小口径模压可燃药筒的结构与性能

邹伟伟，郝晓琴，张志勇，党海燕，周伟良，田书春

（1.北京特种机械研究所，北京 100143；2.南京理工大学化工学院，江苏 南京 210094；3.西安北方惠安化学工业有限公司，陕西 西安 710302）

引 言

可燃药筒是一种含能的结构性多孔材料，具有药筒和火药的双重功能［1－2］，其代替金属药筒无论在战术上还是在生产上都具有重大意义，是当前国内外发展的一个重要方向。目前，可燃药筒炮弹大多使用在坦克炮和大口径自行火炮上，在中小口径火炮中应用较少。近年来，国外对小口径可燃药筒进行了大量研究［3］。美国已将全可燃药筒技术用在30mm航炮炮弹［4］，日本、俄罗斯、印度等国对中小口径可燃药筒所用的原材料、制备工艺开展了研究［5－7］。

与大口径可燃药筒相比，小口径可燃药筒要求燃烧速度更快，强度更高，无残渣，尤其是可燃药筒用在小口径速射火炮中，对其燃尽性和强度的要求更加严格［8］。随着小口径速射火炮抗击目标速度提高、种类的增加，与之对应的武器单体的性能、功能也需相应的提高，其中最重要的是提高火炮的瞬时射速和持续射击时间［9－11］。因此，这对应用于小口径速射火炮可燃药筒的燃烧性能和力学性能提出了更高的要求。

本研究采用抽滤模压工艺制备了一系列小口径（25mm）模压可燃药筒，分析了药筒的微观结构、力学性能、耐热性、燃烧性能及弹道性能，为25mm可燃药筒在小口径速射火炮中的实际应用提供参考。

1 实 验

1.1 材料与仪器

硝化棉（氮质量分数12.0%）、硫酸盐木浆纸（α－纤维素的质量分数大于95%）、聚醋酸乙烯酯（固体质量分数大于48%）含能纤维、二苯胺，西安北方惠安化学工业有限公司。

JSM－6380LV型扫描电子显微镜，日本JEOL公司；Micromeritics AutoPore IV 9500型压汞仪，美国麦克仪器公司；Micromeritics ASAP2020型氮气分子吸脱附孔径分布测试仪，美国麦克仪器公司；SDT－Q600型TG－DSC分析仪，美国TA仪器公司。

1.2 可燃药筒的制备

以硝化棉、含能纤维、黏结剂及添加剂为原材料，采用抽滤模压工艺制备一系列25mm可燃药筒，样品配方见表1。

表1 25mm可燃药筒配方Table 1 Formulations of 25mm combustible cartridge cases

可燃药筒的抽滤模压工艺包括制浆、真空抽滤湿坯及压制固化成形。首先将硫酸盐木浆纸在粉碎釜中粉碎成浆液，并与其他各原材料（硝化棉、黏结剂、分散成型助剂等）与水一起混合，制成一定浓度的浆液，搅拌均匀，用多孔模抽吸头在此浆液中进行真空抽滤制得湿坯，其真空度大于0.08MPa，保压时间30s；然后将湿坯转入热模压制成形固化工序，模温为130℃，蒸汽压为0.1～0.2MPa，保压时间为5～7min。为了加速干燥过程，进行抽真空，得到成形制品。将制品在温度为（60±5）℃的烘箱中烘干6h，然后在自然条件下平衡一定时间后进行车加工，最后在药筒表面刷覆防水涂层。

1.3 结构及性能测试

微观形貌：将可燃药筒沿径向和横向切片，把切片粘在铜台上喷金处理，由电子显微镜进行观察。

孔结构特征：以压汞仪和氮气分子吸脱附孔径分布测试仪表征可燃药筒的孔结构参数，测试室温为（25±2）℃，试样尺寸为6.5mm×6.5mm×2.5mm。

压缩力：从壳体靠近底部位置切取（50±1）mm圆环，上下截面平行，外观平整，测试温度（25±2）℃，加载速度20mm／min。试样破坏时的载荷值即为压缩力，每个试样测试5次求平均值。

抗拉强度：从壳体中部位置切取120mm圆环，以ASTM1708－95标准裁剪成哑铃状，进行抗拉强度测试，测试温度为（25±2）℃，拉伸速度为10mm／min。用试样破坏时的拉力值计算抗拉强度，测试方法依据GJB5472.15－2005。每个试样测试5次求平均值。

热分解特性：采用TG－DSC分析仪测试，氮气气氛，流速为30mL／min，升温速率为10℃／min，温度范围为50～650℃。

香烟感度：采用香烟感度测试仪测试，测试方法依据GJB5472.12－2005。测试温度为（25±2）℃，测定结果以5发数据取平均值。可燃药筒试样尺寸为30mm×30mm×2.5mm。

燃烧特性：利用密闭爆发器测试药筒的燃烧特性，密闭爆发器体积109mL，MANFRAMEJV5300A采集系统、SYC－3000099120传感器、2号硝化棉为点火药，点火药量为1.1g，测试方法依据GJB5472.9－2005。测试温度为（25±2）℃，测定结果以3发数据取平均值。可燃药筒试样尺寸为35mm×21mm×2.5mm。

