泡孔結構對泡沫發射藥燃燒性能的影響

許燦啟，楊建興，楊偉濤，焦旭英

(西安近代化學研究所， 陜西 西安 710065)

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泡孔結構對泡沫發射藥燃燒性能的影響

許燦啟，楊建興，楊偉濤，焦旭英

(西安近代化學研究所， 陜西 西安 710065)

摘要：通過配方調節與工藝控制得到3種不同結構的泡沫發射藥，討論了泡孔結構形成的影響因素；采用密閉爆發器實驗和恒壓燃速測試實驗研究了不同結構泡沫發射藥的燃燒性能。結果表明，控制氣體生成速率、添加RDX顆粒、調節NC含氮量和發泡時間能夠有效控制泡沫發射藥的泡孔結構；皮芯結構泡沫發射藥具有漸增燃燒特性，發泡區的動態活度可達不發泡皮層的2.4倍以上；獨立泡孔結構的泡沫發射藥在100MPa下燃速可達未發泡樣品的30倍；非獨立孔隙結構的泡沫發射藥不同方向上的燃速差異顯著，密度為1.37g/cm3的樣品100MPa下軸向燃速最高可達3.860m/s。

關鍵詞：泡沫發射藥；燃燒性能；泡孔結構；化學發泡；密閉爆發器實驗

引 言

隨著新概念裝藥技術如隨行裝藥技術、無殼彈裝藥技術、變燃速發射藥技術的發展，對發射藥的燃速和能量釋放規律也提出了新的要求[1-3]。泡沫發射藥中存在預先制成的多孔狀或多孔隙結構，燃燒時部分高溫高壓氣體產物透入到孔隙中，點燃孔隙壁，形成對流燃燒，瞬間燃燒面積和能量傳遞強度都遠遠超出常規發射藥平行層燃燒的狀況[4]，因而具有獨特的燃燒性能。制備泡沫發射藥的材料和工藝多種多樣，不同的高能填充物、含能黏結劑、孔隙結構決定了泡沫發射藥的燃燒特性。因此，可以根據不同的應用需求制備具有相應燃燒特性的泡沫發射藥[5]。

國內外學者對泡沫發射藥開展了一系列研究。J.B?hnlein-Mauβ等[6]采用反應注射成型工藝制備了泡沫發射藥，采用密閉爆發器研究了RDX尺寸、黏合劑、樣品密度、氣泡體積、氣泡直徑等對樣品燃速的影響；郭長平等[7]研究了改變藥型、以不同鹽溶液為內水相和化學發泡法制備微氣孔球扁藥的方法，通過測量堆積密度和掃描電鏡觀察藥粒剖面結構等手段表征孔隙率和孔結構，結果表明3種方法均能有效控制微氣孔球扁藥中的通孔結構；馬忠亮等[8]研究了發泡工藝條件對無殼彈發射藥燃燒性能的影響，認為其燃燒過程為“破碎燃燒”；應三九等[1]研究了超臨界CO2制備微孔結構發射藥，采用密閉爆發器和中止燃燒實驗研究了并孔發射藥的燃燒性能，結果顯示這種微孔發射藥的燃燒方式為透氣性對流燃燒。由于不滿足幾何燃燒定律，泡沫發射藥的形狀函數失去意義，因此泡沫發射藥燃速的表征成為難題，目前的研究一般通過最大燃氣生成猛度[6]、表觀燃速[8]、燃燒時間[1]等數據的對比進行評價，但這些方法都不能可靠地對發射藥燃速進行定量描述。

不同結構的泡沫發射藥燃燒性能差異顯著，對泡沫發射藥的結構控制是實現其燃燒性能調控的重要途徑。本研究通過配方調節與工藝控制制備了不同結構的泡沫發射藥，采用密閉爆發器實驗和恒壓燃速測試實驗研究了不同結構泡沫發射藥的燃燒性能。

1實驗

1.1材料及儀器

吸收藥片(NC+NG+DIANP+C2)、雙芳-3標準藥、硅橡膠，西安近代化學研究所；RDX，5類，甘肅銀光化學工業集團有限公司；乙醇，分析純，西安化學試劑廠；乙酸乙酯，分析純，成都市科隆化工試劑廠；有機發泡劑A，市售化學品。

