GAP对高能硝胺发射药力学性能及燃烧性能的影响

杨建兴，舒安民，马方生，贾永杰，辛凯迪

（1．西安近代化学研究所，陕西西安710065；2．总装备部驻西安北方惠安化学工业集团有限公司军代室，陕西西安710302）

引 言

高能硝胺发射药是我国自行研究成功的高能发射药［1－6］，但由于配方中大量固体组分的存在，给发射药的力学性能带来不利影响，难以满足高膛压、高装填密度武器的应用要求［2－4］。针对高能硝胺发射药力学性能差的问题，国内学者进行了较多研究。赵毅等［2］用皮罗棉代替3号硝化棉，通过调整混棉比例来降低混棉的含氮量，结果表明，改进型配方在低温时的力学性能有所提高，但又同时带来发射药能量的损失；雷英杰等［4］通过加入聚醚环酰胺类键合剂来改善高能硝胺发射药的力学性能，该类键合剂主要是通过化学键的作用来改善基体和填料颗粒的界面粘结情况，但总体效果不佳，难以大幅度提高力学性能。

缩水甘油叠氮聚醚（GAP）是一种含有烷基叠氮基团的端羟基脂肪族聚醚，具有生成热高、密度大、燃气无腐蚀性、特征信号低、燃温低、感度低等优点，是固体推进剂的理想黏合剂。另外，GAP 具有良好的低温力学性能，可被硝酸酯良好地增塑，提高推进剂的力学性能［7－10］。本实验在高能硝胺发射药中添加GAP，研究了其对发射药力学性能和燃烧性能的影响，为在发射药中的应用提供参考。

1 实 验

1．1 材 料

缩水甘油叠氮聚醚（GAP），数均相对分子质量3×104，常温抗拉强度7．5～8．1MPa，常温延伸率820%～850%，玻璃化转变温度－28．3℃，西安近代化学研究所；硝化棉（NC）、双基吸收药，四川泸州化工厂；RDX、NGu，辽宁庆阳化工有限公司。

1．2 样品制备

50℃下，将GAP 在丙酮与无水乙醇等体积混合的溶剂中溶解，在捏合机内加入所需要吸收药片、溶解后的GAP溶胶及醇酮混合溶剂，在45℃下捏合30min，加入NGu，在此温度继续捏合3．5h，出料后由柱塞式油压机挤压成18／1 单孔管状，在50℃水浴烘箱内驱溶、烘干6d。

高能硝胺发射药的基础配方（质量分数）为：（NC＋NG）56．7%、（RDX＋NGu）42．0%、C221．3%，配方代号GX00；在基础配方的基础上，分别外加质量分数为1．5%、2．5%、3．5%、5．0%的GAP，配方代号分别为GX15、GX25、GX35、GX50。

1．3 性能测试

采用上海仪器修配厂SE2 型冲击试验机和美国Instron公司3367 型精密万能材料试验机分别测试发射药样品高温（＋50℃）、低温（－40℃）、常温（＋20℃）下的冲击和压缩性能。

采用密闭爆发器（自制，体积100mL，装填密度0．20g／cm3）测定其定容燃烧和能量性能。

采用日本电子JSM－5800型扫描电镜测试低温（－40℃）下样品的抗冲断面形貌。

2 结果与讨论

2．1 GAP对高能硝胺发射药能量性能的影响

GAP 含量对高能硝胺发射药能量的影响见表1，其中，火药力f 为密闭爆发器实测数据，爆温TV、爆热QV为内能法计算结果。

表1 GAP含量对高能硝胺发射药能量的影响Table 1 The effect of GAP content on energy of high energy nitramine gun propellant

由表1 可见，GX15、GX25、GX35、GX50配方比GX00配方的爆温分别降低1．55%、2．59%、3．69%、5．32%，火药力分别降低0．55%、0．96%、1．41%、2．12%，说明加入GAP 后，高能硝胺发射药的爆温及火药力呈线性减小，且爆温递减更快。

2．2 GAP对高能硝胺发射药力学性能的影响

几种单孔管状硝胺发射药的静态力学性能测试结果如表2所示。

表2 单孔管状高能硝胺发射药静态力学性能测试结果Table 2 Experimental results of static mechanical properties of the single perforation cylinder high energy nitramine gun propellants

