許燦啟，楊建興，楊偉濤，焦旭英

(西安近代化學研究所， 陜西 西安 710065)

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泡孔結(jié)構(gòu)對泡沫發(fā)射藥燃燒性能的影響

許燦啟，楊建興，楊偉濤，焦旭英

(西安近代化學研究所， 陜西 西安 710065)

摘要：通過配方調(diào)節(jié)與工藝控制得到3種不同結(jié)構(gòu)的泡沫發(fā)射藥，討論了泡孔結(jié)構(gòu)形成的影響因素；采用密閉爆發(fā)器實驗和恒壓燃速測試實驗研究了不同結(jié)構(gòu)泡沫發(fā)射藥的燃燒性能。結(jié)果表明，控制氣體生成速率、添加RDX顆粒、調(diào)節(jié)NC含氮量和發(fā)泡時間能夠有效控制泡沫發(fā)射藥的泡孔結(jié)構(gòu)；皮芯結(jié)構(gòu)泡沫發(fā)射藥具有漸增燃燒特性，發(fā)泡區(qū)的動態(tài)活度可達不發(fā)泡皮層的2.4倍以上；獨立泡孔結(jié)構(gòu)的泡沫發(fā)射藥在100MPa下燃速可達未發(fā)泡樣品的30倍；非獨立孔隙結(jié)構(gòu)的泡沫發(fā)射藥不同方向上的燃速差異顯著，密度為1.37g/cm3的樣品100MPa下軸向燃速最高可達3.860m/s。

關鍵詞：泡沫發(fā)射藥；燃燒性能；泡孔結(jié)構(gòu)；化學發(fā)泡；密閉爆發(fā)器實驗

引 言

隨著新概念裝藥技術如隨行裝藥技術、無殼彈裝藥技術、變?nèi)妓侔l(fā)射藥技術的發(fā)展，對發(fā)射藥的燃速和能量釋放規(guī)律也提出了新的要求[1-3]。泡沫發(fā)射藥中存在預先制成的多孔狀或多孔隙結(jié)構(gòu)，燃燒時部分高溫高壓氣體產(chǎn)物透入到孔隙中，點燃孔隙壁，形成對流燃燒，瞬間燃燒面積和能量傳遞強度都遠遠超出常規(guī)發(fā)射藥平行層燃燒的狀況[4]，因而具有獨特的燃燒性能。制備泡沫發(fā)射藥的材料和工藝多種多樣，不同的高能填充物、含能黏結(jié)劑、孔隙結(jié)構(gòu)決定了泡沫發(fā)射藥的燃燒特性。因此，可以根據(jù)不同的應用需求制備具有相應燃燒特性的泡沫發(fā)射藥[5]。

國內(nèi)外學者對泡沫發(fā)射藥開展了一系列研究。J.B?hnlein-Mauβ等[6]采用反應注射成型工藝制備了泡沫發(fā)射藥，采用密閉爆發(fā)器研究了RDX尺寸、黏合劑、樣品密度、氣泡體積、氣泡直徑等對樣品燃速的影響；郭長平等[7]研究了改變藥型、以不同鹽溶液為內(nèi)水相和化學發(fā)泡法制備微氣孔球扁藥的方法，通過測量堆積密度和掃描電鏡觀察藥粒剖面結(jié)構(gòu)等手段表征孔隙率和孔結(jié)構(gòu)，結(jié)果表明3種方法均能有效控制微氣孔球扁藥中的通孔結(jié)構(gòu)；馬忠亮等[8]研究了發(fā)泡工藝條件對無殼彈發(fā)射藥燃燒性能的影響，認為其燃燒過程為“破碎燃燒”；應三九等[1]研究了超臨界CO2制備微孔結(jié)構(gòu)發(fā)射藥，采用密閉爆發(fā)器和中止燃燒實驗研究了并孔發(fā)射藥的燃燒性能，結(jié)果顯示這種微孔發(fā)射藥的燃燒方式為透氣性對流燃燒。由于不滿足幾何燃燒定律，泡沫發(fā)射藥的形狀函數(shù)失去意義，因此泡沫發(fā)射藥燃速的表征成為難題，目前的研究一般通過最大燃氣生成猛度[6]、表觀燃速[8]、燃燒時間[1]等數(shù)據(jù)的對比進行評價，但這些方法都不能可靠地對發(fā)射藥燃速進行定量描述。

