小口徑模壓可燃藥筒的結構與性能

鄒偉偉，郝曉琴，張志勇，黨海燕，周偉良，田書春

（1.北京特種機械研究所，北京 100143；2.南京理工大學化工學院，江蘇 南京 210094；3.西安北方惠安化學工業有限公司，陜西 西安 710302）

引 言

可燃藥筒是一種含能的結構性多孔材料，具有藥筒和火藥的雙重功能［1－2］，其代替金屬藥筒無論在戰術上還是在生產上都具有重大意義，是當前國內外發展的一個重要方向。目前，可燃藥筒炮彈大多使用在坦克炮和大口徑自行火炮上，在中小口徑火炮中應用較少。近年來，國外對小口徑可燃藥筒進行了大量研究［3］。美國已將全可燃藥筒技術用在30mm航炮炮彈［4］，日本、俄羅斯、印度等國對中小口徑可燃藥筒所用的原材料、制備工藝開展了研究［5－7］。

與大口徑可燃藥筒相比，小口徑可燃藥筒要求燃燒速度更快，強度更高，無殘渣，尤其是可燃藥筒用在小口徑速射火炮中，對其燃盡性和強度的要求更加嚴格［8］。隨著小口徑速射火炮抗擊目標速度提高、種類的增加，與之對應的武器單體的性能、功能也需相應的提高，其中最重要的是提高火炮的瞬時射速和持續射擊時間［9－11］。因此，這對應用于小口徑速射火炮可燃藥筒的燃燒性能和力學性能提出了更高的要求。

本研究采用抽濾模壓工藝制備了一系列小口徑（25mm）模壓可燃藥筒，分析了藥筒的微觀結構、力學性能、耐熱性、燃燒性能及彈道性能，為25mm可燃藥筒在小口徑速射火炮中的實際應用提供參考。

1 實 驗

1.1 材料與儀器

硝化棉（氮質量分數12.0%）、硫酸鹽木漿紙（α－纖維素的質量分數大于95%）、聚醋酸乙烯酯（固體質量分數大于48%）含能纖維、二苯胺，西安北方惠安化學工業有限公司。

JSM－6380LV型掃描電子顯微鏡，日本JEOL公司；Micromeritics AutoPore IV 9500型壓汞儀，美國麥克儀器公司；Micromeritics ASAP2020型氮氣分子吸脫附孔徑分布測試儀，美國麥克儀器公司；SDT－Q600型TG－DSC分析儀，美國TA儀器公司。

1.2 可燃藥筒的制備

以硝化棉、含能纖維、黏結劑及添加劑為原材料，采用抽濾模壓工藝制備一系列25mm可燃藥筒，樣品配方見表1。

表1 25mm可燃藥筒配方Table 1 Formulations of 25mm combustible cartridge cases

可燃藥筒的抽濾模壓工藝包括制漿、真空抽濾濕坯及壓制固化成形。首先將硫酸鹽木漿紙在粉碎釜中粉碎成漿液，并與其他各原材料（硝化棉、黏結劑、分散成型助劑等）與水一起混合，制成一定濃度的漿液，攪拌均勻，用多孔模抽吸頭在此漿液中進行真空抽濾制得濕坯，其真空度大于0.08MPa，保壓時間30s；然后將濕坯轉入熱模壓制成形固化工序，模溫為130℃，蒸汽壓為0.1～0.2MPa，保壓時間為5～7min。為了加速干燥過程，進行抽真空，得到成形制品。將制品在溫度為（60±5）℃的烘箱中烘干6h，然后在自然條件下平衡一定時間后進行車加工，最后在藥筒表面刷覆防水涂層。

1.3 結構及性能測試

微觀形貌：將可燃藥筒沿徑向和橫向切片，把切片粘在銅臺上噴金處理，由電子顯微鏡進行觀察。

孔結構特征：以壓汞儀和氮氣分子吸脫附孔徑分布測試儀表征可燃藥筒的孔結構參數，測試室溫為（25±2）℃，試樣尺寸為6.5mm×6.5mm×2.5mm。

壓縮力：從殼體靠近底部位置切取（50±1）mm圓環，上下截面平行，外觀平整，測試溫度（25±2）℃，加載速度20mm／min。試樣破壞時的載荷值即為壓縮力，每個試樣測試5次求平均值。

