球扁形发射药的研究进展

任鹏亮， 马忠亮， 刘保顺

（中北大学，山西 太原 030051）

引 言

随着现代武器装备的不断发展，为了提高武器威力，满足现代战争对于武器性能的要求，作为武器能源物质的发射药成为了研究重点。国内外研究表明，高装填密度装药技术可以有效地提高枪炮武器弹道性能，而药粒形状及尺寸是影响装填密度的主要因素之一，从提高装填密度和减小初始燃烧表面这2个因素来考虑，球形药粒最为理想，但球形药的燃烧减面性较大［1］。为了克服球形药的这个缺点，生产工艺上一般将球形药做成球扁状，减弱其燃烧的减面性，然后对药粒表面进行钝化处理，使球扁药的线性燃速呈渐增变化趋势，从而弥补了因药粒本身呈减面燃烧所引起产气速率降低的缺点［2］。

根据国内外目前研究情况来看，用来改善球扁形发射药减面燃烧的方法已有不少。本文根据制作工艺原理的不同，分述了不同改善方法的研究现状及发展趋势，希望能为球扁形发射药的研究提供一些参考。

1 球扁形发射药钝感技术的研究

1.1 国外相关技术研究进展

发射药表面钝感处理技术的原理，是用钝感剂在发射药的表层渗透一层生成热焓较小的物质，然后在发射药内、外层形成钝感剂的浓度梯度分布，在燃烧初期，发射药的燃烧速率会相对减缓，钝感剂含量会随着燃烧的进行而减少，在燃烧的中后期，发射药燃气生成速率逐渐增大，整体达到渐增性燃烧效果，发射药经表面钝感处理后不仅初始燃烧速率降低，而且可解决发射药初始燃气生成速率过快而导致膛内压力波过大的问题［3］。另外，钝感发射药的渐增性燃烧，可以提高发射药的能量转换率，从而增大弹丸的炮口动能。

1943 年，美国人J.O.Hirschfelder提出了发射药钝感处理原理［4］。在20世纪70年代，美国一家公司把用聚酯处理过的钝感球形药与用乙基中定剂（C1）处理的球形药进行对比发现，在60℃下加速老化6周后，用聚酯钝感的发射药老化前、后性能变化不大，而用C1处理时膛压增高了23.6%［5］。同一时期，美国曾对各种经过钝感处理的轻武器发射药进行热化学和燃速特性测定，另外，关于钝感剂的迁移特性，各国研究人员也进行了大量研究，如，邻苯二甲酸二丁酯（DBP）、苯二甲酸二异丁酯、苯二甲酸二苯酯等。到20世纪90年代，瑞士科研人员用挤压浸渍法成功地解决了钝感发射药能量低的问题［6］。美国采用线性聚酯作钝感剂对7孔M9发射药进行处理，研究表明，在温度55℃、时间45min左右的钝感工艺条件下，该体系可得到较好的钝感效果［7］。美国Olin公司用乙酸丙酸纤维素、乙酸丁酸纤维素等纤维素基热塑性聚合物作钝感剂进行研究，结果表明，该类钝感剂和NC基发射药之间有很好的物理化学相容性［8］。

2001 年，德国Langlotz Walter等［9］对一种用二硝基重氦增塑剂和硝胺类发射药混合形成的发射药装药进行研究试验，结果表明，在-50℃～70℃的温度区间内，这种混合装药表现出很好的低温感效果，这项技术可以将常规装药的弹道性能提高10%～20%。2003年，Manning等［10］用石墨包覆钝感方法对火炸药等高能物质表面进行钝感处理，以猛炸药CL-20为例，先用惰性溶剂将石墨与CL-20均匀混合，然后除去溶剂，结果表明，此种钝感方法的效果十分显著。Javaid等［11］用HTPB与含有特殊物质的NC制备成纳米复合物，然后对 HNF（硝仿肼）进行钝感处理，实验结果表明，该方法钝感效果显著，且无明显的能量损失。Sanjeev K Singh等［12］在2012年用蜡钝感剂的方法对奥克托今等进行钝感处理，通过加热混合搅拌的方法，实现了对含能固体颗粒的完全包覆，不仅避免了热点的出现，还增加了一定的可塑性。

