硝化纤维素含氮量对发射药力学性能的影响

2019-08-03胡向明黄振亚解德富宋亚苹

火炸药学报 2019年3期

胡向明，黄振亚，解德富，宋亚苹

(南京理工大学化工学院，江苏南京 210094)

引言

随着火炮发射装药向高装填密度、高膛压和高初速方向发展，对使用过程中的安全性提出了更高的要求。研究认为[1-2]，粒状发射药在高膛压下出现破碎，影响发射药的燃烧规律，引起膛压异常升高。为了满足发射药在高膛压下的安全使用要求，研究人员致力于改善高能发射药的力学性能，尤其是其低温力学性能[3-4]。张邹邹等[5]系统研究了温度对发射药动态力学性能的影响，温度高于0℃时，发射药主要发生塑性形变，随着温度降低，发射药受外力冲击时逐渐变为脆性断裂；杨建兴等[6]通过改变RDX粒度，改善硝胺发射药的低温力学性能；张远波等[7]利用万能材料试验机，研究NC基高能发射药的低温抗冲击强度，黏结剂含氮量降低、增塑剂ZSJ-X含量增加、填料粒度降低都有助于提高发射药的低温抗冲击强度。

本研究通过调节实验配方中NC的含氮量，制备3种不同含氮量的均质发射药样品和非均质发射药样品，通过动态热机械分析试验、简支梁冲击试验、落锤撞击试验结合密闭爆发器燃烧试验，系统研究NC含氮量对发射药力学性能的影响规律，以期改善高能发射药的低温力学性能。

1 实验

1.1 材料与仪器

以硝化纤维素(NC)、硝化甘油(NG)、1,5-二叠氮基-3-硝基-3-氮杂戊烷(DA)为主要组分的吸收药片；黑索金(RDX)，d50=10μm。

DMA Q800型动态热机械分析仪、DMA Q800型动态热机械分析仪，美国TA公司；低温试验箱，上海和呈仪器制造有限公司；简支梁冲击试验机，摆锤质量为2kg，常州德杜精密仪器有限公司；落锤撞击装置，落锤质量5kg，落高0～100cm，扬州市源峰检测设备有限公司。

1.2 发射药样品制备

设计制备火药力基本一致、爆温(3422±5)K的3种均质发射药和火药力基本一致、爆温(3502±5)K的3种非均质发射药，其中非均质试验样品中加入质量分数(20±5)%的RDX。表1为发射药样品配方。

表1 发射药样品配方Table 1 Formulations of gun propellant

1.3 性能检测

1.3.1 动态热机械分析

采用动态热机械分析仪，通过动态热机械分析试验，获得损耗模量随温度的变化规律。采用双悬臂梁夹具，测试样品为60mm×15mm×2mm的带状样，测试频率1Hz，振幅5μm，温度范围-60～80℃，升温速率2℃/min。

1.3.2 简支梁冲击试验

采用简支梁式摆锤法对发射药样品进行冲击试验测试其抗冲击强度。测试样品为长度60mm的18/1单孔管状药，每个样品一组平行试验7次，分别在0、-20和-40℃下恒温4h以上。

1.3.3 落锤撞击试验

采用落锤撞击试验，结合密闭爆发器试验，以破碎度表征发射药样品的落锤抗撞击性能。测试样品为长约13mm的18/19H粒状药，测试前对药粒进行端面处理，使其两端面齐整且与侧面垂直。每个样品一组平行试验5次，重复试验两组，分别在0、-20和-40℃下恒温4h以上，进行95cm落高撞击试验、并对-40℃恒温样品进行75cm落高撞击试验。收集撞击后的发射药样品与未经撞击试验的空白样品分别进行密闭爆发器试验，发射药装填密度为(0.19±0.01)g/cm3，点火药包为(0.5±0.0005)g的C级硝化棉，获得发射药燃烧的L—B曲线，再通过公式(1)计算样品受撞击后的破碎度(Cr)。即：

(1)

式中：Cr为样品受撞击后的破碎度；S0、ω0、L0分别为空白样品的初始燃烧面积、装药量和初始燃烧活度；Si、ωi、Li分别为撞击试验样品的初始燃烧面积、装药量和初始燃烧活度。

2 结果与讨论

2.1 均质发射药动态热机械分析

图1为样品LX-01、LX-02、LX-03的动态热机械分析曲线，反映了样品损耗模量(E″)随温度的变化情况。

图1 LX-01、LX-02和LX-03的DMA曲线Fig.1 DMA curves of LX-01,LX-02 and LX-03

α松弛是NC分子主链链段运动引起的，β松弛与NC分子侧基和NG等增塑剂分子发生联合运动相关[8]。由图1可以看出，LX-01样品在-44.55℃出现β松弛峰，LX-02样品与LX-03样品分别在-37.07℃和-36.01℃出现β松弛峰，随着温度升高，LX-02样品和LX-03样品在10～20℃发生α松弛，LX-01样品在30℃左右发生α松弛，在41.74℃出现α松弛峰，LX-03样品的α松弛峰虽然不明显，但其α松弛峰温度小于LX-01样品和LX-02样品。在低温段，NC分子主链处于冻结状态，受外力作用时，主要靠增塑剂小分子以及分子间键长和键角变化吸收能量，NC含氮量较低的发射药具有较低的β松弛峰，其低温力学性能较好，随着含氮量的增加，力学性能变差。温度逐渐升高，NC含氮量较高的发射药较早进入α松弛转变区，其力学性能较好。因此，LX-01样品的低温力学性能相对较好。

