含硝酸鋇的發(fā)射藥包覆層性能試驗研究

魏 倫，于慧芳，姚月娟，李梓超，馬方生，劉 波

(西安近代化學研究所， 西安 710065)

1 引言

身管武器作為戰(zhàn)場壓制和精確打擊的主力裝備，在陸、海、空諸軍兵種廣泛裝備，在當今戰(zhàn)爭中發(fā)揮著不可替代的作用。近年來，我國自行研制并裝備部隊的各式身管武器總體性能有了很大提高，但與國外同類裝備相比，存在發(fā)射煙焰嚴重的問題，不僅造成環(huán)境污染、影響士兵健康和作戰(zhàn)能力、暴露陣地、影響精確制導武器對目標的觀察和跟蹤，嚴重者甚至會造成武器無法正常使用。為了減小身管武器發(fā)射時的煙霧殘渣，國內外通常采用提高裝藥的氧平衡來提高發(fā)射藥及裝藥的燃燒完全性，或減少惰性材料添加量等途徑來降低煙霧殘渣。例如發(fā)射藥配方方面，開展了提高硝化甘油含量、硝化棉含氮量及降低低氧含量鈍感劑來提高發(fā)射藥配方中氧平衡的研究，或進行了采用高含氧量的新型鈍感劑、消焰劑和點火藥劑等來降低發(fā)射時固體漂浮性顆粒數量從而實現低發(fā)射煙霧的研究；在裝藥結構方面，從弧厚及偏差、可燃藥筒及消焰劑粒度及位置等裝藥結構優(yōu)化方面進行了煙霧殘渣特性研究，目前發(fā)射藥包覆層主要集中在低溫度系數及燃燒規(guī)律控制等研究方向，發(fā)射藥包覆層煙霧殘渣性能影響的研究報道較少。

本研究設計了不同的Ba(NO)/聚酯鈍感劑配比的發(fā)射藥包覆層配方，并制備出試驗樣品進行包覆層性能測試，獲得了Ba(NO)對包覆層燃燒、殘渣、光透過率等性能影響規(guī)律，并給出了最佳配比，可以為中小口徑火炮低煙霧殘渣發(fā)射藥裝藥設計提供參考。

2 試驗

2.1 原材料

硫酸鉀(KSO)，分析純，國藥集團化學試劑廠；硝酸鋇(Ba(NO))，分析純，國藥集團化學試劑廠；鈍感劑(NA)，西安近代化學研究所；吸收藥(DB)，組成為硝化甘油(NG)，硝化棉(NC)，2號中定劑(C)，西安近代化學研究所。

2.2 樣品制備

設計不同Ba(NO)/NA配比的發(fā)射藥包覆層配方，配方組成如表1所示，采用半溶劑法膠化、壓伸成型、驅溶工藝，將不同發(fā)射藥包覆層配方制備成粒狀藥型進行性能測試。

2.3 樣品測試

1) 燃燒性能測試

爆發(fā)器燃燒曲線測試按GJB770B—2005 火藥試驗方法 703.1方法執(zhí)行。

2) 爆熱測試

按GJB770B—2005 火藥試驗方法701.2方法執(zhí)行。

表1 包覆層試驗樣品配方

3) 點火性能測試

點火藥為2號小粒黑，質量為0.6 g，點火壓力約1.0 MPa，被試樣品量8 g，記錄不同被試樣壓力上升5 MPa時，所需要的延遲時間。

4) 煙霧及殘渣測試

A靜態(tài)煙霧測試

依據所標Q/AY 513—2011，采用光透過率來表征試樣靜態(tài)煙霧量，入射光源為可見光和近紅外，光透過率測試裝置如圖1所示，將一定量試樣置入坩堝內放在燃燒室中燃燒后，測試不同試樣的可見和紅外光透過率；點火方式為電點火，燃燒壓力3 MPa，氮氣為保護氣體，將試樣放置在一恒壓燃燒室中點火燃燒后進行測試。

