作者简介:吴永刚(1975-), 男, 硕士。E-mail: boyadraw@sohu.com
通信作者:徐滨(1984-),女,博士,讲师。E-mail: windieed@126.com
(1.西安北方惠安化学工业有限公司, 陕西 西安 710300; 2.南京理工大学 化学与化工学院,江苏 南京 210094)
(1.Xi'an North Huian Chemical Co., Ltd, Xi'an 710300, China; 2.School of Chemistry and Chemical Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China)
composite modified single-base gun propellant; RDX; glycidyl azide polymer; GAP; explosion heat; powder force; chemical stability; mechanical properties at low temperature
DOI: 10.14077/j.issn.1007-7812.202212015
发射药是身管武器的发射动力能源,大量应用于陆、海、空军各类身管武器系统,在战争中始终发挥着不可替代的作用[1-3]。单基发射药以硝化棉为主要能量成分,因其性价比高,综合性能优良,目前在很多品种的枪炮弹药,特别是火炮弹药武器系统中应用广泛[4-5]。但单基发射药以单一的硝化棉为主要能量成分,其能量相对偏低,对火炮高初速、远射程及大威力的实现产生了制约,已越来越难适应火炮发展的新需求。
在发射药中添加高能量密度材料可使发射药的火药力随高能量密度材料含量的增加呈线性增加趋势[6],但也使发射药的力学性能降低。实验表明,随着RDX含量的增加,含RDX的单基发射药抗冲击强度降低,且随着RDX含量增多,发射药在受冲击时裂纹扩展越严重[7]。
含能热塑性弹性体能够较好地提高发射药的力学性能,但其能量较低,加入量增大时会使发射药的火药力降低[8]。因而在发射药中添加高能量密度材料和选用新的含能增塑剂成为提高发射药能量和改善发射药性能的主要途径[9-11]。德国Fraunhofer化学技术研究所在以硝化棉为基础的发射药中引入RDX和一种新型混合含能增塑剂,制备得到的低敏感LTC发射药与相同能量的传统发射药相比,具有更低的火焰温度和低温度系数[12]。第五旬宁[13]研制了一种以硝化棉(NC)为主体,添加RDX和叠氮硝酸酯的高能改性单基发射药,成功将火药力较原单基发射药提高了17%。该发射药还具有良好的燃烧性能、安定性能、安全性能和力学性能。
近年来,聚叠氮缩水甘油醚(GAP)作为一种新型含能叠氮类黏合剂,因其生成热高、低特征信号、低敏感与高能氧化物相容性好等特点,受到了广泛关注[14]。目前,研究人员将GAP引入NC或单基药体系[15-16],通过对GAP与NC共混物、GAP改性单基药和GAP基聚氨酯包覆单基药的性能研究,发现GAP能够与NC或单基药安定共存,并显著提高了GAP-ETPE/NC共混聚合物和改性单基药的力学性能。
为了在提高单基药能量的同时不降低发射药的力学性能,本研究在传统单基发射药配方中同时引入了高能填料RDX和GAP增塑剂,并对制备得到的改性单基药进行了爆热、化学安定性、火药力、低温力学性能和内弹道性能研究,以期为复合改性单基发射药性能的进一步提升提供参考。
NC(工业级,含氮量13.10%),四川北方硝化棉有限公司; RDX(工业级,4~6μm),甘肃银光化学工业有限公司; GAP(工业级,Mn=4000,含氮量41.5%),黎明化工研究设计院有限责任公司; 乙醇(工业级),西安商惠乙醇有限公司; 乙醚(工业级),成都市宝隆乙醚加工厂; 丙酮(工业级),中国石化北京燕山分公司。
将采用传统溶剂法工艺制备得到的制式高氮量单基发射药作为原样,并将其记作样品0。
复合改性单基药也采用溶剂法工艺制备。在捏合塑化过程中,为改善因NC黏结剂含量减少带来的塑化难度增加问题,将NC和RDX分层交替加入,并加入少量GAP和丙酮的混合溶剂为助溶剂,对NC和RDX预混15min,然后再加入事先制备好的乙醚溶剂和含GAP的丙酮溶液,继续捏合150min后出料、压伸成型、切药、驱溶,得到复合改性单基发射药样品。整个捏合过程在20~30℃下进行,全部混合塑化时间为3h。制备得到的各复合改性单基药配方见表1。
