RDX 基高能发射药的抗撞击损伤性能

周 敬，杨丽侠，陈晓明，张邹邹，赵宝明，靳建伟

（西安近代化学研究所，陕西西安710065）

引 言

随着坦克炮等高膛压高装填密度装药武器系统的发展，对发射药的能量性能提出更高的要求，采用高能固体组分RDX 是目前提高发射药能量的基本途径之一［1－2］。国内外对RDX 基高能发射药配方研究较多，英国研制成功的F527／428 高能硝胺发射药，其主要成分为NC、NG、RDX、硝基胍（NGU），火药力为1218kJ／kg，火焰温度为3 688K［3－4］，已应用于L11式120mm 坦克炮。国内研制出RGD7硝胺发射药［5］，其主要成分为NC、NG、RDX、NGU，火药力为1 226kJ／kg，火焰温度为3 618K。RP5［6］是在RGD7基础上进行改进的高能发射药，其主要成分为NC、NG、RDX、NGU、DA，火药力为1226kJ／kg，火焰温度为3518K。然而，高能发射药仍存在低温强度偏低、爆温高等问题，阻碍了其在新一代武器中的应用［7］。目前，国内对发射药力学性能的评价主要以静态抗压和抗冲性能的检测结果为准［8］，但该方法需要专门制作特殊的发射药药型且无法模拟发射药在火炮膛内高压高应变速率的过程。王泽山、黄振亚等［8－11］用落锤撞击并结合密闭爆发器实验来表征发射药粒的抗撞击损伤性能，不需要改变发射药药型就可进行实验，能够较好地模拟发射药在火炮膛内动态受力情况，并能分析撞击损伤对发射药起始燃烧性能的影响。

本研究以R0 发射药为基础，通过调节配方中共混增塑剂DA和NG的质量比、NC含氮量以及改变工艺溶剂体积比制备了RDX基高能发射药样品，用落锤撞击装置和密闭爆发器测试了各发射药的抗撞击损伤性能，以期为RDX 基高能发射药在新一代高膛压武器中的应用研究提供参考。

1 实 验

1．1 材料与仪器

硝化棉（NC），四川泸州化工厂；RDX，兰州白银银光化学材料厂；硝化甘油（NG）、1，5－二叠氮基－3－硝基氮杂戊烷（DA），西安近代化学研究所。

BCJ型落锤撞击装置，天津市建仪实验机有限责任公司，落锤质量5kg，标尺量程0～100cm；高低温实验箱，泰安科技有限责任公司，温度为（－60±2）～（100±2）℃；密闭爆发器，西安近代化学研究所，药室体积100mL，耐压值为350MPa；Quanta 600FEG 型电子扫描电镜，美国FEI公司，放大倍数为40万倍，分辨率为1nm。

1．2 样品的制备

4种RDX 基发射药均采用DA和NG为共混增塑剂，其配方组成及溶剂体积比见表1。

表1 发射药配方及溶剂体积比Table 1 Formulation and solvent volume ratio of the gun propellants

发射药样品的药型及尺寸参照大口径火炮用粒状发射药药型，制成弧厚约1．9mm，孔道直径d0约0．5mm，外径D0约14mm，长度约16mm 的19孔发射药药粒。以均质的ZT－12A 太根发射药为参比样品，其配方（质量分数）为NC58%，NG28%，TEGN9．5%。

1．3 落锤撞击实验

实验前将样品的端面磨平，要求垂直度好，每种样品准备1组基准样品和若干组测试样品，每组为7粒（约20g），各样品的药粒高度基本保持一致；将测试样品按粒依次装入装配装置，在高低温箱内－40℃下保温2h待测。

实验发现，当落锤高度为17．5cm时，可区分各发射药抗撞击损伤性能，故选用该高度进行落锤实验。每发分别重复3组。

1．4密闭爆发器实验

按照GJB770A－97703方法，将基准样品和测试样品进行密闭爆发器实验，装填密度约为0．2g／cm3，将测得的p－t曲线处理后得到L－B 曲线［9－11］：

式中：p 为密闭爆发器实验压力，pm为密闭爆发器实验最大压力。

用撞击前后相对初始燃面的变化计算发射药的破碎度［9］（PSD），计算公式如下：

式中：ω、ω0分别为测试样品和基准样品在密闭爆发器实验中的装药量，其中ω≈ω0；S0、L0分别为测试样品在密闭爆发器实验中的初始燃烧面积和初始动态活度；、为基准样品在密闭爆发器实验中的初始燃烧面积和初始动态活度。

2 结果与讨论

2．1 破碎度计算

5种发射药落锤撞击实验的典型图片见图1，R2样品的p－t曲线和L－B 曲线见图2。

图1 5种发射药的落锤撞击损伤图片Fig．1 Photographs of the drop hammer impact fracture of five kinds of gun propellants

图2 R2样品撞击前后p－t曲线和L－B 曲线Fig．2 p－t and L－Bcurves of R2samples before and after being impacted

