尹 磊，史春紅，王麗霞，于國強(qiáng)，雷 玨，徐珉昊

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含KBH4點(diǎn)火藥的制備及其性能研究

尹 磊，史春紅，王麗霞，于國強(qiáng)，雷 玨，徐珉昊

（陜西應(yīng)用物理化學(xué)研究所，陜西 西安，710061）

為尋找新型高能環(huán)保點(diǎn)火藥，將KBH4作為新型點(diǎn)火藥的可燃劑，使用傳統(tǒng)機(jī)械混合法制備含粘合劑和不含粘合劑的點(diǎn)火藥，并對兩種含KBH4的點(diǎn)火藥的熱性能、爆熱、感度等進(jìn)行研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：含KBH4的新型點(diǎn)火藥輸出能量較高、相容性好，對火焰和靜電火花鈍感，加入氟橡膠有效地改善了藥劑機(jī)械感度和摩擦感度。

點(diǎn)火藥；KBH4；爆熱；感度

點(diǎn)火藥作為火工品中的首發(fā)裝藥，在常規(guī)武器、戰(zhàn)略武器和航天系統(tǒng)中有著極其重要的作用。貯氫材料是近年來研究的熱門材料[1-2]，國外將貯氫材料應(yīng)用于點(diǎn)火藥的研究比較早，如WALKER F E和WASLEY R J[3]發(fā)現(xiàn)含有ZrH2的點(diǎn)火藥較易點(diǎn)燃；Nakamura等人[4]研究發(fā)現(xiàn)TiH2/KClO4點(diǎn)火藥在常壓下燃燒是低熱反應(yīng)，但是當(dāng)增加壓力或添加硼粉后反應(yīng)熱就會提高。

配位氫化物類貯氫材料由于其質(zhì)量貯氫密度比較大、熱穩(wěn)定性好、燃燒產(chǎn)物無污染等優(yōu)點(diǎn)引起了國內(nèi)外廣泛的關(guān)注[5-7]，本文將選擇配位氫化物類貯氫材料KBH4作為新型高能點(diǎn)火藥的可燃劑，將其應(yīng)用于點(diǎn)火藥配方中，對未加入粘合劑和加入粘合劑的新型點(diǎn)火藥的熱分解、爆熱、感度等性能進(jìn)行研究。

1 新型點(diǎn)火藥配方設(shè)計與制備

1.1 新型點(diǎn)火藥配方設(shè)計

1.1.1原材料選擇

可燃劑的作用是燃燒時放出大量的熱并產(chǎn)生高溫，在燃燒時能生成低熔點(diǎn)、高沸點(diǎn)的氧化物，以形成灼熱殘渣，點(diǎn)火藥可燃劑的選擇原則是易于氧化。金屬硼氫化物KBH4貯氫含量較高、耐熱，在空氣中穩(wěn)定、不吸濕，通過理論計算發(fā)現(xiàn)KBH4燃燒能量高，滿足用于點(diǎn)火藥的貯氫材料的要求。所以，選擇KBH4作為新型高能點(diǎn)火藥的可燃劑。

選擇氧化劑時，首先應(yīng)考慮其中所含的可直接用于氧化可燃劑的氧量，即有效含氧量，KClO4和KNO3是常用的氧化劑，KClO4為白色粉末，熔點(diǎn)610℃，與KNO3相比吸濕性小、有效含氧量高，另外對熱、機(jī)械沖擊感度均比較鈍感，所以選擇KClO4作為氧化劑。

使用粘合劑的目的在于使煙火藥制品具有良好的機(jī)械強(qiáng)度，同時調(diào)節(jié)藥劑的燃燒速度，并改善和提高煙火藥物理化學(xué)安定性。實(shí)驗(yàn)中選擇的粘合劑為氟橡膠，氟橡膠含有強(qiáng)氧化元素氟，對藥劑的熱量輸出有利，同時氟橡膠的耐熱性能和良好彈性又可以提高藥劑的熱穩(wěn)定性和抗沖擊能力，氟橡膠化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定也有利于藥劑的貯存。

