高氮量改性單基發射藥的制備和性能研究

于慧芳，李梓超，劉 波，魏 倫，鄭 雙，韓 冰

(西安近代化學研究所，陜西 西安 710065)

引 言

單基發射藥能量較低、彈丸初速低，難以滿足新一代武器裝備發展的需求。國內外一直致力于通過改性技術來提高單基發射藥能量，并改善其燃燒性能。瑞士研制的EI發射藥具有燃燒漸增性好、彈丸初速高和裝藥溫度系數低的特點，其相關產品已在小口徑火炮、迫擊炮等武器裝備中應用，帶來了顯著的軍事效益[1-3]。國內王瓊林等[4-7]采用“浸漬-鈍感”工藝，使用粗制的半成品粒狀單基發射藥，在專用設備中通過吸收含能增塑劑、阻燃材料等完成增能、鈍感過程，制成了具有較高燃燒漸增性、較低溫度系數的改性單基發射藥。目前，為滿足中小口徑身管武器彈藥特別是穿甲彈等裝藥高初速的需求，實現提高改性單基發射藥能量、改善燃燒性能的目的，提高基礎單基發射藥的含氮量是一種有效的途徑。

單基發射藥含氮量由其原材料混合硝化棉的含氮量決定，混合硝化棉含氮量越高，發射藥單位體積產生的能量越大，其在醇醚溶劑、增塑劑中的溶解度也越低。本研究以高氮量的單基發射藥為對象，通過“浸漬-鈍感”工藝處理制備出高氮量改性單基發射藥，分析其結構和燃燒性能，并通過內彈道試驗進行了驗證。

1 實 驗

1.1 材料及儀器

本實驗采用基礎藥為7孔粒狀單基發射藥，含氮量(質量分數)分別為13.0%(低氮量)、13.15%(高氮量)，增能材料為鈍化處理的NG溶液；鈍感劑NA由西安近代化學研究所自主合成。

JSM5800多用途掃描電子顯微鏡，日本電子公司；雙錐回轉式鈍感機，西安近代化學研究所。

1.2 改性單基發射藥樣品的制備

將水、單基發射藥在一定溫度下投入鈍感機中，攪拌狀態下，先加入NG溶液，再加入鈍感劑NA乳液，通過溫度和時間的控制完成增能、鈍感過程處理。將制備出的樣品進行烘干、選藥、打光，即制成改性單基發射藥。其中，含氮量13.0%和13.15%的改性單基發射藥樣品分別標記為LSP-1、 HSP-1；在HSP-1基礎上進行工藝溫度調整的樣品分別標記為HSP-2、HSP-3；HSP-3與 HSP-2相比，增加了一定比例的NG及鈍感劑。

1.3 性能測試

密閉爆發器試驗中，密閉爆發器藥室體積100cm3，裝填密度0.2g/cm3，點火藥為2#NC，點火壓力為10.00MPa，試驗溫度為20℃。

內彈道試驗采用14.5mm測壓彈道槍，穿甲燃燒彈頭和標準彈殼。膛壓測試采用標準銅柱測壓，初速(v5)采用恒磁靶測試。高、低溫保溫采用漢巴高低溫箱。

2 結果與討論

2.1 改性單基發射藥的表面結構

圖1(a)和(b)分別為含氮量13.15%單基發射藥改性前后的掃描電鏡照片。由圖1(a)可以看出，未處理的單基發射藥表面硝化棉纖維沿壓伸成型的方向呈現條狀連續分布。由圖1(b)可以看出，經過浸漬鈍感后，NG、鈍感劑浸透到單基發射藥基體中，硝化棉纖維有部分溶解重塑，形成了由NC、NG和鈍感劑構成的薄層，表面平整、光滑。

圖2為兩種含氮量單基發射藥改性后藥粒端面的照片。

從圖2可以看出，LSP-1樣品端面的7個內孔已經完全封堵住，孔周圍有較不明顯的增塑層； HSP-1樣品端面的內孔孔徑變小，但未完全封堵住。單基發射藥在浸漬鈍感過程中，由于NG對NC的溶解塑化和水相中的旋轉作用，溶塑部分漸漸流動蓋在內孔處，形成自堵孔效果。在所采用的相同浸漬鈍感條件下，LSP-1含氮量低，NG的溶解作用更強，端面孔完全被堵住；HSP-1含氮量高，較難被NG溶解塑化，因此堵孔程度較輕。這兩種發射藥堵孔情況的差異影響其燃燒性能，在常溫、低溫和高溫下起始燃燒破孔的程度不同，帶來發射裝藥起始燃面的變化，使高氮量改性單基發射藥裝藥溫度系數與低氮量改性單基發射藥相比有增大的趨勢。

2.2 改性單基發射藥的火藥力

表1為4種改性單基發射藥樣品的火藥力測試結果。

表1 火藥力測試結果Table 1 The testing result of impetus

注：f為火藥力；ɑ為余容。

從表1中可以看出，含氮量為13.15%的改性單基發射藥的火藥力高于含氮量為13.0%的改性單基發射藥。可見，混合硝化棉含氮量增加，即單基藥的含氮量增加使其火藥力提高，在添加了同樣量的NG和鈍感劑NA時，改性單基發射藥配方能量得到提高，對于提高裝藥能量具有積極影響。