不同結(jié)構(gòu)的泡沫發(fā)射藥燃燒性能差異顯著，對泡沫發(fā)射藥的結(jié)構(gòu)控制是實現(xiàn)其燃燒性能調(diào)控的重要途徑。本研究通過配方調(diào)節(jié)與工藝控制制備了不同結(jié)構(gòu)的泡沫發(fā)射藥，采用密閉爆發(fā)器實驗和恒壓燃速測試實驗研究了不同結(jié)構(gòu)泡沫發(fā)射藥的燃燒性能。

1實驗

1.1材料及儀器

吸收藥片(NC+NG+DIANP+C2)、雙芳-3標準藥、硅橡膠，西安近代化學研究所；RDX，5類，甘肅銀光化學工業(yè)集團有限公司；乙醇，分析純，西安化學試劑廠；乙酸乙酯，分析純，成都市科隆化工試劑廠；有機發(fā)泡劑A，市售化學品。

捏合機，2.5L，陜西盛源機械有限公司；油壓機，63T，天津市天鍛壓力機有限公司；101-2烘箱，上海安競生物科技有限公司；DMC-FZ40照相機，日本松下電器產(chǎn)業(yè)株式會社。

1.2樣品制備

將配方各組分和溶劑加入捏合機捏合；使用油壓機將捏合好的藥團壓制成實心藥條；將藥條切成合適長度，放入烘箱中發(fā)泡；發(fā)泡完成后按常規(guī)工藝條件驅(qū)除剩余溶劑。

樣品配方及性能見表1。密度由GJB770B-2005方法401.2密度液體靜力稱量法測出，皮層厚度通過測量放大10倍的樣品剖面照片獲得。

表1　泡沫發(fā)射藥配方及性能

注：w(N)為硝化棉的含氮量;d為皮層厚度。

制備的樣品軸向和徑向剖面照片如圖1所示。根據(jù)樣品泡孔結(jié)構(gòu)特點，可分為3種類型。樣品1～樣品3內(nèi)層發(fā)泡充分，外層不發(fā)泡形成皮層，且分界明顯，稱此類泡孔結(jié)構(gòu)為皮芯結(jié)構(gòu)[1]；樣品4和樣品5中泡孔呈球形、橢球形，且大部分泡孔彼此獨立，稱為獨立泡孔結(jié)構(gòu)；樣品6中無法觀察到典型球形、橢球形泡孔，可以看到不規(guī)則排布的條狀孔隙結(jié)構(gòu)，稱為非獨立孔隙結(jié)構(gòu)。

圖1　不同泡孔結(jié)構(gòu)的泡沫發(fā)射藥照片F(xiàn)ig.1　Photos of foamed gun propellants with different pore structures

1.3密閉爆發(fā)器實驗

藥室體積108cm3，裝填密度0.12g/cm3，試驗溫度20℃，壓力傳感器精度0.005MPa，采樣間隔0.05ms，點火藥為2號NC、裝藥質(zhì)量1.1g，點火壓力10MPa，樣品均為圓柱形藥柱，長度40mm，在密閉爆發(fā)器中測試樣品的定容燃燒性能。

1.4恒壓燃速測試試驗

恒壓燃速測試試驗所使用的試驗裝置和傳感器與密閉爆發(fā)器實驗相同。使用雙芳-3標準藥將試驗壓力維持在100MPa左右，測試樣品在此壓力下的燃速。為使待測樣品穩(wěn)定線性燃燒，用硅橡膠對其進行阻燃包覆處理，待測樣品長度22mm，樣品包覆結(jié)構(gòu)示意圖見圖2。

