王 奧，王彬彬，徐 濱，廖 昕

(南京理工大學(xué)化工學(xué)院，江蘇 南京210094)

引 言

以硝化棉為主要組分的單基發(fā)射藥因力學(xué)性能好、燃燒穩(wěn)定性高、燒蝕性低，被廣泛應(yīng)用于小口徑槍炮武器系統(tǒng)中[1]。但這類發(fā)射藥能量較低，用于武器中彈丸威力小，難以滿足身管武器高射速、遠(yuǎn)射程、大威力的發(fā)展要求[2-3]。因此，提高單基發(fā)射藥能量性能，且保持其優(yōu)良力學(xué)性能和燃燒穩(wěn)定性，是單基藥改性研究的一個(gè)重要方向。RDX作為一種高能炸藥，將其添加到發(fā)射藥中，可以顯著提高發(fā)射藥的能量[4-5]。然而，引入RDX對(duì)發(fā)射藥燃燒性能產(chǎn)生重要影響，尤其是含RDX發(fā)射藥燃速-壓力曲線轉(zhuǎn)折和壓力指數(shù)大于1的問(wèn)題影響發(fā)射藥的燃燒穩(wěn)定性。

Pillai.A.G.S等[6]研究了RDX粒度對(duì)硝胺發(fā)射藥燃速和壓力指數(shù)的影響，發(fā)現(xiàn)隨著RDX粒度的增大，燃速和平均壓力指數(shù)隨之增大；楊建興[7]利用密閉爆發(fā)器試驗(yàn)研究了含RDX疊氮硝胺發(fā)射藥的燃燒性能，結(jié)果表明，在40～120MPa范圍內(nèi)燃速壓力指數(shù)隨壓力升高而增大，在120～260MPa范圍內(nèi)燃速壓力指數(shù)隨壓力升高而降低。與此同時(shí)，RDX作為固體填料添加到發(fā)射藥中，發(fā)射藥的結(jié)構(gòu)由均相轉(zhuǎn)變成非均相，在受力過(guò)程中易發(fā)生固體顆粒與黏結(jié)劑界面間的“脫濕”現(xiàn)象，影響其力學(xué)性能[8-9]；張遠(yuǎn)波等[10]研究了NC基高能低敏感發(fā)射藥的低溫抗沖擊強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)降低RDX與FOX-7的粒度，能夠提高其力學(xué)性能；劉佳等[11]通過(guò)界面黏附能測(cè)算，發(fā)現(xiàn)RDX與黏結(jié)劑的界面能是控制非均質(zhì)發(fā)射藥力學(xué)性能的主要參數(shù)。因此研究RDX粒度對(duì)單基發(fā)射藥燃燒及力學(xué)性能的影響十分必要。

本研究制備了含不同粒徑(0.5、7.6和100μm)RDX的改性單基藥，研究了RDX粒度對(duì)改性單基藥燃燒及力學(xué)性能的影響，并分析了其破壞機(jī)理，以期為單基藥改性提供一種新途徑。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 試劑與儀器

A級(jí)硝化棉(NC)(含氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)12.6% )，工業(yè)純，瀘州北方化學(xué)工業(yè)有限公司； RDX，粒徑分別為0.5、7.6和100μm，工業(yè)純，甘肅銀光化學(xué)工業(yè)集團(tuán)有限公司；2,4-二硝基甲苯(DNT)、二苯胺(DPA)，均為AR，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；乙醇、丙酮，均為AR，南京化學(xué)試劑有限公司。

JH-500型捏合機(jī)、SE2型簡(jiǎn)支梁式擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)，上海紅星化工機(jī)械廠；ZJB-30型油壓機(jī)，天津市第二鍛壓機(jī)床廠；Quanta 250掃描電鏡，美國(guó)FEI公司；Instron3367型萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)，美國(guó)英斯特朗公司。