抗拉強度：從殼體中部位置切取120mm圓環，以ASTM1708－95標準裁剪成啞鈴狀，進行抗拉強度測試，測試溫度為（25±2）℃，拉伸速度為10mm／min。用試樣破壞時的拉力值計算抗拉強度，測試方法依據GJB5472.15－2005。每個試樣測試5次求平均值。

熱分解特性：采用TG－DSC分析儀測試，氮氣氣氛，流速為30mL／min，升溫速率為10℃／min，溫度范圍為50～650℃。

香煙感度：采用香煙感度測試儀測試，測試方法依據GJB5472.12－2005。測試溫度為（25±2）℃，測定結果以5發數據取平均值。可燃藥筒試樣尺寸為30mm×30mm×2.5mm。

燃燒特性：利用密閉爆發器測試藥筒的燃燒特性，密閉爆發器體積109mL，MANFRAMEJV5300A采集系統、SYC－3000099120傳感器、2號硝化棉為點火藥，點火藥量為1.1g，測試方法依據GJB5472.9－2005。測試溫度為（25±2）℃，測定結果以3發數據取平均值。可燃藥筒試樣尺寸為35mm×21mm×2.5mm。

彈道性能：采用QQ043－Ⅰ型彈道炮對可燃藥筒N1和N2進行射擊試驗，主裝藥為十九孔火藥，裝藥質量為95.4g。彈道炮結構參數為火炮口徑25mm，彈丸質量0.23kg，試驗溫度為常溫（約20℃）。

2 結果與討論

2.1 微觀形貌

采用掃描電子顯微鏡對25mm可燃藥筒N1和N2的徑向截面與橫向截面進行觀察，結果見圖1。

圖1 可燃藥筒N1和N2的SEM圖片Fig.1 SEM photographs of formulations N1and N2 combustible cartridge cases

由圖1可見，可燃藥筒具有豐富的孔隙結構，不僅包含有利于燃燒產生的氣體傳輸的大孔，且具有能夠提供足夠燃燒表面的豐富的小孔。藥筒的孔隙主要是由紙纖維、功能纖維、硝化纖維素堆積形成。在抽濾模壓作用下，硝化棉組分與纖維組分緊密結合，通過乳膠粘結形成錯綜復雜的物理結構，各種組分之間相互擠壓形成大小不一的孔隙，孔隙的形態主要為長條狀的狹縫形和楔形孔。

采用氮氣吸附法測得的可燃藥筒N1和N2的吸脫附等溫線見圖2。從圖2中可見，可燃藥筒的吸脫附等溫線屬于BDDT分類法中規定的Ⅴ型等溫線，說明藥筒中存在中孔和大孔，此外吸附等溫線與脫附等溫線不重合，分離形成滯后環，滯后環的形狀介于IUPAC分類標準中定義的B類與C類滯后環之間［12］，說明可燃藥筒中的孔隙形狀主要為具有平行板結構的狹縫孔和錐形結構的楔形孔，這與掃描電鏡觀察結果相一致。

圖2 可燃藥筒N1和N2的吸脫附等溫線Fig.2 Isotherms of adsorbtion－desorption for N1and N2combustible cartridge cases

2.2 孔結構參數

采用壓汞法測得的可燃藥筒的孔結構參數見表2。

由表2可見，壓汞法測得可燃藥筒的總比表面積約為20m2／g，而氮氣吸附法測得的比表面積有較大的不同，與可燃藥筒N1相比，可燃藥筒N2與N3的比表面積分別提高了14.0%、29.5%。壓汞法與氮氣吸附法的測量結果有較大的不同，這主要是由于二者的測量原理與測量范圍不同而形成的。氮氣吸附法依據多層吸附原理和毛細管凝聚原理得到藥筒的比表面積和孔容，適用于中微孔（0.3～300nm）的測定，壓汞法則是通過測定給定壓力下的進汞量得到樣品的孔結構信息，測試范圍為3nm～360μm，可以測得藥筒中大孔對應的孔容和比表面積。因此，藥筒的總比表面積應綜合考慮壓汞法與氮氣吸附法的測定結果。