1.1.2新型點(diǎn)火藥配比

根據(jù)燃燒方程式建立的原則，理論上認(rèn)為新型點(diǎn)火藥按照以下方程式進(jìn)行燃燒反應(yīng)：

2KBH4+2KClO4→2KCl+K2O+B2O3+4H2O

經(jīng)計算可知，零氧平衡時新型點(diǎn)火藥的配比為：KBH4∶KClO4=27.8∶27.18。

1.2 新型點(diǎn)火藥的制備

本實(shí)驗(yàn)采用P4行星型球磨機(jī)濕法混合制備點(diǎn)火藥，制備工藝流程如圖1所示。

圖1 新型點(diǎn)火藥制備流程

將細(xì)化后的原材料KBH4和KClO4烘干，根據(jù)原材料配比分別稱取可燃劑和氧化劑，將稱好的可燃劑和氧化劑混合；將混合物倒入事先準(zhǔn)備好的粘合劑中，充分?jǐn)嚢?；把混合好的藥劑晾一定時間后造粒，將符合要求的藥劑收集烘干，放入干燥設(shè)備。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 形貌表征

使用掃描電鏡（SEM）對新型點(diǎn)火藥形貌進(jìn)行分析，圖2為新型點(diǎn)火藥SEM圖，其中圖2（a）為不含粘合劑的新型點(diǎn)火藥（以下簡稱KBK）SEM圖，圖2（b）為添加粘合劑氟橡膠的新型點(diǎn)火藥（以下簡稱KBK-F）SEM圖。

圖2 新型點(diǎn)火藥SEM圖

由圖2可以看出，兩種新型點(diǎn)火藥各組分的顆粒近似為球形，顆粒表面比較光滑，粒度分布較均勻。

2.2 新型點(diǎn)火藥DSC分析

使用差示掃描量熱法（DSC）來分析混合點(diǎn)火藥的熱分解性能，在氮?dú)獗Ｗo(hù)氛圍下，以10℃/min的升溫速率從常溫升溫至560℃，測量物質(zhì)的物理性質(zhì)與溫度的關(guān)系，圖3為新型點(diǎn)火藥的DSC曲線圖。

圖3 新型點(diǎn)火藥的DSC曲線圖

從圖3可以看出，KBK和KBK-F均在（382±4）℃時有1個明顯的放熱峰，這是點(diǎn)火藥的反應(yīng)峰，此峰面積較大，說明兩種新型點(diǎn)火藥反應(yīng)比較完全。KBK和KBK-F均在（303±1）℃時有1個明顯的吸熱峰，據(jù)文獻(xiàn)資料[8]知KClO4在290~310℃發(fā)生晶型轉(zhuǎn)變，由斜方形轉(zhuǎn)變?yōu)榱⒎叫?，說明在不含粘合劑和含粘合劑氟橡膠的新型點(diǎn)火藥中KClO4的晶型轉(zhuǎn)變溫度并未發(fā)生改變，KBH4、KClO4以及粘合劑間具有良好的相容性。

2.3 新型點(diǎn)火藥爆熱結(jié)果分析

爆熱是評價點(diǎn)火藥能量性能的常用參數(shù)，爆熱測定執(zhí)行GB J5891.29-2006標(biāo)準(zhǔn)，在抽真空的量熱彈內(nèi)進(jìn)行，引燃量熱彈內(nèi)的藥劑，以水為測溫介質(zhì)，在恒溫狀態(tài)下測定量熱計中內(nèi)桶水的溫升值，通過熱平衡原理求出藥劑的爆熱。表1為新型點(diǎn)火藥的爆熱結(jié)果。

表1 新型點(diǎn)火藥的爆熱結(jié)果

Tab.1 Explosion heat of new type ignition powder

由表1中數(shù)據(jù)對比分析可知，兩種新型點(diǎn)火藥爆熱均較高，接近理論計算值，說明點(diǎn)火藥各組分反應(yīng)較完全；氟橡膠含有強(qiáng)氧化元素氟，含氟量約為60%，對藥劑輸出能量有利，所以加入粘合劑氟橡膠的新型點(diǎn)火藥爆熱略高。

2.4 新型點(diǎn)火藥感度結(jié)果分析

感度是火工藥劑非常重要的特性，在點(diǎn)火藥的研制、生產(chǎn)、貯存及使用過程中，安全問題至關(guān)重要。本試驗(yàn)撞擊感度的測量執(zhí)行GJB 5891.22-2006標(biāo)準(zhǔn)，裝藥量20mg，錘重500g，測試50%發(fā)火高度；摩擦感度的測量執(zhí)行GJB 5891.24-2006標(biāo)準(zhǔn)，裝藥量20mg，擺角50°，壓力0.64MPa，測試發(fā)火率；測試火焰感度執(zhí)行GJB 5891.25-2006標(biāo)準(zhǔn)，裝藥量20mg，測試50%發(fā)火距離；靜電火花感度測量執(zhí)行GJB 5891.27- 2006標(biāo)準(zhǔn)，裝藥量20mg，測試50%發(fā)火能量，表2為兩種新型點(diǎn)火藥感度試驗(yàn)結(jié)果。

