劉所恩，鄭啟龍，鄒偉偉，潘 葆，陳錦芳，趙美玲，周偉良

（1.南京理工大學 化工學院，南京210094；2.山西北方興安化學工業(yè)有限公司，太原030008）

螺壓高能硝胺改性雙基推進劑是以雙基（硝化棉／硝化甘油，即NC／NG）推進劑為母體，以高能硝胺炸藥奧克托今（HMX）或黑索今（RDX）和高熱值金屬粉Al粉為填料，并采用傳統(tǒng)無溶劑螺旋壓伸工藝成型的一種高能改性雙基推進劑。這類推進劑由于綜合性能優(yōu)良、工藝基礎好，很長時間內(nèi)成為并將繼續(xù)成為固體推進劑的主要發(fā)展方向之一［1］，已在各種戰(zhàn)略戰(zhàn)術(shù)武器中得到廣泛應用。

提高能量是固體推進劑研究和發(fā)展過程中一直追求的主要目標，而降低燃氣特征信號也成為當今固體推進劑的發(fā)展方向之一［1］。螺壓硝胺改性雙基推進劑是當前同時具備高能和低特征信號雙重優(yōu)點的固體推進劑。為了進一步提高這類推進劑的能量，新型高能量密度材料的引入則是最理想的捷徑。3，4－二硝基呋咱基氧化呋咱（DNTF）是國內(nèi)近些年合成的第3代高能量密度材料，具有安定性好、感度較低、爆發(fā)點高、熔點低等優(yōu)點［2－3］。王江寧［4－8］研究了含DNTF的CMDB推進劑的熱分解特性、燃燒性能和力學性能等，研究結(jié)果表明DNTF改性雙基推進劑熱分解分為2個峰，前者為雙基推進劑分解峰，后者為DNTF分解峰；DNTF的含量和粒度對DNTF改性雙基推進劑燃速和壓強指數(shù)具有較大影響，催化劑效果依賴于DNTF的含量；DNTF對硝化棉有一定的增塑作用，并能降低低溫脆化參數(shù)、提高韌性。趙鳳起［9－10］等研究表明，用 DNTF逐漸取代硝胺改性雙基推進劑中的RDX，推進劑的理論比沖和火焰溫度均增加。但相關(guān)研究的系統(tǒng)性不足，尤其是對工藝性能方面的報道較少。本文對DNTF在螺壓高能硝胺改性雙基推進劑中的應用進行了較系統(tǒng)的應用研究，得到了理想的結(jié)果，證明DNTF是當前合成的新型高能量密度材料中最具發(fā)展和應用前景的材料之一。

1 DNTF性能簡介

3，4－二硝基呋咱基氧化呋咱（DNTF）是國內(nèi)近些年研究成功的一種新型的呋咱類高能量密度材料，分子式C6N8O8，是常溫下呈白色的固體粉狀顆粒，無特殊異味，易溶于丙酮、醋酸、濃硝酸，不溶于水，熔點為109.0～110.0℃，爆發(fā)點為308℃（5s延遲），爆熱為6 054kJ·kg－1，密度為1.937g·cm－3，理論最大爆速為9 250m·s－1，撞擊感度為38.9cm（特性落高），摩擦感度為12%（90°擺角）。

2 實驗部分

2.1 基礎配方

實驗基礎配方如表1所示，表中，w（·）為各組分的質(zhì)量分數(shù)。

表1 基礎配方 %

2.2 樣品制備

采用傳統(tǒng)的無溶劑法螺旋壓伸工藝制備φ5mm藥柱和φ45mm／φ8mm單孔管狀藥柱，φ5mm藥柱側(cè)面包覆后用于測試燃速，φ45mm／φ8mm藥柱兩端面包覆后用于φ50mm標準發(fā)動機試驗，測試力學性能用樣品直接在光輥壓延機制備，經(jīng)專用模具沖切后使用。所使用的DNTF由西安近代化學研究所提供。

2.3 實驗條件

采用傳統(tǒng)的無溶劑法吸收工藝進行藥團吸收制備，吸收參數(shù)為5；藥團在臥式光輥壓延機上進行壓延塑化；藥柱在φ100mm螺旋擠壓機上完成壓伸成型；燃速測試采用靶線法在充氮恒壓燃速儀中進行；比沖測定用φ70mm薄壁發(fā)動機在推力試驗臺上進行，其他內(nèi)彈道試驗采用φ50mm標準試驗發(fā)動機在試驗臺上進行。力學性能試驗在DSC－10T電子拉力機上進行；感度、密度、爆熱、化學安定性等試驗項目均按GJB770B規(guī)定方法進行。

