GAP對高能硝胺發射藥力學性能及燃燒性能的影響

楊建興，舒安民，馬方生，賈永杰，辛凱迪

（1．西安近代化學研究所，陜西西安710065；2．總裝備部駐西安北方惠安化學工業集團有限公司軍代室，陜西西安710302）

引 言

高能硝胺發射藥是我國自行研究成功的高能發射藥［1－6］，但由于配方中大量固體組分的存在，給發射藥的力學性能帶來不利影響，難以滿足高膛壓、高裝填密度武器的應用要求［2－4］。針對高能硝胺發射藥力學性能差的問題，國內學者進行了較多研究。趙毅等［2］用皮羅棉代替3號硝化棉，通過調整混棉比例來降低混棉的含氮量，結果表明，改進型配方在低溫時的力學性能有所提高，但又同時帶來發射藥能量的損失；雷英杰等［4］通過加入聚醚環酰胺類鍵合劑來改善高能硝胺發射藥的力學性能，該類鍵合劑主要是通過化學鍵的作用來改善基體和填料顆粒的界面粘結情況，但總體效果不佳，難以大幅度提高力學性能。

縮水甘油疊氮聚醚（GAP）是一種含有烷基疊氮基團的端羥基脂肪族聚醚，具有生成熱高、密度大、燃氣無腐蝕性、特征信號低、燃溫低、感度低等優點，是固體推進劑的理想黏合劑。另外，GAP 具有良好的低溫力學性能，可被硝酸酯良好地增塑，提高推進劑的力學性能［7－10］。本實驗在高能硝胺發射藥中添加GAP，研究了其對發射藥力學性能和燃燒性能的影響，為在發射藥中的應用提供參考。

1 實 驗

1．1 材 料

縮水甘油疊氮聚醚（GAP），數均相對分子質量3×104，常溫抗拉強度7．5～8．1MPa，常溫延伸率820%～850%，玻璃化轉變溫度－28．3℃，西安近代化學研究所；硝化棉（NC）、雙基吸收藥，四川瀘州化工廠；RDX、NGu，遼寧慶陽化工有限公司。

1．2 樣品制備

50℃下，將GAP 在丙酮與無水乙醇等體積混合的溶劑中溶解，在捏合機內加入所需要吸收藥片、溶解后的GAP溶膠及醇酮混合溶劑，在45℃下捏合30min，加入NGu，在此溫度繼續捏合3．5h，出料后由柱塞式油壓機擠壓成18／1 單孔管狀，在50℃水浴烘箱內驅溶、烘干6d。

高能硝胺發射藥的基礎配方（質量分數）為：（NC＋NG）56．7%、（RDX＋NGu）42．0%、C221．3%，配方代號GX00；在基礎配方的基礎上，分別外加質量分數為1．5%、2．5%、3．5%、5．0%的GAP，配方代號分別為GX15、GX25、GX35、GX50。

1．3 性能測試

采用上海儀器修配廠SE2 型沖擊試驗機和美國Instron公司3367 型精密萬能材料試驗機分別測試發射藥樣品高溫（＋50℃）、低溫（－40℃）、常溫（＋20℃）下的沖擊和壓縮性能。

采用密閉爆發器（自制，體積100mL，裝填密度0．20g／cm3）測定其定容燃燒和能量性能。

采用日本電子JSM－5800型掃描電鏡測試低溫（－40℃）下樣品的抗沖斷面形貌。

2 結果與討論

2．1 GAP對高能硝胺發射藥能量性能的影響

GAP 含量對高能硝胺發射藥能量的影響見表1，其中，火藥力f 為密閉爆發器實測數據，爆溫TV、爆熱QV為內能法計算結果。

表1 GAP含量對高能硝胺發射藥能量的影響Table 1 The effect of GAP content on energy of high energy nitramine gun propellant

由表1 可見，GX15、GX25、GX35、GX50配方比GX00配方的爆溫分別降低1．55%、2．59%、3．69%、5．32%，火藥力分別降低0．55%、0．96%、1．41%、2．12%，說明加入GAP 后，高能硝胺發射藥的爆溫及火藥力呈線性減小，且爆溫遞減更快。

2．2 GAP對高能硝胺發射藥力學性能的影響

幾種單孔管狀硝胺發射藥的靜態力學性能測試結果如表2所示。

表2 單孔管狀高能硝胺發射藥靜態力學性能測試結果Table 2 Experimental results of static mechanical properties of the single perforation cylinder high energy nitramine gun propellants