圖2　硅橡膠包覆樣品結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2　Schematic diagram of sample coated bysilicon rubber

由于進行了阻燃包覆，樣品的燃燒過程可視為一維線性燃燒，通過p-t曲線讀取出待測樣品的燃燒時間Δt，樣品平均線燃速表示為

v=L/Δt

(1)

式中：v為平均線燃速，m/s；L為待測樣品長度，mm；Δt為待測樣品燃燒時間，ms。

2結(jié)果與討論

2.1泡孔結(jié)構(gòu)的影響因素

2.1.1氣體生成速率的影響

發(fā)泡劑遇熱分解生成氣體產(chǎn)物，含量越高則發(fā)泡過程中氣體生成速率越大、總產(chǎn)氣量越多。結(jié)合表1與圖1可看出，在不含RDX的體系中，隨著發(fā)泡劑含量由樣品1的1%增加到樣品3的6%，樣品中的氣泡數(shù)量、分布均勻性得到提高，不發(fā)泡皮層厚度從1.3mm減小到0.7mm，樣品密度則由1.35g/cm3降低到0.79g/cm3。在含RDX的體系中，發(fā)泡劑含量不同的樣品4與樣品5也表現(xiàn)出了相同規(guī)律。說明氣體生成速率的提高有利于改善泡沫發(fā)射藥的發(fā)泡效果。但在配方中添加過高的發(fā)泡劑會導致發(fā)射藥能量和密度降低。

2.1.2添加RDX的影響

結(jié)合表1和圖1，對比樣品1與樣品4、樣品2與樣品5，可以看出在相同的發(fā)泡劑含量下，含有RDX配方的樣品氣泡密度顯著增加，氣泡大小更加均勻、分布均勻性更好，邊緣不發(fā)泡皮層減小，樣品密度比不含RDX的更低。這是由于未加入RDX時，成核過程為均相成核，加入RDX后為異相成核，發(fā)泡劑分解的氣體分子首先在添加劑的界面處聚集，成核的能壘遠低于均相成核。

2.1.3硝化棉含氮量的影響

在樣品5配方的基礎上提高硝化棉含氮量，得到樣品6。結(jié)合圖1(f)與表1數(shù)據(jù)可看出，樣品6幾乎沒有典型球形或橢球形氣孔，密度從0.97g/cm3提高至1.37g/cm3，從不同方向上觀察，能夠發(fā)現(xiàn)其軸向與徑向結(jié)構(gòu)存在顯著差異，孔隙結(jié)構(gòu)沿軸向排布，說明樣品6是一種軸向透氣性更好的非獨立孔隙結(jié)構(gòu)泡沫發(fā)射藥。分析認為，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是在含氮量較高的配方中，增塑劑和工藝溶劑對硝化纖維的溶塑能力較低，硝化纖維分子運動能力較差，在氣泡成長的過程中無法形成典型形貌的泡孔。

2.1.4 發(fā)泡時間的影響

不同發(fā)泡時間的樣品照片如圖3所示，發(fā)泡時間越長，氣泡尺寸越大；氣泡尺寸的進一步擴大會導致氣泡相互連通形成并孔。

圖3　不同發(fā)泡時間的樣品照片F(xiàn)ig.3　Photos of foamed gun propellants underdifferent foaming time