表2中，可燃藥筒的總孔容超過0.25cm3／g，孔隙率大于25%。在不改變黏結劑種類和用量條件下，加入含能纖維，藥筒的總孔容、孔隙率大幅度增加，平均孔徑增大，總比表面積增大。與可燃藥筒N1相比，可燃藥筒N2和N3藥筒的孔隙率分別提高了19.5%、31.3%，平均孔徑提高了16.3%與47.3%。可見用含能纖維替代藥筒中的硫酸鹽木漿可提高藥筒的比表面積、孔隙率及平均孔徑，這有助于提高藥筒的燃速，改善其燃盡性。

表2 可燃藥筒的孔結構參數Table 2 Pore structure parameters of combustible cartridge cases

從表2可知，可燃藥筒的孔結構存在多重分形特征，包括基體分維（DH）和孔隙分維（DV）。基體分維DH表征了藥筒制造過程中組分間的孔隙分布（孔徑大于1μm），壓汞法測得基礎配方N1的DH為2.55，加入含能纖維后體系變得復雜，組分間孔隙分布分散，DH增大。孔隙分維DV表征了微孔段可燃藥筒各組分的孔隙分布（孔徑在0.003～11μm）。加入含能纖維后，可燃藥筒的孔隙分維DV有一定程度的增加，主要原因是含能纖維的孔結構分布比紙纖維復雜，因此加入后使體系整體的混亂度增加。

2.3 熱分解特性

25mm可燃藥筒的熱失重特性曲線如圖3所示。從圖3可以看出，3個樣品在197.6℃左右開始大幅失重，主要為硝化棉的熱分解。在170～200℃產生大幅失重，該區域可燃藥筒N1失重66.6%，可燃藥筒N2失重70.8%，可燃藥筒N3失重71.9%。在200～550℃的失重主要為組分中的難燃物質如紙纖維和黏結劑組分的熱失重，由于可燃藥筒N2和N3中用不同比例的含能纖維替換硫酸鹽木漿紙組分，所以該階段的失重相比于可燃藥筒N1有所減少。

圖3 可燃藥筒的TG曲線Fig.3 The TG curves of combustible cartridge cases

2.4 力學性能

測試3種小口徑可燃藥筒的真密度、表觀密度、壓縮力和抗拉強度，結果見表3。

表3 3種小口徑可燃藥筒的力學性能測試結果Table 3 Mechanical property of small－bored combustible cartridge cases

由表3可知，可燃藥筒N1相比，可燃藥筒N2藥筒的壓縮力G提高14%，抗拉強度σ降低5.6%；而可燃藥筒N3藥筒的壓縮力和抗拉強度均降低，壓縮力較參比可燃藥筒N1降低1%，抗拉強度降低24%。結果表明，在不改變黏結劑種類和用量的情況下，加入合適比例的含能纖維能夠提高可燃藥筒的壓縮力，但是抗拉強度有一定程度的降低。這主要是因為含能纖維韌性較差，隨著含能纖維加入量的提高，抗拉強度逐漸下降，但是其硝化棉纖維相互纏繞形成網絡體系，在一定程度上提高了體系的壓縮力。當配方中的含能纖維質量分數超過10%時，低藥筒的壓縮力及抗拉強度均下降。

2.5 香煙感度

香煙感度是指用燃燒均勻穩定的香煙直接豎直作用于藥筒試樣表面，測出香煙接觸試樣至試樣被點燃或冒煙所需要的時間。由于小口徑速射火炮的射速高，持續射擊時間長，藥筒燃燒產生的氣體直接沖刷膛壁，在連續射擊后的膛內溫度可達400℃，這就要求對藥筒進行耐高溫性能的表面處理，使之在發射循環時間內，不發生自燃。目前常用的方法是在藥筒表面涂覆一層可燃耐熱涂料來提高藥筒的瞬時耐高溫性。為了表征表層涂覆耐熱涂料藥筒的耐高溫性能，采用香煙感度儀測得添加耐熱涂料后可燃藥筒N1的感度，結果見表4。