1.進氣閥；2.溫度計；3.入射窗；4.夾套；5.坩堝；6.鋼瓶蓋；7.點火線；8.接受窗；9.排氣閥

B殘渣測試

熱分解殘渣：TGA-2950(美國TA公司)使用范圍：室溫至1 000 ℃，保護氣體為氮氣，壓力為0.1 MPa，升溫速率10 ℃/min，測試不同試樣的熱分解殘渣百分量。

密閉爆發(fā)器燃燒殘渣：室溫下將一定質量待測試樣置于密閉爆發(fā)器中，點火方式為電點火，燃燒后降溫至室溫放出氣體，使用已預先烘干、定量的棉花蘸水搽拭、沖洗密閉爆發(fā)器內壁留下的附著殘渣，然后將粘有殘渣的棉花在烘箱中烘干定量，前后棉花質量差即粘附性殘渣質量，燃燒殘渣百分量即為粘附性殘渣質量與待測試樣質量比值。

3 結果與分析

3.1 氧平衡和爆熱

Ba(NO)、NA、DB及KSO的氧平衡(OB)值見表2所示，試樣的氧平衡和爆熱值如表3。從表2可以看出，原材料NA、DB及KSO氧平衡皆為負值，Ba(NO)是一種富氧材料，其氧平衡達77.41%，可以改善體系氧平衡。從表3可以看出Ba(NO)應用于包覆層配方中，可以提高氧平衡而降低爆熱，并且對氧平衡的影響大于對爆熱的影響。對比空白樣(XKJ-0)，隨著硝酸鋇使用量的增加，配方氧平衡值逐漸升高，從-31.09%提高至-11.91%，提高幅度近2倍，但爆熱則分別降低了4%、4.6%、7%、7.5%。可以看出，包覆層配方中引入硝酸鋇將在燃燒過程中釋放出氧原子，與游離態(tài)的碳顆粒結合，進而減少固體煙霧與殘渣的生成，同時其能量損失較小，不會因氧平衡的增加帶來爆熱的大幅增加，繼而造成如燒蝕等加劇，較好地實現了氧平衡和爆熱之間的平衡。

表2 不同原材料組分的氧平衡值

表3 不同試樣氧平衡和爆熱值

3.2 燃燒性能

圖2表示了不同試樣的密閉爆發(fā)器測試結果。可以看出隨著Ba(NO)的加入，起到了樣品初始階段緩燃的作用，表現為燃速變慢、燃燒時間增加。包覆層配方硝酸鋇含量為5%、10%、15%和20%時，燃燒時間比空白樣(XKJ-0)分別增加了17.9%、27.9%、79.4%和164%，增加幅度較大，Ba(NO)加入至發(fā)射藥包覆層中造成燃速降低的原因可能為：Ba(NO)熔融分解吸熱，導致包覆層在分解過程中釋放傳遞至自身表面凝固相熱量減少，造成溫度下降和凝固相分解速度變慢，降低了燃速，導致燃燒時間增加，不過過高的硝酸鋇含量對燃燒性能影響較大，會帶來燃燒時間過長導致出炮口時燃盡性較差的問題。

圖2 同試樣的密閉爆發(fā)器P-t曲線

3.3 殘渣及光透過率

表4、表5為試樣的殘渣百分量，圖3為煙霧光透過率測試結果。表4可看出隨著Ba(NO)/NA比值的增大，試樣的熱分解殘渣先減小后增加，Ba(NO)/NA為3時熱分解殘渣最小；表5可看出，試樣的燃燒殘渣也有相同的變化規(guī)律，Ba(NO)/NA為3時燃燒殘渣最小。2種環(huán)境壓力環(huán)境下，殘渣變化規(guī)律相同，高壓條件下試樣的燃燒更加充分，殘渣更小。測試結果表明Ba(NO)能夠在一定范圍內降低殘渣質量。

