含F(xiàn)OX-7發(fā)射藥的燃燒性能

劉國(guó)濤，劉少武，于慧芳，張遠(yuǎn)波，魏 倫，韓 冰，劉 波

（西安近代化學(xué)研究所，陜西 西安710065）

引 言

發(fā)射藥具有穩(wěn)定的燃燒性能是其應(yīng)用于裝藥的先決條件。穩(wěn)定而有規(guī)律的燃燒可賦予發(fā)射藥優(yōu)良的內(nèi)彈道性能。硝胺發(fā)射藥具有能量高，爆溫相對(duì)較低的優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)在高能低易損發(fā)射藥中的應(yīng)用研究取得很大的進(jìn)展。1，1-二氨基-2，2-二硝基乙烯（FOX-7）自合成以來(lái)，憑借優(yōu)異的綜合性能受到研究人員的高度關(guān)注。它耐熱性能良好，能量密度高，感度低［1］，為其在高能低敏感火炸藥中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。目前，科研人員已經(jīng)開(kāi)展了FOX-7在推進(jìn)劑中的應(yīng)用研究以及在混合炸藥中的安全性評(píng)估［2-5］。

本實(shí)驗(yàn)研究了含F(xiàn)OX-7三基發(fā)射藥的燃速、壓強(qiáng)指數(shù)、壓強(qiáng)變化率，為新型含能材料FOX-7在低敏感發(fā)射藥中的應(yīng)用提供參考。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)樣品

發(fā)射藥的配方見(jiàn)表1。采用半溶劑法擠壓成型工藝制備18／1單孔管狀藥。濕烘驅(qū)溶、干烘驅(qū)水，階梯式升溫烘藥至其內(nèi)揮、水分均小于0.5%。

表1 發(fā)射藥配方Table 1 Formulation of the propellants

1.2 密閉爆發(fā)器實(shí)驗(yàn)

密閉爆發(fā)器燃燒室體積為100cm3，按照GJB770A-97703方法進(jìn)行密閉爆發(fā)器實(shí)驗(yàn)，發(fā)射藥的裝填密度為0.20g／cm3，點(diǎn)火壓強(qiáng)為10MPa，每個(gè)樣品的測(cè)試數(shù)據(jù)均為3個(gè)平行實(shí)驗(yàn)的平均值。

