一種LOVA 發射藥燃燒殘渣現象分析

趙曉梅,嚴文榮,張玉成,李 強,閆光虎

(西安近代化學研究所,陜西 西安 710065)

引 言

含能熱塑性彈性體(ETPE)作為黏結劑用于LOVA 發射藥具有能量高、易損性低、塑性好、環保等優點,不僅保持了熱塑性彈性體的特性,還增加了發射藥配方中高能組分的含量,提高了LOVA 發射藥的能量,解決了發射藥中能量提高和易損性降低的難題,成為國內外發射藥研究的熱點之一[1]。但是伴隨著低易損性,LOVA 發射藥也帶來了點火性能不佳、燃燒不完全、燃燒結束后留有殘渣等問題[2-3],阻礙了其應用。

本實驗針對LOVA 發射藥存在的點火燃燒方面存在的問題,研究了以熱塑性彈性體BAM O/AMM O 聚合物[4]體系為新型含能黏結劑、高能添加劑RDX 為主要組分的一種LOVA 發射藥在常壓及密閉環境下的燃燒特性,總結了該類LOVA 發射藥及其組分的熱分解特性,并推導出該類發射藥的燃燒機理,為含能熱塑性彈性體發射藥的研究應用提供借鑒。

1 試 驗

1.1 材料及儀器

RDX,粒度為50.0 μm,甘肅銀光工業集團有限公司;熱塑性彈性體Poly(BAMO-AMM O),西安近代化學研究所。

點火模擬裝置,西安近代化學研究所;JSM-5800 掃描電鏡,日本日立公司;syc-6000 石英壓電傳感器,德維創公司。

1.2 樣品的制備

根據理論計算,設計出能量性能符合要求的LOVA 發射藥配方,根據半溶劑法常規擠壓工藝制備發射藥樣品LOVA-1 和LOVA-2,溶劑選用丙酮,藥型為18/1。

樣品主要配方及理化性能測試結果見表1 和表2。

表1 LOVA 發射藥性能參數的計算值Table 1 Calculated parameter results of LOVA propellant

表2 LOVA 發射藥配方及性能參數的測試結果Table 2 Formulations of LOVA propellant and its tested parameters

1.3 實驗條件

點火模擬試驗:點火藥為1.1 g NC 點火藥包;藥室體積為138.6 mL;裝填密度為0.12 g/cm3;裝藥量為16.6 g 。

中止燃燒試驗:泄壓孔Φ20 mm;裝填密度為0.2 g/cm3;試驗溫度為20 ℃;點火方式為NC 點火藥包。

2 結果與討論

2.1 燃燒現象討論

2.1.1 點火模擬實驗

試驗前,點火模擬裝置燃燒室內壁光滑潔凈,如圖1(a),點火燃燒結束后LOVA-1 發射藥的燃燒室內壁附有一層明顯黑色絮狀殘渣,見圖1(b),LOVA-2 發射藥的殘渣更明顯,藥室幾乎被黑色絮狀物填滿,見圖1(c)、(d),取出觀察為團狀物,質量輕。

2.1.2 常壓下點火燃燒實驗

針對LOVA 發射藥在點火模擬裝置中燃燒結束后留有殘渣的現象,進行了常溫常壓下LOVA 發射藥及其黏結劑組分熱塑性彈性體材料BAM O/AMM O 聚合物的點火燃燒試驗,并與G R5 型發射藥的燃燒現象進行對比,結果見圖2。

圖2 結果表明,點火燃燒過程中,BAMO/AMM O 聚合物的燃燒火焰很不穩定,幾乎不能維持燃燒,在持續給火條件下,火焰躥火現象嚴重,并不斷熄滅,同時有大量氣體生成,生成的氣體快速放出將火焰“吹滅”。燃燒結束后,BAMO/AMM O 聚合物完全燃燒,無殘渣殘留現象,說明在氧充足時,黏結劑組分能夠完全氧化燃燒,生成氣體,無固體殘留物。在相同的常壓條件下LOVA-1、LOVA-2發射藥樣品能夠維持燃燒,火焰相對穩定,但仍有躥火現象,且燃燒速度快,并伴有大量濃煙生成,燃燒過的藥體區域留有明顯的黑色殘渣,LOVA-2 發射藥躥火較明顯,濃煙及燃燒殘渣也更多,藥長約40mm 的LOVA-2 發射藥樣品燃燒結束后,留下的殘渣長度超過80mm,初步分析為碳殘留物,見圖3。其中很多C 元素在燃燒結束后以C 單質狀態存在。先分解掉的RDX 沒有能夠與黏結劑發生二次反應。造成黏結劑中的C 不能氧化為CO 或者CO2。