根据GJB770B火药试验方法对样品进行化学安定性(维也里安定性和120℃甲基紫安定性)、爆热、火药力测试; 根据GJB2179A炮用发射药与内弹道试验方法对样品0与样品1在某125mm火炮上进行内弹道性能测试。
分别采用落锤冲击实验[17]和药床撞击实验测试发射药样品的低温力学性能。
样品在落锤冲击实验前在低温箱-40℃下保温不少于8h。落锤锤重5kg,按70cm的落锤高度每组平行试验5粒样品,每粒样品均经过处理以保证基本相同的高度和端面平整度。每个样品共实验5组。
用发射药撞击前后外观图像对比和破碎率(记为η),即破碎药粒的数量占总药粒数量的百分数来共同评价发射药的落锤撞击强度。
破碎率可以表示为:
η=Np/N0×100%
式中:η为破碎率; Np为一组发射药粒撞击后出现裂纹或破碎的个数; N0为撞击试验的一组发射药粒的总数量。破碎率取5组实验的平均值。
药床撞击实验装置见图1。
药床撞击实验原理为:将发射药样品装入一段开口的贮药室内,由爆发器中的硝化棉点燃后产生的气体推动贮药室连同发射药样品在导管内作高速运动,贮药室中的发射药床以一定的速度撞击装置尾部的钢质挡药板。以发射药药床高速撞击刚体后的破碎程度和形态来评价发射药的抗冲击能力。
进行药床撞击实验的样品在试验前于低温箱-40℃下保温不少于12h,样品质量为65g。控制破碎撞击速度约为80~90m/s,每个撞击速度试验1组,每组试验3发。
复合改性单基药与制式单基药的化学安定性见表2。
表2可见,复合改性单基药的106.5℃维也里(普通法)试验结果与制式单基药(样品0)的结果一致,均为7h; 在120℃甲基紫(至不变色时间)测试中,复合改性单基发射药样品的120℃甲基紫(至不变色时间)时间均高于制式单基发射药(样品0),说明复合改性单基发射药能够达到与制式单基发射药相同的化学安定性要求。在120℃甲基紫实验中,随着配方中NC含量的减少,复合改性单基药的不变色时间增加,说明RDX和GAP并未促进硝化棉的热分解,能够与NC安定共存。
表3为实验测得的复合改性单基发射药的爆热结果和由密闭爆发器实验数据计算得到的火药力和余容结果。
从表3可以看出,复合改性单基发射药样品的爆热和火药力明显高于制式单基发射药,且随着RDX含量的增加而增加,较制式单基发射药分别提高了约4.3%~7.3%和7.5%~11.4%。RDX和GAP质量分数分别为22%和5%时(样品3),爆热由原药的3880kJ/kg提高至4162kJ/kg,提高了约7.27%,火药力则由1010kJ/kg增至1125kJ/kg,提高了约11.4%。可看出在单基发射药体系中引入GAP和RDX后,随着RDX含量的增加,火药力的增加幅度高于爆热的增加幅度,这种配方体系对获得理想的高火药力低爆热的发射药有利。
同时,从样品4与样品3的实验结果来看,在RDX含量一定时,随着GAP含量的增加,火药力和爆热均下降,说明在提高改性发射药能量时,GAP含量不易过高。
复合改性单基发射药样品的余容与制式单基发射药相比变化不大。
分别对样品0和RDX+GAP含量不同的样品1、样品3、样品4进行了低温落锤冲击实验。低温落锤冲击后样品破碎情况见图2,样品破碎率见表4。
表4 不同样品低温落锤冲击破碎率
Table 4 Breakage percentage of different samples after low temperature drop hammer impact
由图2和表4结果可知,在5kg落锤、70cm落高冲击下(冲击能34.3J),样品0、样品1、样品4的低温落锤冲击破碎率均相等,说明复合改性单基发射药可以达到与单基发射药接近的低温抗冲击力学性能。但样品3破碎率较高,说明在GAP增塑剂含量一定的条件下,随着RDX含量的增加,复合改性单基发射药样品的落锤冲击破碎率增加,低温下的抗冲击能力减弱; 继续增加GAP含量后(样品4),复合改性单基发射药的破碎率降至与单基发射药相当的水平。