1.3 樣品密度測(cè)試

密度測(cè)試采用液體靜力法，按GJB770B-2005-401.2方法執(zhí)行。

2 結(jié)果與討論

2.1 FOX-7含量對(duì)發(fā)射藥燃速及燃?xì)馍陕实挠绊?/h3>

圖1為5種樣品的p-t和u-t曲線。

圖1 5種樣品的p-t和u-t曲線Fig.1 p-t and u-t curves of the five samples

由圖1可知，1～5號(hào)樣品的p-t和u-t曲線光滑，說(shuō)明發(fā)射藥燃燒穩(wěn)定。隨著FOX-7含量的增加，發(fā)射藥達(dá)到最大壓力及最大燃速所需的時(shí)間逐漸加大，并且燃速的最大值降低，即高FOX-7含量的發(fā)射藥點(diǎn)火難度增加，燃速降低。其原因主要是：（1）高FOX-7含量發(fā)射藥的具有更高的密度，1～5 號(hào)樣 品的密度分別為1.582、1.624、1.630、1.645和1.653g／cm3。由于發(fā)射藥密度的增加，相同加熱層體積的發(fā)射藥吸收更多的能量才能達(dá)到點(diǎn)火溫度，即達(dá)到點(diǎn)火溫度需要更多的時(shí)間，點(diǎn)火延滯期變長(zhǎng)；（2）FOX-7 分子內(nèi)及分子間存在大量氫鍵，且在升溫過(guò)程中有轉(zhuǎn)晶行為［6］。當(dāng)遇到外界熱刺激時(shí)，F(xiàn)OX-7由α相態(tài)向β相態(tài)轉(zhuǎn)變，消耗一定的熱能，而這個(gè)過(guò)程中FOX-7分子內(nèi)及分子間的氫鍵強(qiáng)度沒(méi)有明顯變化［7］。溫度繼續(xù)升高時(shí)，F(xiàn)OX-7開(kāi)始熔化，但由于廣泛存在于分子間及分子內(nèi)的氫鍵存在，這個(gè)過(guò)程要消耗大量的熱量。因此，在燃燒開(kāi)始階段，有大量FOX-7存在，表現(xiàn)為發(fā)射藥點(diǎn)火延遲時(shí)間增加，到達(dá)最大壓強(qiáng)及最大燃速的時(shí)間變長(zhǎng)；在燃燒過(guò)程中，RDX 含量的相對(duì)減少及氫鍵解離對(duì)FOX-7燃燒反饋效果消弱的共同作用，延長(zhǎng)了樣品燃燒達(dá)到最大壓強(qiáng)及最大燃速的時(shí)間；（3）在210～250℃范圍內(nèi)，F(xiàn)OX-7的分解活化能為243.6kJ／mol，而此時(shí)RDX的熱分解活化能為147kJ／mol［8-9］，隨著FOX-7含量的增加，RDX含量相應(yīng)減少，這增加了高FOX-7含量發(fā)射藥分解放熱的難度。

圖2為5種樣品的Γ-Ψ曲線。從圖2可以看出，1～5 號(hào)樣品的起始燃燒猛度均較低，但隨著FOX-7含量的增加，發(fā)射藥的起始燃燒猛度及漸增性均有降低的趨勢(shì)。這是因?yàn)椋囼?yàn)所用樣品為單孔管狀藥，在燃燒過(guò)程中，發(fā)射藥按平行層燃燒，燃燒面積基本不變，理論上Γ-Ψ應(yīng)為直線。但發(fā)射藥的燃速壓強(qiáng)指數(shù)大于1，導(dǎo)致燃?xì)馍陕视性黾拥内厔?shì)。而高FOX-7含量發(fā)射藥燃燒漸增性的降低，從側(cè)面說(shuō)明隨著FOX-7含量的增加，發(fā)射藥的燃速壓強(qiáng)指數(shù)降低。

圖2 5種樣品的Γ-Ψ 曲線Fig.2 Γ-Ψcurves of the five samples

2.2 FOX-7含量對(duì)壓強(qiáng)變化率（dp／dt）的影響

由圖3可以看出，隨著FOX-7含量的增加，發(fā)射藥達(dá)到最大壓強(qiáng)變化率的時(shí)間變長(zhǎng)，即壓強(qiáng)變化率的增長(zhǎng)速率變小，并且樣品壓強(qiáng)變化率的最大值顯著降低。1 和2 號(hào)樣品的壓強(qiáng)變化率最大值相近，3～5號(hào)樣品的壓強(qiáng)變化率最大值降低明顯。即發(fā)射藥中FOX-7質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于5%時(shí)，不能有效降低其壓強(qiáng)變化率；當(dāng)FOX-7質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于15%時(shí)，密閉爆發(fā)器中發(fā)射藥燃?xì)獾膲毫ψ兓曙@著降低。這說(shuō)明隨著FOX-7質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，發(fā)射藥燃速對(duì)壓強(qiáng)變化的敏感性降低，發(fā)射藥在燃燒過(guò)程中壓強(qiáng)劇增的可能性降低，有利于發(fā)射藥的穩(wěn)定燃燒。

