纳米材料对发射药的影响及身管延寿作用

宋遒志，朵英贤

(北京理工大学 爆炸科学与技术国家重点实验室，北京 100081)

身管是火炮和自动武器的关键部件，枪、炮发射时，发射药燃烧生成大量高温(一般大于2 500 K)和高压(一般大于200 MPa)气体并推动弹丸向前运动，内膛受到如下3个方面的作用:1)高温高压火药燃气对身管内膛的烧蚀;2)高速流动火药燃气以及未燃烧的火药颗粒对内膛的冲刷;3)弹头、弹带挤入线膛的机械挤压以及高速运动所造成对内膛的摩擦磨损.这几方面的因素会造成身管烧蚀磨损失效，严重影响身管使用寿命［1］.目前，随着防空反导要求的进一步提高，小口径高炮向更高射速方向发展，更高射速受到身管寿命问题的制约.大口径火炮向大射程和大威力方向发展，从而加大火炮的压制纵深和覆盖面积，这就要求发射药的能量高和炮弹更高的出口初速，这样，高温高压火药燃气对身管内膛烧蚀更严重，进一步影响身管的使用寿命.因此，延长身管使用寿命一直是兵器领域的重要研究课题，也是难题之一［2-3］.

目前，一种延长身管寿命的普遍方法是在发射药中添加TiO2型、滑石粉型、多元型和801型等缓蚀剂来降低火药燃气对身管内膛烧蚀，从而延长火炮和自动武器身管寿命［4-6］.但该方法同时带来许多负作用，如火药燃烧不完全、残渣多、堵塞导气孔、挂铜现象严重等，而且由于其残渣固着于一些机构表面使武器故障率提高，维护难度增加.

近年，北京理工大学采用纳米材料改性发射药的方法来延长身管使用寿命，取得较好的效果，使某型号自动武器身管的常温寿命提高了30%左右［7-10］.前期研究证实纳米材料对身管的常温寿命提高是有帮助的，但是在高、低、常温条件下，纳米材料的延寿效果尚不确定.本文以该型号自动武器为研究对象，以枪用双基球扁发射药为研究载体，说明了纳米材料的设计思想，研究了纳米材料对发射药的制造工艺及性能的影响，并制备了含纳米材料的发射药，进行了使用含纳米材料发射药和制式发射药的身管高温、低温、常温全寿命及超寿命对比实验，并对实验现象和结果进行了分析，确定了纳米材料的身管延寿作用.

1 纳米材料的制备

选用具有缓蚀和润滑功能的纳米颗粒，并对其使用有机长链大分子化合物进行表面修饰，从而得到纳米复合材料.纳米材料应用于发射药时，其分散程度对应用效果影响很大［7］.采用表面修饰的方法来实现纳米材料的分散;采用有机长链大分子包敷纳米粒子，保证纳米材料的分散性.考虑到发射药的制造工艺，纳米材料在发射药中必须均匀分布.使用石油醚为中间溶剂，使纳米复合材料在石油醚中溶解，然后将含有纳米材料的石油醚均匀混合液在发射药的成球工序中，添加到发射药中.这样，要求表面修饰的有机长链大分子化合物具有两极性，一极与纳米颗粒以化学键的形式牢固连接，另一极是亲油的，能在有机溶剂石油醚中溶解，从而达到很好的分散目的.其有机长链大分子的结构决定了在石油醚中的溶解度.

修饰用的有机长链大分子为C、H化合物，在发射药爆燃时，产生裂解，分解产生的C、H同火药燃气中的CO2、H2O发生化学反应，产生 CO、H2，使火药燃气中的CO2氧化性气体减少而CO增加，从而减缓CO2的氧化反应，同时减少H2O对身管内膛的氧化作用，这样，有机长链大分子化合物也起到辅助降烧蚀作用.具体反应如下:

经过反复试验，制备的纳米复合材料中的纳米颗粒粒度为20～60 nm，有机物含量为28%左右，在石油谜中良好分散.

2 纳米材料对发射药的影响

2.1 纳米材料对发射药制备工艺的影响

该型号发射药为混合酯球扁发射药.其球扁形的药型要求发射药弧厚较薄，薄弧厚能缩短发射药燃烧时间，提高发射药的燃烧完全性.添加纳米材料改性该型号发射药时，在配方设计上，取消原制式发射药中的801缓蚀添加剂，将纳米材料添加到发射药中，保持发射药的其它配方组份不变，这样，有利于保持原发射药的能量不变.进行纳米材料改性发射药研究时，必须要满足如下2个基本前提:

1)纳米材料在发射药中要处于分散状态且混合均匀.

