GAP_NC基发射药的不敏感性能_宋育芳.pdf

宋育芳，肖乐勤，李纯志，唐方圆，龙义强，周伟良www.energetic-含能材料Chinese Journal of Energetic Materials，Vol.31,No.2,2023（152-159）GAP/NC基发射药的不敏感性能宋育芳1，肖乐勤1，李纯志2，唐方圆2，龙义强2，周伟良1（1.南京理工大学化学与化工学院，江苏 南京 210094；2.泸州北方化学有限公司，四川 泸州 646605）摘要：低敏感发射药的研究对于提高武器系统的生存能力和安全性能有重要的意义。以硝化棉（NC）和低感聚叠氮缩水甘油醚（GAP）为黏结剂、低感 N-丁基硝氧乙基酰胺（Bu-NENA）为含能增塑剂、黑索今（RDX）为高能填料，石墨为导热助剂，制备了一种发射药（IM 发射药）。对其理化、燃烧、力学和感度性能进行研究，通过慢速烤燃、快速烤燃、子弹撞击、破片撞击以及殉爆试验对该 IM发射药的不敏感性能进行评估。结果表明，该 IM 发射药在定容燃烧下燃烧过程稳定，实测火药力为 1050 kJkg-1，理论爆温为2677 K；-40 下抗冲击强度和抗压强度分别为 8.2 kJm-2和 131.5 MPa；与太根发射药的感度相比（H50=16.33 cm，P=100%，V50=2.02 kV），IM 发射药的撞击（H50=62.62 cm）、摩擦（P=28%）和静电感度（V50=1.95 kV）有明显降低；IM 发射药在慢速烤燃、快速烤燃、子弹撞击、破片撞击以及殉爆试验中均未发生爆燃或爆炸，只发生燃烧反应，具有良好的不敏感性。关键词：发射药；低敏感；感度；力学性能；燃烧中图分类号：TJ55文献标志码：ADOI：10.11943/CJEM2021301 0引 言随着武器装备系统的高速发展，残酷的战争环境对武器弹药的安全性要求越来越高1-2。常规弹药储存于坦克、战车或舰船的密闭弹药仓时，作为弹药的主要组成部分，发射药容易在外界能量的刺激下发生剧烈反应，给舰船、坦克的安全造成十分严重的威胁3。低敏感发射药在受到外界的加热、撞击等刺激时，能够表现出良好的稳定性，大大降低了意外刺激条件下的人员伤亡和财产损失，因此低敏感发射药的发展和应用对当前武器发展具有重大意义。早期的低敏感发射药一般以惰性黏结剂为基（醋酸丁酸纤维素（CAB），醋酸纤维素（EA）等），通过添加大量高能固体填料来实现能量与安全的平衡4，这类发射药通常存在能量水平低、力学性能差等问题5。随着低敏感发射药的发展，一些含能热塑性弹性体（聚叠氮缩水甘油醚（GAP），3，3-二叠氮甲基氧杂环丁烷-四氢呋喃共聚醚（PBT）等）由于其良好的安定性和较高的生成焓被越来越多的研究者使用6-7，并加入到发射药中，用于改善发射药的安定性和力学强度等。GAP 是叠氮黏结剂中研究最早也最为成熟的一种，与硝化棉（NC）、黑索今（RDX）等混合有较好的相容性，同时可以改善 NC 的安定性。郭茂林等6研究了聚叠氮缩水甘油醚型含能热塑性弹性体（GAP-ETPE）改性单基发射药的热行为及力学性能，结果表明，随着GAP-EPTP 含量增加，改性单基药的热安定性逐渐提高，当 GAP-EPTE含量为 30%时，发射药的低温抗冲击强 度 提 升 大 于 160%；吴 艳 光 等8制 备 了 一 种 新 型GAP-改性硝化纤维素粉末，研究表明其塑化性能优异，有利于发射药的加工制备，并且由于 GAP的加入，GAP-改性硝化纤维素粉末撞击感度降低，力学性能大幅提升。N-丁基硝氧乙基酰胺（Bu-NENA）是一种性能优良的新型液体含能增塑剂，分子结构中既有链节较长的正丁基，又有硝胺（NNO2）和硝酸酯（ONO2）等能量基团，对硝化棉有良好的增塑作用，具有能量高、感度低、化学安定性好的优点9。近期研究表明，Bu-NENA对硝化棉的增塑作用优于硝化甘油，有利于发文章编号：1006-9941（2023）02-0152-08引用本文：宋育芳,肖乐勤,李纯志,等.GAP/NC 基发射药的不敏感性能J.