火炸药用功能材料发展趋势的思考

火炸药一般是由氧化剂、燃烧剂、高能炸药和功能材料等组份构成的复合含能材料,是武器装备完成发射和毁伤的能源材料,在矿山和石油开采、气象火箭等领域也有广泛应用。功能材料在火炸药中具有重要作用,对火炸药的能量、力学、安全、燃烧、储存等性能以及制备工艺等有重要影响。从种类来看,火炸药用功能材料主要包括黏合剂、增塑剂、燃烧催化剂、键合剂、安定剂、钝感剂和工艺助剂。目前,武器装备朝着高性能、高安全、低成本等发展方向,因而对火炸药用功能材料也提出了含能化、高效化、低成本化、多功能化和不敏感化等更高要求。

准静态及动态载荷加载下聚脲材料的力学性能

为分析聚脲材料在准静态及动态载荷加载下的力学性能变化规律,开展了霍普金森压杆冲击试验研究。利用万能材料试验机和霍普金森杆对聚脲材料进行力学性能测试,获得各应变率下材料应力-应变曲线,结果表明:准静态载荷加载下的聚脲材料切线模量随着应变的增大而呈现类似指数函数增长趋势,动态载荷加载下呈现类似线性降低趋势;随着应变率的增加,聚脲材料强度(拉伸强度和屈服强度)、断裂能逐渐增加。由此可见:聚脲材料具有显著的应变率效应;聚脲材料高应变率载荷加载下的“递减硬化”特性与聚脲抗爆、抗冲击特性密切相关;从低应变率到高应变率加载,聚脲材料存在有橡胶态到玻璃态的转变,强度显著增强。

镍铁石墨烯基复合纳米材料的制备及其对高氯酸铵的催化分解性能

采用溶胶-凝胶法,以石墨烯为载体,通过超临界CO2干燥和高温煅烧制备出G/Ni/Fe_(2)O_(3)纳米复合材料,采用X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)、透射电子显微镜(TEM)、扫描电子显微镜(SEM)、N2吸附-脱附法(BET)和差示扫描量热法(DSC)研究了纳米复合材料的结构、性能及其对高氯酸铵(AP)热分解催化性能的影响。结果表明,G/Ni/Fe_(2)O_(3)纳米复合材料具有多孔结构,比表面积为142m^(2)/g,总孔容积为0.55cm^(3)/g,Ni和Fe_(2)O_(3)粒子以纳米尺寸均匀分散在石墨烯片层上;当G/Ni/Fe_(2)O_(3)纳米复合材料的质量分数为9%时,AP的高温分解峰温由434.2℃降至347.9℃;分解放热量由593J/g增至1524J/g,归因于片层结构的GO可加速电子移动以及抑制纳米粒子团聚的双重作用,在高能固体推进剂中具有重要的应用潜力。

GAP-ETPE基高能固体推进剂的蠕变性能

为研究GAP-ETPE基固体推进剂的蠕变性能,通过压延工艺制备了GAP-ETPE/Al/RDX/AP/GAPA高能固体推进剂,分析了加载应力、环境温度对推进剂蠕变性质的影响;使用Matlab软件对GAP-ETPE基推进剂在不同加载应力、不同环境温度下的数据进行拟合,对其长期蠕变行为进行预测。结果表明,推进剂的蠕变应变、残余应变随加载应力和温度的增加而增大,室温及1.4MPa加载应力下蠕变应变为4.9%;56℃及0.5MPa加载应力下蠕变应变为4.0%;恒定蠕变速率随加载应力增加显著增大,但是在加工温度附近出现了极值点;对比发现GAP-ETPE基推进剂的抗蠕变性能优于常见的热固性推进剂;广义的Kelvin模型对各组蠕变数据的拟合程度达到0.995以上,能够很好地描述GAP-ETPE基推进剂的蠕变行为;建立的蠕变柔量主曲线将考察时间扩展到108.1s,可用于GAP-ETPE基推进剂蠕变性能的长期预测及实际应用。

