高过载对硼系延期药形貌特征及性能的影响

贾玉馨，王培勇，张周梅, 樊龙龙，张 晔，王国强

（陕西应用物理化学研究所，陕西 西安，710061）

目前，有关火工品延期药装药耐高过载的影响研究已经取得一定进展。吴艳霞等[1]研究了装药压力、过载加速度及粘合剂对硼系延期药过载前后延期时间及精度变化的影响；武双章[2]等研究了高过载下硼系延期药的燃烧规律；刘晓文[3]研究了硅系延期药装药密度和延期精度的关系；李俊等[4]研究了钨系延期药的耐高过载性能。但均没有针对高过载冲击对延期药形貌特征影响的研究，也未见延期药形貌特征对延期药性能影响的相关报道。因此，本文采用自由式霍普金森杆试验方法，以硼系延期药制备的裸药柱及装有硼系延期药的针刺延期雷管为对象，研究了不同过载条件下延期药主要组分形貌特征的变化，分析了延期药形貌特征的变化对延期时间及精度的影响。

1 实验

1.1 样品制备

（1）药剂制备：将硼粉和铬酸钡过200目筛，按照w硼粉∶w铬酸钡=11∶89的比例称取药品质量，加入一定比例的粘合剂硝化棉，球磨后经造粒、筛分、烘干，制得成品药剂。

（2）针刺延期雷管样品压制：参照某针刺延期雷管结构，按照相同的装药序列，以一定的装药压力将药剂压入管壳，其中除延期药压力分别为100MPa、200MPa、400MPa外，其余装药条件均一致。管壳材料为 1Cr18Ni9，尺寸参数：Φ5.1mm×7.0mm，壁厚0.21mm。针刺延期雷管结构如图1所示。

图1 针刺延期雷管结构Fig.1 Structure of stab delay detonator

（3）裸药柱的压制：将（240±2）mg的硼系延期药以100MPa、200MPa、400MPa的装药压力压制成 Φ4.65mm、高度不等的裸药柱，以分析过载前后硼系延期药微观损伤。

1.2 试验装置及条件

采用自由式霍普金森杆（FHPB）试验装置对裸药柱及针刺延期雷管进行过载冲击试验。测试条件：入射杆、透射杆和子弹均为直径 14.5mm的钢杆（65Si2MnWA），子弹为圆柱形子弹，长度为300mm，输入杆粘贴硬铝材质、外型尺寸为Φ6mm×2mm的波形整形器，过载试验参数见表1。

表1 自由式Hopkinson杆试验条件Tab.1 Parameters of FHPB test

为模拟实际产品装药中的受力情况，在进行裸药柱过载试验时，将药柱置于如图2所示的夹具中，夹具中放置药柱的凹孔内径为Φ5mm，略大于药柱直径（Φ4.65 mm）。

图2 自由式Hopkinson杆试验夹具Fig.2 Fixture of FHPB test

2 结果与讨论

2.1 不同冲击载荷对硼系延期药微观形貌的影响

采用自由式Hopkinson杆试验方法，并结合扫描电镜（SEM），观测了装药压力为200MPa裸药柱在经受不同冲击载荷后断裂部位的微观形貌，并与裸药柱过载前的微观形貌进行对比，结果见图3。

图3 不同过载冲击下延期药柱破裂部位的微观形貌Fig.3 SEM photos of grains’ fracture part under different loading conditions

由图3可知，当药柱承受40 000g过载冲击后，延期药颗粒内部的聚集状态被破坏，组分颗粒分离。药柱过载达到80 000g时，组分颗粒的微观形貌出现明显变化，部分晶体出现变形、固结的现象。

2.2 装药压力对药柱耐过载性能的影响

采用自由式Hopkinson杆试验方法，对装药压力为100MPa和400MPa的裸药柱施加60 000g过载，观测其过载后的微观形貌，扫描电镜结果见图4。

图4 不同装药压力延期药柱相同过载后的微观形貌Fig.4 SEM photos of grains with various charge pressure under same loading conditions