含能材料,2023,31(2):152-159.SONG Yu-fang,XIAO Le-qin,LI Chun-zhi,et al.Insensitivity Performance of GAP/NC-based Gun PropellantsJ.Chinese Journal of Energetic Materials（Hanneng Cailiao）,2023,31(2):152-159.收稿日期：2021-11-13；修回日期：2021-12-19网络出版日期：2022-07-22作者简介：宋育芳（1992-），女，博士研究生，主要从事不敏感含能材料的研究。e-mail：通信联系人：周伟良（1963-），男，研究员，主要从事推进剂及发射药的研究。e-mail：152CHINESE JOURNAL OF ENERGETIC MATERIALS含能材料2023 年 第 31 卷 第 2 期（152-159）GAP/NC 基发射药的不敏感性能射药的加工制备，用 Bu-NENA 取代硝化甘油加入 NC基推进剂中，特性落高 H50从 8.1 cm 增加到 27.1 cm，静电感度由 94%降至 18%10。根据热点理论11-12，含能材料内部含有杂质、空穴、晶界等缺陷时，在其受到外界刺激后，缺陷处易形成局部高温区域，产生热点。当热量累积到一定程度，容易导致含能材料整体发生快速分解反应，造成严重的后果，因此需要尽量避免热点的产生。石墨是发射药中常用的光泽剂，通常外加在药粒表面用于增加药粒的流散性、光泽性和导电性。同时石墨具有良好的导热性，如果将适量石墨作为降感剂加入发射药配方，则良好的导热性有利于发射药内部热量的快速传导，缓解内部热量累积，避免发射药局部温度过高，有利于防止或减少热点的形成。综上所述，本研究选择以 NC和 GAP为黏结剂，以Bu-NENA 为增塑剂，添加高能填料 RDX 以及导热助剂石墨，制备一种低敏感发射药（IM 发射药）。通过撞击感度、摩擦感度和静电火花感度研究 IM 发射药的安全性，进一步通过慢速烤燃、快速烤燃、子弹撞击、破片撞击以及殉爆试验，对 IM 发射药的不敏感性能进行评估，为低敏感发射药的研究提供参考。1实验部分1.1试剂原料NC（含氮量 12.8%）、RDX（粒径约 45 m），泸州北方化学工业有限公司；GAP（羟值 24.07 mg KOH/g，分子量 4500），Bu-NENA，纯度 99%，黎明化工研究设计院有限责任公司；乙酸乙酯，工业用品；制式太根发射药（质量分数：硝化三乙二醇 10%，硝化甘油 20%，NC（含氮量 12.6%）70%），石墨（粒径150 m），二号中定剂，泸州北方化学工业有限公司。1.2发射药制备IM 发射药的配方（质量分数）为 NC 55%60%，RDX 18%20%，GAP 8%10%，Bu-NENA 8%10%，石墨 0.5%1%，二号中定剂 0.5%1%。采用半溶剂法制备发射药，溶剂为乙酸乙酯，溶棉比为 0.5，为了使药料更好地混合，采用干/湿料混加的方式进行加料。将 RDX和 Bu-NENA吸收于 NC中，压制成 NC/RDX/Bu-NENA 药片，称量好的药片作为干料待用；将 GAP和石墨分别加入称量好的乙酸乙酯中搅拌均匀，制备成液体料；干料和液体料分次加入胶化机中，胶化过程正转 10 min，反转 5 min，依次交替共2 h。胶化好的药团经过压药、切药、烘干等制备工艺后得到 IM 发射药（见图 1）。制备的 IM 发射药药形为花边 18/19，弧厚 1.8 mm。1.3理化、燃烧与力学性能理化性能：根据 GJB 770B-2005中的方法 401.1，103.1以及104.2分别测试发射药的密度、水分和残溶。燃烧性能：密闭爆发器容积 98.12 cm3，点火药为2#硝化棉，点火压力 10 MPa，装填密度为 0.12 gcm-3和 0.2 gcm-3，试验温度为常温。