撞击作用下螺压复合改性双基推进剂药片的响应

郑 伟，王江宁，宋秀铎，张佳钰，周 瑞，陈俊波，马亚楠

(1.西安近代化学研究所，陕西 西安 710065；2.西安北方秦川集团有限公司，陕西 西安 710032)

撞击作用下螺压复合改性双基推进剂药片的响应

郑 伟1，王江宁1，宋秀铎1，张佳钰2，周 瑞1，陈俊波1，马亚楠1

(1.西安近代化学研究所，陕西 西安 710065；2.西安北方秦川集团有限公司，陕西 西安 710032)

采用落锤仪研究了螺压复合改性双基(CMDB)推进剂药片在撞击作用下发生分解、燃烧或爆炸响应的临界值，获得了不同RDX含量、样品厚度及样品温度对推进剂在撞击作用下响应临界值的影响规律。结果表明，在推进剂中引入RDX不会增加推进剂对撞击刺激的敏感程度；RDX的质量分数为0～54.5%时，随着RDX含量的增加，推进剂药片对撞击刺激的敏感程度逐渐降低；样品厚度为1、2、3mm时，随着样品厚度的增加，推进剂药片对撞击刺激的敏感程度显著降低；推进剂在70℃时对撞击刺激比25℃时更加敏感。

螺压推进剂；复合改性双基推进剂；CMDB；螺旋压伸；RDX；撞击感度

引 言

螺压改性双基推进剂具有能量高、特征信号低、工艺成熟、易批量化生产等优点，被广泛应用于战术火箭弹或导弹。为了满足固体推进剂高能化的要求，增加配方中硝胺炸药的含量是螺压改性双基推进剂高能化的有效途径之一，目前硝胺的质量分数已达到46%～55%[1-2]。

随着配方中大量硝胺炸药的加入，推进剂的危险性与破坏性也逐渐增大。在高能螺压改性双基推进剂的生产过程中经常发生燃烧、燃爆事故[3]，因此，国内外对高能螺压改性双基推进剂的安全性进行了研究。印度波那大学高能材料研究室[4]研究了RDX含量变化对压伸推进剂撞击感度的影响。结果表明，随着RDX含量的增加，推进剂的撞击感度增大，但其RDX的质量分数不超过25%；刘所恩等[5]采用国军标的方法测试了硝胺质量分数为0～55.1%时螺压推进剂的撞击感度。结果表明，RDX的加入使螺压硝胺改性双基推进剂的撞击感度呈升高趋势；但当RDX质量分数增加到27%后，撞击感度稳定在一定的范围内。

螺压改性双基推进剂是在一定温度(实际加工工艺温度通常大于70℃)和压力条件下压制而成的，而国军标中规定撞击感度的测试样品为粉状，测试温度为常温[6]。测试样品的状态和测试温度的差异使得撞击感度实验结果无法真实地反映工艺过程中螺压推进剂在撞击作用下的响应规律。推进剂小药片的制备工艺过程接近实际加工处理过程，如果采用小药片进行不同温度条件下的撞击试验，其得出的结论对螺压推进剂生产过程工艺参数的选取将具有更加实际的指导意义。

本实验以不同固体含量的螺压改性双基推进剂为对象，研究了其在不同温度及不同样品厚度的条件下受到撞击作用时不发生爆炸、燃烧或分解的安全阈值的变化规律，为螺压推进剂物料在压延过程中主要控制工艺参数温度与双辊间隙的选择提供依据。

1 实 验

1.1 样品及仪器

硝化棉(NC)、硝化甘油(NG)，北方川安化学有限公司；二号中定剂(C2)，重庆长风化学有限公司；RDX，甘肃银光化学工业集团有限公司，D10、D50、D90分别为57、118和230μm。

水浴烘箱，南京理工大学，精度±2℃；气体浓度传感器，深圳安帕尔科技有限公司，量程0～1×10-4mg/L，精度0.1×10-6mg/L；撞击设备，西安民俊机电有限责任公司，设备参数：落锤高度定位精度为1mm，落锤质量为10kg，击柱的尺寸为Φ25mm×25mm。