圖3 5種樣品的dp／dt-t曲線Fig.3 dp／dt-t curves of the five samples

2.3 FOX-7含量對(duì)壓強(qiáng)指數(shù)的影響

表2為發(fā)射藥的密閉爆發(fā)器實(shí)驗(yàn)結(jié)果，考慮到點(diǎn)火過(guò)程及藥型分裂后燃燒表面的影響，數(shù)據(jù)處理時(shí)，壓力的取值范圍為：Ψ為0.15時(shí)或其滯后的鄰近點(diǎn)對(duì)應(yīng)的壓力為初始?jí)毫Γ詃p／dt取最大值時(shí)對(duì)應(yīng)的壓力為燃燒結(jié)束壓力，記作dptm。

表2 發(fā)射藥密閉爆發(fā)器實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 2 Experimental results of propellant obtained by closed bomb tests

由表2可以看出，1～5號(hào)樣品在不同的壓強(qiáng)段具有不同的壓強(qiáng)指數(shù)和燃速系數(shù)。隨著FOX-7含量的增加，在50～100MPa及100～150MPa兩個(gè)壓強(qiáng)段的壓強(qiáng)指數(shù)變化不明顯，150～200MPa和200～dptmMPa兩個(gè)壓強(qiáng)段的壓強(qiáng)指數(shù)則顯著降低，整個(gè)燃燒過(guò)程的壓強(qiáng)指數(shù)逐漸降低。在50～dptmMPa范圍內(nèi)，隨著壓強(qiáng)的增加，不同樣品的燃速系數(shù)均有增大的趨勢(shì)，壓強(qiáng)指數(shù)則顯著降低。隨著FOX-7含量的增加，相同壓強(qiáng)段的燃速系數(shù)大體呈降低趨勢(shì)。結(jié)合式（1）［10］可以看出，當(dāng)壓強(qiáng)小于150MPa時(shí)，壓力對(duì)FOX-7、RDX 分解速度、燃燒速度的影響能力相當(dāng)，改變樣品中FOX-7含量對(duì)樣品壓力指數(shù)的影響不大；當(dāng)壓強(qiáng)大于150MPa 時(shí)，F(xiàn)OX-7燃速受壓強(qiáng)增長(zhǎng)的影響弱于相同條件下對(duì)RDX 的影響，表現(xiàn)為FOX-7降低壓強(qiáng)指數(shù)的能力強(qiáng)于RDX，F(xiàn)OX-7引起壓強(qiáng)增長(zhǎng)的速度遠(yuǎn)大于對(duì)燃速增長(zhǎng)的貢獻(xiàn)，發(fā)射藥的壓強(qiáng)指數(shù)顯著降低。綜合整個(gè)燃燒過(guò)程，增加樣品中FOX-7的含量可降低發(fā)射藥的壓力指數(shù)。

3 結(jié) 論

（1）含F(xiàn)OX-7 發(fā)射藥能夠穩(wěn)定燃燒。隨著FOX-7含量的增加，發(fā)射藥點(diǎn)火延滯時(shí)間增大，燃速及其增長(zhǎng)速度均降低，達(dá)到最大燃速的時(shí)間增長(zhǎng)。

（2）當(dāng)FOX-7質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于5%時(shí)，對(duì)發(fā)射藥燃燒時(shí)壓強(qiáng)變化率的影響不大；當(dāng)其質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)15%時(shí)，可顯著降低發(fā)射藥壓強(qiáng)變化率的最大值及其增長(zhǎng)速率；高FOX-7含量發(fā)射藥燃燒過(guò)程中壓強(qiáng)劇變的可能性變小，有利于其穩(wěn)定燃燒。

（3）在50～150MPa，F(xiàn)OX-7改善發(fā)射藥壓強(qiáng)指數(shù)的能力不明顯；隨著燃燒壓力的增加，含F(xiàn)OX-7發(fā)射藥的壓力指數(shù)逐漸降低，尤其當(dāng)燃燒壓力大于200MPa時(shí)，其燃速壓強(qiáng)指數(shù)顯著降低。隨著FOX-7含量的增加，發(fā)射藥的壓強(qiáng)指數(shù)及燃速系數(shù)均降低，有利于發(fā)射藥的穩(wěn)定燃燒。

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