圖1 LOVA 發射藥點火前后燃燒情況對比Fig.1 The burning chamber estate by LOVA propellant ignition bef-and-aft

與LOVA 發射藥相比,G R5 發射藥在常壓下燃燒火焰穩定,無躥火現象,燃燒過程中僅有少量煙產生,燃燒結束后,基本無殘渣殘留,見圖2(d)。這是因為,G R5 型發射藥配方主要由NC、NG 組成,再添加一定量的高能組分RDX,由于NC 的分解溫度較RDX 低[4],NC、NG 在RDX 燃燒之前就已經燃燒,不存在黏結劑組分因為分解緩慢而不能完全燃燒的問題,所以,G R5 型發射藥在氧充足的條件下,基本能夠完全燃燒。

2.1.3 中止燃燒試驗

中止燃燒試驗是通過在點火模擬裝置的堵頭上設置泄壓擋片,當藥室中的發射藥被點燃,藥室壓力增加到一定程度時,擋片破碎,發射藥由于藥室壓力突降而熄滅,提取未燃盡樣品進行燃燒表面SEM 電鏡觀察,結果見圖4。

圖4 LOVA 發射藥表面燃燒后的SEM 照片Fig.4 S EM photographs of LOVA propellant surface after burning

點火前平整的樣品表面在燃燒后均出現微孔,LOVA-1 發射藥中的孔較多,分析樣品配方,LOVA-1 中黏結劑含量低,RDX 含量高,由于RDX 的分解溫度比BAM O/AM MO 聚合物低[5-6],該孔應為RDX 顆粒燃燒所致,所以孔較多。

2.2 燃燒過程與機理

經過分析,可將LOVA 發射藥的燃燒分為以下幾個過程。

(1)點火前LOVA 發射藥中高能添加劑RDX顆粒均勻分散在BAM O/AM MO 聚合物中,發射藥表面較平整。

(2)點火后,熱量作用在發射藥表面,發射藥表面升溫,并在藥體內部形成溫度梯度,表面溫度累積到一定程度時,RDX 顆粒開始吸熱熔融。隨著溫度的進一步升高,BAMO/AM MO 聚合物開始軟化并緩慢分解放熱。因為RDX 的熔融吸熱需要吸收大量熱量[5],在點火過程中LOVA 發射藥存在一個熱量積累的過程,LOVA 發射藥中RDX 含量相對較高,熱量積累的過程相對較長,因此LOVA 發射藥的點火性能不佳。此時燃燒表面出現少量小孔穴,系高能添加劑RDX 部分熔融分解所致。

接著進入LOVA 發射藥全面燃燒階段。此時RDX 和BAM O/AM MO 聚合物完全熔融,并開始分解,樣品燃燒表面出現大量的孔穴(見圖4)。燃燒陣面到達燃燒面上的RDX 顆粒時,RDX 爆燃使得在燃燒表面形成大量“孔穴”,熱量和壓力沿著孔深入整個發射藥內部(見圖5)。

圖5 LOVA 發射藥燃燒過程示意圖Fig.5 Schematic diagran of of combustion process for LOVA propellant

(3)進入LOVA 發射藥的燃燒后期。此時RDX 基本完全分解,剩余的BAM O/AMM O 聚合物骨架進行熱分解。在分解氣體的作用下,樣品表面進一步破裂、分解。

