疊氮硝胺發射藥強度的落錘撞擊實驗研究

楊麗俠，張鄒鄒，楊建新，劉來東

（西安近代化學研究所，陜西 西安 710065）

引 言

發射藥應具備較好的力學性能，以耐受火炮膛內環境的動態沖擊作用，確保其可控、規律的燃燒。如果在膛內燃燒時因發射藥自身的力學性能不佳而發生了材料破碎，就會明顯改變發射藥的燃燒規律，甚至會因燃燒面積的驟增而發生膛炸事故。然而，高能發射藥在高膛壓火炮中的受力環境復雜，作用時間極短，在射擊過程中，發射藥顆粒在膛內存在固相與氣相、顆粒與顆粒以及顆粒與內膛壁、彈底部等之間不同程度的沖擊、撞擊和相互擠壓作用，難以直接檢測膛內藥粒的動態力學過程。因此，多采用模擬試驗方法研究發射藥在火炮膛內藥粒運動狀態下的動態力學強度［1－5］，國外有伺服液壓試驗法、氣體炮沖擊試驗法、霍普金森桿試驗法、落錘撞擊試驗方法等。國內多使用發射藥床撞擊與擠壓試驗法、落錘撞擊試驗法等，其方法多是將撞擊前后的發射藥進行密閉爆發器燃燒實驗，用相對燃面變化計算撞擊后發射藥的破碎度，表征發射藥的動態強度，但在研究中發現，撞擊后進行藥粒收集時會造成藥粒的二次破壞，改變損傷藥粒的表面積，在計算發射藥破碎度的過程中引入了藥粒同時點火、平行層燃燒等假設以及實驗偏差等，這些綜合影響因素導致該類方法的準確度較差，難以分辨同一配方體系下各發射藥品種的動態力學強度。

疊氮硝胺發射藥具有能量高、燒蝕低、綜合性能優良，在高性能坦克炮、中大口徑制式火炮等武器系統具有廣闊的應用前景，由于此類高能藥為非均質結構，提高其材料的強度一直是研究重點。

為了模擬藥粒在膛內撞擊彈底的高速沖擊過程，對炸藥撞擊感度用落錘實驗裝置進行了改進，設計了發射藥粒專用的撞擊工裝，并加裝了檢測系統，與傳統的靜態力學實驗用抗沖抗壓方法相比，無需制作特殊藥型，對制式多藥型樣品可直接檢測，且操作簡單方便、成本低。本實驗采用自研的落錘撞擊裝置對疊氮硝胺發射藥的動態力學性能及影響因素進行了研究，以期為配方優化及動態力學增強機理研究提供基礎數據，促進該類高能發射藥的應用。

1 實 驗

1.1 實驗裝置及儀器

設計的發射藥落錘撞擊實驗系統由落錘儀、力傳感器、數據采集系統、撞擊工裝等組成，見圖1。

圖1 發射藥落錘撞擊實驗裝置Fig.1 Drop weight test apparatus for gun propellant

力傳感器及數據采集系統：瑞士KISTLER公司9361B型壓電式力傳感器，量程為±60kN，固有頻率為28kHz。試驗采樣頻率為500k／s；高低溫實驗箱：泰安科技有限責任公司，溫度范圍－60～110℃，±2℃；BCJ型落錘儀：0～100cm，天津市建儀試驗機有限責任公司。據資料報道［6］，發射藥的動態力學強度與其所受的應變速率有關，常用的落錘裝置一般是固定錘重，改變落高，藥粒所受的應變速率會隨著落高的變化而不同，本研究設計的落錘裝置可實現在相同落高下改變錘重，落錘（錘體與配重塊連接為一體）在1.0～10kg之間以0.1kg間隔可調，且下落和撞擊時穩固，錘體和配重塊不發生沖撞。

1.2 發射藥配方及藥粒尺寸

疊氮硝胺發射藥配方（質量分數）見表1。測試樣品均為溶劑法制作而成。采用制式高膛壓大口徑火炮用粒狀發射藥藥型，用21／19花邊模具制成，按照GJB770B－2005方法412.1小型藥藥型尺寸測量法測量藥型尺寸［7］，并計算各發射藥的橫截面積，測量及計算結果見表2。

表1 發射藥主要配方Table 1 Formulations of gun propellants

表2 測試樣品的藥型尺寸Table 2 Dimension and model of the samples

1.3 強度測試試驗

為保證撞擊能均勻作用于被試樣品的橫截面上及實驗結果的一致性，實驗前將每粒被試樣品端面磨平，端面的平行度為0.03mm，垂直度好，每50粒發射藥樣品為1組。將被試樣品按粒依次裝入撞擊工裝，在高低溫箱內保溫2h備用。試驗時，撞擊工裝受到自固定落高自由下落的落錘一次撞擊作用，發射藥粒會出現完好、完整、裂紋和破碎等，目測發射藥撞擊后的響應情況，并用工裝底部的力傳感器檢測發射藥粒受到的力值變化過程。固定落高，改變錘重，即在落錘撞擊速度一致的條件下，研究了高能發射藥的落錘撞擊響應特性，落錘高度均為80cm，經計算落錘撞擊樣品時的速度約為4m／s。

2 結果及討論

2.1 DAGR1基礎配方－40℃下的臨界撞擊能

發射藥的低溫冷脆特性是導致其使用安全隱患的主要原因，因此選擇試驗溫度為－40℃。臨界撞擊能（Ea）是指在落錘撞擊試驗時被試發射藥粒50%左右完好、其余發射藥粒出現裂紋或破碎時的撞擊能量。由于實際應用中的發射藥截面積不同，即使同一模具制作，也因配方、工藝及材料的收縮或膨脹系數不同導致截面積的差異，故采用單位面積上的撞擊能來表征發射藥的抗撞擊損傷強度。完好藥粒的最大應力為極限抗沖應力，該參數可反映發射藥的動態力學強度，且可為發射裝藥模擬仿真提供邊界條件。計算公式為：