1.2 改性單基發(fā)射藥的制備

1種單基藥與3種改性單基發(fā)射藥配方見(jiàn)表1。

采用溶劑法擠壓成型工藝，分別制成長(zhǎng)4cm和6cm的15/1單孔管狀藥。濕烘驅(qū)溶、干烘驅(qū)水至其內(nèi)揮、水分均小于0.5%。

1.3 密閉爆發(fā)器試驗(yàn)

對(duì)長(zhǎng)度為4cm的15/1改性單基藥進(jìn)行密閉爆發(fā)器試驗(yàn)，所用密閉爆發(fā)器體積為99.87cm3，裝填密度為0.20g/cm3，點(diǎn)火壓力為10.98MPa，測(cè)得p-t曲線，經(jīng)處理后得到u-p曲線。

1.4 力學(xué)性能測(cè)試

采用簡(jiǎn)支梁式擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)和萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)對(duì)改性單基藥在低溫(-40 ℃)、常溫(20 ℃)和高溫(50 ℃)下的抗沖擊強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試。用于測(cè)試的發(fā)射藥樣品均按GJB 770B-2005 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定制備，其中沖擊試驗(yàn)樣品為長(zhǎng)6cm的管狀藥，壓縮試驗(yàn)樣品為長(zhǎng)徑比1∶1的管狀藥。

2 結(jié)果與討論

2.1 改性單基藥的燃燒性能

采用密閉爆發(fā)器試驗(yàn)測(cè)得1種單基藥與3種不同RDX粒度改性單基藥的u-p曲線，如圖1所示。

圖1 不同RDX粒度改性單基藥20℃下的u-p曲線Fig.1 The u-p curves of modified single-base propellant with different particle size of RDX at 20℃

從圖1可以看出，在相同壓力下，樣品1、樣品2與樣品3的燃速基本一致，u-p曲線平滑，無(wú)轉(zhuǎn)折，燃燒穩(wěn)定。而樣品4的燃速遠(yuǎn)高于樣品1，其u-p曲線在60MPa之前，燃燒規(guī)律與樣品1、樣品2與樣品3相近，燃速隨壓力緩慢增大，而在60MPa之后燃速驟增，燃燒規(guī)律與其他3種發(fā)射藥相差較大。

表2與表3為不同粒度RDX改性單基藥的燃燒性能參數(shù)?？梢钥闯觯谡麄€(gè)壓力段(50MPa～pdpm)，隨著RDX粒度的增加，平均壓力指數(shù)增大，且樣品1、樣品2與樣品3的平均壓力指數(shù)小于1，樣品4的平均壓力指數(shù)大于1。其中，樣品4在30～60MPa與60～100MPa的兩個(gè)壓力范圍內(nèi)，壓力指數(shù)由0.6967變?yōu)?.1211，壓力指數(shù)突變，影響燃燒穩(wěn)定性。

表2 不同粒度RDX改性單基藥的燃燒性能參數(shù)Table 2 Combustion performance parameters of modified single-base gun propellant with different particle sizes of RDX

注：pm為燃燒最大壓力；tm為燃燒結(jié)束時(shí)間；pdpm為最大壓力陡度對(duì)應(yīng)的壓力值。

表3 不同粒度RDX改性單基藥的壓力指數(shù)與燃速系數(shù)Table 3 The burning rate coefficient and pressure index of modified single-base gun propellant with different particle sizes of RDX

為了分析以上現(xiàn)象產(chǎn)生的原因，分別對(duì)不含RDX的單基藥及含3種不同粒度RDX改性單基藥進(jìn)行了燃燒中止試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度為20℃，破孔壓力為100MPa，點(diǎn)火壓力為10.98MPa。并用掃描電鏡對(duì)中止燃燒試驗(yàn)后發(fā)射藥的表面進(jìn)行了觀察，SEM圖如圖2所示。

圖2 4種單基藥樣品中止燃燒表面的SEM圖Fig.2 SEM images of interrupted combustion surface of four kinds of single-base gun propellant

