一種含納米鉀鹽的新型消焰藥性能測試

韓 冰，王瓊林，于慧芳，魏 倫，劉少武，張遠波，鄭 雙

(西安近代化學研究所，西安 710065)

?

【化學工程與材料科學】

一種含納米鉀鹽的新型消焰藥性能測試

韓 冰，王瓊林，于慧芳，魏 倫，劉少武，張遠波，鄭 雙

(西安近代化學研究所，西安 710065)

為了減小炮口火焰面積，制備了一種含納米有機鉀鹽AK的新型消焰藥，進行了該消焰藥基本性能、吸濕性、燃燒性能、對發(fā)射裝藥炮口火焰及內(nèi)彈道性能影響試驗研究。試驗結果表明，對比常規(guī)單質(zhì)消焰劑材料，制備的新型消焰藥有較好的消焰效果，可使槍口火焰面積減少95%，且吸濕小，燃燒穩(wěn)定，對火炮內(nèi)彈道性能無明顯影響。

應用化學；消焰劑；炮口火焰；納米有機鉀鹽AK；消焰藥；發(fā)射藥

發(fā)射煙焰問題已日益成為我軍機械化、信息化身管武器系統(tǒng)發(fā)展的技術瓶頸，已引起軍方的高度重視，多次、多渠道地要求國防工業(yè)部門加速解決小口徑自動火炮發(fā)射煙焰問題。裝藥中添加消焰劑是減少或消除槍炮口焰一種簡便而有效的方法,因為它用量少,作用可靠,便于實施。消焰劑能夠提高混合燃氣的點火溫度，抑制炮口可燃氣體中自由基的鏈式反應，抑制二次火焰的生成[1-4]。通過加入消焰劑的辦法消除中小口徑火炮彈藥炮口二次火焰，通常有以下幾種技術途徑:① 發(fā)射藥或裝藥中加入堿金屬化合物如冰晶石、硫酸鉀、硝酸鉀等消焰劑，這種方法將顯著加大中小口徑自動火炮武器彈藥生產(chǎn)裝填復雜程度，且用量大負作用明顯(如吸濕)消焰效果有限；② 采用外添加工藝向發(fā)射藥表面浸漬或涂敷一層鉀鹽消焰劑，這種途徑因消焰劑浸漬或涂敷總量有限，且容易脫落，而且常用消焰劑一般都具有較強的吸濕性，影響裝藥性能的穩(wěn)定，因此消焰效果不穩(wěn)定?，F(xiàn)有發(fā)射裝藥消焰劑的使用辦法，難以滿足中小口徑自動火炮武器彈藥，特別是能量較高發(fā)射裝藥的可靠消焰。

研究發(fā)現(xiàn)，減小消焰劑粒徑，有助于減小和消除火焰，這是因為消焰劑納米化后，不僅在發(fā)射藥中分布更均勻，而且其燃燒分解機制也發(fā)生了較大改變，熱分解過程得到了強化，能夠形成更多的鉀離子抑制火焰[5]，但減小消焰劑粒徑也會帶來一些副作用，如煙霧、殘渣增加，并且吸濕性變大等，因此探索一種全新的消焰劑添加方式，具有特別重要的意義[6-9]。AK是一種新型有機鉀鹽，吸濕性較小，在相同含量相同添加方式下消焰效果優(yōu)于K2SO4、KNO3等常用無機鉀鹽，具有較好的應用前景[2]。消焰藥是發(fā)射裝藥起消焰作用的專用火藥，本研究制備了一種含納米有機鉀鹽(簡稱AK)的新型消焰藥，研究了該消焰藥吸濕性、燃燒性能，考察了其降低炮口火焰的效果，并進行了其對發(fā)射藥內(nèi)彈道性能的影響研究，為消焰劑的添加方式研究提供一條新的技術途徑。

1 試驗部分

1.1 材料與儀器

原材料選用納米有機鉀鹽AK,西南科技大學提供，其主要性能如表1所示，消焰劑AK 和K2SO4主要元素含量如表2所示。

表1 納米鉀鹽消焰劑物理性能

表2 消焰劑AK 和K2SO4主要元素含量

發(fā)射藥為表面處理三基發(fā)射藥(SCTB)，弧厚0.68 mm，表面鈍感包覆處理，西安近代化學研究所；30 mm彈道炮。

1.2 樣品制備

雙基藥片用丙酮充分溶解成膠液狀，AK加入乙醇中充分分散，然后將乙醇緩慢加入到藥料中混合均勻，并通過加熱，連續(xù)攪拌揮發(fā)溶劑使其成膠體狀，最后通過反復壓延充分混合，擠壓、切制得到規(guī)定藥片。納米鉀鹽AK含量>35%。

