含FOX-7发射药的燃烧性能

刘国涛，刘少武，于慧芳，张远波，魏 伦，韩 冰，刘 波

（西安近代化学研究所，陕西 西安710065）

引 言

发射药具有稳定的燃烧性能是其应用于装药的先决条件。稳定而有规律的燃烧可赋予发射药优良的内弹道性能。硝胺发射药具有能量高，爆温相对较低的优点，近年来在高能低易损发射药中的应用研究取得很大的进展。1，1-二氨基-2，2-二硝基乙烯（FOX-7）自合成以来，凭借优异的综合性能受到研究人员的高度关注。它耐热性能良好，能量密度高，感度低［1］，为其在高能低敏感火炸药中的应用奠定了基础。目前，科研人员已经开展了FOX-7在推进剂中的应用研究以及在混合炸药中的安全性评估［2-5］。

本实验研究了含FOX-7三基发射药的燃速、压强指数、压强变化率，为新型含能材料FOX-7在低敏感发射药中的应用提供参考。

1 实 验

1.1 实验样品

发射药的配方见表1。采用半溶剂法挤压成型工艺制备18／1单孔管状药。湿烘驱溶、干烘驱水，阶梯式升温烘药至其内挥、水分均小于0.5%。

表1 发射药配方Table 1 Formulation of the propellants

1.2 密闭爆发器实验

密闭爆发器燃烧室体积为100cm3，按照GJB770A-97703方法进行密闭爆发器实验，发射药的装填密度为0.20g／cm3，点火压强为10MPa，每个样品的测试数据均为3个平行实验的平均值。

1.3 样品密度测试

密度测试采用液体静力法，按GJB770B-2005-401.2方法执行。

2 结果与讨论

2.1 FOX-7含量对发射药燃速及燃气生成率的影响

图1为5种样品的p-t和u-t曲线。

图1 5种样品的p-t和u-t曲线Fig.1 p-t and u-t curves of the five samples

由图1可知，1～5号样品的p-t和u-t曲线光滑，说明发射药燃烧稳定。随着FOX-7含量的增加，发射药达到最大压力及最大燃速所需的时间逐渐加大，并且燃速的最大值降低，即高FOX-7含量的发射药点火难度增加，燃速降低。其原因主要是：（1）高FOX-7含量发射药的具有更高的密度，1～5 号样 品的密度分别为1.582、1.624、1.630、1.645和1.653g／cm3。由于发射药密度的增加，相同加热层体积的发射药吸收更多的能量才能达到点火温度，即达到点火温度需要更多的时间，点火延滞期变长；（2）FOX-7 分子内及分子间存在大量氢键，且在升温过程中有转晶行为［6］。当遇到外界热刺激时，FOX-7由α相态向β相态转变，消耗一定的热能，而这个过程中FOX-7分子内及分子间的氢键强度没有明显变化［7］。温度继续升高时，FOX-7开始熔化，但由于广泛存在于分子间及分子内的氢键存在，这个过程要消耗大量的热量。因此，在燃烧开始阶段，有大量FOX-7存在，表现为发射药点火延迟时间增加，到达最大压强及最大燃速的时间变长；在燃烧过程中，RDX 含量的相对减少及氢键解离对FOX-7燃烧反馈效果消弱的共同作用，延长了样品燃烧达到最大压强及最大燃速的时间；（3）在210～250℃范围内，FOX-7的分解活化能为243.6kJ／mol，而此时RDX的热分解活化能为147kJ／mol［8-9］，随着FOX-7含量的增加，RDX含量相应减少，这增加了高FOX-7含量发射药分解放热的难度。

图2为5种样品的Γ-Ψ曲线。从图2可以看出，1～5 号样品的起始燃烧猛度均较低，但随着FOX-7含量的增加，发射药的起始燃烧猛度及渐增性均有降低的趋势。这是因为，试验所用样品为单孔管状药，在燃烧过程中，发射药按平行层燃烧，燃烧面积基本不变，理论上Γ-Ψ应为直线。但发射药的燃速压强指数大于1，导致燃气生成率有增加的趋势。而高FOX-7含量发射药燃烧渐增性的降低，从侧面说明随着FOX-7含量的增加，发射药的燃速压强指数降低。

图2 5种样品的Γ-Ψ 曲线Fig.2 Γ-Ψcurves of the five samples

2.2 FOX-7含量对压强变化率（dp／dt）的影响

由图3可以看出，随着FOX-7含量的增加，发射药达到最大压强变化率的时间变长，即压强变化率的增长速率变小，并且样品压强变化率的最大值显著降低。1 和2 号样品的压强变化率最大值相近，3～5号样品的压强变化率最大值降低明显。即发射药中FOX-7质量分数低于5%时，不能有效降低其压强变化率；当FOX-7质量分数大于15%时，密闭爆发器中发射药燃气的压力变化率显著降低。这说明随着FOX-7质量分数的增加，发射药燃速对压强变化的敏感性降低，发射药在燃烧过程中压强剧增的可能性降低，有利于发射药的稳定燃烧。

图3 5种样品的dp／dt-t曲线Fig.3 dp／dt-t curves of the five samples

2.3 FOX-7含量对压强指数的影响

表2为发射药的密闭爆发器实验结果，考虑到点火过程及药型分裂后燃烧表面的影响，数据处理时，压力的取值范围为：Ψ为0.15时或其滞后的邻近点对应的压力为初始压力，以dp／dt取最大值时对应的压力为燃烧结束压力，记作dptm。

表2 发射药密闭爆发器实验结果Table 2 Experimental results of propellant obtained by closed bomb tests

由表2可以看出，1～5号样品在不同的压强段具有不同的压强指数和燃速系数。随着FOX-7含量的增加，在50～100MPa及100～150MPa两个压强段的压强指数变化不明显，150～200MPa和200～dptmMPa两个压强段的压强指数则显著降低，整个燃烧过程的压强指数逐渐降低。在50～dptmMPa范围内，随着压强的增加，不同样品的燃速系数均有增大的趋势，压强指数则显著降低。随着FOX-7含量的增加，相同压强段的燃速系数大体呈降低趋势。结合式（1）［10］可以看出，当压强小于150MPa时，压力对FOX-7、RDX 分解速度、燃烧速度的影响能力相当，改变样品中FOX-7含量对样品压力指数的影响不大；当压强大于150MPa 时，FOX-7燃速受压强增长的影响弱于相同条件下对RDX 的影响，表现为FOX-7降低压强指数的能力强于RDX，FOX-7引起压强增长的速度远大于对燃速增长的贡献，发射药的压强指数显著降低。综合整个燃烧过程，增加样品中FOX-7的含量可降低发射药的压力指数。

3 结 论

（1）含FOX-7 发射药能够稳定燃烧。随着FOX-7含量的增加，发射药点火延滞时间增大，燃速及其增长速度均降低，达到最大燃速的时间增长。

（2）当FOX-7质量分数低于5%时，对发射药燃烧时压强变化率的影响不大；当其质量分数超过15%时，可显著降低发射药压强变化率的最大值及其增长速率；高FOX-7含量发射药燃烧过程中压强剧变的可能性变小，有利于其稳定燃烧。

（3）在50～150MPa，FOX-7改善发射药压强指数的能力不明显；随着燃烧压力的增加，含FOX-7发射药的压力指数逐渐降低，尤其当燃烧压力大于200MPa时，其燃速压强指数显著降低。随着FOX-7含量的增加，发射药的压强指数及燃速系数均降低，有利于发射药的稳定燃烧。

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