捏合機，2.5L，陜西盛源機械有限公司；油壓機，63T，天津市天鍛壓力機有限公司；101-2烘箱，上海安競生物科技有限公司；DMC-FZ40照相機，日本松下電器產業株式會社。

1.2樣品制備

將配方各組分和溶劑加入捏合機捏合；使用油壓機將捏合好的藥團壓制成實心藥條；將藥條切成合適長度，放入烘箱中發泡；發泡完成后按常規工藝條件驅除剩余溶劑。

樣品配方及性能見表1。密度由GJB770B-2005方法401.2密度液體靜力稱量法測出，皮層厚度通過測量放大10倍的樣品剖面照片獲得。

表1　泡沫發射藥配方及性能

注：w(N)為硝化棉的含氮量;d為皮層厚度。

制備的樣品軸向和徑向剖面照片如圖1所示。根據樣品泡孔結構特點，可分為3種類型。樣品1～樣品3內層發泡充分，外層不發泡形成皮層，且分界明顯，稱此類泡孔結構為皮芯結構[1]；樣品4和樣品5中泡孔呈球形、橢球形，且大部分泡孔彼此獨立，稱為獨立泡孔結構；樣品6中無法觀察到典型球形、橢球形泡孔，可以看到不規則排布的條狀孔隙結構，稱為非獨立孔隙結構。

圖1　不同泡孔結構的泡沫發射藥照片Fig.1　Photos of foamed gun propellants with different pore structures

1.3密閉爆發器實驗

藥室體積108cm3，裝填密度0.12g/cm3，試驗溫度20℃，壓力傳感器精度0.005MPa，采樣間隔0.05ms，點火藥為2號NC、裝藥質量1.1g，點火壓力10MPa，樣品均為圓柱形藥柱，長度40mm，在密閉爆發器中測試樣品的定容燃燒性能。

1.4恒壓燃速測試試驗

恒壓燃速測試試驗所使用的試驗裝置和傳感器與密閉爆發器實驗相同。使用雙芳-3標準藥將試驗壓力維持在100MPa左右，測試樣品在此壓力下的燃速。為使待測樣品穩定線性燃燒，用硅橡膠對其進行阻燃包覆處理，待測樣品長度22mm，樣品包覆結構示意圖見圖2。

圖2　硅橡膠包覆樣品結構示意圖Fig.2　Schematic diagram of sample coated bysilicon rubber

由于進行了阻燃包覆，樣品的燃燒過程可視為一維線性燃燒，通過p-t曲線讀取出待測樣品的燃燒時間Δt，樣品平均線燃速表示為

v=L/Δt

(1)

式中：v為平均線燃速，m/s；L為待測樣品長度，mm；Δt為待測樣品燃燒時間，ms。

2結果與討論

2.1泡孔結構的影響因素

2.1.1氣體生成速率的影響

發泡劑遇熱分解生成氣體產物，含量越高則發泡過程中氣體生成速率越大、總產氣量越多。結合表1與圖1可看出，在不含RDX的體系中，隨著發泡劑含量由樣品1的1%增加到樣品3的6%，樣品中的氣泡數量、分布均勻性得到提高，不發泡皮層厚度從1.3mm減小到0.7mm，樣品密度則由1.35g/cm3降低到0.79g/cm3。在含RDX的體系中，發泡劑含量不同的樣品4與樣品5也表現出了相同規律。說明氣體生成速率的提高有利于改善泡沫發射藥的發泡效果。但在配方中添加過高的發泡劑會導致發射藥能量和密度降低。

2.1.2添加RDX的影響

結合表1和圖1，對比樣品1與樣品4、樣品2與樣品5，可以看出在相同的發泡劑含量下，含有RDX配方的樣品氣泡密度顯著增加，氣泡大小更加均勻、分布均勻性更好，邊緣不發泡皮層減小，樣品密度比不含RDX的更低。這是由于未加入RDX時，成核過程為均相成核，加入RDX后為異相成核，發泡劑分解的氣體分子首先在添加劑的界面處聚集，成核的能壘遠低于均相成核。