1.2 推进剂样品的制备

推进剂配方如表1所示。

表1 推进剂配方

采用传统的双基推进剂制造工艺，经过吸收、驱水和光辊压延制备成厚度分别为1、2、3mm，尺寸为10mm×10mm的推进剂药片。

1.3 撞击实验方法

撞击设备原理与火药撞击感度的测试原理相同。撞击部位的结构如图1所示。

试验前设置好落锤的高度，将推进剂药片放置于击柱的中央部位，启动落锤后观察气体浓度监测仪的数值变化。如果其数值与撞击发生前气体浓度的差值不小于2×10-6mg/L，应判定为本次试验发生了分解；如果差值小于2×10-6mg/L，则判定本次试验未发生分解。如果推进剂药片发生了分解，则降低撞击高度(变化步长1cm)继续试验。如果样品未发生分解，则继续试验，共重复10次，重复试验中只要发生了一次样品分解，则继续降低撞击高度。如果10次撞击试验均没有发生分解，则认定该高度值为本样品的撞击刺激临界高度(H0)。

进行不同温度(25℃和70℃)条件下的撞击试验时，必须将击柱与样品同时放置于设定好温度的(水浴)烘箱中，恒温30min以上。每次撞击试验必须在20s内完成，若20s内未完成则需更换击柱与推进剂样品。

2 结果与讨论

2.1 RDX含量对改性双基推进剂撞击刺激临界高度的影响

RDX含量、样品厚度(d)与推进剂药片撞击刺激临界高度值(H0)的关系见图2。

由图2可知，添加RDX的推进剂药片比未添加RDX的推进剂药片对撞击刺激的敏感程度低。刘所恩等[5]对撞击感度的研究表明，RDX的加入使螺压推进剂的撞击感度增加，这与药片测试结果得出的结论刚好相反。

国军标中撞击感度的测试样品是粒径为0.20～0.45mm的粉末状药粒[6]，而本实验配方中所采用RDX的粒度D10、D50、D90分别为57、118和230μm。RDX的粒度接近撞击感度样品的粒度，大量RDX颗粒将从NC/NG黏结剂中分离出来。粉末状药粒撞击

感度测试结果表征的是NC/NG黏结剂与RDX简单混合物受撞击刺激后的测试结果，而不能从整体上反映RDX的引入对片状推进剂感度的影响。

由图2可知，随着RDX含量的增加，推进剂药片对撞击刺激的敏感程度逐渐降低。对聚合物材料的冲击试验表明，黏塑性变形可产生300～400℃的温升[7]。作为黏弹性材料的固体推进剂受到机械冲击时基体材料也会因黏性加热导致温度升高引起热点形成。 图3为厚度1mm的改性双基推进剂受到10kg落锤的撞击作用后样品形态的变化。由图3可知，推进剂在撞击作用下逐渐向四周平铺展开成圆形，发生了显著的形态变化。研究表明[8-9]，外侧面中心部位所受的剪切变形速率最大，因此黏性加热率也最大，热点往往在此处形成。从撞击试验后击柱上药片的形态看(见图4)，药片热点往往最先在侧边出现。

对受撞击后炸药样品电镜照片的研究表明[10]，撞击作用下基体发生了分解且炸药颗粒周围有熔化现象。随着推进剂配方中炸药含量的增加，一方面基体发生黏性形变，产生的热量一部分可能用于加热炸药颗粒从而导致热点形成所需要的刺激能增加；另一方面炸药颗粒对基体的分散作用也可能使得基体黏性发热量减小。