由于LOVA 發射藥中兩種主要組分的因為熱分解特性不同,在點火燃燒時具有燃燒不同步性的特點。在BAMO/AM MO 聚合物達到分解溫度前,發射藥表面的RDX 顆粒首先熔融燃燒并消耗環境中的氧,當BAMO/AM M O 聚合物組分開始氧化分解時,所需的熱量和氧又被緊挨表面的RDX 顆粒消耗,即未燃RDX 顆粒從環境中奪氧及熱,致使黏結劑因分解所需熱及氧嚴重不足停止了分解反應而炭化。發射藥在密閉爆發器以及常壓條件下燃燒后留下的殘渣應為聚合物中未燃盡的大分子C骨架。根據發射藥的特性,燃燒過程中有大量氣體生成,濃煙亦應為沒有氧化的C 顆粒。同時,樣品邊燃燒邊生成氣體,將C 殘渣沖擊膨脹,使得最終生成的黑色殘渣較原樣品長出許多。

綜上可知,LOVA 發射藥中兩種主要組分的燃燒不同步性是造成該類發射藥燃燒不完全、燃燒后留有殘渣現象的一大原因。

2.3 氧系數的影響

氧系數為火藥中所含氧化元素物質的量與所含可燃元素完全氧化所需氧的物質的量之比,即

本研究中,經計算發射藥LOVA-1,LOVA-2樣品的氧系數分別為0.432 和0.317。

可知,LOVA 發射藥氧含量不足,高分子物質不能完全氧化燃燒,是LOVA 發射藥不能完全燃燒的原因之一。

3 結 論

(1)LOVA 發射藥的兩種主要組分的燃燒不同步是造成該類發射藥燃燒結束后留有殘渣的一個主要原因。RDX 首先受熱分解,燃燒速度快于黏結劑BAM O/AM MO 聚合物,使得慢一步分解的BAMO/AM MO 黏結劑來不及被氧化。

(2)LOVA 發射藥的氧系數較低,氧含量不足,黏結劑組分中的高分子物質不能完全氧化燃燒,也是LOVA 發射藥有燃燒殘渣存在的原因之一。

[1]徐復銘.21世紀先進發射藥:低敏感高能發射藥—新配方、裝藥、點火和理論模擬技術[J].火炸藥學報,2003,26(4):43-48.

XU Fu-ming.The insensitive high energy propellants in the 21th century[J].Chinese Journal of Explosives and Propellants,2003,26(4):43-48.

[2]廖昕.低易損性發射藥性能研究[D].南京:南京理工大學,2004.

LIAO Xin.S tudy on performance of LOVA propellants[D].Nanjing:Nanjing University of Science and Technology,2004.

[3]殷雅俠,徐賽龍,王端,等.一種新型LOVA 發射藥點火性能的研究[J].火炸藥學報,2002,25(1):8-9.

YIN Ya-xia,XUN Sai-long,WANG Duan,et al.The study on ignition performance of a noval LOVA propellant[J].Chinese Journal of Explosives and Propellants,2002,25(1):8-9.

[4]楊文寶,戚士蓮,楊愛華.硝胺發射藥的熱行為與燃燒性能的關系[J].火炸藥學報,1994(1):1-5.

YANG Wen-bao,QI Ai-lian,YANG Ai-hua.Thermochemical behavior and combustion property of nitramine propellant[J].Chinese Journal of Explosives and Propellants,1994(1):1-5.

[5]劉子如,劉艷,范夕萍,等.RDX、H MX 的熱分解Ⅰ熱分析特征量[J].火炸藥學報,2004,27(2):63-66.

LIU Zi-ru,LIU Yan,FAN Xi-ping.Thermal decomposition of RDX and HMX.Part I:characteristic values of thermal analysis[J].Chinese Journal of Explosives and Propellants,2004,27(2):63-66.

[6]宋秀鐸,趙鳳起,王江寧,等.BAMO-AMMO 的熱行為及其與含能組分的相容性[J].火炸藥學報,2008,31(3):17-22.

SONG Xiu-duo,ZH AO Feng-qi,WANG Jiang-ning.Thermal behaviors of BAMO-AMMO and its compatibility with some energetic materials[J].Chinese Journal of Explosives and Propellants,2008,31(3):17-22.