2)含纳米材料的发射药必须满足该型号发射药的内弹道指标要求.由于纳米复合材料的纳米颗粒进行了表面修饰，因此纳米颗粒间是分散的，不存在纳米颗粒间的软团聚现象.需要考虑的是纳米复合材料在发射药中如何混合均匀，关于这个问题，必须要结合发射药的制备工序来研究.

该型号发射药的主要工序为:成球→烘干→筛分→钝感→烘干→上光包敷→压扁.在进行纳米材料改性发射药研究时，将纳米材料在成球工序加入到发射药中，加入量为0.6%.含纳米材料发射药的制备后续工艺与制式发射药一样.

为保证纳米材料在发射药中混合均匀，在成球工序前增加了一道乳化分散工序，具体如下:将纳米材料在石油醚(沸程30～60℃)中进行充分溶解，与计量好的并经热水溶胀的明胶一起入胶体磨乳化20～40 min，使其充分分散.乳化完毕，通过水浴加热的方式，使混合液温度缓慢升到45～65℃，使石油醚挥发出来，同时采用石油醚回收装置进行回收石油醚.基本可以认为纳米材料与明胶乳化液均匀混合.

在成球工序中，依次按规定将水、硝化棉、中定剂、纳米材料和明胶的乳化液、乙酸乙酯、泰根等原料加入到成球锅中进行搅拌成球，得到半成品药粒.成球是该型号发射药制备的关键工序，纳米材料的加入对该工序影响较大，具体表现为:

1)增加了胶滴分散的难度，发射药溶胶不易分散成球;

2)制得的发射药半成品药粒药型尺寸较小，药粒比较圆，类似于球形药.

对成球工序的工艺参数进行了调整，提高成球搅拌转速和升温温度，通过反复试验，解决了发射药溶胶的分散成球问题.制备的半成品药粒直径与制式药半成品药粒的直径相近，但药粒比较圆.

由于药粒圆，药粒弧厚大，在后续的压扁工序中，由于发射药的压扁率较大，使发射药粒由于压扁产生的微裂纹增多，发射药的机械强度降低.低温发射时，药粒在高温高压火药燃气的冲击下发生破碎，造成燃烧初始面积猛增，膛压也随之增高，导致制备的发射药的内弹道性能出现低温膛压反常现象，如表1所示.从表1可知，批次1和批次2的低温(-45℃)膛压均高于其常温和高温膛压.

表1 发射药内弹道指标及含纳米材料发射药内弹道测试数据Table 1 Interior ballistics performances of standard propellant and interior ballistics data of propellant with nanomaterial

为解决上述问题，对成球工序的工艺参数进行了调整，采用二次加乙酸乙酯的方法，即在成球工序中，将水加入成球锅中并搅拌，加入硝化棉、纳米材料明胶乳化液，混棉后加入乙酸乙酯、太根等原料.待液面和搅拌状况正常后，封闭成球锅盖板升高锅内温度.搅拌一段时间后，检查发射药溶胶的分散情况，若已分散成球，再向成球锅中补加乙酸乙酯，利用乙酸乙酯对药粒的溶解性，将药粒的弧厚作薄.这样可降低药粒的压扁率.通过采用这些措施，制备了弧厚和粒径与制式发射药相当发射药半成品药粒.经过后续工序后，制备了满足内弹道指标的含纳米材料发射药，如表2所示.

表2 含纳米材料发射药的内弹道数据Table 2 The interior ballistics data of the propellant with nanomaterial

2.2 纳米材料对发射药能的影响

2.2.1 纳米材料对发射药抗烧蚀性能的影响

发射药的抗烧蚀性是衡量发射药性能的一项重要指标，对于小口径枪弹所用发射药，其烧蚀性能测试通常采用半密闭爆发器法来测量，如图1所示.测试时通过调整控压片的厚度来保证燃烧室内的压力，以使燃烧室内的火药燃气压力与实弹射击时武器身管内的火药燃气压力一致.半密闭爆发器中的发射药通过电子点火装置点燃后，在密闭空间中快速爆燃，压力和温度迅速升高，达到一定压力时，高温高压的火药燃气冲破控压片，沿着烧蚀管通道快速排到空气中.同时，火药燃气会对烧蚀管的内壁造成烧蚀，而使烧蚀管的重量减轻，一般地，每个烧蚀管重复使用3次.这样，通过测量烧蚀管的失重量来衡量发射药的抗烧蚀性能.

