复合改性单基发射药的制备与性能

为了提高单基发射药能量并保持其力学性能,采用溶剂法制造工艺,在单基发射药基础配方中加入高能填料RDX和GAP增塑剂,制备了复合改性单基发射药,测试了不同样品的爆热、化学安定性、火药力、低温力学性能,并结合某125 mm穿甲弹进行了内弹道性能试验。结果表明,复合改性单基发射药的爆热较单基发射药提高了4.3%以上,火药力较单基发射药提高了7.5%以上,120℃甲基紫化学安定性优于单基发射药,低温落锤冲击性能与单基发射药相当,低温药床抗撞击性能优于制式混合酯发射药。内弹道试验结果表明,复合改性单基发射药在高温区间具有低温感特性;在高温同等最大膛压下,常温初速与单基发射药相比可提高2.6%。

提高改性单基药燃烧性能的研究

为了改善改性单基药的燃烧渐增性、提高初速,通过加入添加剂对改性单基发射药的制备工艺进行了改进。用显微红外光谱测定了发射药中功能组分的含量分布,用密闭爆发器和内弹道试验研究了发射药的燃烧性能。结果表明,加入添加剂后,发射药中硝化甘油NG的渗透深度由270μm增加到360μm,浓度最大值对应的深度由110μm增加到180μm;钝感剂NA聚酯的渗透深度由270μm增加到360μm。燃烧渐增性明显增强,燃烧渐增因子Pr由0.363 0提高到0.445 0。其装药的内弹道性能得到显著改善,初速提高3.1%,动能提高6.3%,装填密度从0.921 g/cm3提高到0.949 g/cm3,具有高装填密度、高燃烧渐增性、高初速的优点。

显微红外光谱法测定改性单基发射药中功能组分的浓度分布

采用红外光谱显微技术考察了11/7改性单基发射药中功能组分NA聚酯钝感剂和硝化甘油的浓度分布状态。结果表明,在发射药的近表面,NA聚酯浓度由表及里呈指数规律下降,符合Fick第二定律的扩散模型,扩散深度约220μm;硝化甘油浓度沿药粒径向呈抛物线状分布,扩散深度约320μm。

高氮量改性单基发射药的制备和性能研究

通过浸渍-钝感工艺制备了含氮量分别为13. 0%和13. 15%的改性单基发射药样品,采用扫描电镜、密闭爆发器试验和内弹道试验研究了不同含氮量、不同工艺条件对改性单基发射药性能的影响。结果表明,与含氮量13. 0%的改性单基发射药相比,含氮量13. 15%改性单基发射药的NC更难被NG塑化,端面内孔不易封堵;高氮量改性单基药具有更高的火药力,其燃烧渐增性随NG和钝感剂含量的增加而提高;高氮量改性单基发射药在装药量较少的条件下,弹丸初速比低氮量改性单基发射药提高16. 9 m/s,高温(50℃)、常温(20℃)和低温(-40℃)试验中,膛压、初速随温度升高而升高,并且具有低温度系数的特点。

溶剂抽取工艺制备改性单基发射药的燃烧性能

为了进一步改善改性单基药的燃烧性能,对弧厚为0.55 mm的单基药单5/7进行增能、钝感处理,制备了1#、2#改性单基发射药样品,2#样品则在1#样品增能与钝感的工艺基础上增加了溶剂抽取工艺。采用扫描电镜分析了1#、2#样品的表面形貌,用标准容器法测试了其堆积密度,通过密闭爆发器研究了1#、2#样品的定容燃烧特性。结果表明,经过溶剂抽取工艺制备的2#改性单基发射药样品其表面更加致密,堆积密度从0.888 g.cm-3提高到0.920 g.cm-3;其初始燃烧稳定,燃烧分裂时间点为7.0 ms,滞后于1#样品(6.0 ms);燃烧结束时间为8.0 ms,迟于1#样品(7.2 ms),燃烧渐增性有所提高。

