有所提高，因此在計(jì)算參數(shù)時(shí)，Ik取上限值0.50MPa·s，u1取中限值0.65mm/(MPa·s)。故設(shè)計(jì)雙基球扁藥的2e1和D分別為0.65、1.5mm，如圖1所示。

圖1 藥型尺寸的設(shè)計(jì)Fig.1 Design of oblate spherical propellants size

1.2.2 球扁藥的制備

采用NGEC替代部分NC(此NC為B級(jí)棉和D級(jí)棉按照一定比例混合的混棉)。

雙基球扁發(fā)射藥的成分包括：硝化纖維素、NGEC、硝化甘油(NG)等為能量組分，及鈍感劑、安定劑、消焰劑等，設(shè)計(jì)配方(質(zhì)量分?jǐn)?shù))如表1所示，含NGEC的藥記為含NGEC球扁發(fā)射藥，不含NGEC的藥記為對(duì)照樣。

表1 雙基球扁發(fā)射藥的配方Table 1 Formula of double-base oblate spherical propellants

其制備過(guò)程如下：將塑化藥團(tuán)經(jīng)過(guò)濾、擠壓制成一定尺寸的藥粒，再將藥粒置于溶劑、保護(hù)膠的分散介質(zhì)中(呈懸浮狀)，利用脫水劑的滲透作用在機(jī)械攪拌下蒸出溶劑，制成球扁形藥粒，最后利用熱風(fēng)對(duì)發(fā)射藥進(jìn)行烘干。對(duì)于球扁藥的弧厚則是將球扁藥置于兩軸間進(jìn)行機(jī)械壓扁，通過(guò)調(diào)節(jié)輥距進(jìn)行控制。

為提升發(fā)射藥的燃燒漸增性，采用“濕法鈍感”，將發(fā)射藥半成品置于帶有攪拌的鈍感鍋內(nèi)，懸浮于一種非溶劑性的液體介質(zhì)中，通過(guò)調(diào)整鈍感劑配比、溫度、時(shí)間等工藝參數(shù)控制鈍感，進(jìn)而達(dá)到漸增效果。

1.2.3 性能測(cè)試

NGEC的性能指標(biāo)除含氮量外，均按照國(guó)軍標(biāo)中NC的性能測(cè)試規(guī)范進(jìn)行測(cè)試，而NGEC含氮量采用元素分析儀法測(cè)試；NGEC和NC的爆熱(QV)按GJB 770A-97方法701.1爆熱和燃燒熱絕熱法進(jìn)行測(cè)試。

球扁藥的藥粒尺寸一致性按照Q/HE2-169-1997雙基球扁形發(fā)射藥藥型尺寸測(cè)量-投影儀法進(jìn)行測(cè)試；密度按照GJB 770B-2005方法401.1進(jìn)行測(cè)試；靜態(tài)燃燒性能按照GJB770A-97方法703.1密閉爆發(fā)器試驗(yàn)-微分壓力法進(jìn)行測(cè)試；內(nèi)彈道性能按照GJB179-94炮用發(fā)射藥與裝藥內(nèi)彈道測(cè)試驗(yàn)方法進(jìn)行測(cè)試；撞擊感度按照GJB770A-97方法601.2撞擊感度-特性落高法進(jìn)行測(cè)試；摩擦感度按照GJB770B-2005方法602.1摩擦感度-爆炸概率法進(jìn)行測(cè)試；抗沖擊性按照GJB770B-2005方法417.1 抗沖擊強(qiáng)度-簡(jiǎn)支梁法進(jìn)行測(cè)試。

為觀察低溫下發(fā)射藥經(jīng)落錘撞擊后的破損狀態(tài)，將藥粒做成平均弧厚為1. 8mm，19個(gè)孔，平均孔徑為0. 41mm，在低溫(-40℃)下放置一段時(shí)間，使質(zhì)量5kg 的落錘從一定高度落下沖擊藥粒，統(tǒng)計(jì)和記錄添加NGEC前后兩種藥柱破碎率為50%的落錘高度，每種藥柱測(cè)試3組，每組10粒，計(jì)算平均落錘高度。