由表2可见，与GX00配方相比，GX15配方的高、低、常温抗冲强度分别提高41．2%、23．5%、31．6%；与GX00配方相比，GX15、GX25、GX35、GX50配方的低温（－40℃）抗冲强度分别提高23．5%、23．7%、22．8%、23．9%，说明加入GAP 可提高高能硝胺发射药的抗冲强度，但其含量的增加对其抗冲强度改善影响不大。与GX00 配方相比，GX15、GX25、GX35和GX50 配方的低温抗压强度分别提高3．1%、6．8%、10．0%、11．9%，压 缩 率 变 化量为0．5%、3．1%、0．3%、2．3%，说明GAP 能 够提高单孔管状高能硝胺发射药低温下的抗压强度，随着其含量的增加，抗压强度增加。由此可见，加入一定量的GAP可显著提高硝胺发射药的力学性能，特别是低温冲击性能。低温抗冲击后，单孔管状高能硝胺发射药断面的扫描电镜照片如图1所示。

由图1（a）可知，固体颗粒与基体之间有明显的界面，黏结剂对其包裹性差，发射药受到应力作用时，固体颗粒从黏结剂基体中剥落、脱离出来，说明发生脱湿现象。固体颗粒与黏结剂体系之间的脱湿是阻碍发射药力学性能提高的直接原因。由图1（b）、（c）、（d）、（e）可知，添加GAP后，增强了基体硝化棉对固体颗粒的包裹性，脱湿的颗粒少且处于表层，脱湿产生的凹坑边缘光滑，明显有被黏结剂包覆过的痕迹。这也解释了添加GAP后发射药脆性减弱、韧性增强的原因。说明加入GAP 可增强固体填料与黏结剂体系界面间的粘接强度，减少脱湿，增强发射药的力学性能。

图1 单孔管状高能硝胺发射药低温抗冲击后断面的SEM 图片（×2000）Fig．1 SEM images of the single perforation cylinder high energy nitramine gun propellant section after impact at low temperature（×2000）

2．3 GAP对硝胺发射药燃烧性能的影响

采用密闭爆发器试验研究了GAP 质量分数分别为1．5%和3．5%的单孔管状高能硝胺发射药的静态燃烧性能。对密闭爆发器试验得到样品的压力变化曲线进行数据处理，得到燃速－压力曲线，见图2。

图2 单孔管状高能硝胺发射药的u－p 曲线Fig．2 The u－pcurves of the single perforation cylinder high energy nitramine gun propellants

由图2可见，加入GAP 后单孔管状高能硝胺发射药燃速降低，随GAP 含量增加，燃速下降越多，这与加入GAP后硝胺发射药火药力、爆热降低相符。几种单孔管状高能硝胺发射药低压段燃烧性能正常，无明显转折现象。

用最小二乘法对图2的u－p 曲线进行非线性指数式（y＝a·xb）拟合，得到燃速系数u1和燃速压强指数n，结果见表3。

表3 单孔管状高能硝胺发射药的密闭爆发器试验结果Table 3 Results of single perforation cylinder high energy nitramine gun propellants obtained by closed bomb test

由表3可见，当GAP质量分数为1．5%、3．5%时，压强指数由基础配方的0．969 5提高至0．970 3、0．974 4，说明随着GAP含量的增加，管状发射药的压强指数相比基础配方均有所增加。

3 结 论

（1）在高能硝胺发射药中加入GAP，在保持发射药较高能量的同时，可以显著提高其力学性能，特别是低温抗冲击性能。加入质量分数1．5%GAP，高能硝胺发射药的低温抗冲强度由4．51kJ／m2提高到5．58kJ／m2。

（2）高能硝胺发射药中加入GAP 可增强固体填料与黏结剂界面间的粘接强度，改善发射药的脱湿现象。

（3）含GAP的高能硝胺发射药燃烧性能正常，压强指数小于1，随着GAP含量的增加，压强指数n逐渐增大，爆温及火药力逐渐降低，GAP 质量分数为3．5%时，f 和Tv分别降低1．41%、3．69%，n 增加0．51%。

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