2.2 简支梁冲击性能分析

发射药样品的简支梁冲击性能测试结果如表2所示。

表2 发射药样品的简支梁抗冲击强度Table 2 Impact strength of gun propellant by simply supported beam pendulum impact test

由表2可以看出，对同一发射药样品，随着温度降低，发射药样品的简支梁抗冲击强度明显降低。NC含氮量对发射药简支梁抗冲击强度的影响与温度有关。在均质发射药体系中，随着NC含氮量增大，0℃条件下的抗冲击强度增大，-20℃条件下的抗冲击强度变化规律不明显，-40℃条件下的抗冲击强度明显降低。在非均质发射药体系中，随着NC含氮量增大，0℃和-20℃条件下的抗冲击强度变化规律不明显，-40℃条件下的抗冲击强度明显降低。可能是因为，NC含氮量较低时，NC分子含有较多的-OH，NC与RDX间氢键相对较多，界面间氢键结合起主导作用，随着NC含氮量增大，NC分子-OH减少，NC与RDX的氢键作用减弱，界面结合主要受脱湿影响。

2.3 撞击强度分析

图2为发射药样品在-40℃、95cm落高条件下落锤撞击后的表观形貌图。均质发射药品中，LX-03样品裂纹比较明显，其次为LX-02样品，LX-01样品相对较好。非均质药样品中，LX-07样品有鼓胀现象和裂纹，LX-08样品和LX-09样品破碎程度很大。

图2 发射药样品-40℃、95cm撞击后的表观形貌图Fig.2 Appearance graphs of gun propellant under -40℃and 95cm drop height

根据密闭爆发器所测得的燃烧压力曲线，采用公式(2)和(3)计算出动态燃烧活度L和相对压力B：

(2)

(3)

图3为发射药LX-07在不同落锤撞击条件下的L—B曲线，图4为各样品在-40℃、95cm落锤撞击条件下的L—B曲线。从图3可以看出，与未受落锤撞击的空白药相比，药粒温度越低、落高越高，初始动态燃烧活度越高，初始燃面越大。图4中，均质发射药和非均质发射药中，随着含氮量的增加，初始动态燃烧活度增大，但各样品的破碎情况还需和对应的空白样品进行比较。

由于L—B曲线存在明显的波动性，初始燃烧活度取单点数据存在很大的随机性，因此取初始燃烧阶段某一范围的平均值较为合理。但如果取值范围太大，发射药燃烧过多；取值范围太小则易受点火不一致性的影响，均不能真实反映发射药的初始燃烧表面积。根据数据处理分析，当相对压力B值为0.07时，发射药燃烧质量分数约为3%，可较好地反映发射药样品的初始燃烧情况。因此，本研究取B值为Bi～0.07范围内的L平均值作为初始燃烧活度(Bi为燃烧的起始相对压力)，计算处理得到发射药样品受撞击后的破碎度。

图3 LX-07样品不同撞击试验条件下的L—B曲线Fig.3 L—B curves of LX-07 sample under different impact test conditions

图4 各样品在-40℃、95cm撞击试验条件的L—B曲线Fig.4 L—B curves of each sample under -40℃and 95cm drop height

表3为均质发射药样品与非均质发射药样品落锤撞击性能检测的破碎度(Cr)结果。从理论上讲，破碎度数据等于1即表明发射药样品撞击试验前后的初始燃烧表面积不变。在0℃和-20℃条件下，部分破碎度数据出现小于1的现象，说明燃烧面积发生了变化，原因是发射药样品受落锤撞击作用后产生了明显的变形，外观呈腰鼓状、内孔缩小，导致初始燃烧面积减小。

由表3数据的变化规律可以看出，温度越低，各发射药样品受撞击后的破碎度越大，符合随着温度降低，发射药落锤撞击性能减弱的基本规律。NC含氮量对发射药落锤撞击强度的影响同样与温度有关。在均质发射药体系中，随着NC含氮量增大，0℃条件下的撞击破碎度减小，-20℃条件下的撞击破碎度变化规律不明显，-40℃条件下的撞击破碎度明显增大。在非均质发射药体系中，随着NC含氮量增大，0℃条件下的撞击破碎度变化规律不明显；-20℃和-40℃条件下的撞击破碎度明显增大。一方面，发射药NC含氮量较低时，NC的羟基含量增加、硝酸酯基团减少，与NG、DA增塑剂的塑化效果更好，更有利于与增塑剂以及RDX填料的极性氧原子发生氢键结合[9]；另一方面，NC含氮量较低时，NC分子链分布更加均匀，与RDX氢键结合更容易，发射药的低温落锤撞击性能较好。