改性单基发射药温度系数研究

采用"浸渍-钝感-包覆"工艺,制得了改性单基发射药。采用密闭爆发器和857-30 mm制式弹道炮研究了该发射药的燃烧性能和内弹道性能。分析了改性单基发射药的结构。结果发现,与制式单基发射药相比较,改性单基发射药无论是常温还是高低温,初速至少提高5%。所制得的改性单基发射药在857-30 mm制式弹道炮上具有低温度系数的特点,这是由端面封堵拉链状结构的形成及药体表面变软引起的。

NG含量对改性单基药燃烧渐增性的影响

以D-5/7单基发射药为基药,恒定聚酯含量,调节硝化甘油(NG)加入量,制备了4种改性单基药样品。通过傅里叶红外光谱(FTIR)、密闭爆发器和14.5 mm口径弹道枪试验,研究了NG的加入量对改性单基药的燃烧渐增性的影响。结果表明,NG的加入量越大,其渗透度越深,改性单基药的燃烧渐增性越好,弹丸初速越快。与D-5/7单基发射药相比,样品E4(NG的加入量为12%)的弹丸初速提高82.5 m.s-1,提高幅度为8.35%。

NG含量对改性单基发射药燃烧性能的影响

以高氮量5/7单基发射药为基体药粒,通过先浸渍吸收NG、后吸收聚酯钝感剂NA的两步工艺制备出改性单基药,在制备过程中,NA含量恒定,浸渍NG的质量分数为5%、10%和15%,制备出3种NG含量的改性单基药样品RN-a、RN-b和RN-c。采用密闭爆发器试验和30mm弹道炮内弹道试验,研究了NG含量对改性单基药燃烧性能的影响。结果表明,所制备的3种改性单基药样品的燃烧渐增性均优于基体药;在保持最大膛压不增加的情况下,弹丸初速较5/7单基药装药分别提高36.9、91.7和57.4m/s。在制备工艺过程中,通过调节NG的含量,能够改善改性单基药的燃烧性能,实现大幅度提高炮口初速的目的。

改性单基发射药中聚酯钝感剂的扩散研究

建立了改性单基发射药中NA聚酯钝感剂的扩散模型,结合红外光谱测试数据采用统计学方法对模型进行了验证。根据扩散模型分布函数计算出不同贮存温度下的钝感剂扩散系数,研究了扩散动力学。结果表明,NA聚酯钝感剂在长贮过程中的扩散符合Fick第二定律,扩散系数与温度的关系遵循阿仑尼乌斯方程,扩散活化能为1.25×105J/mol,指前因子为2.01×104m2/s。

GAP基热塑性弹性体改性单基发射药的热行为及力学性能

为改善单基发射药的力学性能,制备了聚叠氮缩水甘油醚(GAP)基含能热塑性弹性(GAP-ETPE)不同含量的单孔管状改性单基发射药,通过甲基紫试验和真空安定性试验、差示扫描量热法(DSC)研究了发射药热安定性和热分解过程,并测试了其冲击和压缩性能,分析了GAP-ETPE含量的变化对改性单基发射药热行为和力学性能的影响。结果表明:随着GAP-ETPE含量的增加,改性单基药的热安定性逐渐提高,热分解放热峰温、放热量和密度逐渐降低;低温(-40℃)、常温(20℃)和高温(50℃)下改性单基发射药试样的冲击强度和压缩率提高、抗压强度降低。与空白试样相比,GAP-ETPE含量为30%时,低温、常温和高温下试样的冲击强度分别提高了161.4%、160.1%和164.0%,压缩强度分别降低了23.6%、28.8%和33.1%,压缩率分别提高了246.4%、233.9%和266.0%。

改性单基发射药的燃速模型

为了研究以5/7单基发射药为基体药,硝化甘油(NG)为浸渍剂,聚酯为包复剂所组成的改性单基发射药的燃烧性能,对改性单基发射药的浸渍层分布,燃烧过程中药型尺寸及能量特性的变化进行了理论分析和实验验证。制备了NG浸渍量分别为10%和15%两个样品,进行了密闭爆发器试验、显微切片照相,用所建理论模型计算了试验结果。结果表明:NG浸渍量为15%时,火药力提高了10.14%,浸渍深度约0.168 mm,小于150 MPa,计算所得基体药u-p曲线高于改性单基发射药u-p曲线;大于150 MPa,两者u-p曲线重叠。当NG和聚酯在推进剂中的浸渍量分别为15%和2.5%时,在NG和聚酯浸渍量配比合适的条件下,改性单基发射药的火药力和燃烧渐增性在一定范围内可以做到同时增加。