表2 新型點(diǎn)火藥感度試驗(yàn)結(jié)果

Tab.2 Results of sensitivity tests of new type ignition powder

從表2看出，加入粘合劑氟橡膠的新型點(diǎn)火藥KBK-F撞擊感度和摩擦感度較KBK鈍感；兩種新型點(diǎn)火藥均對火焰和靜電火花鈍感，KBK-F火焰感度較KBK鈍感。

對粘合劑而言，最早提出的粘合機(jī)理是機(jī)械結(jié)合理論，即液體狀的粘合劑流入并填充被粘物表面，一旦固化，粘合劑與被粘物便通過互相咬合而連接。現(xiàn)今較為普遍的吸附理論認(rèn)為：粘合作用是粘合劑與被粘物分子在界面層上相互吸附而產(chǎn)生的。氟橡膠彈性良好，將其作為粘合劑加入到新型點(diǎn)火藥配方中使點(diǎn)火藥具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度，降低了藥劑的機(jī)械感度。因此，KBK-F較KBK的撞擊感度和摩擦感度鈍感。

3 結(jié)論

（1）制備的新型點(diǎn)火藥粒表面比較光滑，粒度分布較均勻；（2）KBH4、KClO4以及粘合劑氟橡膠間具有良好的相容性，新型點(diǎn)火藥點(diǎn)火反應(yīng)比較完全、點(diǎn)火穩(wěn)定性較好；（3）KBK和KBK-F新型點(diǎn)火藥輸出能量較高；（4）兩種新型點(diǎn)火藥均對火焰和靜電火花鈍感；（5）氟橡膠的加入有效改善了點(diǎn)火藥的撞擊、摩擦感度，以及火焰感度。

[1] 賈乃濤,張旭東,任曉輝,等.貯氫材料研究進(jìn)展[J].山東輕工業(yè)學(xué)院學(xué)報,2007,21(4):54-57．

[2] 李秀華,許紅英,陳鵬.儲氫功能材料的研究進(jìn)展[J].河北化工, 2012,35(4):51-54．

[3] Franklin E. Walker，Richard J.Wasley．Zirconium hydride containing explosive composition:US,4304614[P].1981-12-08.

[4] Nakamura Hidetsugul, Beppu Shintaroul, Akiyoshi Miyakol. Thermal reaction and combustion of titanium hydride-boron- potassium perchlorate mixture[J]．Journal of the Japan Explosi- ves Society,1999,60(6):268-273．

[5] 吳朝玲,陳云貴,等.貯氫材料及貯氫技術(shù)的發(fā)展評述[C]//中國功能材料科技與產(chǎn)業(yè)高層論壇論文集.重慶:中國儀器儀表學(xué)會儀表材料分會,2011．

[6] 廖賽,張靜,丁德軍,等.新型輕質(zhì)儲氫材料-金屬鋁氫化物的研究進(jìn)展[J].稀有金屬,2012,36(3):483-490．

[7] 汪云華,王靖坤,趙家春.固體儲氫材料的研究進(jìn)展[J].材料導(dǎo)報,2011,25(5):120-124．

[8] 陳曉明,陳智輝,鄭林,等.高氯酸鉀復(fù)合火藥的燃燒物理模型[J].火炸藥學(xué)報,2008,31(5):84-86．

Research on Preparation and Performance of Ignition Powder Containing KBH4

YIN Lei，SHI Chun-hong，WANG Li-xia，YU Guo-qiang，LEI Jue，XU Min-hao

（Shannxi Applied Physics and Chemistry Research Institute，Xi'an，710061）

KBH4was selected as ignition powder combustible agent, the ignition powder with adhesive or without were prepared by traditional manufacturing process. DSC, explosion heat and sensitivity of the two ignition powder were characterized and analyzed. Test results indicated that explosion heat was higher, and they were insensitive to flame and electrostatic，the ignition powder with adhesive had lower impact sensitivity and friction sensitivity than that without adhesive.

Ignition powder；KBH4；Explosion heat；Sensitivity

TQ562

A

1003-1480（2014）02-0030-03

2014-02-19

尹磊（1988-），男，在讀碩士研究生，主要從事新型火工藥劑研制工作。