2.2 样品厚度对改性双基推进剂撞击刺激临界高度的影响

由图2可知，在RDX含量相同时，随着样品厚度的增加，推进剂小药片对撞击刺激的敏感程度也逐渐降低，且药片厚度的变化对撞击刺激临界高度的影响显著。当药片厚度为3mm、RDX质量分数大于45%时，推进剂的撞击刺激临界高度值增加显著。当RDX质量分数超过45%以后，基体变形黏性加热对材料的影响逐渐减小，因为高固体物料由于力学性能差，导致材料在撞击作用下不发生基体黏性变形，而是物料在冲击作用下发生了粉碎性的解体(见图5)，导致大部分的冲击能量都消耗或损失在击柱上，所以从测试的撞击刺激临界高度值上看，高固体物料对撞击的敏感程度降低。

分析认为，在物料厚度较小时，撞击能量大部分被基体所吸收，所以其对撞击刺激敏感性的差值(即不同固体含量推进剂撞击刺激临界高度之间的差值)相对较小；当物料较厚时，由于样品粉碎解体导致在击柱上消耗的能量大幅度增加。根据此现象推测，如果高固体含量推进剂的力学性能提高，片状样品的撞击刺激临界高度值将会下降。

2.3 温度对改性双基推进剂撞击刺激临界高度的影响

在撞击刺激作用下，70℃和25℃时，1mm厚的推进剂样品的撞击刺激临界高度测试结果如图6所示。

由图6可知，两种温度条件下，双基推进剂的撞击刺激临界高度值最小，而RDX的加入并未增加推进剂的撞击刺激临界高度值。同时，比较25℃和70℃时推进剂撞击刺激临界高度的测试结果可知，温度升高时，推进剂对撞击的敏感程度增加。这是因为温度升高导致推进剂基体发生黏性变形所需要的能量减少。

3 结 论

(1)添加RDX的推进剂小药片的撞击刺激临界高度值比未添加RDX的推进剂小药片的撞击刺激临界高度值更大，即在推进剂中引入RDX不会增加推进剂对撞击刺激的敏感程度。

(2)RDX的质量分数为0～54.5%时，随着RDX含量的增加，推进剂药片的撞击刺激临界高度值增加，即对撞击刺激的敏感程度逐渐降低。

(3)样品厚度为1～3mm时，随着样品厚度的增加，推进剂药片的撞击刺激临界高度值增加。

(4)比较70℃与25℃时推进剂的撞击刺激临界高度值可知，70℃时推进剂对撞击刺激更加敏感。

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ResponseofScrewExtrudedCompositeModifiedDouble-basePropellantPelletsunderImpactAction

ZHENG Wei1, WANG Jiang-ning1, SONG Xiu-duo1, ZHANG Jia-yu2, ZHOU Rui1, CHEN Jun-bo1, MA Ya-nan1

(1.Xi′an Modern Chemistry Research Institute, Xi′an 710065, China；2. Xi′an Beifang Qinchuan Group Co. Ltd., Xi′an 710032, China)

The critical values of decomposition, combustion or explosion response of screw extruded composite modified double-base (CMDB) propellant pellets occurred under impact action were investigated by a drop weight instrument and the influence rule of different mass fraction of RDX, thickness of sample and sample temperature on the critical values of response of propellant under impact action was obtained. Results show that introducing RDX into double-base propellant does not increase the sensitivity to impact stimulation of the propellant. When the mass fraction of RDX is 0-54.5%, with increasing the content of RDX, the sensitivity to impact stimulation of propellant pellets is gradually decreased. When the thickness of sample is 1,2 and 3mm, with increasing the thickness of sample, the sensitivity to impact stimulation of propellant pellets is significantly decreased. Compared with the sensitivity to impact stimulation of propellant at 25℃, the propellant at 70℃ to impact stimulation is more sensitive.

screw extruded propellant；composite modified double-base propellant；CMDB；screwed extrusion; RDX; impact sensitivity

TJ55

A

1007-7812(2017)05-0064-05

10.14077/j.issn.1007-7812.2017.05.012

2017-01-22；

2017-09-06

国防科工局火炸药专项

郑伟(1981-)，男，硕士，高级工程师，从事改性双基推进剂研究。E-mail:zhei_wei035991@163.com