2 結(jié)果與討論

2.1 NGEC的理化性能

NC的基本性能是影響其應(yīng)用的關(guān)鍵因素，將NGEC與NC進(jìn)行基本理化性能比較，如表2所示。

從表2的測(cè)試結(jié)果來(lái)看，NGEC的黏度可以滿足軍用需要，NGEC的細(xì)斷度符合NC對(duì)細(xì)斷度的要求，因制備NGEC這一過(guò)程缺少堿煮安定處理工藝，產(chǎn)品的堿度較低，并未影響其安定性指標(biāo)，且NGEC的安定度較NC低3%左右。因此，可以判定NGEC的各項(xiàng)指標(biāo)基本符合軍品NC指標(biāo)的要求，且NGEC各項(xiàng)指標(biāo)可調(diào)，雜質(zhì)少，安定性指標(biāo)優(yōu)于NC。而含氮量為12.44%的NGEC爆熱值為4102kJ/kg，介于B級(jí)棉(4492.83kJ/kg)和D級(jí)棉(3167.39kJ/kg)之間。

表2 NGEC的性能參數(shù)Table 2 Performance parameters of NGEC

2.2 NGEC對(duì)球扁發(fā)射藥藥型尺寸及密度的影響

根據(jù)藥型尺寸設(shè)計(jì)圖，采用擠壓成型工藝制備了雙基球扁發(fā)射藥，通過(guò)肉眼觀察，藥粒呈有規(guī)則的球扁狀，如圖2所示。由投影法測(cè)試藥粒尺寸的一致性，弧厚結(jié)果如圖3所示。若球扁藥的尺寸不均一，則會(huì)造成最大膛壓及初速的跳差，將會(huì)影響武器系統(tǒng)的壽命及射擊的精度[12]。

圖2 含NGEC的雙基球扁發(fā)射藥樣品Fig.2 Sample of double-base oblate spherical propellants containing NGEC

圖3 藥粒弧厚的分布Fig.3 Distribution of grain web size (2e1)

由圖3可以看出，球扁藥粒的弧厚最大值為0.95mm，最小值為0.75mm，主要分布在0.77～0.87mm的范圍內(nèi)，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.0483，弧厚平均值為0.82mm的占比超過(guò)50%，表明藥粒的尺寸一致性相對(duì)較好。最后該半成品藥粒需要再經(jīng)過(guò)壓扁處理與設(shè)計(jì)值0.65mm保持一致。

由于NGEC與NC及氧化劑的相容性均好[13]，在含能增塑劑NG的作用下，NGEC與NC形成相對(duì)好的連續(xù)相，能夠均勻包覆在氧化劑的表面。由此也可判斷出由于NGEC大分子鏈上含有小分子支鏈，使得NC大分子鏈上的間距增大，增加了大分子鏈的柔順性，再加上纖維素經(jīng)醚化、硝化后，結(jié)晶度降低，因此分子鏈更容易發(fā)生滑移運(yùn)動(dòng)，同時(shí)與NC分子鏈之間交叉而形成網(wǎng)絡(luò)，且與球扁藥其他成分包覆混合效果較好，因而呈現(xiàn)出良好的熱塑性。

經(jīng)液體靜力稱量法測(cè)試，發(fā)射藥的密度高達(dá)1.643g/cm3，說(shuō)明其具有較好的致密性，NGEC與球扁藥其他組分具有較好的相容性，為下一步控制顆粒的表觀燃燒速度奠定基礎(chǔ)。

2.3 球扁發(fā)射藥?kù)o態(tài)燃燒性能分析

采用密閉爆發(fā)器實(shí)驗(yàn)研究球扁藥的常溫(+20℃)靜態(tài)燃燒性能，其裝填密度為0.2g/cm3，3組密閉爆發(fā)器試驗(yàn)特征參數(shù)平均值見(jiàn)表3，含NGEC與對(duì)照樣球扁發(fā)射藥的常溫(+20℃)密閉爆發(fā)器試驗(yàn)特征對(duì)比曲線如圖4所示。

表3 密閉爆發(fā)器試驗(yàn)的特征參數(shù)Table 3 Characteristic parameters of close bomb test

