一种含纳米钾盐的新型消焰药性能测试

韩 冰，王琼林，于慧芳，魏 伦，刘少武，张远波，郑 双

(西安近代化学研究所，西安 710065)



【化学工程与材料科学】

一种含纳米钾盐的新型消焰药性能测试

韩 冰，王琼林，于慧芳，魏 伦，刘少武，张远波，郑 双

(西安近代化学研究所，西安 710065)

为了减小炮口火焰面积，制备了一种含纳米有机钾盐AK的新型消焰药，进行了该消焰药基本性能、吸湿性、燃烧性能、对发射装药炮口火焰及内弹道性能影响试验研究。试验结果表明，对比常规单质消焰剂材料，制备的新型消焰药有较好的消焰效果，可使枪口火焰面积减少95%，且吸湿小，燃烧稳定，对火炮内弹道性能无明显影响。

应用化学；消焰剂；炮口火焰；纳米有机钾盐AK；消焰药；发射药

发射烟焰问题已日益成为我军机械化、信息化身管武器系统发展的技术瓶颈，已引起军方的高度重视，多次、多渠道地要求国防工业部门加速解决小口径自动火炮发射烟焰问题。装药中添加消焰剂是减少或消除枪炮口焰一种简便而有效的方法,因为它用量少,作用可靠,便于实施。消焰剂能够提高混合燃气的点火温度，抑制炮口可燃气体中自由基的链式反应，抑制二次火焰的生成[1-4]。通过加入消焰剂的办法消除中小口径火炮弹药炮口二次火焰，通常有以下几种技术途径:① 发射药或装药中加入碱金属化合物如冰晶石、硫酸钾、硝酸钾等消焰剂，这种方法将显著加大中小口径自动火炮武器弹药生产装填复杂程度，且用量大负作用明显(如吸湿)消焰效果有限；② 采用外添加工艺向发射药表面浸渍或涂敷一层钾盐消焰剂，这种途径因消焰剂浸渍或涂敷总量有限，且容易脱落，而且常用消焰剂一般都具有较强的吸湿性，影响装药性能的稳定，因此消焰效果不稳定。现有发射装药消焰剂的使用办法，难以满足中小口径自动火炮武器弹药，特别是能量较高发射装药的可靠消焰。

研究发现，减小消焰剂粒径，有助于减小和消除火焰，这是因为消焰剂纳米化后，不仅在发射药中分布更均匀，而且其燃烧分解机制也发生了较大改变，热分解过程得到了强化，能够形成更多的钾离子抑制火焰[5]，但减小消焰剂粒径也会带来一些副作用，如烟雾、残渣增加，并且吸湿性变大等，因此探索一种全新的消焰剂添加方式，具有特别重要的意义[6-9]。AK是一种新型有机钾盐，吸湿性较小，在相同含量相同添加方式下消焰效果优于K2SO4、KNO3等常用无机钾盐，具有较好的应用前景[2]。消焰药是发射装药起消焰作用的专用火药，本研究制备了一种含纳米有机钾盐(简称AK)的新型消焰药，研究了该消焰药吸湿性、燃烧性能，考察了其降低炮口火焰的效果，并进行了其对发射药内弹道性能的影响研究，为消焰剂的添加方式研究提供一条新的技术途径。

1 试验部分

1.1 材料与仪器

原材料选用纳米有机钾盐AK,西南科技大学提供，其主要性能如表1所示，消焰剂AK 和K2SO4主要元素含量如表2所示。

表1 纳米钾盐消焰剂物理性能

表2 消焰剂AK 和K2SO4主要元素含量

发射药为表面处理三基发射药(SCTB)，弧厚0.68 mm，表面钝感包覆处理，西安近代化学研究所；30 mm弹道炮。

1.2 样品制备

双基药片用丙酮充分溶解成胶液状，AK加入乙醇中充分分散，然后将乙醇缓慢加入到药料中混合均匀，并通过加热，连续搅拌挥发溶剂使其成胶体状，最后通过反复压延充分混合，挤压、切制得到规定药片。纳米钾盐AK含量>35%。