從圖2可以看出，樣品1、樣品2與樣品3中止燃燒表面光滑，樣品4的表面可見(jiàn)明顯凹坑。結(jié)合圖1、圖2與表3可認(rèn)為導(dǎo)致樣品4的u-p曲線異于其他3種樣品的原因可能是，在燃燒過(guò)程中，NC基體先于RDX分解放熱，凝聚相退移速率快，凝聚相所受熱量主要來(lái)自NC基體、RDX分解放熱和火焰區(qū)熱反饋。在分散均勻的情況下，當(dāng)RDX含量相同時(shí)，粒度越小，RDX顆粒越多，與基體的接觸面越大，在凝聚相中吸熱熔融分解越充分。而大粒度的RDX在凝聚相中難以完全熔融分解，進(jìn)而逐漸從NC基體中暴露出來(lái)，被拋出燃燒表面，在氣相中完成燃燒，增加了總?cè)紵砻?，提高了總?cè)妓?。同時(shí)大粒度RDX被拋出，脫離NC基體，從而導(dǎo)致單基藥燃燒表面凹凸不平，存在洼坑。因此，含100μmRDX的改性單基藥燃速明顯高于其他樣品，且在中止表面燃燒留下RDX脫離后的凹坑。

2.2 改性單基藥的力學(xué)性能

采用萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)對(duì)改性單基藥的抗壓強(qiáng)度進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果如表4所示。

由表4可知，含RDX質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的改性單基藥的抗壓強(qiáng)度始終低于不含RDX的單基藥。改性單基藥的抗壓強(qiáng)度隨著RDX粒度的增大而降低，即樣品 1>樣品 2>樣品 3>樣品 4。

采用簡(jiǎn)支梁式抗沖擊試驗(yàn)機(jī)測(cè)試了4種發(fā)射藥的抗沖擊強(qiáng)度，結(jié)果如表5所示。

表4 改性單基藥的抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果Table 4 Experimental results of compressive strength of modified single-base gun propellants

表5 改性單基藥的抗沖擊強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果Table 5 Experimental results of impact strength of modified single-base gun propellants

從表5可以看出，向單基藥中添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的RDX，會(huì)降低單基藥的抗沖擊強(qiáng)度。在不同溫度下，隨著RDX粒度的增加，改性單基藥的抗沖擊強(qiáng)度逐漸降低。在所考察的3種粒度RDX中，當(dāng)RDX粒徑為0.5μm時(shí)，在低溫、常溫和高溫下的抗沖擊強(qiáng)度均較其他兩種粒徑RDX發(fā)射藥的大，分別為6.58、18.92和24.26kJ/m2。

當(dāng)RDX填充的改性單基藥受到?jīng)_擊載荷作用時(shí)，NC黏結(jié)劑較易變形和吸收能量，而RDX變形能力差，這就決定了改性單基藥的沖擊斷裂破壞方式與單基藥不同。為了進(jìn)一步研究RDX粒度大小對(duì)改性單基藥力學(xué)性能的影響，用掃描電子顯微鏡觀察了不含RDX的單基藥與含不同粒度RDX的改性單基藥樣品在低溫條件下的沖擊斷裂面，如圖3所示。

圖3 改性單基藥的沖擊斷面SEM圖Fig.3 SEM images of impact fractured surface for modified single-base gun propellants

由圖3(a)可以看出， NC基體塑化均勻，整個(gè)體系為均相體系。比較圖3(b)與圖3(c)可以發(fā)現(xiàn)，樣品2中粒徑0.5μm RDX顆粒在NC基體中分布均勻，經(jīng)過(guò)沖擊作用后，顆粒與NC基體間無(wú)明顯空隙，結(jié)合較好。而樣品3中的RDX粒徑變大，在部分顆粒與基體間有明顯空隙，并有少量RDX顆粒從基體中脫落，留下“空穴”，粒徑7.6μm RDX顆粒與基體結(jié)合不牢。從圖3(d)可以看出，樣品4中RDX粒徑大，顆粒數(shù)量少，受到?jīng)_擊時(shí)，部分RDX顆粒直接破碎。