根据图4，当硼系延期药装药压力为100MPa时，过载后硼粉-铬酸钡仍能保持一定程度的聚集。过载前后各组分颗粒的形貌特征没有发生明显的变化。当装药压力为400MPa时，过载后硼粉与铬酸钡分离，晶体出现了不同程度的破坏。

2.3 过载前后针刺延期雷管测时结果

按GJB 5891.23-2006《落球式针刺雷管试验》中规定的条件进行测试，落锤质量为100g，落锤高度为80mm。表2比较了装药压力为200MPa的针刺延期雷管试验件在经受不同过载冲击后的延期时间变化情况。表3为过载冲击50 000g时，过载前后不同装药压力制备的针刺雷管试验件的延期时间变化情况。

表2 样品经受不同过载冲击后的延期时间结果 (ms)Tab.2 Delay-time testing data of stab delay detonator under different loading conditions

表3 装药压力不同的样品过载前后的延期时间结果 (ms)Tab.3 Delay-time testing data of stab delay detonator withvarious charge pressure

结合图3和表2的数据，可见过载冲击能够破坏药剂各组分的聚集状态，过载冲击强度越大，聚集物的破坏程度越大，80 000g的过载冲击甚至能改变药剂组分的微观形貌特征，破坏针刺延期雷管内部延期药装药结构的均一性，导致药剂燃速变快，延期精度变差。结合图4和表3的数据，可见当硼系延期药装药压力为100MPa时，过载前后各组分颗粒的形貌特征没有发生明显的变化，但过载后延期时间变长。这是由于过载前装药压力较小，针刺延期雷管内部延期药颗粒间孔隙率较大，燃烧时产生的气体易渗透到孔隙当中，形成对流燃烧或振荡燃烧等非稳态燃烧过程，增加燃烧起始面积，导致燃速加快[1,6]。过载后，冲击产生的作用力再次挤压药柱，将因装药过程而分散的硼粉-铬酸钡聚集物（图 4a）重新压迫成型，减小药柱的孔隙率，导致延期药燃速减慢，延期时间变长。这种挤压过程并不均匀，因此，过载后延期精度变差。

当装药压力为400MPa时，过载前针刺延期雷管内部延期药颗粒基本压实，颗粒间孔隙较小，燃烧较为稳定。过载后过载冲击产生的作用力不仅破坏了内部装药的均匀结构，而且改变了药剂组分的微观形貌特征（图4(b)）。因此，过载后的延期雷管在点燃后，延期药内部更容易形成多处“热点”[6]，导致燃速加快，延期时间变短，延期精度变差。

3 结论

（1）利用SEM方法，结合测试数据，研究冲击过载对硼系延期药装药的微观损伤的影响，认为冲击过载后，延期药主要组分之间的聚集状态、晶体微观形貌特征变化是影响延期药燃速的关键因素。（2）对于装药压力不同的裸药柱，冲击过载后装药压力为100MPa的药柱组分颗粒并未被破坏；装药压力为400MPa的药柱组分颗粒分离，微观形貌发生变化。（3）对于装药压力不同的针刺延期雷管，装药压力为100MPa时，冲击过载减小药柱孔隙率，令延期药燃速减慢；装药压力为400MPa时，冲击过载损伤装药结构均匀性，导致了延期药燃速加快，延期精度变差。

[1]吴艳霞.高加速度过载对硼系延期药延期性能的影响[D].南京:南京理工大学,2005.

[2]武双章.高过载下延期药燃烧特性研究[D].南京:南京理工大学,2007.

[3]刘晓文.延期药燃烧性能及表征方法研究[D].安徽:安徽理工大学,2011.

[4]李俊,盛涤伦,李钊鑫.粘合剂对钨系延期药抗过载性能的影响[J].火工品,2011(6):26-29.

[5]Gazonas G A, Juhasz A A, Ford J C.Sranstate insensitivity of damage-induced surface area in M30 and JA2 Gun propellants[J].Propellants,Explosives,Pyrotechnics,1996(21): 307- 316.

[6]Greenaway M W.Measurement of ingtergranular stress and prosity during dynamic compaction of porous beds of cyclotetramethylene terani-tramine[J].Journal of Applied Physics , 04/2005;97(9):093 521-093 521-7.