式中：Ea為單位面積上的撞擊能，J／cm2；m 為落錘質量，kg；g為當地重力加速度，m／s2；h為特性落高，m；S為樣品的橫截面積，cm2；σm為樣品的臨界應力，MPa；Fm為樣品能承受的最大應力值，kN。

共進行4組撞擊試驗，每組50粒，結果見表3。

表3 DAGR1樣品的撞擊試驗結果（－40℃）Table 3 Drop weight test results of DAGR1（－40℃）

從表3試驗結果可知，DAGR1樣品在落高80cm、落錘質量5～6.6kg范圍內完好率約為50%，采用統計分析的方法得到該配方的臨界撞擊能約為33J／cm2。該結果顯著優于太根藥（Ea為18.8J／cm2）、硝胺藥（Ea為14.2J／cm2）、硝基胍藥（Ea為3.8J／cm2）［8］，表明疊氮硝胺發射藥具有較好的力學強度。

2.2 系列配方樣品的低溫抗撞擊損傷強度

根據不同樣品的橫截面積調節落錘質量，確保樣品受到的撞擊能（33J／cm2）與DAGR1基礎配方樣品的臨界值接近，試驗溫度為－40℃，落高為80cm，觀察樣品撞擊后的響應情況，結果參見表4及圖2、圖3。

從表4和圖2可知，在落錘撞擊對比試驗中，DAGR1基礎配方樣品及其調節配方的系列樣品，均有部分藥粒出現破碎，即低溫脆性解體。DAGR1基礎配方的完好率為46%，破碎率為18%，樣品的撞擊響應處于低溫破碎臨界狀態，與DAGR1基礎配方樣品臨界撞擊能的結果一致。在相同的撞擊能下，DAGR2樣品的破碎率為96%，無完好藥粒，表明其低溫抗沖擊性能顯著低于DAGR1；DAGR4樣品的完好率為30%，破碎率為56%，強度較差；DAGR3樣品的完好率為44%，破碎率為22%，低溫下動態強度與DAGR1相當。從相對完好率的數據可直觀反映樣品的低溫抗沖擊強度，含ETPE的DAGR3樣品較好，DAGR2強度差，DAGR4介于中間值。表4中樣品的臨界應力（σm）與其完好率的變化趨勢有差異，DAGR4樣品的臨界應力略大于完好率較好的DAGR3樣品，分析原因與其配方有關，DAGR4配方中RDX含量高，使其剛性略好（破壞形變略小），導致其臨界應力值略高。

表4 幾種樣品的低溫撞擊試驗結果Table 4 Drop weight test results of the four kinds of gun propellants（－40℃）

圖2 DAGR1撞擊損傷典型圖片Fig.2 Photographs of the drop hammer impact fracture of DARG1

圖3 DAGR1完好藥粒的F－t曲線Fig.3 The F－t curve of the intact granule propellants of DAGR1

由上述結果可知，臨界撞擊能下發射藥落錘撞擊試驗方法可以評價高能發射藥配方由于組分微調對樣品抗撞擊損傷強度的影響。

2.3 發射藥組分對抗撞擊損傷強度的影響分析

由高能疊氮硝胺發射藥配方可知，DAGR2與DAGR1基礎配方中的NC、RDX等含量相同，增塑劑（NG＋DIANP）的總質量分數均為28%，區別在于DAGR1配方的NG質量分數為10%、DIANP質量分數為18%，而DAGR2配方中NG質量分數為18%、DIANP質量分數為10%，DIANP含量減少，使樣品的強度變差，表明在增塑劑總含量不變時增加DIANP含量可提高發射藥的低溫抗沖強度，與周敬等［9］研究結果一致，這主要是由于DIANP中的硝胺基團、疊氮基團和硝化棉形成氫鍵，其鍵能增加，使硝化棉和增塑劑間的界面粘結性能變好。

DAGR3配方是在DAGR2配方中添加質量分數1.5%的熱塑性彈性體（ETPE），樣品的完好率和完整率顯著提高，表明外加ETPE可改善疊氮硝胺發射藥的低溫抗沖擊特性。ETPE是一種高分子聚酯黏合劑，具有能量高、密度大、機械感度低等優點，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，增強力學性能。

DAGR4的抗撞擊損傷強度較差，這主要是由于其RDX固體含量增加，固體顆粒與硝化棉大分子之間存在的界面層難以形成牢固的粘接，在受到機械撞擊時，這些界面層容易發生“脫濕”現象，成為力學破壞的薄弱環節。

根據組分變化對其抗撞擊損傷強度影響分析可知，通過微調高能疊氮硝胺發射藥配方增塑劑中DIANP的含量，使用ETPE作為力學增強劑，以及減少固體顆粒含量等措施均有利于提高高能疊氮硝胺發射藥的抗撞擊損傷強度。

3 結 論

（1）采用發射藥落錘撞擊實驗系統測試了4種疊氮硝胺發射藥的強度。在落錘撞擊初速約為4.0m／s、溫度為－40℃條件下，DAGR1疊氮硝胺發射藥的臨界撞擊能約為33J／cm2，其臨界抗沖應力約為262MPa，高能疊氮硝胺發射藥的低溫抗沖擊強度優良。

（2）添加質量分數1.5%的ETPE可改善發射藥的低溫抗沖強度；增塑劑總含量不變，增加DIANP的含量可提高發射藥的低溫抗沖強度。4種配方低溫抗沖強度排序為DARG1＞DAGR3＞DAGR4＞DAGR2。

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