1.2 国内相关研究进展

国内关于发射药、球扁药的钝感处理也有很多研究。国内的学者在早期研究和分析了包括聚乙二醇、中定剂、邻苯二甲酸二丁酯等在内的多种钝感剂的迁移特性和燃烧特性［4，13-15］。在总结和分析国内外钝感技术研究成果的基础上提出了深钝感技术［16］。1999年，丁锡等［17］提出了乳液包覆钝感技术，他们采用二氧化钛作钝感剂，配制悬浊包覆液进行实验研究，实现了小粒药的悬浊液钝感多层包覆。2003年，袁伟忠等［18］经过研究发现，用邻苯二甲酸二丁酯作为钝感剂钝感过的单基、双基球扁药有符合要求的藏贮性能。王倡春等［19］通过对球扁药钝感后定容燃烧性能的分析，获取了大量有关工艺参数对球扁药成型、钝感效果影响的数据和规律。王莉萍等［20］研究了一种用二甲基丙烯酸乙二醇酯（EGDMA）作为钝感剂，用BPO作引发剂的钝感工艺；并且在用DBP作钝感剂对多孔性球扁药钝感的条件下，分析了不同工艺条件，如，钝感剂加入量、钝感时间对钝感效果的影响。

2007 年，堵平、何卫东等［21］选择合适的纯感工艺，使钝感剂PEDMA在单基药表层形成钝感层，在聚合物钝感层与发射药基体之间形成过渡的互穿网络结构，热分解研究表明，PEDMA钝感发射药改变了传统单基药的燃烧规律。2009年，力小安［22］首创地将1，3-偶极环加成反应引入发射药钝感体系内，设计合成了一类新型钝感剂材料，这种方法制备的钝感药不仅渐增性燃烧效果，且长储稳定性优良。2010年，孟凡军等［23］选择聚甲基丙烯酸缩水甘油酯（PGMA）和偏苯三甲酸三辛酯（TOTM）和为钝感剂，研究了球形药“一步法”中各种因素对钝感效果的影响。2014年，黄振亚［24］采用均苯三甲酸三炔丙酯TPTM和聚己二酸丙二醇酯（PPA）分别对DA发射药进行表面钝感对比实验，实验结果显示，两者都可以获得良好的钝感效果，但在热加速老化试验中，TPTM的长储稳定效果明显优于PPA。

经过阅读大量参考文献可以发现，国外关于发射药钝感技术的研究，重点主要是在钝感剂的选择与合成上，不仅是聚氨酯等高分子钝感材料，还有石墨、蜡类等具有特殊钝感效果的材料。而国内在选择合适钝感剂进行研究的同时，也对相关的钝感工艺进行了探究和改进。另外，除了钝感剂本身性能和钝感工艺的研究外，钝感剂扩散机理的研究可以根据不同的发射药体系特征选择不同的钝感剂，而钝感剂浓度梯度分布的检测可以测试钝感剂的扩散性能和迁移性能，这不仅有利于优化改进钝感工艺，还可以研究钝感剂的迁移性，对钝感发射药长储稳定性和使用寿命都有重大影响，因此，关于钝感剂的扩散机理、检测方法还有钝感发射药的性能表征等也都是钝感技术需要研究关注的内容［7］。

2 球扁形发射药微孔技术的研究

2.1 国外微孔技术研究进展

除了使用钝感剂改善球扁形发射药的燃烧性能外，还可以使用微孔技术提高球扁药的燃烧性能。微孔多孔技术可以增加发射药的燃烧面积，而控制燃烧面积可以有效地控制发射药燃烧性能，通过改变发射药的物理结构，使其具有一种微孔结构，在燃烧后期，发射药会因为这些内部微孔而突然增加燃烧面积，燃烧速率在极短时间内得到极大提高，燃烧渐增性明显加强［25］。传统多气孔发射药的制备方法是在普通单基发射药的制备工艺基础上，用水溶性的无机盐（如硝酸钾）与其他物料均匀混合，成型后水浸，将无机盐溶出，干燥后的药粒中就会形成大量泡孔，但这种制备方法缺点明显，不仅工艺繁琐，所得药粒的孔隙大小和分布也并不均匀；发泡发射药是在物料中加入发泡剂，成型过程中，通过发泡使药体形成多气孔结构，这项技术最初是为了获得高燃速的推进剂，后来得以应用在微气孔球扁药的制备上［26］。超临界流体技术制备微孔发泡材料的基本原理，是将超临界流体扩散进入聚合物基体中充分饱和，并形成了聚合物/超临界流体均相体系，当体系处于热力学不稳定状态时就会在聚合物基体中引发成核，气体扩散进入形成泡孔，最后使泡孔定型形成微孔结构［25］。