2.3 改性單基發射藥的燃燒性能

2.3.1 不同含氮量對發射藥燃燒性能的影響

圖3(a)和圖3(b)分別為不同含氮量改性單基發射藥密閉爆發器測試的p—t、L—B曲線。

從圖3(a)可以看出，與LSP-1相比， HSP-1燃氣最大壓力升高，燃燒時間顯著減小，燃燒起始階段壓力曲線變化較快，壓力上升速率高。從圖3(b)可以看出，LSP-1、HSP-1在燃燒初期的燃燒活度低，隨著燃燒的進行，燃燒活度先增加后減小，都具有明顯的燃燒漸增性。但LSP-1燃燒分裂點[8]在B值為0.6附近，HSP-1燃燒分裂點在B值為0.8附近，說明HSP-1燃燒結束點一致性較好。這是由于兩種改性單基發射藥的表面堵孔情況不同，LSP-1內孔完全堵孔，但各個內孔被封堵的厚度不同，在點火燃燒時破孔時間不統一，使藥粒的燃燒結束點有差異； HSP-1內孔沒有封堵，點火燃燒時不存在破孔現象，因此燃燒結束同時性好。

2.3.2 不同組分含量對發射藥燃燒性能的影響

圖4(a)和圖4(b)分別為不同組分含量的改性單基發射藥密閉爆發器測試的p—t、L—B曲線。

從圖4(a)可以看出，兩個樣品燃燒起始階段壓力曲線平緩，與HSP-2相比，HSP-3燃燒時間增大，燃燒起始階段壓力上升慢，說明增加NG和鈍感劑的含量使起始燃燒速率減小，增加了起始緩燃的效果。從圖4(b)可以看出，HSP-2、HSP-3在起始階段燃燒活度都有降低，呈現前低后高的趨勢，具有明顯的燃燒漸增性。HSP-2燃燒分裂點在B值為0.62附近，HSP-3燃燒分裂點在B值為0.68附近，HSP-3燃燒結束點一致性較好。在燃燒分裂點之后，HSP-3活度值較高，其燃燒漸增性優于HSP-2。

2.4 內彈道性能

表2為4種改性單基發射藥樣品常溫(20℃)時內彈道試驗結果。

表2 改性單基發射藥內彈道試驗結果Table 2 The testing results of interior ballistic for modified single-base gun propellants

從表2中可以看出，在相同工藝條件下，與LSP-1相比，HSP-1裝藥量少5g，膛壓相當，初速略低；經過適當調整工藝參數，并增加一定比例的NG和鈍感劑后，HSP-2、HSP-3裝藥量明顯增加，對比LSP-1初速分別提高了6.1和16.9m/s，提高幅度為0.6%和1.7%。結果表明，高氮量改性單基發射藥在能量上的提升效果可以顯著體現在內彈道性能上，在裝藥量略低的情況下，達到同等或更高的彈丸初速，可適用于裝藥空間小、彈丸初速要求高的穿甲彈等彈藥[9]。

表3和圖5分別為LSP-1、HSP-3在高、常和低溫下的內彈道試驗結果和溫度系數結果。

表3 LSP-1和HSP-3發射藥的溫度系數試驗結果Table 3 The testing results of temperature coefficient for gun propellants LSP-1和 HSP-3

由表3和圖5可知，LSP-1樣品的低溫初速為958.7m/s，比常溫初速降低3.7%；高溫膛壓為270.2MPa，初速為974.8m/s，比常溫膛壓、初速分別降低了3.2%和2.1%，呈現常溫膛壓、初速最高的尖峰型溫度系數特征。HSP-3樣品的低溫初速為981.1m/s，比常溫初速降低3.1%，高溫膛壓為290.4MPa，初速1023.6m/s，比常溫膛壓、初速分別升高4.3%、1.1%，即膛壓、初速隨溫度升高而升高，溫度系數較制式單基發射藥產品小[10]。

分析認為，這是由于兩種含氮量改性單基發射藥表面堵孔情況的差異造成的。LSP-1樣品已經達到了硝化甘油和鈍感劑用量的上限，藥粒端面堵孔程度深、厚度大，起始燃燒階段燃面小，表面增塑層在高溫時呈現顯著的黏彈性，低溫時增塑層呈現一定的脆性但燃速較低，因此點火瞬時破孔率均比常溫時小，出現了常溫膛壓初速高，高、低溫膛壓初速低的情況。高氮量改性單基發射藥堵孔程度較淺或不堵孔，起始階段燃面大或在點火時容易破孔，這一特點使其工藝適應性更好，可以增加NG含量使溫度系數減小，又不會出現負溫度系數的現象，避免了在裝藥中出現低溫膛壓超高的現象。

3 結 論

(1)采用浸漬-鈍感工藝制備的含氮量13.15%的改性單基發射藥，其表面形成了由NC、NG和鈍感劑構成的平滑薄層，火藥力比含氮量13.0%的改性單基發射藥提高10～20J/g,且由于NG對高氮量NC的溶塑能力差，藥粒端面的堵孔程度也比低氮量改性單基發射藥淺，或不完全堵孔。

(2)高氮量改性單基發射藥起始階段燃燒活度降低，呈現前低后高的趨勢，具有明顯的燃燒漸增性，增加一定比例NG和鈍感劑含量的HSP-3在燃燒分裂點之后，活度值較高，燃燒漸增性最好。

(3)內彈道試驗表明，與低氮量改性單基發射藥相比，高氮量改性單基發射藥HSP-3在裝藥量較低的條件下，彈丸初速比低氮量改性單基發射藥提高16.9m/s；高低溫試驗中，膛壓、初速隨溫度升高而升高，不出現負溫度系數，對于裝藥空間較為緊張的穿甲彈等武器系統具有明顯的能量優勢，也避免了低溫反常現象的發生。