未添加RDX時(shí)，單基藥為均質(zhì)體系，單基藥的強(qiáng)度主要由NC基體的強(qiáng)度決定。添加RDX后，破壞了原有的均相體系，因此RDX改性單基藥的抗沖擊強(qiáng)度低于單基藥。隨著RDX粒度的減小，顆粒比表面積增大，與NC的接觸更加良好，結(jié)合更加緊密，受到外力沖擊后，RDX不易從基體脫離。因此，樣品2的抗沖擊強(qiáng)度高于樣品3。

由上述可知，當(dāng)RDX粒度較小時(shí)，改性單基藥受到?jīng)_擊后，其主要承力結(jié)構(gòu)是RDX顆粒與NC黏結(jié)劑的界面，改性單基藥的細(xì)觀斷裂模式為RDX顆粒與黏結(jié)劑的界面脫粘。此時(shí)，改性單基藥的抗沖擊強(qiáng)度主要受RDX顆粒與NC基體的黏結(jié)強(qiáng)度影響。

隨著RDX粒度的增大，在工業(yè)制備過(guò)程中，容易包裹氣泡、溶劑或者其他雜質(zhì)而形成內(nèi)部孔穴、位錯(cuò)、雜質(zhì)以及表面凹陷等缺陷；同時(shí)，由于晶粒隨機(jī)生長(zhǎng)，導(dǎo)致RDX顆粒的形狀不規(guī)則。粗RDX受到擠壓、沖擊等作用力時(shí)，在內(nèi)部有缺陷處形成應(yīng)力集中并首先出現(xiàn)裂紋，然后崩裂破碎[12-13]。因此RDX粒度越大，強(qiáng)度越低。發(fā)射藥樣品受到?jīng)_擊時(shí)，粗RDX顆粒首先破碎，從而影響到整個(gè)體系的抗沖擊強(qiáng)度。

由圖3可以看出，RDX改性單基藥的沖擊斷裂模式分為兩種：(1)當(dāng)RDX粒度較小時(shí)，RDX顆粒強(qiáng)度高，單基藥沖擊斷裂主要是因RDX與基體脫粘引起的，抗沖擊強(qiáng)度主要受RDX顆粒與NC基體間的界面強(qiáng)度影響；(2)當(dāng)RDX粒度增大到一定程度后，RDX顆粒強(qiáng)度降低至一定值，此時(shí)單基藥受沖擊后斷裂主要由RDX顆粒率先破碎引起，RDX顆粒的自身強(qiáng)度對(duì)改性單基藥的抗沖擊強(qiáng)度影響很大。

因此，RDX粒度大小顯著影響改性單基藥樣品的斷裂過(guò)程，RDX粒度越小，改性單基藥的抗沖擊強(qiáng)度越大。

3 結(jié) 論

(1)在RDX質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%時(shí)，在整個(gè)測(cè)試壓力區(qū)間內(nèi)，RDX粒度越大，改性單基藥的燃速越快。小粒徑RDX(0.5μm與7.6μm)改性單基藥燃燒穩(wěn)定；當(dāng)RDX粒徑增至100μm時(shí)，制得的改性單基藥在60MPa附近u-p曲線出現(xiàn)轉(zhuǎn)折，燃速壓力指數(shù)突變，燃燒不穩(wěn)定。

(2)隨著RDX粒度的減小，RDX改性單基藥的抗沖擊強(qiáng)度增強(qiáng)。

(3)RDX粒度顯著影響改性單基藥樣品的斷裂模式。當(dāng)RDX粒度較小時(shí)，改性單基藥的抗沖擊強(qiáng)度主要受RDX顆粒與NC基體的界面黏結(jié)強(qiáng)度影響。當(dāng)RDX粒度增大后，其抗沖擊強(qiáng)度主要受RDX顆粒自身強(qiáng)度及其與NC基體界面黏結(jié)強(qiáng)度的共同影響。

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