圖4 密閉爆發(fā)器試驗(yàn)的特征曲線Fig.4 Characteristic curves of close bomb test

含NGEC的球扁藥直徑、弧厚、密度分別為1.66mm、0.69mm、1.6g/cm3，對(duì)照樣球扁藥的直徑、弧厚、密度分別為1.68mm、0.65mm、1.59g/cm3。由表4可看出，含NGEC的球扁藥最大燃燒猛度點(diǎn)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)ΨΓm為0.49，而對(duì)照樣為0.40，由于該球扁藥均采用DBP小分子進(jìn)行了鈍感處理，由此進(jìn)一步證實(shí)鈍感深度的加深。綜上所述，添加NGEC后樣品的理化、靜態(tài)燃燒性能均達(dá)到預(yù)期。

由圖4可看出，兩種樣品的p—t曲線光滑、無(wú)異常，說(shuō)明鈍感劑在藥粒內(nèi)呈梯度分布，形成了較為均勻的鈍感層，兩者的p—t曲線斜率略有差異，加入NGEC后p—t曲線起始段上升均較平緩，達(dá)到最大壓力的時(shí)間略有增加，膛壓值略有下降，燃燒時(shí)間較長(zhǎng)，說(shuō)明由于NGEC大分子的柔順性增加了藥粒的尺寸一致性，有利于提高發(fā)射藥的能量利用率；對(duì)p—t曲線計(jì)算得到u—p曲線，在150～270MPa二者燃速差異明顯，但總體上含NGEC時(shí)發(fā)射藥燃速較低，這與表4中二者的燃燒時(shí)間相符，即加入NGEC后燃燒時(shí)間略有延長(zhǎng)。

Γ—Ψ曲線同L—B曲線一樣，均反映了發(fā)射藥的燃燒漸增性，從Γ—Ψ曲線的漸增性可以看出發(fā)射藥的鈍感效果較好，說(shuō)明加入NGEC后發(fā)射藥燃燒分裂點(diǎn)值高，對(duì)應(yīng)猛度高，漸增性強(qiáng)，是由于鈍感劑在藥中分布較深和均勻，亦反映了NGEC使得藥型尺寸一致性變好，與上述2.2節(jié)中的結(jié)果一致。

2.4 球扁發(fā)射藥感度分析

優(yōu)化后的樣品感度試驗(yàn)結(jié)果為：含NGEC球扁發(fā)射藥比對(duì)照樣的摩擦感度降低了3%，H50升至26.32cm，撞擊感度降低了30%。說(shuō)明加入NGEC降低了球扁發(fā)射藥的摩擦感度和撞擊感度。原因可能是因?yàn)镹GEC的小分子支鏈與硝化纖維素大分子相互交織在一起，均勻分布在球扁藥中，而NGEC分子鏈上硝酸酯基相對(duì)于硝化纖維素較為分散，同時(shí)在外力沖擊下，NGEC由于分子內(nèi)增塑的作用，高分子鏈松弛較慢，且鏈的運(yùn)動(dòng)引起的內(nèi)耗可以吸收一部分沖擊能，因而在測(cè)試摩擦感度時(shí)，爆炸概率降低，在測(cè)試撞擊感度時(shí)，臨界落高H50增大。

2.5 球扁發(fā)射藥內(nèi)彈道性能分析

球扁發(fā)射藥的密閉爆發(fā)器實(shí)驗(yàn)結(jié)果僅能反映該發(fā)射藥的靜態(tài)燃燒特性，而研究球扁發(fā)射藥在武器發(fā)射過(guò)程中的作功情況，則需要考察其內(nèi)彈道性能，記錄射擊膛內(nèi)壓力變化數(shù)據(jù)[14]，本研究以某30mm炮彈為應(yīng)用背景，進(jìn)行內(nèi)彈道試驗(yàn)，兩種球扁發(fā)射藥的裝藥質(zhì)量均為128g，3次試驗(yàn)結(jié)果的平均值見(jiàn)表4。

表4 內(nèi)彈道試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Test results of internal ballistic properties

