含六硝基合鈷酸鉀消焰劑的球(扁)形發(fā)射藥性能研究

賀 云，趙其林，陳春林，張世林，周宏偉，郭禮波，張文博，陳 剛

(1.瀘州北方化學(xué)工業(yè)有限公司科研所， 四川 瀘州 640003；2.中北大學(xué) 環(huán)境與安全工程學(xué)院， 太原 030051)

1 引言

發(fā)射藥中加入消焰劑(鉀鹽)是減小槍/炮口火焰的重要手段[1]。針對輕武器存在射擊煙焰大、殘?jiān)嗟扔泻ι鋼衄F(xiàn)象，需開展配方能量與槍口煙焰的綜合協(xié)調(diào)技術(shù)研究。傳統(tǒng)無機(jī)消焰劑(硝酸鉀、硫酸鉀)是發(fā)射藥常用的氧平衡和消焰效率較高的消焰劑，但這類無機(jī)鉀鹽能量低，在水中的溶解度大，難以適用于在水相制備的球扁藥[2]。另外，硝酸鉀吸濕性大也限制其應(yīng)用[3]。劉波等研究的有機(jī)鉀鹽AK、BK具有吸濕性小、難溶于水等特點(diǎn)，但由于其分子結(jié)構(gòu)中低氧高碳?xì)浜浚谑褂弥挟a(chǎn)生的煙霧比較大，從而影響其實(shí)際應(yīng)用[3-4]。國內(nèi)王光宇等制備了一種含硝基的亞微米級金屬配位化合物的新型消焰劑GK，該消焰劑具有一定能量水平、不溶(微溶)水、吸濕性小等特點(diǎn)，已在推進(jìn)劑領(lǐng)域開展應(yīng)用研究，該消焰劑在發(fā)射藥中的應(yīng)用還鮮見報(bào)道[5]。

目前我國有關(guān)消焰劑的研究多見于推進(jìn)劑的應(yīng)用中，西安204所在硝胺推進(jìn)劑中加入亞硫酸復(fù)合鉀鹽與K2SO4，降低二次焰效果較好且DSC測試表明相容性較好，但同時(shí)降低了推進(jìn)劑的燃速[6]。夏天雨等采用TG-DSC聯(lián)用技術(shù)研究含能消焰劑的熱分解動力學(xué)，得到炸藥的動力學(xué)參數(shù)和機(jī)理函數(shù)[7]。趙鳳起等對鉀鹽消焰劑進(jìn)行了大量研究，將鉀鹽消焰劑加入到硝化棉基鈍感推進(jìn)劑中，相比于鉀冰晶石，鉀鹽消焰劑對推進(jìn)劑的平臺效應(yīng)破壞作用較小，同時(shí)其熱分解對推進(jìn)劑的影響較小[8-10]。針對納米鉀鹽消焰劑對發(fā)射藥性能的影響，韓冰等對其吸濕性、燃燒性能等進(jìn)行研究，結(jié)果表明，含納米鉀鹽消焰劑的發(fā)射藥吸濕性較小且燃燒穩(wěn)定[11]。采用外加方式在造粒澆鑄工藝推進(jìn)劑中添加了四種傳統(tǒng)消焰劑(LiF、KA、C4O6H4K2和KD)，結(jié)果表明KA與KD可以有效抑制推進(jìn)劑的二次燃燒，發(fā)動機(jī)噴焰面積減少80%以上[12]。

美國研究者提出以無機(jī)鹽組成可溶固體，包括磷酸銨和含硫化合物，該可溶固體的分解溫度范圍約為175～370 ℃[13]。Babushok及其團(tuán)隊(duì)討論了化學(xué)物質(zhì)對火焰抑制作用的極限，如五羰基鐵，其效率比目前使用的抑制劑高出約兩個(gè)數(shù)量級，消焰劑僅在氣相過程中才可起到較好的抑制火焰的作用[14]。Nikkeshi提供了一種不使用有毒物質(zhì)的復(fù)合消焰劑，在小添加量條件下可實(shí)現(xiàn)較好的消焰效果[15]。

本研究采用表面涂覆與成球過程內(nèi)添加2種工藝，對含GK的球扁發(fā)射藥性能進(jìn)行研究，為該消焰劑在球扁發(fā)射藥中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 樣品制備