图1 烧蚀试验装置结构示意Fig.1 Structure diagram of vented vessel testing

采用2个批次制备的含纳米材料发射药和制式发射药作对比实验，测试数据如表3所示.从表3可知，2个批次的含纳米材料发射药的烧蚀管烧蚀量都小于标准制式发射药的烧蚀管烧蚀量，其烧蚀量分别为标准制式发射药的烧蚀管烧蚀量的93%和90%.因此，含纳米材料发射药的抗烧蚀性能优于标准制式发射药.

表3 烧蚀试验数据Table 3 The erosion test data of the propellant

2.2.2 纳米材料对发射药燃烧完全性的影响

为测试纳米材料对发射药燃烧完全性的影响，分别使用含纳米材料发射药和制式发射药各装了30发子弹，子弹满足内弹道指标要求.使用制式步枪进行发射实验，通过收集发射30发子弹后的火药残渣来评价发射药的燃烧完全性，燃烧完全性试验数据如表4所示.试验结果表明，含纳米材料发射药的燃烧完全性为99.55%和99.30%，制式发射药的燃烧完全性为99.31%，因此，含0.6%纳米材料的发射药与含0.4%801缓蚀剂的制式发射药燃烧完全性相当.

表4 燃烧完全性测试数据Table 4 The combustion completion test data of the propellant

2.2.3 纳米材料对发射药燃烧性能的影响

使用含纳米材料发射药和制式发射药在测压弹道枪上分别进行了发射药燃烧时的压力-时间曲线和压力-长度测试.测试子弹在测压弹道枪上发射时，身管内膛的火药燃气压力与时间、压力与身管长度间的关系，以衡量发射药的燃烧性能(如图2、3所示)，表明加入纳米缓蚀剂后的发射药与制式发射药燃烧性能相当，燃烧曲线光滑，燃烧稳定.

图2 发射药瞠压－时间曲线Fig.2 The P-t curves of the propellants

图3 发射药瞠压－长度曲线Fig.3 The P － L curves of the propellants

3 身管寿命实验及分析

3.1 身管寿命实验

采用含纳米材料发射药制备了20 000发弹，为方便计，简称纳米弹.选用了2支自动步枪，称为1#枪和2#枪分别使用纳米弹和普通制式弹进行高温、低温、常温全寿命和超寿命对比试验，以考核含纳米材料发射药的身管延寿效果.该型号枪械的寿命试验与枪管相关的失效判定标准为凡出现下列4种情况中任意一种现象，即认为身管寿命已终止:1)散布精度R50大于11cm;2)初速下降量大于6%;3)横弹孔和椭圆孔超过20%;4)枪管出现裂纹或失去功能.

该自动步枪的寿命指标为10 000发，在指标内的枪管寿命试验根据GJB3484-98《枪械性能试验方法》进行.10 000发以后的超寿命试验参照GJB3484-98《枪械性能试验方法》进行，试验计划分4个射击循环来进行，各循环的高、低、常温计划射弹量见表5所示.

2支枪的寿命试验数据如表6所示.可知1#枪射弹16 314发时，散布精度和初速合格，射弹17 314发后，散布精度超标，判定寿命中止.确定1#枪枪管寿命为16 314发.2#枪射弹15 212发时，散布精度和初速合格，射弹16 212发后，散布精度超标，判定寿命中止.因此，确定2#枪枪管寿命为15 212发.这样，使用含纳米材料发射药使身管寿命延长1 102发，身管寿命提高7.2%.

表5 寿命试验计划射弹数Table 5 Planned number of shots for the life test of gun barrel

表6 身管寿命试验数据Table 6 Life test data of gun barrel

3.2 试验中身管烧蚀情况

在寿命试验过程中对2支枪身管的内膛进行了观测，身管内膛烧蚀情况如表7所示.显示采用含纳米材料发射药高膛压区的铬层烧蚀脱落明显好于使用制式发射药，说明在膛线起始部及高膛压区，采用含纳米材料发射药时身管的烧蚀情况明显好于采用制式发射药时身管的烧蚀情况.

表7 身管内膛烧蚀情况Table 7 Erosion of gun barrel in course of test

3.3 试验结果分析

从表6的寿命试验数据可知，1#枪的身管失效是由于散布精度超标，而此时速度降为3.6%.2#枪的身管失效也是由于散布精度超标，且失效时速度降也达到5.9%，接近于失效标准.

