提高新型高能發(fā)射藥力學性能研究

姚月娟，王鋒，張遠波，魏倫，于慧芳

(西安近代化學研究所，陜西 西安710065)

0 引言

隨著火炮向高膛壓的方向發(fā)展，對發(fā)射藥性能尤其是力學性能提出了較高的要求。發(fā)射藥的力學性能是保證火藥穩(wěn)定燃燒的重要指標之一，力學性能的優(yōu)劣直接關系到火炮射擊過程中的安全性能。目前武器上使用的發(fā)射藥主要有單基發(fā)射藥、雙基發(fā)射藥、三基發(fā)射藥以及硝胺發(fā)射藥等。發(fā)射藥是以高分子化合物硝化棉為主要粘結劑，非爆炸性或爆炸性增塑劑為增塑體系，并添加一定量高能固體炸藥組成的特種高分子材料［1］。新型高能發(fā)射藥是在高能發(fā)射藥RGD7的基礎上，添加了新的粘結材料來改善RGD7 發(fā)射藥的力學性能。該藥是近年研制成功的一種綜合性能優(yōu)良的新型發(fā)射藥，該發(fā)射藥具有能量高、強度較好、燃燒性能基本穩(wěn)定的特征，適用于大口徑壓制兵器，具有良好的應用前景。

本文設計了兩種不同含氮量的高能高強度發(fā)射藥樣品，研究了硝化棉的含氮量對發(fā)射藥的力學性能的影響，尤其是對低溫力學性能的影響。

1 發(fā)射藥樣品

1.1 發(fā)射藥樣品的制備

試驗用發(fā)射藥樣品為A 和B，采用半溶劑工藝制備，兩個樣品的硝化棉的含氮量不同，其中樣品A 硝化棉的含氮量為12.8%，樣品B 硝化棉的含氮量為12.6%，樣品中其它組成及藥型尺寸保持一致。

1.2 樣品的中止燃燒實驗

中止燃燒實驗裝置見圖1［2］。藥品散裝于藥室中，藥室容積為120 mL，樣品裝填量為10 g，以自制電底火點火，中止壓力約為35 MPa。

圖1 中止燃燒裝置圖

1.3 力學性能測試

發(fā)射藥的機械強度試驗包括抗壓強度和抗沖強度。抗壓強度試驗采用壓縮法，按GJB770B －2005 －415.1執(zhí)行;抗沖強度試驗采用簡支梁法，按GJB770B －2005 －417.1 規(guī)定執(zhí)行。

2 實驗結果與討論

2.1 中止燃燒實驗

將兩種發(fā)射藥樣品，分別用掃描電鏡觀察其微觀結構，結果見圖2。

通過掃描電鏡對不同樣品的燃燒表面情況進行觀察，樣品A 燃燒表面出現凹凸不平，分布著大量直徑在5 ～30 μm 的凹坑，燃燒表面有大量固體物料晶體存在。凹坑的直徑和RDX 的粒徑基本相當，分析認為是RDX 爆燃或脫落基體藥后所造成。燃燒表面上大量微坑的存在，增大了發(fā)射藥的燃燒表面積，發(fā)射藥燃燒時一定程度上偏離幾何燃燒規(guī)律。樣品B 中止燃燒表面為連續(xù)熔融層構成，熔融層表面無明顯的凹坑和固體物料析出。

圖2 不同樣品中止燃燒表面的SEM 圖

2.2 機械強度試驗

表1、表2 為兩種不同含氮量的高能高強度發(fā)射藥樣品在不同溫度下的抗壓、抗沖強度實驗數據。

表1 發(fā)射藥樣品的抗壓強度

表2 發(fā)射藥樣品的抗沖擊強度

試驗數據表明改變發(fā)射藥樣品中硝化棉的含氮量，發(fā)射藥的抗壓、抗沖強度均有所增大;隨著硝化棉含氮量的增加，發(fā)射藥的力學性能有所降低。主要原因是:采用半溶劑法制備的發(fā)射藥樣品，在壓伸成型過程中硝化棉大分子被沿軸向取向［3］。發(fā)射藥在沖擊試驗中，受力方向垂直于硝化棉高分子鏈的排列方向，則發(fā)射藥的斷裂表現為化學鍵的斷裂和范德華力、氫鍵的破壞。此外，當硝化棉的羥基基團被硝酸酯基基團取代后，硝化棉分子鏈間的氫鍵減少了，氫鍵間的作用力以及硝化棉分子鏈間的范德華作用力也在減弱。在發(fā)射藥在受到外力作用時，由于硝化棉分子鏈間作用力的減弱，分子鏈之間容易被破壞，宏觀上表現為發(fā)射藥力學強度的降低［4］。

當環(huán)境溫度為－40 ℃時，硝化棉含氮量為12.6%的新型高能發(fā)射藥比硝化棉含氮量為12.8% 的發(fā)射藥的抗壓強度和抗沖擊強度有所提高。該結果表明改變硝化棉含氮量可以提高發(fā)射藥的低溫力學性能。分析其原因:一方面是由于含氮量12.6%的硝化棉分子分布比較均勻，聚合度較大，塑化性能較好，有利于提高發(fā)射藥的機械力學性能;另一方面，隨著發(fā)射藥中硝化棉含氮量降低，硝酸酯基的數量在減少，這樣硝化棉中的端羥基較容易與發(fā)射藥配方中固體填料的極性氧原子形成氫鍵，從而提高了硝化棉與固體材料的結合能力，改善發(fā)射藥的力學性能。

3 結論

1)改變含氮量可以提高發(fā)射藥的力學性能，特別是對低溫力學性能。硝化棉含氮量為12.6%的新型高能發(fā)射藥的力學性能明顯優(yōu)于硝化棉含氮量為12.8%的發(fā)射藥。

2)硝化棉含氮量為12.6%的新型高能發(fā)射藥的抗壓強度，抗沖擊強度優(yōu)于硝化棉含氮量為12.8% 的發(fā)射藥。

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