王玉姣，刘 杰，顾志明，郭效德，姜 炜，邓国栋

(南京理工大学 国家特种超细粉体工程技术研究中心，南京 210094)



AP粒度对其感度、推进剂燃烧速度及临界电子激发能的影响①

王玉姣，刘 杰，顾志明，郭效德，姜 炜，邓国栋

(南京理工大学 国家特种超细粉体工程技术研究中心，南京 210094)

研究了固体推进剂中氧化剂AP的平均粒度对其撞击感度和摩擦感度的影响，以及当AP加入改性双基推进剂中后，其平均粒度对改性双基推进剂燃烧速度的影响。揭示了影响AP撞击感度、摩擦感度以及推进剂燃烧速度的主要原因，即AP颗粒大小与引起其分解所需的临界电子激发能之间的关系。这对超细AP在推进剂中的安全合理应用具有重要指导意义。

高氯酸铵；粒度；感度；燃速；临界电子激发能

0 引言

AP是当前固体推进剂中的主要氧化剂，在复合推进剂中的含量高达80%以上[1-5]，其性能优劣对推进剂的性能起着决定性作用。新近研究表明，AP的颗粒大小对推进剂的燃烧性能、工艺性能及安全性能和力学性能等都有重大影响。通常随着推进剂中AP颗粒的减小，推进剂的燃烧速度大幅升高。但AP颗粒尺寸的减小往往会导致推进剂的浆料粘度升高、工艺性能变差，工艺过程的安全性变差，生产中经常发生事故[6]，尤其是在推进剂浆料捏合过程中易发生燃爆事故，造成机毁人亡，这类安全事故国内外时有报道。超细AP在推进剂中应用的安全问题是当今国内外研究者正在全力研究攻克的难题。

南京理工大学国家特种超细粉体工程技术研究中心自20世纪80年代中期，就致力于超细AP的制备及在固体推进剂中的应用性能研究。目前，已成功大批量制备出了微米、亚微米及纳米级超细AP，并已实现工业化生产，超细AP产品已分别用于高燃速推进剂及混合炸药。正如前文所述，国内外在超细AP的应用中都曾多次发生安全事故。为了揭示出AP颗粒大小对其感度、推进剂燃速影响的内在原因，本文系统研究了不同尺寸AP颗粒的撞击感度、摩擦感度及其对推进剂燃烧速度的影响和对引起其发生分解所需的临界电子激发能的影响。通过上述研究寻找出了影响超细AP颗粒撞击感度、摩擦感度及推进剂燃速的内在原因，这对超细AP的合理安全应用具有重要指导意义。

1 实验

1.1 样品准备

实验中共选用了6种不同尺寸的AP样品，1号AP样品(原料)，d50=62.1 μm(由大连北方氯酸钾厂生产)；其余5个样品均为由1号样品采用南京理工大学国家特种超细粉体工程技术研究中心研制的GQF-1流能粉碎机制备获得，产品的纯度、晶型与1号AP完全相同，表面未经任何修饰处理，其中，2号AP样品d50=43.3 μm，3号AP样品d50=25.4 μm，4号AP样品d50=15.1 μm，5号AP样品d50=5.3 μm，6号AP样品d50=1.7 μm。

1.2 撞击感度测定

按国军标GJB 770B—2005方法601.2进行撞击感度测试。

1.3 摩擦感度测定

按国军标GJB 770B—2005方法602.1进行摩擦感度测试。

1.4 燃速测定

按国军标GJB 770B—2005方法706.1，对含有不同粒度级别AP的改性双基推进剂样品进行燃速测试。

1.5 AP颗粒分解的临界电子激发能测定

采用日本Hitachi公司S-4800 Ⅱ型扫描电子显微镜研究不同AP样品临界电子激发能。不同尺寸的单个AP颗粒(非颗粒群)在电子能激发下，AP颗粒开始发生分解时所接受到的电子能，定义为引起该AP颗粒发生分解所需的临界电子激发能。

2 结果与讨论

2.1 AP的颗粒大小对其撞击、摩擦感度的影响

总之，科研工作中如何与团队中的研究成员进行有效的沟通是一门艺术，通过哈佛管理导师的课程，学到了很多积极有效的沟通手段，也深刻剖析了自己曾经所犯的错误。相信在未来的工作中，这门课程会帮助我正确化解沟通矛盾，有效说服他人，最后获得积极的工作成果。

不同粒度级别的AP样品(颗粒群的平均粒径d50分别为62.1、43.3、25.4、15.1、5.3、1.7 μm，各种样品的粒度分布均为正态分布)，其撞击感度和摩擦感度测试结果分别如图1所示。

从图1可知，随AP颗粒群的平均粒径d50的减小，其撞击感度和摩擦感度逐渐升高；当AP颗粒群的平均粒径大于约20 μm时，在本文所研究的粒度范围内，撞击感度和摩擦感度随d50的变化相对比较缓慢；当平均粒径小于20 μm时，感度随d50的减小而迅速增大。

基于AP样品的感度随其平均粒径的变化规律，在针对复合推进剂或者改性双基推进剂进行配方设计时，为保证推进剂的使用和加工制造过程中的安全，对AP进行粒度的优选尤为重要。