由表2可見，與GX00配方相比，GX15配方的高、低、常溫抗沖強度分別提高41．2%、23．5%、31．6%；與GX00配方相比，GX15、GX25、GX35、GX50配方的低溫（－40℃）抗沖強度分別提高23．5%、23．7%、22．8%、23．9%，說明加入GAP 可提高高能硝胺發射藥的抗沖強度，但其含量的增加對其抗沖強度改善影響不大。與GX00 配方相比，GX15、GX25、GX35和GX50 配方的低溫抗壓強度分別提高3．1%、6．8%、10．0%、11．9%，壓 縮 率 變 化量為0．5%、3．1%、0．3%、2．3%，說明GAP 能 夠提高單孔管狀高能硝胺發射藥低溫下的抗壓強度，隨著其含量的增加，抗壓強度增加。由此可見，加入一定量的GAP可顯著提高硝胺發射藥的力學性能，特別是低溫沖擊性能。低溫抗沖擊后，單孔管狀高能硝胺發射藥斷面的掃描電鏡照片如圖1所示。

由圖1（a）可知，固體顆粒與基體之間有明顯的界面，黏結劑對其包裹性差，發射藥受到應力作用時，固體顆粒從黏結劑基體中剝落、脫離出來，說明發生脫濕現象。固體顆粒與黏結劑體系之間的脫濕是阻礙發射藥力學性能提高的直接原因。由圖1（b）、（c）、（d）、（e）可知，添加GAP后，增強了基體硝化棉對固體顆粒的包裹性，脫濕的顆粒少且處于表層，脫濕產生的凹坑邊緣光滑，明顯有被黏結劑包覆過的痕跡。這也解釋了添加GAP后發射藥脆性減弱、韌性增強的原因。說明加入GAP 可增強固體填料與黏結劑體系界面間的粘接強度，減少脫濕，增強發射藥的力學性能。

圖1 單孔管狀高能硝胺發射藥低溫抗沖擊后斷面的SEM 圖片（×2000）Fig．1 SEM images of the single perforation cylinder high energy nitramine gun propellant section after impact at low temperature（×2000）

2．3 GAP對硝胺發射藥燃燒性能的影響

采用密閉爆發器試驗研究了GAP 質量分數分別為1．5%和3．5%的單孔管狀高能硝胺發射藥的靜態燃燒性能。對密閉爆發器試驗得到樣品的壓力變化曲線進行數據處理，得到燃速－壓力曲線，見圖2。

圖2 單孔管狀高能硝胺發射藥的u－p 曲線Fig．2 The u－pcurves of the single perforation cylinder high energy nitramine gun propellants

由圖2可見，加入GAP 后單孔管狀高能硝胺發射藥燃速降低，隨GAP 含量增加，燃速下降越多，這與加入GAP后硝胺發射藥火藥力、爆熱降低相符。幾種單孔管狀高能硝胺發射藥低壓段燃燒性能正常，無明顯轉折現象。

用最小二乘法對圖2的u－p 曲線進行非線性指數式（y＝a·xb）擬合，得到燃速系數u1和燃速壓強指數n，結果見表3。

表3 單孔管狀高能硝胺發射藥的密閉爆發器試驗結果Table 3 Results of single perforation cylinder high energy nitramine gun propellants obtained by closed bomb test

由表3可見，當GAP質量分數為1．5%、3．5%時，壓強指數由基礎配方的0．969 5提高至0．970 3、0．974 4，說明隨著GAP含量的增加，管狀發射藥的壓強指數相比基礎配方均有所增加。

3 結 論

（1）在高能硝胺發射藥中加入GAP，在保持發射藥較高能量的同時，可以顯著提高其力學性能，特別是低溫抗沖擊性能。加入質量分數1．5%GAP，高能硝胺發射藥的低溫抗沖強度由4．51kJ／m2提高到5．58kJ／m2。

（2）高能硝胺發射藥中加入GAP 可增強固體填料與黏結劑界面間的粘接強度，改善發射藥的脫濕現象。

（3）含GAP的高能硝胺發射藥燃燒性能正常，壓強指數小于1，隨著GAP含量的增加，壓強指數n逐漸增大，爆溫及火藥力逐漸降低，GAP 質量分數為3．5%時，f 和Tv分別降低1．41%、3．69%，n 增加0．51%。

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