1.3 性能測試

1.3.1 基本性能

爆熱按GJB770B—2005方法701.2恒溫法得出；燃燒殘渣按企標Q/AY 426—2008 火藥燃燒殘渣的測定稱量法得出。

1.3.2 吸濕性

吸濕性按GJB770B—2005 方法404.1得出。

1.3.3 靜態(tài)燃燒性能測試

藥室容積100 cm3，裝填密度0.2 g/cm3，實驗溫度20℃，壓力傳感器精度為0.005 MPa，采樣間隔是0.05 ms，點火藥為2號NC、藥量1.1 g，點火壓力10 MPa，在密閉爆發(fā)器中測試對比了6/7SCTB、新型消焰藥樣品的靜態(tài)燃燒性能，得到壓力-時間曲線。

1.3.4 消焰效果及對內(nèi)彈道性能影響

1) 30 mm彈道炮射擊試驗

采用6/7 SCTB發(fā)射藥，一定量的新型消焰藥隨SCTB發(fā)射藥一起裝藥，進行30 mm口徑火炮內(nèi)彈道試驗。30 mm彈道炮構造參數(shù)如表3所示。Φ為火炮口徑；V為藥室容積；S為炮膛橫斷而積；m0為彈丸質(zhì)量；lg為彈丸行程長。

表3 30 mm彈道炮的構造諸元

2) 炮口火焰測試

依據(jù)Q/AY 525—2011發(fā)射藥及裝藥炮口火焰高速攝影法對不同結構的發(fā)射藥裝藥炮口火焰拍攝，拍攝速度900幀/s，焦距24 mm，然后使用專用數(shù)據(jù)處理軟件對圖像疊加處理，得到表征火焰參數(shù)火焰面積。

2 結果與討論

2.1 新型消焰藥的基本性能

新型消焰藥與SCTB發(fā)射藥樣品理化性能見表4，由表4計算可得新型消焰藥火藥力為SCTB發(fā)射藥火藥力的32.6%；新型消焰藥爆熱為SCTB發(fā)射藥爆熱的58.3%。從表4可看出新型消焰藥燃燒殘渣小于常用消焰劑K2SO4。消焰藥的作用機理為在發(fā)射時消焰藥與火藥燃氣一同逸出槍口，由于存在鉀離子，提高了H2、CO的發(fā)火點，促使了氣相鏈鎖反應的斷裂，阻止了H2、CO與氧氣的化學作用，起到消焰的作用。常用的消焰劑通常為一種不含能量或含能量極低的物質(zhì)裝填入藥室中，需要相對較長的時間才能點燃，轉(zhuǎn)化為氣體，其必然會對發(fā)射裝藥的內(nèi)彈道性能造成影響，而且常用消焰劑鉀鹽量不易控制，若鉀鹽加入量較少，必然削弱消焰劑消焰效果；若鉀鹽加入量較多，則會產(chǎn)生較多的煙霧，影響武器裝備的探測、鎖定、跟蹤功能，暴露武器發(fā)射陣地。相對常用消焰劑，本文設計的新型消焰藥具有較高的能量及較強的做功能力，縮短了燃氣與鉀鹽混合分散時間，可以充分發(fā)揮鉀離子的作用，更快地促使氣相鏈鎖反應的斷裂，提高消焰劑消焰效果，同時具有消焰劑用量可調(diào)，操作簡便等優(yōu)點。

表4 新型消焰藥樣品理化性能

2.2 新型消焰藥吸濕性

按照GJB770B—2005 404.1中吸濕性測定方法，在恒溫常壓條件下，測量K2SO4、AK、消焰藥試樣的7天的吸濕增量。以吸濕增量為縱坐標，以實驗時間為橫坐標，對消焰藥作吸濕曲線圖， 如圖1。

圖1 納米有機鉀鹽A、K2SO4與消焰藥的吸濕曲線

消焰劑的吸濕問題會影響裝藥性能的穩(wěn)定，也是裝藥貯存和使用中的一大難題。作為一種理想的消焰劑，非但要有充分的消焰效果，而且配入火藥后不能損害火藥的化學安定性和藥粒的物理均一性。K2SO4、納米鉀鹽AK等消焰劑消焰效果明顯，但是耐水性不太好，在配入火藥時以晶體的形態(tài)分散其內(nèi)，貯存中會吸潮，這些都會影響火藥的物理均一性。本文制備的消焰藥，7天的吸濕量小于0.15%，吸濕性較小，這是因為組分中的雙基藥片起到了包覆劑的作用，使消焰劑晶體不能與外界水分接觸。將鉀鹽與粒狀雙基藥片混合制備出含鉀鹽的新型消焰藥，可解決常用消焰劑常溫下吸潮的問題。