含能热塑性弹性体推进剂研究进展

含能热塑性弹性体推进剂具有高能量、力学性能优异、可循环利用、可回收等优点,近年来成为固体推进剂发展的重要方向。总结了常见的含能热塑性弹性体的综合性能;论述了含能热塑性弹性体推进剂在高能、高燃速、钝感、低特征信号和富燃料推进剂等领域的研究进展;介绍了压延成型、模压成型、螺压成型和熔铸成型四种含能热塑性弹性体推进剂的制备工艺;综述了含能热塑性弹性体推进剂的重复加工性能和回收利用工艺;指出了目前该类推进剂存在的问题和不足,并对其未来发展方向进行了展望。

一种考虑球体变形的钨球侵彻低碳钢深度计算模型

为了研究钨球在高速撞击下的变形行为对侵彻效果的影响,对钨球侵彻半无限低碳钢靶进行试验研究,得到<1600 m/s冲击速度下钨球变形特征和靶板侵彻深度随冲击速度的变化规律。在此基础上构建钨球侵彻塑性变形模型。将钨球变形模型和球形空腔膨胀阻力模型相结合,建立钨球变形侵彻深度计算模型。对比不同撞击速度下钨球变形侵彻模型、刚性侵彻模型的计算结果。对比结果表明,变形侵彻模型能够更加准确地计算钨球对半无限靶的侵彻深度,计算结果与试验相比最大误差20%(正误差15%,负误差5%),精度较刚性侵彻模型提升42.86%。

共混GAP基含能热塑性弹性体的氢键行为与力学性能

为了改善GAP热塑性弹性体的力学性能,采用了DSC、低场核磁测试、静态力学测试和动态力学测试的方法对两种异氰酸酯固化的弹性体共混体系的氢键行为和力学性能进行分析,建立微观结构与宏观性能的关系。结果表明,由于分子结构原因,HMDI固化的GAP热塑性弹性体和IPDI固化的弹性体显示出不同的氢键行为和力学性能,通过物理共混得到了兼具抗拉强度及断裂延伸率的弹性体,50℃下抗拉强度高于1.5MPa,-40℃下延伸率不低于300%,相较于纯HMDI固化的弹性体,低温延伸率提升了约150%,IPDI固化的弹性体高温抗拉强度提升了约1.4MPa,说明通过共混可得到性能更为均衡的含能热塑性弹性体。

爆炸位置对钛合金定向泄爆容器冲击响应的影响

研究了不同位置炸药爆炸作用下钛合金定向泄爆容器的冲击响应。通过试验与数值模拟,分析了100 g TNT炸药放置不同位置时容器的抗爆性能和冲击端头的飞行角度,并以限制罐体运动为目的,对罐体轴向受力进行了分析。研究表明:爆炸物位于轴线时,罐体产生弹性形变;紧贴内壁中间位置时,罐体外壁鼓包并贯穿开裂;紧贴内壁近端头处时,罐体外壁凸起。100 g TNT炸药作用下,冲击端头出口速度均值为124.45 m/s、最大偏角为2.3°,且爆炸物位置对端头出口速度影响较小。爆炸物位于轴线前、后端时,轴向力较爆炸物位于轴线中心时分别增大173%和116%。该研究可为民机定向泄爆容器及连接结构设计提供参考。

聚合物基Al/CuO纳米铝热剂的制备及表征

为研究聚合物基铝热剂的性能,制备了以GAP-ETPE和F2311作为黏结剂的Al/CuO纳米铝热剂。然后利用油墨直写技术(DIW)配制出固含量高达80%的含能油墨GAP/F2311-MICs(GF-MICs),在此基础上加入高氯酸铵(AP),探索AP/GF-MICs模型推进剂的可打印性,并研究了AP含量对于AP/GF-MICs模型推进剂燃烧性能的影响规律;采用FTIR方法测试了混合黏结剂的相容性和稳定性,通过TG-DSC和静态拉伸研究了GF-MICs纳米铝热剂的热性能,并测试了其流变性和聚合物的力学性能。结果表明,GAP-ETPE与F2311质量比为1∶4时,混合黏结剂的相容性、稳定性和力学性能最好;纳米Al/CuO的加入使得F2311和GAP-ETPE的热分解温度分别提前89.0℃和32.9℃;随着模型推进剂中Al/CuO含量的增加,AP高温分解温度最高提前101.58℃,预先点火反应提前29.68℃,放热量提升135%;GF-MICs能够很好地提高模型推进剂的反应活性和燃烧速率,且当模型推进剂中Al/CuO质量分数由10%增至40%时,到达P max时间缩短了71%,平均燃烧速率提升了293%。