在燃烧初始阶段，受点火压力、装填方式等影响，L－B 曲线初始段波动较大，采用初始点的L 值或最高点的L 值来表征初始动态活度将产生较大的随机偏差，不能准确反映初始燃面的变化，相对压力B 在0～0．1动态活度的变化能客观反映发射药燃烧初期的情况，故选取B 在0～0．1L 的平均值为初始动态活度值L0。

根据公式（2）计算发射药的破碎度，结果见表2。

由图1 和表2 可以看出，经配方和工艺改进后，RDX基发射药的抗撞击损伤性能得到改善，特别是共混增塑剂中DA含量较高的R3，其强度与均质太根药ZT－12A 相当，可满足高膛压火炮的应用要求。

表2 发射药样品的破碎度Table 2 The fracture degree of gun propellant samples

2．2 抗撞击损伤性能的影响因素

2．2．1 DA含量对抗撞击损伤性能的影响

R3配方是在R0配方的基础上改变了增塑剂配比，增加了DA加入量。由表2 可知，相同撞击条件下，R0 破碎度为3．27，R3 破碎度则降为1．19，抗撞击性能明显高于R0。这是因为DA中的硝胺基团、叠氮基团，RDX 中的硝胺基团以及NG、NC中的硝酸酯基都存在电负性很高的元素（如O、N），通过硝化棉中的羟基氢原子可形成氢键。其中一种形成氢键的方式是－NO2为强的吸电子基团（电子云分布见图3），使氧原子上电子云富集，与硝化棉上的羟基氢形成氢键（键能21kJ／mol），形成该类型氢键的分子有NC－NC、NCNG、NC－DA、NC－RDX；另外硝胺基团中的氨基氮原子和叠氮中的氮原子存在孤对电子，也可以与硝化棉上的羟基氢形成氢键（键能为29kJ／mol），形成该类型氢键的分子有NC－DA、NC－RDX。

图3 RDX、DA和NG的电子云分布图Fig．3 Electron cloud distribution of RDX，DA and NG

与NG 相比，DA与NC形成氢键的作用点多，且DA中N上的孤对电子与羟基形成氢键的键能强于NG、NC中氧原子和羟基形成的氢键，有助于提高增塑剂与NC的作用力，达到两者充分混合的目的，从而削弱NC分子链自身之间的氢键作用，增大了分子链间的距离和活动空间，有效改善了硝化棉的塑性和柔韧性。随着共混增塑剂中DA含量的提高，有助于组分间的均匀混合。3种发射药样品的扫描电镜照片见图4。由图4可看出，R3比R0更加均匀密实，表面较为平整，孔洞等薄弱环节较少，减少了应力集中点，药粒的抗撞击损伤性能得到提高。

图4 3种发射药的扫描电镜照片Fig．4 SEM photographs of the three kinds of gun propellants

2．2．2 硝化棉含氮量对抗撞击损伤性能的影响

R2改用含氮量（质量分数）12．6%的硝化棉后，与R0相比，破碎度降至1．74，力学强度也明显提高。一方面是由于硝化棉分子链上含有羟基和硝酸酯基团，硝化棉含氮量降低，分子链中的硝酸酯基团减少，羟基数目增多，使得硝化棉与增塑剂、RDX间形成氢键的数目增加，降低了硝化棉分子之间的作用力，有助于发射药中硝化棉与其余组分的混合塑化；另一方面，含氮量降低同时也减小了硝化棉分子链取代基的体积，空间位阻降低，有利于分子链的内旋转，降低硝化棉分子链的刚性，增加了柔顺性，有助于发射药的塑化。从图4可以看出，R2比R0混合得更加均匀密实，内部孔洞较小，故在受外力撞击时，发射药不易发生破碎等损伤，有较好的抗撞击损伤性能［12］。

2．2．3 溶剂醇酮比对抗撞击损伤性能的影响

改变R1的溶剂配比（乙醇与丙酮的体积比为4∶6），破碎度为2．67，比R0的破碎度有所降低，这主要是由乙醇和丙酮对硝化棉溶塑能力的差别造成的。硝化棉、丙酮、乙醇的溶度参数分别为19．46、19．62和26．13（J／cm3）0．5。混合溶剂中丙酮的含量越高，与硝化棉的溶度参数越接近。所以，适当提高溶剂中丙酮的含量，有利于硝化棉的溶胀及塑化，增加硝化棉分子链的流动性，有助于黏合剂NC与固体颗粒RDX的浸润，使得黏合剂与固体界面结合的越牢固，增强固体颗粒与基体间的相互作用，实现界面的良好粘结，从而改善样品的抗撞击损伤性能。

3 结 论

（1）在NC、RDX 含量以及共混增塑剂总含量不变的条件下，提高DA与NG的质量比，可显著改善RDX基发射药的低温（－40℃）抗撞击损伤性能，破碎度由3．27降至1．19。

（2）降低NC含氮量或增加溶剂中丙酮含量有助于改善样品的抗撞击损伤性能。

（3）经过配方与工艺优化，RDX 基高能发射药的动态抗撞击损伤性能与均质太根药ZT－12A相当。

致谢：感谢西安近代化学研究所六部工艺组在制样等方面给予的支持和帮助。

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