3 結(jié)果與討論

3.1 工藝研究

制造工藝過程是保證推進劑獲得良好性能的前提，也是所有新材料進行應用研究的基礎工作，對于雙基系推進劑來說，吸收藥的制造工藝過程是十分關(guān)鍵的，所有組分的加入順序，加入狀態(tài)及相關(guān)工藝溫度、時間等均是決定推進劑性能的主要因素。DNTF作為一種高能量密度材料可以單獨加入吸收器中，也可以與RDX在水中混合配成懸浮液加入。表2是引入DNTF后的工藝試驗對比結(jié)果，通過實驗觀察，沒有發(fā)現(xiàn)DNTF加入吸收器中出現(xiàn)任何異常現(xiàn)象，水溫沒有變化，沒有異味放出，對吸收藥團進行成分分析也未發(fā)現(xiàn)所有組分的含量出現(xiàn)明顯變化，說明DNTF這種新型高能量密度材料對吸收工藝沒有影響，可以采用傳統(tǒng)工藝將DNTF引入雙基系推進劑配方中。

表2 引入DNTF后的工藝試驗對比結(jié)果

由表2對比試驗結(jié)果可知，DNTF全部或部分替代RDX后，對推進劑藥團壓延塑化質(zhì)量有明顯影響，有利于藥團的塑化；加入20%以上時，甚至出現(xiàn)藥片粘輥現(xiàn)象。這說明DNTF對NC有增塑作用，這是一個非常理想的結(jié)果，表明DNTF既可以作為高能組分加入，也可以起到增塑劑的作用，這是其他高能量密度材料所不具備的性能。放大投料試驗結(jié)果再次證明了這一點。另外，試驗證明，硝胺改性雙基推進劑中引入DNTF對壓伸成型工藝無不良影響，DNTF含量較高時，推進劑更容易壓伸成型，藥柱外觀質(zhì)量十分理想。觀察發(fā)現(xiàn)，藥柱放置一段時間后，表面出現(xiàn)輕微晶析現(xiàn)象，與RDX晶析現(xiàn)象相似。

3.2 對推進劑力學性能的影響

由工藝試驗研究結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，DNTF引入后對NC有增塑作用，應該對推進劑力學性能有所改善。表3是放大試驗投料量以后進行拉伸試驗的研究結(jié)果，表中，σm為拉伸強度，εm為伸長率。

由表3試驗結(jié)果可知，DNTF的引入明顯改善了推進劑高溫、常溫、低溫下的力學性能，不僅所有溫度下的拉伸斷裂程度明顯提高，斷裂延伸率也提高了許多，效果非常理想。

3.3 對推進劑燃速特性的影響

表4是推進劑引入DNTF后在不同壓力下燃速v及壓力指數(shù)n的對比測試結(jié)果。

表3 推進劑拉伸試驗結(jié)果＊

表4 推進劑燃速測試結(jié)果

試驗結(jié)果表明，將DNTF引入推進劑以后推進劑燃速都有所提高。加入DNTF的含量在10%以下時，壓力指數(shù)變化不大；但含量超過10%時，壓力指數(shù)明顯增大。

3.4 對推進劑化學安定性的影響

試驗研究表明，將DNTF加入硝胺改性雙基推進劑對推進劑的化學安定性無不良影響。甲基紫化學安定性試驗結(jié)果顯示，加入DNTF前后試紙變色時間無明顯變化，樣品連續(xù)加熱5h均不爆燃。

3.5 對推進劑機械感度的影響

DNTF作為一種新型的高能量密度材料，同樣具有較高的機械感度。研究DNTF對推進劑機械感度的影響也是非常必要的。表5是推進劑在加入DNTF后的機械感度測試結(jié)果，表中，Hf為摩擦感度，H50為撞擊感度。

表5 推進劑機械感度測試結(jié)果

由表5試驗結(jié)果對比可知，DNTF的引入沒有增加推進劑的摩擦感度，撞擊感度反而有下降的趨勢，這說明DNTF的應用安全是可以接受的，這類推進劑的使用安全也是可以保證的。

3.6 對推進劑能量特性的影響

表6是引入DNTF后推進劑能量特性的測試結(jié)果，主要的能量特性參數(shù)有密度ρ、爆熱Qv和實測比沖Isp。

表6 推進劑的能量特性

由表6中試驗結(jié)果可知，DNTF的加入明顯提高了推進劑的密度及比沖，在φ70mm產(chǎn)品發(fā)動機中的實測比沖提高了18.3N·s·kg－1，說明DNTF是一種非常理想的高能量密度材料。φ50mm標準試驗發(fā)動機及φ70mm產(chǎn)品發(fā)動機試驗結(jié)果表明，硝胺改性雙基推進劑引入DNTF后，發(fā)動機工作正常，燃燒穩(wěn)定。