(a)撞击感度

(b)摩擦感度

2.2 AP的颗粒大小对推进剂燃烧速度的影响

本研究选用由硝化纤维素、硝化甘油、AP、铝粉及中定剂和少量的燃速催化剂及工艺附加物组成的改性双基推进剂为基本配方，其中各组分的含量固定不变，仅改变AP的颗粒粒度(未进行粒度级配)，即选用d50分别为62.1、25.4、15.1、5.3、1.7 μm的AP样品制备成5种推进剂样品，然后再测定其燃烧速度。由不同尺寸AP制备的推进剂的燃速实测结果如图2所示。

从图2可知，在本文所研究的粒度范围及条件下，随着推进剂中AP平均粒径的减小，推进剂的燃烧速度升高；当AP平均粒径大于20 μm时，燃速随d50的变化较缓慢；当平均粒径小于20 μm时，燃速随d50的减小而迅速增大。

上述实验结果表明，随AP粒度减小，其撞击感度和摩擦感度都随之升高，推进剂的燃烧速度也随之升高。为了揭示出其中的内在原因，研究了激发不同尺寸AP发生分解所需的最小电子激发能量——临界电子激发能，如图3所示。

图2 推进剂样品的燃速随AP平均粒径的变化曲线Fig.2 Changing curve of propellants burning rate vsaverage particle size of AP samples

图3 AP的临界电子激发能与其颗粒大小之间的关系曲线Fig.3 Changing curve of critical initiation electron energyvs average particle size of AP samples

由图3可知，随着AP粒度的减小，引起其发生分解所需的临界电子激发能减小，当AP的粒度小于约20 μm时，引起AP颗粒发生分解所需的临界电子激发能迅速减小，当AP颗粒达5 μm以下时，所需的临界电子激发能很小。即当AP颗粒粒度小于2 μm时，只需很小的外能即可引发其发生分解。上述研究结果揭示出了随着AP颗粒尺寸的减小，其撞击感度和摩擦感度都显著升高的内在原因。此外，当超细AP加入推进剂中后，由于引起其分解所需的能量减小，因而推进剂在燃烧时，自燃烧区反馈到推进剂内部的能量只需很小即可引发推进剂固相区内的AP发生分解，进而导致推进剂燃烧，因而使推进剂的燃烧速度获得大幅度提高。

固体推进剂中引入超细AP可大幅提高燃速，但由于激发超细AP发生分解所需的外能很小，因而含超细AP的高燃速推进剂的撞击、摩擦感度都很高。因此，在制造及加工处理这种推进剂药柱时必须十分小心，所施加的外能必须严格控制在引发其发生分解的临界能之下，才能保证生产与使用安全，否则将会引发燃爆事故。

3 结论

在本文研究的粒度范围及试验条件下：

(1)随AP颗粒尺寸减小，其撞击与摩擦感度升高；

(2)随AP颗粒尺寸减小，由其制备的推进剂的燃烧速度升高；

(3)随AP颗粒尺寸减小，引起其发生分解的临界电子激发能减小，这揭示出了随AP颗粒尺寸减小，其撞击与摩擦感度升高，含超细AP颗粒的推进剂燃速升高的内在原因；

(4)本文的研究结果显示，含超细AP颗粒的推进剂在制造与应用过程中，所施加的外能应严格控制在激发其发生分解所需的临界能之下，这样才有可能保证这种推进剂在生产与使用过程中的安全性。

[1] Fogelzang A E,Pimenov A Yu,Denisyuk A P,et al.Mechanism of modifying ballistic properties of propellant formulations by fast-burning[J].Defence Science Journal,1998,48(4):357-364.

[2] 李凤生,郭效德,刘冠鹏.新型火药设计与制造[M].北京:国防工业出版社,2008.

[3] 李凤生,郭效德.固体推进剂技术及纳米材料的应用[M].北京:国防工业出版社,2008.

[4] Lu Kai-tai,Yang Tsung-mao,Li Jin-shuh,et al.Study on the burning characteristics of AP/Al/HTPB composite solid propellant containing nano-sized ferric oxide powder[J].Combustion Science and Technology,2012,184(12):2100-2116.

[5] Franck Cauty,Yves Fabignon,Charles Erades.New active binder-based propellants:a comparison with classical composite AP/HTPB propellants[J].International Journal of Energetic Materials and Chemical Propulsion,2013,12(1):1-13.

[6] 李凤生.特种超细粉体制备技术及应用[M].北京:国防工业出版社,2002.

(编辑：刘红利)

Effects of the particle size of ammonium perchlorate on its sensitivity,burning rate of propellants and critical initiation electron energy

WANG Yu-jiao，LIU Jie，GU Zhi-ming，GUO Xiao-de，JIANG Wei，DENG Guo-dong

(National Special Superfine Powder Engineering Research Center，Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210094，China)

The effects of the particle size of ammonium perchlorate(AP)on its impact sensitivity,friction sensitivity and the burning rate of the propellants contained AP were investigated.Furthermore,the relationship between size and critical initiation electron energy of AP particles,which would be used to explain the changing rules of the sensitivity and burning rate with the particle size of AP,was analyzed.It is instructive for safe application of superfine AP in propellants.

ammonium perchlorate；particle size；sensitivity；burning rate；critical initiation electron energy

2014-05-30；

：2014-07-28。

王玉姣(1986—)，女，硕士，主要从事含能材料研究。E-mail：wangyujiaode@126.com

V512

A

1006-2793(2015)01-0095-03

10.7673/j.issn.1006-2793.2015.01.018