提高新型高能发射药力学性能研究

2013-12-10姚月娟王锋张远波魏伦于慧芳

计测技术 2013年1期

姚月娟，王锋，张远波，魏伦，于慧芳

(西安近代化学研究所，陕西西安710065)

0 引言

随着火炮向高膛压的方向发展，对发射药性能尤其是力学性能提出了较高的要求。发射药的力学性能是保证火药稳定燃烧的重要指标之一，力学性能的优劣直接关系到火炮射击过程中的安全性能。目前武器上使用的发射药主要有单基发射药、双基发射药、三基发射药以及硝胺发射药等。发射药是以高分子化合物硝化棉为主要粘结剂，非爆炸性或爆炸性增塑剂为增塑体系，并添加一定量高能固体炸药组成的特种高分子材料［1］。新型高能发射药是在高能发射药RGD7的基础上，添加了新的粘结材料来改善RGD7 发射药的力学性能。该药是近年研制成功的一种综合性能优良的新型发射药，该发射药具有能量高、强度较好、燃烧性能基本稳定的特征，适用于大口径压制兵器，具有良好的应用前景。

本文设计了两种不同含氮量的高能高强度发射药样品，研究了硝化棉的含氮量对发射药的力学性能的影响，尤其是对低温力学性能的影响。

1 发射药样品

1.1 发射药样品的制备

试验用发射药样品为A 和B，采用半溶剂工艺制备，两个样品的硝化棉的含氮量不同，其中样品A 硝化棉的含氮量为12.8%，样品B 硝化棉的含氮量为12.6%，样品中其它组成及药型尺寸保持一致。

1.2 样品的中止燃烧实验

中止燃烧实验装置见图1［2］。药品散装于药室中，药室容积为120 mL，样品装填量为10 g，以自制电底火点火，中止压力约为35 MPa。

图1 中止燃烧装置图

1.3 力学性能测试

发射药的机械强度试验包括抗压强度和抗冲强度。抗压强度试验采用压缩法，按GJB770B －2005 －415.1执行;抗冲强度试验采用简支梁法，按GJB770B －2005 －417.1 规定执行。

2 实验结果与讨论

2.1 中止燃烧实验

将两种发射药样品，分别用扫描电镜观察其微观结构，结果见图2。

通过扫描电镜对不同样品的燃烧表面情况进行观察，样品A 燃烧表面出现凹凸不平，分布着大量直径在5 ～30 μm 的凹坑，燃烧表面有大量固体物料晶体存在。凹坑的直径和RDX 的粒径基本相当，分析认为是RDX 爆燃或脱落基体药后所造成。燃烧表面上大量微坑的存在，增大了发射药的燃烧表面积，发射药燃烧时一定程度上偏离几何燃烧规律。样品B 中止燃烧表面为连续熔融层构成，熔融层表面无明显的凹坑和固体物料析出。

图2 不同样品中止燃烧表面的SEM 图

2.2 机械强度试验

表1、表2 为两种不同含氮量的高能高强度发射药样品在不同温度下的抗压、抗冲强度实验数据。

表1 发射药样品的抗压强度

表2 发射药样品的抗冲击强度

试验数据表明改变发射药样品中硝化棉的含氮量，发射药的抗压、抗冲强度均有所增大;随着硝化棉含氮量的增加，发射药的力学性能有所降低。主要原因是:采用半溶剂法制备的发射药样品，在压伸成型过程中硝化棉大分子被沿轴向取向［3］。发射药在冲击试验中，受力方向垂直于硝化棉高分子链的排列方向，则发射药的断裂表现为化学键的断裂和范德华力、氢键的破坏。此外，当硝化棉的羟基基团被硝酸酯基基团取代后，硝化棉分子链间的氢键减少了，氢键间的作用力以及硝化棉分子链间的范德华作用力也在减弱。在发射药在受到外力作用时，由于硝化棉分子链间作用力的减弱，分子链之间容易被破坏，宏观上表现为发射药力学强度的降低［4］。

当环境温度为－40 ℃时，硝化棉含氮量为12.6%的新型高能发射药比硝化棉含氮量为12.8% 的发射药的抗压强度和抗冲击强度有所提高。该结果表明改变硝化棉含氮量可以提高发射药的低温力学性能。分析其原因:一方面是由于含氮量12.6%的硝化棉分子分布比较均匀，聚合度较大，塑化性能较好，有利于提高发射药的机械力学性能;另一方面，随着发射药中硝化棉含氮量降低，硝酸酯基的数量在减少，这样硝化棉中的端羟基较容易与发射药配方中固体填料的极性氧原子形成氢键，从而提高了硝化棉与固体材料的结合能力，改善发射药的力学性能。