4 結(jié)論

①DNTF是一種新型的高能量密度材料，可以部分取代RDX在螺壓高能硝胺改性雙基推進劑中的使用，能夠有效地提高推進劑的密度及比沖。

②引入DNTF對NC有增塑作用，對提高推進劑力學性能有很好的幫助；

③DNTF的引入能夠提高推進劑燃速，在引入的DNTF含量不超過10%的情況下，燃速壓力指數(shù)變化不大；

④DNTF的引入對推進劑的化學安定性無不良影響；

⑤DNTF的引入不增加推進劑的機械感度，撞擊感度反而有降低的趨勢。

［1］《火炸藥技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展》編委會.火炸藥技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展［M］.北京：中國北方化學工業(yè)總公司，1995.Editorial Committee of“Present technology and development of propellants and explosives”.Present technology and development of propellants and explosives［M］.Beijing：China Beifang Chemical Industry Co.Ltd，1995.（in Chinese）

［2］任曉寧，王江寧，陰翠梅，等.新型高能量密度材料DNTF的熱分解特性［J］.火炸藥學報，2006，29（2）：33－36.REN Xiao－ning，WANG Jiang－ning，YIN Cui－mei，et al.Thermal decomposition characteristics of a novel high energy density material DNTF［J］.Chinese Journal of Explosive and Propellant，2006，29（2）：33－36.（in Chinese）

［3］鄭偉，王江寧.3，4－二硝基呋咱基氧化呋咱（DNTF）的研究進展［J］.含能材料，2006，14（6）：463－466.ZHENG Wei，WANG Jiang－ning.Review on 3，4－bisnitrofurazanfuroxan（DNTF）［J］.Chinese Journal of Energetic Materials，2006，14（6）：463－466.（in Chinese）

［4］王江寧，馮長根，田長華.含 CL－20、DNTF和 FOX－12的 CMDB推進劑的熱分解［J］.火炸藥學報，2005，28（3）：17－19.WANG Jiang－ning，F(xiàn)ENG Chang－gen，TIAN Chang－h(huán)ua.Thermal decomposition of CL－20／DNTF／FOX－12－CMDB propellant［J］.Chinese Journal of Explosives and Propellant，2005，28（3）：17－19.（in Chinese）

［5］龐軍，王江寧，張蕊娥，等.CL－20、DNTF和 FOX－12在 CMDB推進劑中的應用［J］.火炸藥學報，2005，28（1）：19－21.PANG JUN，WANG Jiang－ning，ZHANG Rui－e，et al.Application of CL－20，F(xiàn)OX－12and DNTF in CMDB propellant［J］.Chinese Journal of Explosives and Propellant，2005，28（1）：19－21.（in Chinese）

［6］鄭偉，王江寧，周彥水.含DNTF的改性雙基推進劑燃燒性能［J］.推進技術(shù)，2005，27（5）：469－472.ZHENG Wei，WANG Jiang－ning，ZHOU Yan－shui.Combustion characteristics of CMDB with DNTF［J］.Journal of Propulsion Technology，2005，27（5）：469－472.（in Chinese）

［7］李亮亮，王江寧，劉子如.DNTF含量對改性雙基推進劑動態(tài)力學性能的影響［J］.含能材料，2010，18（2）：174－179.LI Liang－liang，WANG Jiang－ning，LIU Zi－ru.Influence of DNTF contents on dynamic mechanical properties of modified double－base propellant［J］.Chinese Journal of Energetic Materials，2010，18（2）：174－179.（in Chinese）

［8］王江寧，李亮亮，劉子如.DNTF－CMDB推進劑的力學性能［J］.火炸藥學報，2010，33（4）：23－27.WANG Jiang－ning，LI Liang－liang，LIU Zi－ru.Mechanical performance of composite modified double－base propellant with DNTF［J］.Chinese Journal of Explosives and Propellant，2010，33（4）：23－27.（in Chinese）

［9］趙鳳起，陳沛，羅陽，等.含3，4－二硝基呋咱基氧化呋咱（DNTF）的改性 雙基 推進劑 ［J］.推進技術(shù)，2004，25（6）：570－572.ZHAO Feng－qi，CHEN Pei，LUO Yang，et al.Modified double base propellant with 3，4－dinitrofuranfuroxan（DNTF）［J］.Journal of Propulsion Technology，2004，25（6）：570－572.（in Chinese）

［10］羅陽，高紅旭，趙鳳起，等.含3，4－二硝基呋咱基氧化呋咱（DNTF）推進劑 的能 量特性 ［J］.含能材料，2005，13（4）：225－228.LUO Yang，GAO Hong－xu，ZHAO Feng－qi，et al.Energy characteristics of propellant containing 3，4－bisnitrofurazanfuroxan（DNTF）［J］.Chinese Journal of Energetic Material，2005，13（4）：225－228.（in Chinese）