2001 年，Fischer等［26］研究制备了以聚氨酯为黏合剂的微孔泡沫发射药，这类发射药具有微孔透气性，容易形成对流燃烧，通过感度测试，该发射药表现出爆燃特性。Jutta等［27］以泡沫发射药和含能聚合物作为主体材料进行研究，分别加入发泡剂、水和填料进行对比，结果发现，加发泡剂的泡沫体积最大，加有水的泡沫发泡温度最高，而加入填料则有利于降低发泡温度和发泡压力。Chris A Van D等研究了由传统工艺制得的单基多孔发射药的燃烧特征。蔺向阳等［28］采用RIM（注射反应成型技术）方法成功地制备出泡沫发射药，并实现了小规模生产，建立了一个半连续的注射反应成型装置。最近几年，国外又研究了压力对多孔发射药燃烧特性的影响［29］，经研究测定发现，当压力差值超过特定的临界阈，多孔发射药的燃烧方式将会转变为对流型传热的爆燃阶段，甚至会导致局部自点火。

2.2 国内微孔技术研究进展

早在2001年，熊立斌等［30］将KNO3与硝化纤维素药粉混匀，经塑化、挤压、切药、晾药、成形、浸泡等工艺制得外层有致密元气孔，而内层较均匀地分布着大量小孔的成形药。2004年，王莉萍等［20］在大尺寸球扁药的渐增性燃烧性能研究中，同样利用硝酸钾作为增孔剂完成了大尺寸球扁药的制造，并设计出了完整的成型工艺。蔺向阳等［28］对单基微气孔球扁药的常压燃烧特征进行了研究，结果发现，单基微气孔球扁药的质量燃速会随着试样堆积密度的降低而逐渐增加；质量燃速对试样初温敏感，且随着试样装药直径和球扁药粒径的增大会有显著提高。2011年，他们［29］又对微气孔球形药的定容燃烧性能进行了研究，结果表明，样品堆积密度减小，球形药内部孔隙变大；在堆积密度相同的条件下，燃气生成速率与压力上升速率成正比；随着堆积密度的降低，发射药燃烧渐增性显著增强。殷继刚等［31］在2006年提出了用微胶囊法制备多气孔球扁药的新工艺，并成功地制备出了具有多气孔结构的球扁形发射药。2007年，寇波等［32］设计出了具备壳芯结构的分层多气孔球形药（LPBP），并提出了制备LPBP的2种工艺路线。

2009 年，李文祥等［33］设计并制备了一种具有内松外密、高燃烧渐增性的径向变密度球扁药，在工艺过程中对试验条件进行了优化处理，并研究了径向变密度球扁药的物理结构和燃烧性能的关系。陈西如等［34］采用超临界流体技术升温发泡工艺制备出了一种具有微孔结构的球扁药，他们分析了发泡过程中泡孔的成核和长大机理，研究了CO2含量和粒子对泡孔形貌的影响，研究发现，平均泡孔直径会随着球扁药中CO2含量的降低而减小，另外，利用密闭爆发器实验测试表明，微孔球扁药的燃烧渐增性能良好，且可以通过控制泡孔形貌来调节它的燃烧性能。郭长平等［35］以改进“一步法”工艺、消除微孔球扁药大孔孔壁中的通孔结构为目的，采用添加不同量内水相和化学发泡法2种方法来控制球扁药中闭孔结构的形成。2014年，尹汪龙等［25］利用超临界CO2发泡技术，采用分步升温法成功制备出了一种具有“皮-芯”结构的微孔双基球扁药，并研究了不同工艺条件（饱和温度、饱和压力、解吸附时间和发泡温度等）对其泡孔形貌和皮层厚度的影响规律。

3 结论

1）钝感剂的使用不仅仅是局限于球扁药这一药型，基于目前发射药钝感技术普遍化的研究成果来看，研发具有优良综合性能的新型钝感发射药是这一技术的主要方向。在球扁药的实际生产中，我们所用的钝感剂仍是国外20世纪的研究成果，而且国内关于球扁药的自动化连续生产设备和工艺也并不成熟，另外，目前球扁药的应用局限于中小口径的武器系统，我们应该加强新型多品种球扁药的研究与合成，让球扁药可以应用在更大口径、更广范围的武器系统中。

2）微孔技术已经在球扁发射药研究领域占据了较高地位，它是通过在球扁药内部产生微气孔来增加其燃烧面积，和钝感技术相比，微孔技术更像是一种改变球扁药内在结构的物理方法，但实验和研究证明，这种方法效果明显，对改善球扁药的燃烧渐增性有极大作用，可以预见，在未来球扁药的研究发展中，这一技术将扮演重要角色。

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