表4 不同試樣的熱分解殘渣質量

表5 不同試樣的密閉爆發(fā)器燃燒殘渣質量

圖3 不同Ba(NO3)2/NA含量比的試樣光透過率曲線

圖3中可以看出含Ba(NO)的試樣光透過率大于不含Ba(NO)的試樣，同時隨著Ba(NO)/NA比值的增大，包覆層配方的可見光和紅外透過率變化趨勢相同，可見光透過率從49.3%上升至68.8%，然后下降至67.1%；紅外透過率從76.0%上升至89.7%，然后下降至88.3%，也可以看出當Ba(NO)/NA為3時，光透過率最大。

造成光透過率先增加后降低、熱分解殘渣和燃燒殘渣先減小后增加的原因可能為：Ba(NO)分解后生產的富氧基團O、O與配方中剩余的惰性物質或基團進一步發(fā)生燃燒反應，降低了燃燒混合產物中固體顆粒數量，致使光透過率升高、殘渣降低，但是Ba(NO)加入也會因自身分解產生固體顆粒殘渣，因此當加入量超過某一臨界值時，Ba(NO)所消耗的固體顆粒小于自身分解產生的固體顆粒，固體顆粒總量增加，就會導致殘渣和光透過率的下降。因Ba(NO)氧平衡數值是NA鈍感劑的1/3，2種材料基本實現零氧平衡質量配比約為3，此時Ba(NO)所消耗的固體顆粒大于自身分解產生的固體顆粒，此時殘渣最小，光透過率最大。

3.4 點火性能

表6為不同試樣的點火延遲期。可以看出隨著Ba(NO)含量增加，試樣的點火延遲期變長，當Ba(NO)含量為10%時，點火延遲期為683 ms，當含量為20%，點火嚴重延遲，點火延遲期為857 ms，觀察試樣表面時發(fā)現燃燒暗區(qū)藥體出現了熔融狀態(tài)，因此可以預計隨著試樣中Ba(NO)含量的持續(xù)增加，點火性能變差，將會出現無法正常點火燃燒。

表6 不同試樣的點火延遲期

3.5 發(fā)射藥包覆層抑制煙霧途徑討論

以上實驗結果可以看出，包覆層配方中使用Ba(NO)可以起到提高氧平衡、改善燃燒性能、降低燃燒殘渣和煙霧的目的。但添加量應在合適的范圍內，添加量過小，抑制殘渣和煙霧效果不明顯；添加量過大，點火困難，燃燒時間過長，燃盡性變差。因此針對含聚酯鈍感劑、Ba(NO)及硫酸鉀的包覆層配方，為了減少發(fā)射煙霧、提高可見光透過率、解決應用基礎問題，作者建議采取以下措施：

一是應關注配方的能量，Ba(NO)的加入會造成爆熱減小，過小的爆熱會對Ba(NO)熱分解、點火及燃燒造成不利影響，影響應用；二是要考慮包覆工藝的可實現性，應控制Ba(NO)和硫酸鉀等固體顆粒物的總含量，固體含量過高，工藝可操作性和穩(wěn)定性較差，固含量總量應控制在30%以內；三是為了改善氧平衡、減少煙霧殘渣質量，應提高Ba(NO)的質量，但是Ba(NO)與NA比值應不宜過大，否則燃燒和點火性能變差，光透過率降低、殘渣增加。實際應用過程中，一般包覆層與基礎藥質量比為2%～10%，因此本實驗條件下Ba(NO)與NA比值為3，試樣氧平衡、煙霧光透過率及殘渣質量最佳，對基礎藥燃燒性能影響最小。

4 結論

1) 隨著硝酸鋇含量從0～20%增加，發(fā)射藥包覆層配方氧平衡值逐漸升高，從-31.09%提高至-11.91%，提高近2倍，但爆熱從3 079 J/g減小至2 848 J/g，降低接近8%，表明硝酸鋇的加入對氧平衡的影響大于對爆熱的影響。

2) 隨著Ba(NO)含量的增加，不同壓力下試樣的殘渣質量呈減小后增大的趨勢，光透過率則呈相反的變化規(guī)律。

3) 包覆層配方中Ba(NO)添加量應在合適的范圍內，Ba(NO)與NA比值為3時，試樣氧平衡、煙霧光透過率及殘渣質量最佳，對基礎藥燃燒性能影響最小。