1.3 性能测试

1.3.1 基本性能

爆热按GJB770B—2005方法701.2恒温法得出；燃烧残渣按企标Q/AY 426—2008 火药燃烧残渣的测定称量法得出。

1.3.2 吸湿性

吸湿性按GJB770B—2005 方法404.1得出。

1.3.3 静态燃烧性能测试

药室容积100 cm3，装填密度0.2 g/cm3，实验温度20℃，压力传感器精度为0.005 MPa，采样间隔是0.05 ms，点火药为2号NC、药量1.1 g，点火压力10 MPa，在密闭爆发器中测试对比了6/7SCTB、新型消焰药样品的静态燃烧性能，得到压力-时间曲线。

1.3.4 消焰效果及对内弹道性能影响

1) 30 mm弹道炮射击试验

采用6/7 SCTB发射药，一定量的新型消焰药随SCTB发射药一起装药，进行30 mm口径火炮内弹道试验。30 mm弹道炮构造参数如表3所示。Φ为火炮口径；V为药室容积；S为炮膛横断而积；m0为弹丸质量；lg为弹丸行程长。

表3 30 mm弹道炮的构造诸元

2) 炮口火焰测试

依据Q/AY 525—2011发射药及装药炮口火焰高速摄影法对不同结构的发射药装药炮口火焰拍摄，拍摄速度900帧/s，焦距24 mm，然后使用专用数据处理软件对图像叠加处理，得到表征火焰参数火焰面积。

2 结果与讨论

2.1 新型消焰药的基本性能

新型消焰药与SCTB发射药样品理化性能见表4，由表4计算可得新型消焰药火药力为SCTB发射药火药力的32.6%；新型消焰药爆热为SCTB发射药爆热的58.3%。从表4可看出新型消焰药燃烧残渣小于常用消焰剂K2SO4。消焰药的作用机理为在发射时消焰药与火药燃气一同逸出枪口，由于存在钾离子，提高了H2、CO的发火点，促使了气相链锁反应的断裂，阻止了H2、CO与氧气的化学作用，起到消焰的作用。常用的消焰剂通常为一种不含能量或含能量极低的物质装填入药室中，需要相对较长的时间才能点燃，转化为气体，其必然会对发射装药的内弹道性能造成影响，而且常用消焰剂钾盐量不易控制，若钾盐加入量较少，必然削弱消焰剂消焰效果；若钾盐加入量较多，则会产生较多的烟雾，影响武器装备的探测、锁定、跟踪功能，暴露武器发射阵地。相对常用消焰剂，本文设计的新型消焰药具有较高的能量及较强的做功能力，缩短了燃气与钾盐混合分散时间，可以充分发挥钾离子的作用，更快地促使气相链锁反应的断裂，提高消焰剂消焰效果，同时具有消焰剂用量可调，操作简便等优点。

表4 新型消焰药样品理化性能

2.2 新型消焰药吸湿性

按照GJB770B—2005 404.1中吸湿性测定方法，在恒温常压条件下，测量K2SO4、AK、消焰药试样的7天的吸湿增量。以吸湿增量为纵坐标，以实验时间为横坐标，对消焰药作吸湿曲线图， 如图1。

图1 纳米有机钾盐A、K2SO4与消焰药的吸湿曲线

消焰剂的吸湿问题会影响装药性能的稳定，也是装药贮存和使用中的一大难题。作为一种理想的消焰剂，非但要有充分的消焰效果，而且配入火药后不能损害火药的化学安定性和药粒的物理均一性。K2SO4、纳米钾盐AK等消焰剂消焰效果明显，但是耐水性不太好，在配入火药时以晶体的形态分散其内，贮存中会吸潮，这些都会影响火药的物理均一性。本文制备的消焰药，7天的吸湿量小于0.15%，吸湿性较小，这是因为组分中的双基药片起到了包覆剂的作用，使消焰剂晶体不能与外界水分接触。将钾盐与粒状双基药片混合制备出含钾盐的新型消焰药，可解决常用消焰剂常温下吸潮的问题。