2.2泡孔結(jié)構(gòu)對發(fā)射藥定容燃燒性能的影響

2.2.1 皮芯結(jié)構(gòu)的影響

樣品1～樣品3的密閉爆發(fā)器實驗結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，樣品3壓力升至最大的時間最短，但樣品3升壓速率穩(wěn)定，dp/dt在0.5ms以后即達到了25MPa/ms以上，且變化不大，說明該樣品燃速最快，且燃燒過程穩(wěn)定、皮層作用不明顯。樣品1和樣品2的升壓速率變化情況相似，可分為兩段：燃燒前期穩(wěn)定在約5MPa/ms的低位，經(jīng)過一段時間后突然增大到25MPa/ms以上。說明燃燒過程中燃氣釋放速率發(fā)生了顯著變化，這是因為樣品1和樣品2表面不發(fā)泡皮層較厚，燃燒開始時，不發(fā)泡皮層按幾何燃燒定律以較慢的燃速燃燒，當燃燒面進入發(fā)泡區(qū)時，燃燒規(guī)律轉(zhuǎn)化為對流燃燒[2]，燃氣釋放速率大幅提升；樣品1的燃速轉(zhuǎn)換點出現(xiàn)得比樣品2晚，這是由于樣品1的不發(fā)泡皮層較厚。從L-B曲線可以看出，動態(tài)活度[9]在不發(fā)泡皮層燃燒階段逐漸下降，進入發(fā)泡區(qū)時出現(xiàn)轉(zhuǎn)折并迅速增大，樣品1、樣品2的動態(tài)活度分別從轉(zhuǎn)折點的0.58、0.93MPa-1/s增至1.40、2.52MPa-1/s，其燃氣釋放規(guī)律與按序開裂桿狀裝藥(PSS)[2]相似。說明不發(fā)泡皮層的存在使發(fā)射藥具備了漸增燃速特性，通過控制樣品不發(fā)泡皮層的厚度，可以控制燃氣釋放規(guī)律，實現(xiàn)漸增性燃燒。

圖4　樣品1～樣品3的密閉爆發(fā)器試驗曲線Fig.4　Curves of samples 1-3 obtained by closed bomb test

2.2.2 獨立泡孔結(jié)構(gòu)

樣品4～樣品6的密閉爆發(fā)器試驗曲線如圖5所示。由圖1可見樣品4與樣品5的泡孔尺寸相當，外徑略小，但由圖5(a)可看出樣品4的燃燒時間卻遠大于樣品5。這是因為樣品5中的泡孔密度更大，樣品密度較小。說明獨立泡孔密度的提高有利于泡沫發(fā)射藥燃速的提高。

2.2.3非獨立孔隙結(jié)構(gòu)

樣品6直徑較小，通過燃燒時間難以比較其燃速，按常規(guī)發(fā)射藥燃速計算方法，帶入形狀函數(shù)可將p-t曲線轉(zhuǎn)換為圖5(b)所示的u-p曲線，讀取100MPa時的燃速值，可得樣品4～樣品6燃速分別為1.113、1.990和1.001m/s。

2.3泡孔結(jié)構(gòu)對發(fā)射藥燃速的影響

表2為100MPa時發(fā)射藥樣品的恒壓燃速測試結(jié)果。

圖5　樣品4～樣品6的密閉爆發(fā)器實驗曲線Fig.5　Curves of samples 4-6 obtained byclosed bomb test

樣品編號m/gL/mmΔt/msv/(m·s-1)40.92227.602.89550.98226.053.63660.59225.703.860

由表2可知，恒壓燃速測試結(jié)果與圖5(b) u-p曲線獲得的燃速結(jié)果有顯著差異，這是由于p-t曲線轉(zhuǎn)換為u-p曲線時帶入的形狀函數(shù)建立在幾何燃燒定律的基礎上，與泡沫發(fā)射藥的燃燒規(guī)律不符，實驗結(jié)果證明常規(guī)密閉爆發(fā)器實驗已不適用于泡沫發(fā)射藥的燃速測試。

根據(jù)文獻數(shù)據(jù)[10]，100MPa下含RDX的疊氮硝胺發(fā)射藥未發(fā)泡配方燃速約為0.12m/s，含有獨立泡孔結(jié)構(gòu)的樣品5燃速提高到了基礎配方的約30倍，說明化學發(fā)泡可以極大地提高發(fā)射藥燃速，使其具備超高燃速特征。