内爆载荷下民机用定向泄爆容器结构的动态响应

为保证民机航空安全、满足民机抗爆结构设计要求,研究不同当量TNT内爆冲击下民机用定向泄爆容器结构的动态响应。设计用于民机上爆炸物危险排除的定向泄爆容器,通过爆炸试验验证泄爆容器的可靠性,确定泄爆容器的爆炸物临界包容当量为42 g。进一步对该泄爆容器在不同当量内爆载荷下的动态响应进行数值仿真,分析塞块的运动过程以及内爆载荷对泄爆容器的作用机理。研究结果表明:剪切销在爆炸冲击波作用下剪切断裂,剪断过程中塞块发生振动,剪切销剪断后塞块持续加速,容器内最终产生约7.5 MPa的准静态压力,塞块冲破机身壁板后匀速飞出,容器泄压并自泄爆口向内形成约0.38~0.85 MPa的压强梯度;TNT当量对塞块飞行速度的影响明显,塞块飞行速度随当量的增加而提高,且提高率不断减小。所得研究结果可为民机防爆容器的设计以及应用提供支撑。

含能热塑性弹性体研究进展

含能热塑性弹性体结合了含能材料和热塑性材料的特点,具有能量高、感度低、燃尽性好、可再加工、可回收利用等优点,在火炸药领域具有重要的应用价值,成为含能材料研究的前沿与热点。综述了含能热塑性弹性体的研究与应用进展,重点阐述了官能团预聚体法、活性顺序聚合法和大分子引发剂法等合成方法;介绍了直接法、间接法、溶液法和本体法制备工艺;总结了相关的结构表征和基本性能,如链段组成及序列、微相分离、氢键化和结晶度以及热分解、感度、相容性、流变、生成焓和燃烧性能等;阐明了构建键合和自修复功能以及提升力学性能和能量水平的方法;论述了含能热塑性弹性体在发射药、混合炸药、固体推进剂和可燃药筒及改性球形药等方面的应用进展,总结了目前存在的问题和不足,指出了未来研究和发展的主要方向。

制导杀爆弹毁伤效能评估的应用研究

基于真实目标等效结构研究制导杀爆弹毁伤效能评估的应用.针对红外成像和GPS两种制导模式,分析末端弹道特征对于确定弹药研究毁伤效能与引信炸高、制导精度之间的联系.通过分析结果可见,采用红外成像制导模式,炸点随着炸高的提高离瞄准点的距离逐渐变远,破片群难以命中目标;采用GPS制导模式,炸点可通过弹载计算机计算调整炸点于目标上方,破片群向下可命中目标,对目标的毁伤效果较好;所以,弹药的毁伤效能除了与战斗部、引信有关,还与导引头的制导模式相关.通过仿真分析,制导模式对战斗部动爆威力场影响不大,因此在战斗部研制过程中可不考虑弹药的制导模式,而只采用动爆条件下的毁伤幅员对战斗部的毁伤效能进行考核,以优选出最佳战斗部结构和炸高.