弹道性能：采用QQ043－Ⅰ型弹道炮对可燃药筒N1和N2进行射击试验，主装药为十九孔火药，装药质量为95.4g。弹道炮结构参数为火炮口径25mm，弹丸质量0.23kg，试验温度为常温（约20℃）。

2 结果与讨论

2.1 微观形貌

采用扫描电子显微镜对25mm可燃药筒N1和N2的径向截面与横向截面进行观察，结果见图1。

图1 可燃药筒N1和N2的SEM图片Fig.1 SEM photographs of formulations N1and N2 combustible cartridge cases

由图1可见，可燃药筒具有丰富的孔隙结构，不仅包含有利于燃烧产生的气体传输的大孔，且具有能够提供足够燃烧表面的丰富的小孔。药筒的孔隙主要是由纸纤维、功能纤维、硝化纤维素堆积形成。在抽滤模压作用下，硝化棉组分与纤维组分紧密结合，通过乳胶粘结形成错综复杂的物理结构，各种组分之间相互挤压形成大小不一的孔隙，孔隙的形态主要为长条状的狭缝形和楔形孔。

采用氮气吸附法测得的可燃药筒N1和N2的吸脱附等温线见图2。从图2中可见，可燃药筒的吸脱附等温线属于BDDT分类法中规定的Ⅴ型等温线，说明药筒中存在中孔和大孔，此外吸附等温线与脱附等温线不重合，分离形成滞后环，滞后环的形状介于IUPAC分类标准中定义的B类与C类滞后环之间［12］，说明可燃药筒中的孔隙形状主要为具有平行板结构的狭缝孔和锥形结构的楔形孔，这与扫描电镜观察结果相一致。

图2 可燃药筒N1和N2的吸脱附等温线Fig.2 Isotherms of adsorbtion－desorption for N1and N2combustible cartridge cases

2.2 孔结构参数

采用压汞法测得的可燃药筒的孔结构参数见表2。

由表2可见，压汞法测得可燃药筒的总比表面积约为20m2／g，而氮气吸附法测得的比表面积有较大的不同，与可燃药筒N1相比，可燃药筒N2与N3的比表面积分别提高了14.0%、29.5%。压汞法与氮气吸附法的测量结果有较大的不同，这主要是由于二者的测量原理与测量范围不同而形成的。氮气吸附法依据多层吸附原理和毛细管凝聚原理得到药筒的比表面积和孔容，适用于中微孔（0.3～300nm）的测定，压汞法则是通过测定给定压力下的进汞量得到样品的孔结构信息，测试范围为3nm～360μm，可以测得药筒中大孔对应的孔容和比表面积。因此，药筒的总比表面积应综合考虑压汞法与氮气吸附法的测定结果。

表2中，可燃药筒的总孔容超过0.25cm3／g，孔隙率大于25%。在不改变黏结剂种类和用量条件下，加入含能纤维，药筒的总孔容、孔隙率大幅度增加，平均孔径增大，总比表面积增大。与可燃药筒N1相比，可燃药筒N2和N3药筒的孔隙率分别提高了19.5%、31.3%，平均孔径提高了16.3%与47.3%。可见用含能纤维替代药筒中的硫酸盐木浆可提高药筒的比表面积、孔隙率及平均孔径，这有助于提高药筒的燃速，改善其燃尽性。

表2 可燃药筒的孔结构参数Table 2 Pore structure parameters of combustible cartridge cases

从表2可知，可燃药筒的孔结构存在多重分形特征，包括基体分维（DH）和孔隙分维（DV）。基体分维DH表征了药筒制造过程中组分间的孔隙分布（孔径大于1μm），压汞法测得基础配方N1的DH为2.55，加入含能纤维后体系变得复杂，组分间孔隙分布分散，DH增大。孔隙分维DV表征了微孔段可燃药筒各组分的孔隙分布（孔径在0.003～11μm）。加入含能纤维后，可燃药筒的孔隙分维DV有一定程度的增加，主要原因是含能纤维的孔结构分布比纸纤维复杂，因此加入后使体系整体的混乱度增加。

2.3 热分解特性

25mm可燃药筒的热失重特性曲线如图3所示。从图3可以看出，3个样品在197.6℃左右开始大幅失重，主要为硝化棉的热分解。在170～200℃产生大幅失重，该区域可燃药筒N1失重66.6%，可燃药筒N2失重70.8%，可燃药筒N3失重71.9%。在200～550℃的失重主要为组分中的难燃物质如纸纤维和黏结剂组分的热失重，由于可燃药筒N2和N3中用不同比例的含能纤维替换硫酸盐木浆纸组分，所以该阶段的失重相比于可燃药筒N1有所减少。

图3 可燃药筒的TG曲线Fig.3 The TG curves of combustible cartridge cases

2.4 力学性能

测试3种小口径可燃药筒的真密度、表观密度、压缩力和抗拉强度，结果见表3。

表3 3种小口径可燃药筒的力学性能测试结果Table 3 Mechanical property of small－bored combustible cartridge cases