2.1.3硝化棉含氮量的影響

在樣品5配方的基礎上提高硝化棉含氮量，得到樣品6。結合圖1(f)與表1數據可看出，樣品6幾乎沒有典型球形或橢球形氣孔，密度從0.97g/cm3提高至1.37g/cm3，從不同方向上觀察，能夠發現其軸向與徑向結構存在顯著差異，孔隙結構沿軸向排布，說明樣品6是一種軸向透氣性更好的非獨立孔隙結構泡沫發射藥。分析認為，出現這種現象的原因是在含氮量較高的配方中，增塑劑和工藝溶劑對硝化纖維的溶塑能力較低，硝化纖維分子運動能力較差，在氣泡成長的過程中無法形成典型形貌的泡孔。

2.1.4 發泡時間的影響

不同發泡時間的樣品照片如圖3所示，發泡時間越長，氣泡尺寸越大；氣泡尺寸的進一步擴大會導致氣泡相互連通形成并孔。

圖3　不同發泡時間的樣品照片Fig.3　Photos of foamed gun propellants underdifferent foaming time

2.2泡孔結構對發射藥定容燃燒性能的影響

2.2.1 皮芯結構的影響

樣品1～樣品3的密閉爆發器實驗結果如圖4所示。

由圖4可知，樣品3壓力升至最大的時間最短，但樣品3升壓速率穩定，dp/dt在0.5ms以后即達到了25MPa/ms以上，且變化不大，說明該樣品燃速最快，且燃燒過程穩定、皮層作用不明顯。樣品1和樣品2的升壓速率變化情況相似，可分為兩段：燃燒前期穩定在約5MPa/ms的低位，經過一段時間后突然增大到25MPa/ms以上。說明燃燒過程中燃氣釋放速率發生了顯著變化，這是因為樣品1和樣品2表面不發泡皮層較厚，燃燒開始時，不發泡皮層按幾何燃燒定律以較慢的燃速燃燒，當燃燒面進入發泡區時，燃燒規律轉化為對流燃燒[2]，燃氣釋放速率大幅提升；樣品1的燃速轉換點出現得比樣品2晚，這是由于樣品1的不發泡皮層較厚。從L-B曲線可以看出，動態活度[9]在不發泡皮層燃燒階段逐漸下降，進入發泡區時出現轉折并迅速增大，樣品1、樣品2的動態活度分別從轉折點的0.58、0.93MPa-1/s增至1.40、2.52MPa-1/s，其燃氣釋放規律與按序開裂桿狀裝藥(PSS)[2]相似。說明不發泡皮層的存在使發射藥具備了漸增燃速特性，通過控制樣品不發泡皮層的厚度，可以控制燃氣釋放規律，實現漸增性燃燒。

圖4　樣品1～樣品3的密閉爆發器試驗曲線Fig.4　Curves of samples 1-3 obtained by closed bomb test

2.2.2 獨立泡孔結構

樣品4～樣品6的密閉爆發器試驗曲線如圖5所示。由圖1可見樣品4與樣品5的泡孔尺寸相當，外徑略小，但由圖5(a)可看出樣品4的燃燒時間卻遠大于樣品5。這是因為樣品5中的泡孔密度更大，樣品密度較小。說明獨立泡孔密度的提高有利于泡沫發射藥燃速的提高。

2.2.3非獨立孔隙結構

樣品6直徑較小，通過燃燒時間難以比較其燃速，按常規發射藥燃速計算方法，帶入形狀函數可將p-t曲線轉換為圖5(b)所示的u-p曲線，讀取100MPa時的燃速值，可得樣品4～樣品6燃速分別為1.113、1.990和1.001m/s。

2.3泡孔結構對發射藥燃速的影響

表2為100MPa時發射藥樣品的恒壓燃速測試結果。

圖5　樣品4～樣品6的密閉爆發器實驗曲線Fig.5　Curves of samples 4-6 obtained byclosed bomb test

樣品編號m/gL/mmΔt/msv/(m·s-1)40.92227.602.89550.98226.053.63660.59225.703.860

由表2可知，恒壓燃速測試結果與圖5(b) u-p曲線獲得的燃速結果有顯著差異，這是由于p-t曲線轉換為u-p曲線時帶入的形狀函數建立在幾何燃燒定律的基礎上，與泡沫發射藥的燃燒規律不符，實驗結果證明常規密閉爆發器實驗已不適用于泡沫發射藥的燃速測試。