結(jié)合某槍彈發(fā)射藥采用的“內(nèi)溶法”球扁藥成型工藝：① 通過內(nèi)添加方式在成球階段加入GK的方案，經(jīng)鈍感、后處理制得試驗(yàn)樣品A；② 通過表面涂覆方式在成球、鈍感工序結(jié)束后的涂覆工序加入GK的方案，經(jīng)后處理制得試驗(yàn)樣品B；③ 在制備工藝過程中未添加GK的試驗(yàn)樣品C。

2.2 內(nèi)添加工藝制備含GK的球扁發(fā)射藥

內(nèi)添加工藝是指在“內(nèi)溶法”成球工藝過程中，通過成球工序加入一定含量GK，使GK分布于球扁藥粒內(nèi)部。表1列舉了添加相同含量的不同批次樣品中GK的含量。

表1 內(nèi)添加GK分析結(jié)果

從表1可以看出：① 采用內(nèi)添加工藝加入GK，GK加入量相同時(shí)，制備不同批次的樣品中GK含量較穩(wěn)定，表明內(nèi)添加工藝穩(wěn)定；② GK的吸收率較低，分析可能原因：由于內(nèi)溶法成球工藝中，水棉比約為6～10，成球器內(nèi)水量過多，加入的GK僅少量吸收進(jìn)入硝化棉內(nèi)部，剩余的仍分散于水相中；③ 加入GK對體系能量基本無影響。

2.3 涂覆工藝制備含GK的球扁發(fā)射藥

涂覆工藝是指在藥粒表面通過噴涂微量粘結(jié)劑，將GK粘結(jié)于藥粒表面。表2列舉了不同加入量樣品中GK的含量。

表2 表面涂覆GK分析結(jié)果

從表2可以看出，采用表面涂覆工藝，GK在工藝過程中損失較小。但由于輕武器用發(fā)射藥一般尺寸較小，在涂覆過程中通過觀察發(fā)現(xiàn)，存在部分藥粒未涂覆上GK或藥粒表面涂覆不均勻的現(xiàn)象。另外，采用該工藝試制樣品在烘干、光澤等后處理工序中存在粉塵大，對操作人員職業(yè)健康危害大等問題。

對比2種GK添加工藝，其中內(nèi)添加工藝過程簡單，僅在成型過程中隨原材料一并加入，不額外增加工藝過程，工藝控制參數(shù)不另行設(shè)置，使研制發(fā)射藥在原材料、人工及動力成本不變的情況下，能達(dá)到較好的消焰效果。但該工藝GK在發(fā)射藥中的吸收率較低。表面涂覆工藝增加了涂覆過程，需另行進(jìn)行該工藝操作，額外增加了原材料、人工及動力成本。因此，對于輕武器用球扁發(fā)射藥，采用內(nèi)添加工藝較佳。

3 結(jié)果與討論

3.1 GK與發(fā)射藥組分相容性的研究

采用GJB770B方法502.1(差熱分析和差示掃描量熱法)對GK與常用球扁發(fā)射藥組分進(jìn)行了相容性測試，測試結(jié)果如表3。

表3 差熱分析和差示掃描量熱法測試結(jié)果

由表3中測試結(jié)果可知，新型消焰劑GK與發(fā)射藥配方中其他組分相容性較佳，ΔTp≤2.0 ℃且ΔE/Ea=3.7%，說明在含GK的球扁發(fā)射藥體系中，硝化棉的熱分解過程基本穩(wěn)定，GK與硝化棉的熱分解的含能弱鍵斷裂過程中，均以硝基為分解反應(yīng)的第一步，因此含GK的球扁發(fā)射藥體系中，組分間相互影響較小；同時(shí)，GK的加入對該體系的能量釋放影響較小，熱量基本沒有變化。綜合上述分析可知，球扁發(fā)射藥與GK的相容性較佳。

3.2 GK含量對球扁發(fā)射藥燃燒性能的影響及分析

采用GJB770B方法703.1(微分壓力法)密爆爆發(fā)器測試，對GK含量分別為0.015%(A1)、0.02%(A2)及未添加的樣品(C)進(jìn)行了靜態(tài)燃燒測試，結(jié)果如表4所示。

表4 發(fā)射藥20 ℃密爆特征參數(shù)