由表3可知，可燃药筒N1相比，可燃药筒N2药筒的压缩力G提高14%，抗拉强度σ降低5.6%；而可燃药筒N3药筒的压缩力和抗拉强度均降低，压缩力较参比可燃药筒N1降低1%，抗拉强度降低24%。结果表明，在不改变黏结剂种类和用量的情况下，加入合适比例的含能纤维能够提高可燃药筒的压缩力，但是抗拉强度有一定程度的降低。这主要是因为含能纤维韧性较差，随着含能纤维加入量的提高，抗拉强度逐渐下降，但是其硝化棉纤维相互缠绕形成网络体系，在一定程度上提高了体系的压缩力。当配方中的含能纤维质量分数超过10%时，低药筒的压缩力及抗拉强度均下降。

2.5 香烟感度

香烟感度是指用燃烧均匀稳定的香烟直接竖直作用于药筒试样表面，测出香烟接触试样至试样被点燃或冒烟所需要的时间。由于小口径速射火炮的射速高，持续射击时间长，药筒燃烧产生的气体直接冲刷膛壁，在连续射击后的膛内温度可达400℃，这就要求对药筒进行耐高温性能的表面处理，使之在发射循环时间内，不发生自燃。目前常用的方法是在药筒表面涂覆一层可燃耐热涂料来提高药筒的瞬时耐高温性。为了表征表层涂覆耐热涂料药筒的耐高温性能，采用香烟感度仪测得添加耐热涂料后可燃药筒N1的感度，结果见表4。

表4 25mm可燃药筒香烟感度测试结果Table 4 Cigarette sensitivity of 25mm combustible cartridge cases

由表4可知，在400℃时，可燃药筒N1的香烟感度为6.8s，500℃时可燃药筒N1的香烟感度为3.4s，二者均超过200ms，涂覆耐热涂料后，可燃药筒N2、N3药筒在400℃下的香烟感度均超过6s。

2.6 燃烧性能

采用密闭爆发器试验研究了3种可燃药筒的定容燃烧特性，装填密度为0.12、0.20g／cm3，每个装填密度试验3发，两个装填密度交替进行。3种可燃药筒的火药力f、余容a测试结果见表5。3种可燃药筒的p－t曲线与dp／dt－t曲线见图4。

表5 可燃药筒密闭爆发器测试结果Table 5 The test results of combustion performance in closed bomb

图4 可燃药筒密闭爆发器p－t曲线和dp／dt－t曲线Fig.4 The p－t curves and dp／dt－t curves of combustible cartridge cases in closed－bomb

由表5可以看出，可燃药筒的火药力均超过500kJ／kg，在添加含能纤维后，可燃药筒的定容燃烧时间缩短，最大压强增大，火药力提高。与可燃药筒N1相比，可燃药筒N2、N3火药力分别提高了15%和17%。而由图4可知，与可燃药筒N1相比，可燃药筒N2与N3的燃烧速度加快，最大压力提高，燃烧结束时间明显缩短，且随含能纤维加入量的增大，该变化趋势更为明显。可见，含能纤维具有提高药筒能量、改善药筒燃烧性能的作用，能很好地解决药筒燃尽性的问题。

2.7 弹道性能

可燃药筒装药的内弹道性能测试结果见表6。其中药筒装药燃烧过程的压力及相应的燃烧时间（实测值）是用压电传感器测压系统测试得到的，弹丸初速采用天幕靶测速系统测得，用窥膛镜观察可燃药筒装药燃烧后膛内的情况。第1发为冷弹，用于温炮。

表6 小口径可燃药筒装药内弹道性能试验结果Table 6 Experiment results of interior ballistic performance of small－bored combustible cartridge case charge

由表6可知，可燃药筒N1与十九孔火药组成的混合装药在膛内燃烧不完全，炮底有微烟，且金属底座被熏黑。而可燃药筒N2与十九孔火药组成的混合装药在膛内燃烧完全，金属底座无熏黑现象。其平均膛压为319.2MPa，膛压标准偏差为7.67MPa，弹丸的平均初速为1 079m／s，初速或然误差为6.42m／s，平均膛压提高了5.3%，弹丸的平均初速提高了2.9%。可见，加入含能纤维后不仅提高了药筒装药的弹道性能，燃尽性也得到明显的改善。

3 结 论

（1）用抽滤模压工艺制备的可燃药筒的孔以狭缝形和楔形孔为主，大孔数量较多，总比表面积约为20m2／g，总孔容超过0.25cm3／g，孔隙率大于25%。加入含能纤维有利于提高药筒的孔隙率及平均孔径。

（2）含能纤维对药筒的燃烧性能具有重要的影响，有利于提高药筒的能量，使药筒的燃烧速度加快，燃烧时间缩短，且随药筒中含能纤维含量的增加，这种趋势更为明显，从而改善了可燃药筒的燃尽性。

（3）添加耐热涂料后药筒在400℃下的香烟感度超过6s。

（4）含能纤维不仅能够提高药筒装药的弹道性能，还能够明显改善药筒装药的燃尽性。

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