自修复固体推进剂研究进展

介绍了自修复高分子材料的主要自修复机理,包括外援型自修复和本征型自修复;并对基于Diels-Alder反应的端呋喃甲酯基聚丁二烯黏合剂、基于动态光交联的聚氨酯黏合剂、基于二硫键的自修复GAP黏合剂及各自在固体推进剂中的应用情况进行了综述;对自修复固体推进剂及其应用研究的未来发展方向提出了展望,指出从固体推进剂的整体配方考虑,设计与自修复功能相匹配的固体推进剂配方体系,在实现自修复性质的同时,协同提升推进剂的力学性能以及能量性能将是未来自修复固体推进剂研究的重要方向。

HTPE/AP/Al/RDX推进剂的准静态拉伸力学性能

为研究HTPE/AP/Al/RDX推进剂在宽温域下的准静态力学性能,通过单轴拉伸试验获取了HTPE/AP/Al/RDX推进剂在温度-50~70℃及5种应变率下的应力—应变曲线,通过推进剂的断面形貌法分析了其损伤失效形式,分析了温度和拉伸速率对推进剂力学性能的影响规律,并拟合了相关力学性能主曲线。研究表明,随温度升高,HTPE/AP/Al/RDX推进剂的最大拉伸强度从-50℃的5.44MPa下降至70℃下的0.75MPa,断裂延伸率先升高后降低,常温最高可达75.9%,-50℃下最低仅有25.9%;随应变率增加,最大拉伸强度提高,如-50℃下从1.99MPa提高到5.44MPa,断裂延伸率变化较为复杂;HTPE/AP/Al/RDX推进剂的断裂发生了脆-韧转变,推进剂在常温和高温下的损伤主要以脱湿为主;在低温下的损伤主要为黏合剂基体撕裂和填料的穿晶断裂,且随应变率增加,填料的穿晶断裂更显著。建立的力学性能主曲线可对HTPE推进剂在-50℃至70℃的宽温域内不同应变速率下的最大拉伸强度进行预测,为装药结构完整性分析提供数据帮助,为HTPE推进剂的实际应用奠定基础。

Bu-NENA基改性双基推进剂的力学性能及安全性能

为提高高固含量改性双基推进剂的低温力学性能和安全性能,以N-丁基硝氧乙基硝胺(Bu-NENA)代替硝化甘油(NG),采用无溶剂工艺制备了改性双基推进剂;采用万能试验拉伸机、动态热机械分析仪和感度测试仪等对推进剂的力学性能和机械感度进行了表征。结果表明,与NG相比,Bu-NENA可明显提高推进剂的低温力学性能,降低推进剂的机械感度。当Bu-NENA质量分数为19.1%时,推进剂(代号B3)的力学性能较好,与空白对照推进剂(NG基改性双基推进剂,代号B0)相比,B3推进剂在-40℃延伸率由3.54%提高到7.57%,提高了114%,高温拉伸强度相当;摩擦感度由46%降低至2%,降低了95.7%;特性落高H_(50)由17.2cm提高到33.6cm,提高了95.3%;动态力学性能研究表明,Bu-NENA对硝化纤维素(NC)塑化效果较好,B3推进剂的β转变温度由B0的-33.8℃降低至-37.8℃,韧性有所增强。表明该推进剂不仅机械感度明显降低,且低温力学性能明显改善,在短射程战术武器中具有一定的应用前景。

聚脲涂覆钢复合结构的抗爆效应

为研究不同涂覆方式下聚脲涂覆钢复合结构的抗爆性能及聚脲涂层的吸能机理。针对等面密度、等钢板厚度的无涂覆、迎爆面涂覆和背爆面涂覆3种结构,分别开展抗40和60 g TNT爆炸加载试验。通过对比复合结构破坏模式,分析聚脲涂层对复合结构抗爆性能的影响以及聚脲涂层防护机理。研究表明:等面密度条件下,迎爆面涂覆聚脲涂层不能提高复合结构的抗爆性能;等钢板厚度条件下,聚脲涂层可以提高复合结构的抗爆性能,且背爆面涂覆效果最佳;聚脲涂覆钢板复合结构的抗爆性能与聚脲涂层的本构弥散、界面弥散以及热软化效应等相关。