改性单基药表层功能组分浓度分布对燃烧性能的影响研究

在水溶液中进行增能钝感,制备了改性单基发射药样品。通过显微红外光谱法测定了所得发射药中功能组分的浓度分布。采用密闭爆发器和内弹道实验法,研究了发射药的动、静态燃烧性能。结果发现,硝化甘油浓度沿药粒径向呈抛物线状分布,钝感剂NA聚酯浓度由表及里呈指数规律下降的形式分布。硝化甘油渗透越深,钝感剂由表及里下降越慢,所对应发射药的燃烧渐增性越强,其装药的内弹道性能越好。硝化甘油浓度最大值出现的位置接近弧厚1/2,钝感剂由表及里下降最慢时,所对应发射药的燃烧渐增性最强,其装药的内弹道性能最好。

改性单基发射药内弹道模型

为研究改性单基发射药装药的内弹道特性,基于经典内弹道理论,建立了能够表征改性单基发射药燃烧特征的双气源项内弹道模型,制备了样品并进行了30mm火炮的内弹道试验验证.计算结果与试验结果相符合.通过模型计算,深入讨论了浸渍剂含量及分布、浸渍深度等因素对内弹道性能的影响.当浸渍含量分布函数为右抛物线类型时比左抛物线类型最大膛压降低了3MPa,初速提高了10m/s,实现了在较低最大膛压下更高初速的期望;浸渍深度在计算中出现临界值,当浸渍深度大于外层厚度的0.6倍时,能够得到初速增加而最大膛压不增加的内弹道效果.

反相高效液相色谱法测定改性单基发射药中的N,N-二苯基-N'-甲基脲素

建立了反相高效液相色谱测定改性单基发射药中N,N-二苯基-N'-甲基脲素(AKⅡ)含量的方法。采用ODS色谱柱(150 mm×4.6 mm,5μm),选用甲醇–水(体积比60∶40)体系为流动相,检测波长为220 nm,流速为1mL/min,柱温为室温,用水析法进行紫外检测定量测定。结果表明,AKⅡ浓度在0.09～0.5 mg/mL范围内与色谱峰面积比值(分析物∶内标)呈良好的线性关系,线性方程为y=65.058x+0.0439,相关系数r=0.9989。测定结果的相对标准偏差为1.10%(n=8),加标平均回收率为99.77%。采用内标法测定改性单基发射药中N,N-二苯基-N'-甲基脲素的含量,结果准确可靠,操作简单实用。

RDX对改性单基发射药燃烧性能的影响

为提高单基发射药(硝化棉/二硝基甲苯/邻苯二甲酸二丁酯/二苯胺,NC/DNT/DBP/DPA)的能量,在单基发射药中加入不同含量(5%、10%、15%、20%)、不同粒度(0.2,3.7,7.6,100.0μm)的黑索今(RDX),制备并得到改性单基发射药。通过密闭爆发器实验研究了RDX含量、粒度对改性单基发射药燃烧性能的影响规律。实验结果表明:在RDX粒度为7.6μm时,改性单基发射药的燃速随RDX含量的增加先降低再升高,在RDX含量为10%附近存在一个最小值;在50~p_(dpm)MPa(p_(dpm)为最大压力陡度所对应的压力值),改性单基发射药的燃速压力指数平均值均大于1。当RDX含量为5%时,改性单基发射药的燃速随RDX粒度的减小而减小;在50~p_(dpm)MPa,粒度为0.2,3.7μm的RDX改性单基发射药的燃速压力指数平均值均小于1,粒度为7.6,100.0μm的RDX改性单基发射药的燃速压力指数平均值均大于1。