观察各样品的破碎药粒,发现各样品的破碎程度不同,其中样品4表现为药粒开裂,药粒碎块仍基本保持了药粒形状,在所有测试样品中外观保持最为完整,说明样品4具有最好的抗冲击能力; 样品1与样品0破碎程度相似,表明样品1与样品0应具有同等抗冲击强度; 样品3中大部分破碎药粒为开裂后保持基本外观,少量药粒碎成小块,在所测样品中破碎程度和破碎率都为最高,说明样品3的低温抗冲击性能在所测样品中最差,这与样品3相对较高的RDX含量和相对较低的GAP含量有关。
低温落锤冲击实验表明,单基药基体中RDX含量增加后其低温抗冲击力学性能降低,而GAP因其增塑作用,随着GAP含量的增加低温抗冲击力学性能增加。因此,通过RDX和GAP比例的合理调整,可以使复合改性单基发射药的低温抗冲击性能达到并超过单基发射药。
取落锤试验中抗冲击性能较好的样品1和样品4进行低温药床高速撞击试验,进一步考察它们的低温力学性能,取ZT-12A混合酯发射药作为试验参比,低温药床高速撞击后的碎裂情况见图2和表5。
从图2和表5可知,低温下样品1和样品4高速药床抗撞击能力明显优于ZT-12A发射药,说明复合改性单基发射药具有明显优于ZT-12A发射药低温药床抗撞击能力; 样品1低温药床抗撞击性能略优于样品4,尽管有少量药粒经撞击后产生小碎块,但多数药粒仍基本保持原有外观,说明随着RDX和GAP总含量的增加,低温下抗药床撞击性能略有下降,导致这种结果的原因为均质单基药基体含量下降,以及GAP含量对力学性能的提高程度不足以弥补RDX含量增加所带来的力学性能下降程度所致。
因样品1的力学性能最佳,且RDX质量分数在18%以下,能够满足在单基发射药生产线进行批量试制的安全条件,因此选择样品1开展了中试,并结合某125mm穿甲弹发射装药,对复合改性单基发射药样品1与制式高氮量单基发射药样品0在相同的弹丸、制式装药元件和装药结构的条件下,进行了内弹道性能对比验证试验。常、高、低温内弹道试验结果见表6。
由表6内弹道试验结果可看出,采用复合改性单基发射药(样品1)在常温20℃下,装药量为8850g时,常温初速为1700.4m/s,与采用9100g制式单基发射药(样品0)的装药相比,装药量下降了2.75%,常温初速提高了0.61%,常温膛压降低了约5.1%。复合改性单基发射药配方中RDX和GAP增塑剂的引入使得其成型工艺中可采用更少的溶剂获得较好的塑化效果,虽采用了相同的成型模具,复合改性单基发射药的燃烧层厚度略厚于单基发射药,使得其起始燃面小于单基发射药,加之其燃速高于单基发射药,因此复合改性单基发射药表现出了更好的燃烧渐增性。
经内弹道计算,在不改变药型尺寸的情况下,若将复合改性单基发射药的药量增至与制式单基药装药相同的9100g时,常温初速可达1730.2m/s,膛压为499.6MPa,初速较制式单基发射药提高了40.1m/s,相应高温膛压为523.4MPa,低于制式单基药高温膛压6.2MPa; 若将高温膛压提高至与单基发射药装药相同的529.6MPa,此时复合改性单基发射药装药高温初速可达1765.7m/s,相应的常温初速可增至1734.0m/s,较制式单基发射药装药提高2.6%。
从表6还可以看出,采用复合改性单基发射药的装药高温膛压增量和高温初速增量明显小于单基发射药装药,复合改性单基发射药的高温膛压增量较单基发射装药由10.2%降至4.8%,相对降低了52.9%,说明在高膛压下,采用复合改性单基发射药较单基发射药可较好地控制高温膛压,即复合改性单基发射药在高温区间具有低温感的特征,初步分析原因主要因复合改性单基发射药高温下的燃速较常温变化相对较小,该现象有待于进一步深入研究; 复合改性单基发射药装药的低温膛压下降量和低温初速下降量与单基发射药装药基本相近,说明复合改性单基发射药在低温区间的温度感度与制式单基药处于相近水平。
(1)采用溶剂法制造工艺,在单基发射药基础配方中加入RDX和GAP,制备出了几种复合改性单基发射药,其爆热较单基发射药提高了4.3%以上,火药力提高7.5%以上; 120℃甲基紫化学安定性优于单基发射药。
(2)复合改性单基发射药的低温落锤冲击性能与单基发射药相当,低温药床撞击性能明显优于制式ZT-12A混合酯发射药; 低温药床抗撞击性能随着RDX和GAP含量的增加而下降。
(3)结合某125mm穿甲弹内弹道性能对比试验结果说明,复合改性单基发射药在高温区间具有低温感的特征; 在同等高温最大膛压下,复合改性单基发射药的常温初速较单基发射药可提高2.6%。