樣品6直徑僅為樣品5的63.6%，密閉爆發(fā)器實驗中樣品6燃燒時間是樣品5的1.2倍。說明樣品6的燃速遠比樣品5慢，這與表2所示結(jié)果不符。密閉爆發(fā)器實驗中樣品6長徑比大于8，可以認為密閉爆發(fā)器實驗中燃燒時間取決于徑向燃速，而恒壓燃速測試實驗的燃速為軸向燃速，燃速趨勢不一致，說明樣品6燃速在不同方向上具有顯著差異。樣品6密度比樣品5高約40%，軸向燃速相近，這是由于樣品6具有非獨立孔隙結(jié)構(gòu)，高溫燃氣更容易進入樣品內(nèi)部，從而獲得更高的燃速。這一情況表明發(fā)射藥內(nèi)部的透氣性是影響泡沫發(fā)射藥燃速的主要因素，具備超高燃速特征的泡沫發(fā)射藥也可以具有較高的密度。

3結(jié)論

(1)控制氣體生成速率、添加RDX顆粒、調(diào)節(jié)NC含氮量和發(fā)泡時間能夠有效控制泡沫發(fā)射藥的泡孔結(jié)構(gòu)。

(2)皮芯結(jié)構(gòu)泡沫發(fā)射藥具有漸增燃速特性，動態(tài)活度在不發(fā)泡皮層燃燒階段逐漸下降，進入發(fā)泡區(qū)時出現(xiàn)轉(zhuǎn)折并迅速增大，動態(tài)活度增加到轉(zhuǎn)折點的2.4倍以上，燃氣釋放規(guī)律與按序開裂桿狀裝藥(PSS)相似，可以通過不發(fā)泡皮層厚度的控制實現(xiàn)所需的燃氣釋放規(guī)律。

(3)獨立泡孔結(jié)構(gòu)泡沫發(fā)射藥具有超高燃速特征，100MPa下燃速由未發(fā)泡樣品的約0.12m/s增加到3.636m/s。非獨立孔隙結(jié)構(gòu)泡沫發(fā)射藥不同方向上的燃速具有顯著差異，在密度為1.37g/cm3時發(fā)射藥軸向燃速可達3.860m/s。

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Effect of Pore Structure on Combustion Performance of Foamed Gun Propellants

XUCan-qi，YANGJian-xing，YANGWei-tao，JIAOXu-ying

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

Abstract:Threekindsoffoamedgunpropellantswithdifferentstructureswereobtainedbydifferentformulationsandprocessconditions.Thefactorsaffectingtheformationofporestructurewerediscussed,andthecombustionperformancesoffoamedgunpropellantswithdifferentstructureswerestudiedbyclosedbombtestandconstant-pressureburningratetest.Theresultsshowthatcontrollingthegasgenerationrate,addingRDXparticles,adjustingnitrogencontentofNCandfoamingtimecaneffectivelycontroltheporestructureofthefoamedgunpropellant.Thefoamedgunpropellantwithskin-corestructurehasprogressivecombustioncharacteristics.Thedynamicactivityoffoamedcoreis2.4timeshigherasunfoamedskin.Theburningrateoffoamedgunpropellantwithindependentporesis30timesmorethanunfoamedoneatthepressureof100MPa.Theburningrateondifferentdirectionsoffoamedgunpropellantwithnon-independentporestructurehassignificantdifference,andtheaxialburningrateofthegunpropellantwithadensityof1.37g/cm3is3.860m/sat100MPa.

Keywords:foamedgunpropellant;combustionperformance;porestructure;chemicalfoaming;closedbombtest

DOI：10.14077/j.issn.1007-7812.2016.03.020

收稿日期:2015-11-05；修回日期:2016-01-19

基金項目:總裝備部“十二五”預研項目

作者簡介:許燦啟(1987-)，男，從事發(fā)射藥配方與工藝研究。E-mail:canqixv@126.com

中圖分類號：TJ55;TQ562

文獻標志碼：A

文章編號：1007-7812(2016)03-0101-05