HTPE推进剂药浆粘流性能及其影响因素研究

为获得HTPE推进剂药浆中固体填料对粘流性能的影响,研究了固体填料的体积分数、粒径对药浆粘度的影响,利用Krieger-Dougherty粘度方程得到HTPE与填料体积分数的关系,分析了填料尺寸和粒度级配对药浆粘度与粘度方程的影响,并得到填料表面吸附层厚度的计算方法优化了粘度方程。结果表明,填料表面对HTPE的吸附和填料在HTPE中的分布,是填料粒径变化对HTPE推进剂药浆的粘度产生影响的原因,表面吸附造成粘度上升,颗粒分布对粘度η的影响取决于分散相在连续相内的最大体积分数Φ_(m)的大小,Φ_(m)越大药浆粘流性能越好;填料平均粒径较小或存在粒度级配时有利于提高HTPE中填料的填充上限,AP-Ⅲ/Al-3^(#)/HTPE体系的Φ_(m)=0.69,适合在固体推进剂中用于粒度级配。

SiC陶瓷/UHMWPE纤维复合结构抗12.7 mm穿甲燃烧弹试验与仿真

针对SiC陶瓷板、超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维板层合而成的复合结构,为掌握组元厚度对其抗弹性能的影响规律,进行12.7 mm穿甲燃烧弹对复合结构的侵彻试验,获得不同撞击速度下的侵彻效果。建立弹体对复合结构侵彻的有限元计算模型,并通过试验验证计算模型的可靠性。采用被验证的计算模型对12.7 mm穿甲燃烧弹侵彻不同厚度组元的复合结构进行仿真计算,分析复合结构在弹体侵彻下的破坏机制及抗弹性能影响因素。研究结果表明:所建立的有限元模型能够可靠计算12.7 mm穿甲燃烧弹对复合结构的侵彻效应;复合结构抗弹性能随组元厚度增加呈线性增加,SiC陶瓷对抗弹性能的影响较UHMWPE纤维板大;随SiC陶瓷与UHMWPE纤维板厚度比的增加,复合结构抗弹体侵彻性能先增强后减小,当厚度比在0.2~0.4之间时,复合结构抗弹体侵彻性能最佳。

HTPE/PCL四组元推进剂药浆的流变性能

为研究聚ε-己内酯(PCL)加至推进剂配方后的流变特性,采用流变测试仪对比了HTPE和HTPE/PCL四组元推进剂药浆在不同温度及剪切速率下的流变性能,并优化工艺参数。结果表明,HTPE和HTPE/PCL推进剂药浆的剪切应力与剪切速率呈指数增长,表观黏度呈假塑性流体剪切变稀的流动特性;温度升高能降低药浆的剪切应力、表观黏度及黏度系数,增加剪切速率指数;HTPE/PCL推进剂药浆的流动活化能为3.90×104kJ/mol,略高于HTPE推进剂药浆(2.75×104kJ/mol)。引入PCL对推进剂药浆工艺性能无明显影响,HTPE/PCL推进剂药浆较佳的工艺温度为50~60℃,适用期为270~329min。

高球形度核壳结构超级铝热剂的制备及点火性能

为得到含能材料3D打印用球形核壳结构超级铝热剂,采用固体颗粒间直接包覆喷雾造粒法制备了Al_(2#)@CuO与Al_(2#)@Bi_(2)O_(3)高球形度核壳结构超级铝热剂。利用NanoMeasure统计软件研究了构筑参数(粒径比、固含量)对其粒径尺寸的影响;通过电镜、X射线衍射仪表征了球形核壳结构;采用休止角法表征其流散性;利用高速摄影机观测其点火特性。结果表明,固含量为25%、2#铝粉与纳米金属氧化物(CuO、Bi_(2)O_(3))粒径体系构筑参数所得2种球形核壳结构超级铝热剂结构为理想球形核壳结构,平均粒径约40μm,壳层平均厚度分别为7.79μm(Al_(2#)@CuO-25%)、10.47μm(Al_(2#)@Bi_(2)O_(3)-25%);与机械混合样相比,球形核壳结构超级铝热剂的流散性有较大提升,Al/CuO体系由48.8°减小至22.9°,Al/Bi_(2)O_(3)体系由37.3°减小至16.6°,Al_(2#)@CuO球形核壳结构超级铝热剂的燃烧时间由100 ms增加到了0.9 s左右,表明改变微观结构会影响其燃烧特性。