通過圖1中p-t曲線及表4中數(shù)據(jù)可以看出，隨著GK含量的增加，密閉爆發(fā)器測試結(jié)果中最大壓力略有升高，同時(shí)燃燒結(jié)束點(diǎn)提前；圖1中dp/dt-t曲線表明燃?xì)馍伤俾孰SGK含量的升高而上升。由于GK含氧量較高，可使球扁發(fā)射藥燃燒產(chǎn)物較為充分燃燒，同時(shí)其產(chǎn)物具有較好的傳熱性，因此，隨著GK含量的增加，球扁發(fā)射藥燃速增大，單位時(shí)間內(nèi)氣體生成量上升，最大壓力略有升高且燃燒結(jié)束點(diǎn)提前。

圖1 發(fā)射藥p-t、dp/dt-t曲線Fig.1 p-t and dp/dt-t curves of propellants

3.3 GK含量對球扁發(fā)射藥槍口煙焰的影響及分析討論

采用高速攝影法、煙霧透過率法(Q/HE2-359)測試不同GK含量樣品的槍口煙焰結(jié)果如表5所示。

結(jié)合表5與表6中測試結(jié)果可以看出：① 采用內(nèi)添加工藝加入微量GK后，能夠有效降低槍口火焰面積，當(dāng)GK含量超過0.015%時(shí)，槍口火焰面積降低30%以上；② 采用內(nèi)添加工藝加入微量GK后，隨樣品GK含量增加，煙霧透過率逐漸降低。與未添加GK樣品相比，當(dāng)GK含量為0.01%時(shí)，其煙霧透過率相當(dāng)。通過分析表6中測試結(jié)果并比較圖2與圖3可知，添加新型消焰劑GK可明顯降低槍口火焰面積，隨著球扁發(fā)射藥中GK含量的增加，槍口火焰面積明顯降低，表明新型消焰劑GK起到良好的消除槍口火焰的效果。

表5 槍口焰試驗(yàn)結(jié)果

表6 槍口煙霧測試結(jié)果Table 6 Test results of muzzle smoke

圖2 樣品C槍口火焰照片F(xiàn)ig.2 Gunfire of Sample C

圖3 制式發(fā)射藥槍口火焰照片F(xiàn)ig.3 Gunfire of standard propellant

3.4 GK對球扁發(fā)射藥感度的影響及討論

采用GJB770B方法601.2(特性落高)、602.1(爆炸概率法)對含GK的球扁發(fā)射藥感度進(jìn)行測試，由表7及表8試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，添加微量GK發(fā)射藥樣品與未添加GK的參比樣相比，其靜電感度、摩擦感度、撞擊感度測試結(jié)果基本相當(dāng)。由于含能化合物在外界機(jī)械作用下(如：靜電、摩擦或撞擊)感度大小與所含組分中分子含能基團(tuán)的性質(zhì)有關(guān)，在外界機(jī)械作用下，GK與硝化棉中斷裂的含能基團(tuán)均為-NO2，因此加入GK的球扁發(fā)射藥與未添加GK的發(fā)射藥有相似的機(jī)械感度，故添加微量GK對發(fā)射藥感度影響較小。

表7 靜電感度性能試驗(yàn)結(jié)果

表8 摩擦感度與撞擊感度性能試驗(yàn)結(jié)果

3.5 GK對球扁發(fā)射藥吸濕性的影響及討論

采用GJB770B方法404.1(干燥器平衡法)進(jìn)行了吸濕性測試，試驗(yàn)結(jié)果見表9所示。

表9 發(fā)射藥吸濕性試驗(yàn)

表9中測試結(jié)果可以看出，在高、低濕度條件下，內(nèi)添加GK樣品的吸濕性與參比樣相比，其吸濕性基本相當(dāng)，表明添加GK對發(fā)射藥的吸濕性影響較小。

4 結(jié)論

1) 采用“內(nèi)溶法”球扁藥制備工藝時(shí)，通過內(nèi)添加工藝加入GK，工藝穩(wěn)定。

2) 隨著GK含量的增大，球扁發(fā)射藥燃燒結(jié)束點(diǎn)提前，最大膛壓略有上升，其吸濕性及感度略有上升。

3) 將GK作為消焰劑應(yīng)用于球扁發(fā)射藥中，在槍口煙霧透光率相當(dāng)?shù)臈l件下，槍口火焰面積能夠降低30%以上，同時(shí)，隨GK含量上升，球扁發(fā)射藥的感度、吸濕性略有上升。