RDX粒度对改性单基药燃烧性能及力学性能的影响

为了研究RDX粒度对改性单基药性能的影响,采用溶剂法挤压成型工艺,制备了含不同粒径(0.5、7.6和100μm)RDX的改性单基药;通过密闭爆发器试验测试了改性单基药的燃烧性能;采用万能材料试验机、简支梁式抗冲击试验机测试了改性单基药的力学性能;并通过扫描电镜观察了冲击断面,分析了改性单基药的破坏机理。结果表明,当RDX质量分数为10%时,改性单基药的燃速随着RDX粒度的增大而增大;小粒径RDX(0.5与7.6μm)改性单基药燃烧稳定,当RDX粒径增至100μm时,改性单基药在60MPa附近的u-p曲线出现转折,燃速压力指数突变,燃烧不稳定;改性单基药的抗压强度与抗冲击强度随着RDX粒度的增大而降低;RDX粒度显著影响发射药样品的断裂模式;当RDX粒度较小时,改性单基药的抗冲击强度主要受RDX颗粒与NC基体的界面黏结强度影响;当RDX粒度增大后,单基药的抗冲击强度主要受RDX颗粒的自身强度和其与NC基体的界面黏结强度共同影响。

改性单基发射药热行为和力学性能的研究

为了改善改性单基发射药的燃烧性能和力学性能,通过差示扫描量热法、真空安定性试验和甲基紫试验,研究了6种改性单基发射药的热分解过程和热安定性,并测试了其冲击和压缩性能,分析了硝化纤维素含氮量和硝基胍含量对改性单基发射药热行为和力学性能的影响。结果表明,随着硝基胍含量的增加,改性单基发射药的的热分解峰温和热安定性逐渐提高,力学性能逐渐降低;随着硝化纤维素含氮量的降低,改性单基发射药的热分解峰温和热安定性逐渐升高,力学性能逐渐增加。

球形硝基胍粒径对改性单基发射药热安定性和力学性能的影响

为了改善改性单基发射药的安定性和力学性能,制备了含3种不同粒径(50、80和110μm)球形硝基胍(NQ)的改性单基发射药,通过差示扫描量热法、真空安定性试验和甲基紫试验研究了其热分解过程和热安定性,并测试了其抗冲击和抗压缩强度,分析了NQ粒径变化对改性单基发射药热行为和力学性能的影响。结果表明,3种含球形NQ的改性单基发射药试样有两个热分解过程,第一个分解过程对应的是混合硝化棉的分解,第二个分解过程是RDX和NQ的分解,但是第二个分解过程不明显;随着NQ粒径从50μm增至110μm,发射药试样的热分解峰温从176.84℃提高至179.71℃;真空安定性试验中试样48h放气量从0.7558mL/g降至0.5964mL/g,甲基紫试纸变为橙色的时间从44min延长至54min,且加热5h后未发生爆炸;发射药试样的抗冲击强度从4.23kJ/m^2降至3.81kJ/m^2,抗压缩强度从56.93MPa降至53.85MPa。表明球形NQ粒径的增加有利于提高发射药的热安定性,但会降低其力学性能。

高氮量单基药的改性研究

通过对高能改性单基药用的原材料选择、配方设计和能量理论计算 ,结合性能测试结果 ,初步确定了以 NC为主体 ,加入高能添填加剂 ,含能增塑剂等组分所组成的高能改性单基药配方类型 ,试验证明 ,该组成采用溶剂法螺压成型的生产工艺是安全可行的。

一种低烧蚀高渐增性发射药的研究

采用"浸渍-钝感"工艺制得改性单基发射药。用烧蚀管试验表征了该发射药的烧蚀。采用密闭爆发器研究了该发射药的静态燃烧性能,以857-30 mm制式弹道炮研究了发射药在膛内的动态内弹道性能。结果发现,与制式单基发射药相比较,制得的改性单基发射药的烧蚀量降低了16.4%,燃烧渐增因子Pr由0.035提高到0.445,初速从856.6 m.s-1提高到941.3 m.s-1,提高了9.8%,显示该发射药具有高燃烧渐增性、低烧蚀的特点。