2.3 新型消焰药燃烧性能

通过密闭爆发器实验，得到SCTB发射药和消焰药两种试验样品的P-t曲线，如图2所示。

从图2的P-t曲线可以看出，消焰药燃烧初始阶段的压力曲线平缓，压力上升缓慢，制备出的消焰药样品燃烧稳定，对比SCTB主装发射药，消焰药达到最大压力的燃烧时间延长近9 ms。虽然消焰药的燃烧时间大于主装药，但和AK相比，由于配方中含有大量的双基药片，仍具有较快的燃烧速度和较好的燃烧渐增性。即燃烧速度和燃烧渐增性：主装药>消焰药>钾盐。发射装药中直接加入钾盐，钾盐燃烧较慢，燃气与钾盐混合分散时间较长，在膛内和膛口不能燃尽，钾离子的作用发挥不充分，且未燃尽钾盐在膛口的瞬态压力降作用下，燃烧将熄灭并形成燃烧残渣，在炮口产生烟雾。而在发射装药中加入消焰药，由于它具有较高的能量及较强的做功能力，在高温高压作用下，瞬间产生钾离子，缩短了燃气与钾盐混合分散时间， 更快地促使气相链锁反应的断裂，从而有较好的消除炮口焰的效果。和发射装药中直接加入纳米钾盐的添加方式相比，消焰药可以充分发挥钾离子的作用，充分体现AK粒度小的优点，燃烧速度快，钾盐分散均匀，消焰作用明显。

图2 消焰药和SCTB发射药的P-t曲线

2.4 消焰效果试验

以30 mm弹道炮为研究平台，SCTB发射药为主装药，消焰药部分替代主装药，进行消焰药消焰效果试验，试验结果如表5所示。

表5 消焰药消焰效果试验

2.5 发射装药内弹道性能影响试验

以30 mm某型号火炮为研究平台，SCTB发射药为主装药，将消焰药部分替代主装药，进行消焰药对发射装药的内弹道性能影响试验，其结果如表6所示。

从表5试验结果可以看出，发射装药中加入K2SO4、AK后，炮口火焰面积由5.6 m2降低至0.5 m2左右，降低幅度达90%。采用消焰药部分替代主装药后，火焰面积由5.6 m2降低至0.26 m2，降低幅度达95%。试验结果表明通过加入消焰药，大幅度降低了发射药装药火焰面积，有效抑制发射药装药的二次火焰。这是因为本文设计的消焰药，具有一定的做功能力和燃烧渐增性，在高温高压作用下，热分解过程得到了强化，瞬间产生钾离子，缩短了燃气与钾盐混合分散时间，更易形成高浓度KOH；而且消焰药始终位于装药的顶部，这样在发射过程中随着火药气体向前运动，消焰药受火药气体作用主要扩散到膛内火药气体流场的前端，在弹丸出炮口时，靠近弹尾较近的火药气体含消焰剂成分较多，使消焰剂功效得以充分地发挥，从根本上提高了消焰剂的利用效率。

内弹道试验结果表明，发射装药加入消焰剂K2SO4后，炮口火焰面积减小，抑制了装药的二次火焰，但膛压有增大趋势。而消焰药部分替代主装药，常温弹道性能基本不变，弹道跳差较小，低温时压力正常。说明消焰药对火炮内弹道性能无明显影响。

发射药装药中添加了钾盐可以明显减少炮口焰，但钾盐作为一种不含能量或含能量极低的物质装填人药室中必然会对发射装药的内弹道性能造成影响。王育维等认为，宏观层次，钾盐占据了一定的药室容积，由于药室容积的减少会使膛压升高；微观层次，钾盐随着火药气体的加热，气化形成气体分子，并与火药气体混合，增加了气体质量，也有增加膛压的趋势。而且钾盐提高膛压是在内弹道过程的前期作用明显，相当于提高了弹道起始膛压，最终表现结果是膛压上升较快，但弹丸初速增加不明显[10]。因此，可以说在发射装药添加钾盐会提高膛压，对弹道性能不利。本文设计的消焰药，具有燃烧渐增性，在发射过程中稳定燃烧，且具有一定的做功能力，可部分替代主装药。消焰剂产生的气体质量与替代主装药产生的气体质量相互抵消，因此内弹道压力正常，弹道性能基本不变。