根據文獻數據[10]，100MPa下含RDX的疊氮硝胺發射藥未發泡配方燃速約為0.12m/s，含有獨立泡孔結構的樣品5燃速提高到了基礎配方的約30倍，說明化學發泡可以極大地提高發射藥燃速，使其具備超高燃速特征。

樣品6直徑僅為樣品5的63.6%，密閉爆發器實驗中樣品6燃燒時間是樣品5的1.2倍。說明樣品6的燃速遠比樣品5慢，這與表2所示結果不符。密閉爆發器實驗中樣品6長徑比大于8，可以認為密閉爆發器實驗中燃燒時間取決于徑向燃速，而恒壓燃速測試實驗的燃速為軸向燃速，燃速趨勢不一致，說明樣品6燃速在不同方向上具有顯著差異。樣品6密度比樣品5高約40%，軸向燃速相近，這是由于樣品6具有非獨立孔隙結構，高溫燃氣更容易進入樣品內部，從而獲得更高的燃速。這一情況表明發射藥內部的透氣性是影響泡沫發射藥燃速的主要因素，具備超高燃速特征的泡沫發射藥也可以具有較高的密度。

3結論

(1)控制氣體生成速率、添加RDX顆粒、調節NC含氮量和發泡時間能夠有效控制泡沫發射藥的泡孔結構。

(2)皮芯結構泡沫發射藥具有漸增燃速特性，動態活度在不發泡皮層燃燒階段逐漸下降，進入發泡區時出現轉折并迅速增大，動態活度增加到轉折點的2.4倍以上，燃氣釋放規律與按序開裂桿狀裝藥(PSS)相似，可以通過不發泡皮層厚度的控制實現所需的燃氣釋放規律。

(3)獨立泡孔結構泡沫發射藥具有超高燃速特征，100MPa下燃速由未發泡樣品的約0.12m/s增加到3.636m/s。非獨立孔隙結構泡沫發射藥不同方向上的燃速具有顯著差異，在密度為1.37g/cm3時發射藥軸向燃速可達3.860m/s。

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Effect of Pore Structure on Combustion Performance of Foamed Gun Propellants

XUCan-qi，YANGJian-xing，YANGWei-tao，JIAOXu-ying

(Xi′an Modern Chemistry Research Institute, Xi′an 710065, China)

Abstract:Threekindsoffoamedgunpropellantswithdifferentstructureswereobtainedbydifferentformulationsandprocessconditions.Thefactorsaffectingtheformationofporestructurewerediscussed,andthecombustionperformancesoffoamedgunpropellantswithdifferentstructureswerestudiedbyclosedbombtestandconstant-pressureburningratetest.Theresultsshowthatcontrollingthegasgenerationrate,addingRDXparticles,adjustingnitrogencontentofNCandfoamingtimecaneffectivelycontroltheporestructureofthefoamedgunpropellant.Thefoamedgunpropellantwithskin-corestructurehasprogressivecombustioncharacteristics.Thedynamicactivityoffoamedcoreis2.4timeshigherasunfoamedskin.Theburningrateoffoamedgunpropellantwithindependentporesis30timesmorethanunfoamedoneatthepressureof100MPa.Theburningrateondifferentdirectionsoffoamedgunpropellantwithnon-independentporestructurehassignificantdifference,andtheaxialburningrateofthegunpropellantwithadensityof1.37g/cm3is3.860m/sat100MPa.

Keywords:foamedgunpropellant;combustionperformance;porestructure;chemicalfoaming;closedbombtest

DOI：10.14077/j.issn.1007-7812.2016.03.020

收稿日期:2015-11-05；修回日期:2016-01-19

基金項目:總裝備部“十二五”預研項目

作者簡介:許燦啟(1987-)，男，從事發射藥配方與工藝研究。E-mail:canqixv@126.com

中圖分類號：TJ55;TQ562

文獻標志碼：A

文章編號：1007-7812(2016)03-0101-05