2.3 新型消焰藥燃燒性能

通過密閉爆發(fā)器實驗，得到SCTB發(fā)射藥和消焰藥兩種試驗樣品的P-t曲線，如圖2所示。

從圖2的P-t曲線可以看出，消焰藥燃燒初始階段的壓力曲線平緩，壓力上升緩慢，制備出的消焰藥樣品燃燒穩(wěn)定，對比SCTB主裝發(fā)射藥，消焰藥達到最大壓力的燃燒時間延長近9 ms。雖然消焰藥的燃燒時間大于主裝藥，但和AK相比，由于配方中含有大量的雙基藥片，仍具有較快的燃燒速度和較好的燃燒漸增性。即燃燒速度和燃燒漸增性：主裝藥>消焰藥>鉀鹽。發(fā)射裝藥中直接加入鉀鹽，鉀鹽燃燒較慢，燃氣與鉀鹽混合分散時間較長，在膛內(nèi)和膛口不能燃盡，鉀離子的作用發(fā)揮不充分，且未燃盡鉀鹽在膛口的瞬態(tài)壓力降作用下，燃燒將熄滅并形成燃燒殘渣，在炮口產(chǎn)生煙霧。而在發(fā)射裝藥中加入消焰藥，由于它具有較高的能量及較強的做功能力，在高溫高壓作用下，瞬間產(chǎn)生鉀離子，縮短了燃氣與鉀鹽混合分散時間， 更快地促使氣相鏈鎖反應的斷裂，從而有較好的消除炮口焰的效果。和發(fā)射裝藥中直接加入納米鉀鹽的添加方式相比，消焰藥可以充分發(fā)揮鉀離子的作用，充分體現(xiàn)AK粒度小的優(yōu)點，燃燒速度快，鉀鹽分散均勻，消焰作用明顯。

圖2 消焰藥和SCTB發(fā)射藥的P-t曲線

2.4 消焰效果試驗

以30 mm彈道炮為研究平臺，SCTB發(fā)射藥為主裝藥，消焰藥部分替代主裝藥，進行消焰藥消焰效果試驗，試驗結果如表5所示。

表5 消焰藥消焰效果試驗

2.5 發(fā)射裝藥內(nèi)彈道性能影響試驗

以30 mm某型號火炮為研究平臺，SCTB發(fā)射藥為主裝藥，將消焰藥部分替代主裝藥，進行消焰藥對發(fā)射裝藥的內(nèi)彈道性能影響試驗，其結果如表6所示。

從表5試驗結果可以看出，發(fā)射裝藥中加入K2SO4、AK后，炮口火焰面積由5.6 m2降低至0.5 m2左右，降低幅度達90%。采用消焰藥部分替代主裝藥后，火焰面積由5.6 m2降低至0.26 m2，降低幅度達95%。試驗結果表明通過加入消焰藥，大幅度降低了發(fā)射藥裝藥火焰面積，有效抑制發(fā)射藥裝藥的二次火焰。這是因為本文設計的消焰藥，具有一定的做功能力和燃燒漸增性，在高溫高壓作用下，熱分解過程得到了強化，瞬間產(chǎn)生鉀離子，縮短了燃氣與鉀鹽混合分散時間，更易形成高濃度KOH；而且消焰藥始終位于裝藥的頂部，這樣在發(fā)射過程中隨著火藥氣體向前運動，消焰藥受火藥氣體作用主要擴散到膛內(nèi)火藥氣體流場的前端，在彈丸出炮口時，靠近彈尾較近的火藥氣體含消焰劑成分較多，使消焰劑功效得以充分地發(fā)揮，從根本上提高了消焰劑的利用效率。

內(nèi)彈道試驗結果表明，發(fā)射裝藥加入消焰劑K2SO4后，炮口火焰面積減小，抑制了裝藥的二次火焰，但膛壓有增大趨勢。而消焰藥部分替代主裝藥，常溫彈道性能基本不變，彈道跳差較小，低溫時壓力正常。說明消焰藥對火炮內(nèi)彈道性能無明顯影響。