表4結(jié)果顯示，添加NGEC后對(duì)球扁發(fā)射藥的內(nèi)彈道性能有改變，由于添加的NGEC量較少，因此對(duì)其彈丸的平均初速降低較小，而對(duì)于+15、+50、-40℃下的最大膛壓平均值和最大膛壓最大值均有降低的效果。

由此可看出，加入NGEC后，發(fā)射藥的低溫性能有改善，初速和膛壓降低，體現(xiàn)了燃速稍慢，具有一定的鈍感效果。分析原因，是由于NC的分子鏈具有半剛性[15]，削弱了大分子鏈之間的相互作用，故燃燒較快；而NGEC的大分子鏈上含有小分子三碳醚支鏈，增加了大分子鏈之間的距離，提高了主鏈的活動(dòng)能力，減小了分子內(nèi)摩擦，減弱了NC的剛性，柔順性好于NC，故改善了發(fā)射藥的內(nèi)彈道性能。

2.6 球扁發(fā)射藥低溫力學(xué)性能分析

為考察NGEC對(duì)發(fā)射藥力學(xué)性能的影響，按照某發(fā)射藥配方，通過(guò)簡(jiǎn)支梁、低溫落錘試驗(yàn)考察添加NGEC前后球扁發(fā)射藥的低溫力學(xué)性能變化，發(fā)射藥樣品圖及低溫落錘試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖5和表5。

圖5 含NGEC發(fā)射藥樣品外觀圖Fig.5 Appearance of gun propellants containing NGEC

表5 發(fā)射藥在低溫-40℃下的落錘試驗(yàn)結(jié)果Table 5 Drop hammer impact results of gun propellant at -40℃

由表5可知，在破碎率同為50%時(shí)，含NGEC發(fā)射藥的沖擊高度為52.5cm，比對(duì)照樣增加了10.52%，說(shuō)明加入NGEC后，增加了藥粒中各組分的黏結(jié)性。相較于對(duì)照樣，加入NGEC后，發(fā)射藥的低溫抗沖擊強(qiáng)度由8.72kJ/m2增至10.23kJ/m2，提高了17.32%。

發(fā)射藥低溫力學(xué)性能試驗(yàn)說(shuō)明NGEC與藥粒組分相容性較好，得益于NGEC與NC相似的分子鏈結(jié)構(gòu)，因而呈現(xiàn)出較好的黏結(jié)性，同時(shí)NGEC分子鏈上含有的支鏈增加了大分子的柔順性和韌性，三碳醚支鏈的接入，使NGEC分子鏈上的—OH含量增多，與組分RDX之間形成較強(qiáng)的氫鍵作用，增強(qiáng)界面粘結(jié)強(qiáng)度，因而提高了發(fā)射藥的低溫抗沖擊性能[16]。

因此，加入NGEC后的發(fā)射藥相比于對(duì)照樣，無(wú)論是低溫落錘試驗(yàn)的沖擊高度還是簡(jiǎn)支梁試驗(yàn)的抗沖擊強(qiáng)度，均表現(xiàn)出一定的優(yōu)勢(shì)，說(shuō)明NGEC的加入對(duì)發(fā)射藥力學(xué)性能有一定提升作用。

3 結(jié) 論

(1)NGEC與球扁發(fā)射藥其他組分具有較好的相容性，利用擠壓成型工藝制備的含NGEC球扁發(fā)射藥藥粒外型均一、尺寸一致性較好。

(2)NGEC使球扁發(fā)射藥的燃燒仍具有緩慢的漸增性，且有一定的鈍感性，摩擦感度和撞擊感度分別降低了3%和30%；解決了雙基球扁發(fā)射藥低溫膛壓偏高的問(wèn)題，改善了其內(nèi)彈道性能，在+15、+50、-40℃時(shí)，最大膛壓平均值分別降低10%、8%、15%，使其具備了型號(hào)應(yīng)用基礎(chǔ)。

(3)加入NGEC后，提高了發(fā)射藥的低溫力學(xué)性能，在-40℃下，破碎率同為50%時(shí)，沖擊高度增加了10.52%，抗沖擊強(qiáng)度提高了17.32%。