表4 25mm可燃藥筒香煙感度測試結果Table 4 Cigarette sensitivity of 25mm combustible cartridge cases

由表4可知，在400℃時，可燃藥筒N1的香煙感度為6.8s，500℃時可燃藥筒N1的香煙感度為3.4s，二者均超過200ms，涂覆耐熱涂料后，可燃藥筒N2、N3藥筒在400℃下的香煙感度均超過6s。

2.6 燃燒性能

采用密閉爆發器試驗研究了3種可燃藥筒的定容燃燒特性，裝填密度為0.12、0.20g／cm3，每個裝填密度試驗3發，兩個裝填密度交替進行。3種可燃藥筒的火藥力f、余容a測試結果見表5。3種可燃藥筒的p－t曲線與dp／dt－t曲線見圖4。

表5 可燃藥筒密閉爆發器測試結果Table 5 The test results of combustion performance in closed bomb

圖4 可燃藥筒密閉爆發器p－t曲線和dp／dt－t曲線Fig.4 The p－t curves and dp／dt－t curves of combustible cartridge cases in closed－bomb

由表5可以看出，可燃藥筒的火藥力均超過500kJ／kg，在添加含能纖維后，可燃藥筒的定容燃燒時間縮短，最大壓強增大，火藥力提高。與可燃藥筒N1相比，可燃藥筒N2、N3火藥力分別提高了15%和17%。而由圖4可知，與可燃藥筒N1相比，可燃藥筒N2與N3的燃燒速度加快，最大壓力提高，燃燒結束時間明顯縮短，且隨含能纖維加入量的增大，該變化趨勢更為明顯。可見，含能纖維具有提高藥筒能量、改善藥筒燃燒性能的作用，能很好地解決藥筒燃盡性的問題。

2.7 彈道性能

可燃藥筒裝藥的內彈道性能測試結果見表6。其中藥筒裝藥燃燒過程的壓力及相應的燃燒時間（實測值）是用壓電傳感器測壓系統測試得到的，彈丸初速采用天幕靶測速系統測得，用窺膛鏡觀察可燃藥筒裝藥燃燒后膛內的情況。第1發為冷彈，用于溫炮。

表6 小口徑可燃藥筒裝藥內彈道性能試驗結果Table 6 Experiment results of interior ballistic performance of small－bored combustible cartridge case charge

由表6可知，可燃藥筒N1與十九孔火藥組成的混合裝藥在膛內燃燒不完全，炮底有微煙，且金屬底座被熏黑。而可燃藥筒N2與十九孔火藥組成的混合裝藥在膛內燃燒完全，金屬底座無熏黑現象。其平均膛壓為319.2MPa，膛壓標準偏差為7.67MPa，彈丸的平均初速為1 079m／s，初速或然誤差為6.42m／s，平均膛壓提高了5.3%，彈丸的平均初速提高了2.9%。可見，加入含能纖維后不僅提高了藥筒裝藥的彈道性能，燃盡性也得到明顯的改善。

3 結 論

（1）用抽濾模壓工藝制備的可燃藥筒的孔以狹縫形和楔形孔為主，大孔數量較多，總比表面積約為20m2／g，總孔容超過0.25cm3／g，孔隙率大于25%。加入含能纖維有利于提高藥筒的孔隙率及平均孔徑。

（2）含能纖維對藥筒的燃燒性能具有重要的影響，有利于提高藥筒的能量，使藥筒的燃燒速度加快，燃燒時間縮短，且隨藥筒中含能纖維含量的增加，這種趨勢更為明顯，從而改善了可燃藥筒的燃盡性。

（3）添加耐熱涂料后藥筒在400℃下的香煙感度超過6s。

（4）含能纖維不僅能夠提高藥筒裝藥的彈道性能，還能夠明顯改善藥筒裝藥的燃盡性。

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