發(fā)射藥裝藥中添加了鉀鹽可以明顯減少炮口焰，但鉀鹽作為一種不含能量或含能量極低的物質(zhì)裝填人藥室中必然會對發(fā)射裝藥的內(nèi)彈道性能造成影響。王育維等認為，宏觀層次，鉀鹽占據(jù)了一定的藥室容積，由于藥室容積的減少會使膛壓升高；微觀層次，鉀鹽隨著火藥氣體的加熱，氣化形成氣體分子，并與火藥氣體混合，增加了氣體質(zhì)量，也有增加膛壓的趨勢。而且鉀鹽提高膛壓是在內(nèi)彈道過程的前期作用明顯，相當于提高了彈道起始膛壓，最終表現(xiàn)結果是膛壓上升較快，但彈丸初速增加不明顯[10]。因此，可以說在發(fā)射裝藥添加鉀鹽會提高膛壓，對彈道性能不利。本文設計的消焰藥，具有燃燒漸增性，在發(fā)射過程中穩(wěn)定燃燒，且具有一定的做功能力，可部分替代主裝藥。消焰劑產(chǎn)生的氣體質(zhì)量與替代主裝藥產(chǎn)生的氣體質(zhì)量相互抵消，因此內(nèi)彈道壓力正常，彈道性能基本不變。

3 結論

1) 和常用消焰劑相比，消焰藥做功能力強，吸濕性?。?/p>

2) 消焰藥部分替代主裝藥，大幅度降低了發(fā)射藥裝藥的火焰面積，抑制了發(fā)射藥裝藥的二次火焰，具有較好的消焰效果。

3) 消焰藥燃燒性能穩(wěn)定，常溫下部分替代主裝藥后彈道跳差較小，低溫下壓力正常，對火炮內(nèi)彈道性能無明顯影響。

[1] 趙鳳起，陳沛，楊棟,等.含鉀鹽消焰劑的硝化棉基鈍感推進劑燃燒性能研究[J].火炸藥學報,2000，23(1):10-13.

[2] 劉波，鄭雙，劉少武,等.消焰劑對降低槍口火焰效果的研究[J].含能材料，2012，20(1):21-24.

[3] 李軍強，李笑江，劉鵬,等.消焰劑對硝胺推進劑性能的影響[J].含能材料，2010，18(18):290-294.

[4] 齊曉飛，李軍強，張曉宏,等.含能鉀鹽消焰劑對硝胺改性雙基推進劑性能的影響[J].含能材料，2013，21(3):334-338.

[5] 李強，閏光虎，嚴文榮,等.消焰劑對炮口煙焰的影響[J].四川兵工學報，2013，34(7):134-136.

[6] 陳斌，王瓊林，姬月萍,等.偶氮四唑鉀的合成表征及其對槍口煙焰的抑制[J].含能材料，2014，22(4):21-24.

[7] 陳斌,劉波,姬月萍,等.二羥基乙二肟鉀在鈍感發(fā)射藥中的應用[J].火炸藥學報,2014，37(4)：87-90.

[8] 劉波，王瓊林，劉少武,等.一種低燒蝕高漸增性發(fā)射藥的研究[J].含能材料，2011，19(5):565-568.

[9] 范文濤，趙宏立，靳建偉,等.應用數(shù)字圖像技術測量炮口火焰的方法研究[J].火炸藥學報,2015，38(1)：87-90.

[10]王育維,魏建國,郭映華,等.消焰劑對模塊裝藥內(nèi)彈道性能影響分析[J].火炮發(fā)射與控制學報,2009(4)：12-15.

(責任編輯 唐定國)

Performance Test on a New Flash Reducing PropellantContaining the Nanometer Organic Potassium Salt AK

HAN Bing, WANG Qiong-lin, YU Hui-fang, WEI Lun,LIU Shao-wu, ZHANG Yuan-bo, ZHENG Shuang

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

In order to reduce the area of the muzzle flash, a new flash reducing propellant containing nanometer organic potassium salt AK was prepared. The hygroscopicity, combustion performance, the effect on reducing muzzle flash and the interior ballistic performance of this flash reducing propellant were investigated. The experimental result shows that the flame area decreases by 95% when the flash reducing propellant is used. Comparing with common flash inhibitor, this flash reducing propellant has better effect on reducing muzzle flash, lower hygroscopicity, better combustion stability, and the interior ballistic performance is almost no change.

applied chemistry; flash inhibitor; muzzle flash; the nanometer potassium salt AK; flash reducing propellant; propellant

2016-11-26；

2016-12-28

陸軍預研項目(3011110104)

韓冰(1982—)，男，碩士，副研究員，主要從事發(fā)射藥配方及工藝研究。

王瓊林(1966—)，男，研究員，博士生導師，主要從事發(fā)射藥裝藥技術研究。

10.11809/scbgxb2017.04.034

韓冰，王瓊林，于慧芳，等.一種含納米鉀鹽的新型消焰藥性能測試[J].兵器裝備工程學報，2017(4):160-163.

format:HAN Bing, WANG Qiong-lin, YU Hui-fang, et al.Performance Test on a New Flash Reducing Propellant Containing the Nanometer Organic Potassium Salt AK[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(4):160-163.

TJ55;TQ562

A

2096-2304(2017)04-0160-04