力学性能：采用 ZWJ-0351 型简支梁冲击试验机和 CMT-4304型电子万能试验机分别测试发射药的抗冲击强度和抗压强度。根据 GJB 770-2005 规定，制备长度为60 mm的单孔管状药用于冲击试验，制备长径比 1 1的管状药用于抗压试验，分别在低温（-40）、常温（20）和高温（50）下保温 1 h后进行试验。1.4感度性能撞击感度：根据 GJB770B-2005 方法 601.2，采用WL-1型立式落锤仪测试 IM 发射药的撞击感度。落锤重量 2 kg，样品质量 30 mg，温度（201），撞击感度以 50%爆炸特性落高 H50（cm）表示。摩擦感度：采用 MGY-1 摆式摩擦感度仪，参照GJB770B-2005 方法 602.1 测试样品的爆炸百分数。摆角为（661），正压力为（2.450.01）MPa，每发实验药量为（251）mg，摩擦感度以样品爆炸概率 P（%）表示。静电火花感度：参照 GJB5891.27-2006方法 6.1，采用JGY-50型静电火花感度仪进行测试。电容2.2 pF，针距 1.2 mm，装药量 25 mg，温度 20，湿度60%，测试结果以样品 50%发火电压 V50（kV）表示。1.5不敏感性能为了研究 IM 发射药的不敏感性能，参考美国 非核弹药的危险性评估试验标准 MIL-STD-2105D 以及国内相关研究13-14，对制备的 IM 发射药进行慢速烤图 1IM 发射药制备流程图Fig.1Flow chart of the preparation of IM gun propellants153www.energetic-含能材料Chinese Journal of Energetic Materials，Vol.31,No.2,2023（152-159）宋育芳，肖乐勤，李纯志，唐方圆，龙义强，周伟良燃、快速烤燃、子弹撞击、破片撞击和殉爆试验，通过测试弹损坏状态、见证板破损状态、样品残余状态等方面综合评价 IM 发射药的不敏感性。1.5.1泄压测试弹采用一种带泄压部件的测试弹考核研制发射药的不敏感特性，详细描述见文献 15。泄压测试弹材质为 45#钢，尺寸为 60 mm240 mm，壁厚 3 mm，结构如图 2 所示，具体包括：顶盖、泄压部件、扩径环（安装泄压部件）、筒体和底盖。测试弹顶端安装有 5 MPa的泄压部件13，上下端盖通过螺纹连接。装药方式为自由装填，装填密度为 0.86 gcm-3，装药量 586 g。1.5.2慢速烤燃慢烤试验采用烘箱进行加热。测试弹两侧固定两根热电偶测量壳体温度，上方安装一根热电偶测量环境温度，测试弹底部放置见证板，由垫圈支撑，整个装置放在烘箱中部。升温速率为 1 min-1，从室温开始加热，直至样品发生反应，试验结束后收集现场破片，通过壳体变形程度、破碎状态及见证板状态来衡量样品的响应程度。1.5.3快速烤燃燃 烧 池 尺 寸 为 1500 mm1500 mm，燃 烧 架 为500 mm500 mm，燃烧架距离燃烧池高度为500 mm，燃油为工业煤油。试验过程中测试弹放置在燃烧架中部，使用铁丝固定，利用热电偶测量壳体温度，并用相机监测反应过程。试验过程中平均火焰温度在 600800 之间。1.5.4子弹撞击子弹撞击试验由 12.7 mm 弹道枪射击 12.7 mm标 准 穿 甲 燃 烧 弹 径 向 撞 击 样 弹，子 弹 撞 击 速 度 为（85020）ms-1。对整个过程进行录像监控。1.5.5破片撞击采用 25 mm 火炮发射 12.7 mm 的破片撞击样品构件，破片质量为18.6 g，破片速度为（183060）ms-1。对整个过程进行录像监控。1.5.6殉爆试验殉爆试验装置由主发弹、被发弹、起爆药以及见证板组成。试验中用 160 g Pentolite 药柱引爆主发弹，主发弹与被发弹零距离接触，底部放置一块 3 mm 厚的见证板，被发弹顶端不封口。主发弹引爆后产生的冲击波作用于被发弹，通过观测被发弹和见证板的状