一般地，散布精度超标主要是由于身管膛口磨损，使子弹出口时扰动过大造成的.而速度降主要是由于高膛压区的烧蚀严重，使弹丸在膛内运动时闭气不严导致速度下降大.根据高温、低温、常温寿命试验结果说明，使用含纳米材料发射药的1#枪主要是由于膛口磨损造成精度下降而失效;使用普通制式发射药1#枪是由于膛口磨损造成精度下降而失效，同时高膛压区的烧蚀也导致速度降接近失效标准.

在前期的身管常温寿命试验研究中［8］，使用含纳米材料发射药，身管失效是由于散布精度超标所致，失效时速度降为3.92%.使用普通制式发射药，身管失效是由于速度降达到失效标准所致，2支试验枪的寿后散布精度R50分别为8.7 cm和8.7 cm.而且，对寿命试验后身管的解剖分析，也表明使用含纳米材料发射药改善了弹膛的烧蚀情况.

结合发射药的烧蚀试验，表明发射药中加入纳米材料后，显著地改善了发射药的抗烧蚀性能，有利于提高身管寿命.

4 结论

1)纳米材料改性的发射药满足该型号发射药的内弹道性能指标要求，其抗烧蚀性能优于制式发射药，燃烧完全性和燃烧性能与制式发射药相当.

2)通过使用含纳米材料发射药和制式发射药的身管高温、低温、常温全寿命及超寿命对比试验表明，纳米材料加入到发射药中能有效提高身管使用寿命.

［1］王道宏.现代火炮工程实践［M］.北京:国防工业出版社，1997:208-219.WANG Daohong.Modern artillery engineering and practice［M］.Beijing:National Defence Industry Press，1997:208-219.

［2］张喜发，卢兴华.火炮烧蚀内弹道学［M］.北京:国防工业出版社，2001:195-209.ZHANG Xifa，LU Xinghua.Erosion interior ballistics of gun［M］.Beijing:National Defence Industry Press，2001:195-209.

［3］金志明.枪炮内弹道学［M］.北京:北京理工大学出版社，2004:308-329.JIN Zhiming.Interior ballistic of gun［M］.Beijing:Beijing Institute of Technology Press，2004:308-329.

［4］梁西瑶，任英良.缓蚀添加剂降烧蚀效果及使用性能的研究［J］.兵器材料科学与工程，1997，20(3):24-29.LIANG Xiyao，REN Yingliang.Study on erosion reduction and useful proper ties of inhibitor［J］.Ordnance Material Science and Engineering，1997，20(3):24-29.

［5］孟繁荣，冯士德，李宪一.新型缓蚀添加剂配方设计研究［J］.弹道学报，1994(3):26-30.MENG Fanrong，FENG.Shide，LI Xianyi.Design and research of new type reduce erosion additive prescription［J］.Journal of Ballistics，1994(3):26-30.

［6］任英良.弹药缓蚀添加剂降低身管温升的热化学分析［J］.兵工学报弹箭分册，1988(3):95-100.REN Yingliang.Thermochemistry analysis on reducing temperature rise of gun tube by using additive prescription［J］.Projectiles，Rockets and Missiles Section of Acta Armament II，1988(3):95-100.

［7］陈永才.纳米材料对武器身管的延寿机理及试验研究［D］.北京:北京理工大学，2006:44-75.CHEN Yongcai.Mechanism and experiment research to increase the service life of gun barrel by adding nanomaterials in propellant［D］.Beijing:Beijing Institute of Technology，2006:44-75.

［8］宋遒志，王建中，陈永才.基于纳米材料改性发射药的身管延寿技术研究［J］.北京理工大学学报，2007，27(8):662-665.SONG Qiuzhi，WANG Jianzhong， CHEN Yongcai.Research on technology for increasing the service life of gun barrel by adding namomaterial to the propellant［J］.Transactions of Beijing Institute of Technology，2007，27(8):662-665.

［9］SONG Qiuzhi，CHEN Yongcai.Research on effect of adding nanomaterial to propellant on gun barrel［J］.Journal of China Ordnance，2010，6(1):48-53

［10］宋遒志，王建中，陈永才，等.发射药中纳米材料的分散性对身管延寿的影响研究［J］.兵工学报，2009，30(3):289-294.SONG Qiuzhi，WANG Jianzhong，CHEN Yongcai，et al.Influence of dispersing property of nanomaterial mixed into propellant on the service life of gun barrel［J］.Acta Armament II，2009，30(3):289-294.