3 结论

1) 和常用消焰剂相比，消焰药做功能力强，吸湿性小；

2) 消焰药部分替代主装药，大幅度降低了发射药装药的火焰面积，抑制了发射药装药的二次火焰，具有较好的消焰效果。

3) 消焰药燃烧性能稳定，常温下部分替代主装药后弹道跳差较小，低温下压力正常，对火炮内弹道性能无明显影响。

[1] 赵凤起，陈沛，杨栋,等.含钾盐消焰剂的硝化棉基钝感推进剂燃烧性能研究[J].火炸药学报,2000，23(1):10-13.

[2] 刘波，郑双，刘少武,等.消焰剂对降低枪口火焰效果的研究[J].含能材料，2012，20(1):21-24.

[3] 李军强，李笑江，刘鹏,等.消焰剂对硝胺推进剂性能的影响[J].含能材料，2010，18(18):290-294.

[4] 齐晓飞，李军强，张晓宏,等.含能钾盐消焰剂对硝胺改性双基推进剂性能的影响[J].含能材料，2013，21(3):334-338.

[5] 李强，闰光虎，严文荣,等.消焰剂对炮口烟焰的影响[J].四川兵工学报，2013，34(7):134-136.

[6] 陈斌，王琼林，姬月萍,等.偶氮四唑钾的合成表征及其对枪口烟焰的抑制[J].含能材料，2014，22(4):21-24.

[7] 陈斌,刘波,姬月萍,等.二羟基乙二肟钾在钝感发射药中的应用[J].火炸药学报,2014，37(4)：87-90.

[8] 刘波，王琼林，刘少武,等.一种低烧蚀高渐增性发射药的研究[J].含能材料，2011，19(5):565-568.

[9] 范文涛，赵宏立，靳建伟,等.应用数字图像技术测量炮口火焰的方法研究[J].火炸药学报,2015，38(1)：87-90.

[10]王育维,魏建国,郭映华,等.消焰剂对模块装药内弹道性能影响分析[J].火炮发射与控制学报,2009(4)：12-15.

(责任编辑 唐定国)

Performance Test on a New Flash Reducing PropellantContaining the Nanometer Organic Potassium Salt AK

HAN Bing, WANG Qiong-lin, YU Hui-fang, WEI Lun,LIU Shao-wu, ZHANG Yuan-bo, ZHENG Shuang

(Xi’an Modern Chemistry Research Institute, Xi’an 710065, China)

In order to reduce the area of the muzzle flash, a new flash reducing propellant containing nanometer organic potassium salt AK was prepared. The hygroscopicity, combustion performance, the effect on reducing muzzle flash and the interior ballistic performance of this flash reducing propellant were investigated. The experimental result shows that the flame area decreases by 95% when the flash reducing propellant is used. Comparing with common flash inhibitor, this flash reducing propellant has better effect on reducing muzzle flash, lower hygroscopicity, better combustion stability, and the interior ballistic performance is almost no change.

applied chemistry; flash inhibitor; muzzle flash; the nanometer potassium salt AK; flash reducing propellant; propellant

2016-11-26；

2016-12-28

陆军预研项目(3011110104)

韩冰(1982—)，男，硕士，副研究员，主要从事发射药配方及工艺研究。

王琼林(1966—)，男，研究员，博士生导师，主要从事发射药装药技术研究。

10.11809/scbgxb2017.04.034

韩冰，王琼林，于慧芳，等.一种含纳米钾盐的新型消焰药性能测试[J].兵器装备工程学报，2017(4):160-163.

format:HAN Bing, WANG Qiong-lin, YU Hui-fang, et al.Performance Test on a New Flash Reducing Propellant Containing the Nanometer Organic Potassium Salt AK[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(4):160-163.

TJ55;TQ562

A

2096-2304(2017)04-0160-04