NC基高能低敏感发射药的低温抗冲击强度

张远波，轩春雷，刘　波，刘金玉，刘国涛，王琼林

(西安近代化学研究所，陕西西安710065)



NC基高能低敏感发射药的低温抗冲击强度

张远波，轩春雷，刘波，刘金玉，刘国涛，王琼林

(西安近代化学研究所，陕西西安710065)

摘要：为研究NC基高能低敏感发射药的低温力学性能，通过改变配方中硝化棉(NC)的种类、增塑剂ZSJ-X的含量、FOX-7的含量以及RDX和FOX-7的粒度，制备了4种NC基高能低敏感发射药，采用电子万能材料试验机测试了其低温抗冲击强度。结果表明，降低黏结剂的含氮量，增加增塑剂ZSJ-X的含量，用FOX-7替代部分RDX，降低RDX和FOX-7的粒度，能够提高NC基高能低敏感发射药的低温抗冲击强度。当NC基高能低敏感发射药的配方(质量分数)为：NC(含氮量12.6%)37%、ZSJ-X 25%、FOX-7(粒径19μm)13%、RDX(粒径5μm)33%时，低温抗冲击强度最佳，达到7.75kJ/m2。

关键词：应用化学；高能低敏感发射药；低温抗冲击强度；硝化棉；FOX-7；粒度

引言

为了适应现代战争环境及新型武器弹药的需求，研究人员在通过多种途径提高发射药能量水平的同时还要降低其敏感性。因此，高能低敏感发射药已成为新一代发射药研究发展的方向[1-2]。

国内外主要采用两种方法获得高能低敏感发射药，一是通过使用填充高含量固体硝铵的聚合物黏结基质(即聚合物黏结发射药)[3-6]；二是采用硝化纤维素(NC)基配方[7-8]。两种方法都要求发射药具有一定的力学性能，特别是低温力学强度。陈言坤等[9]采用电子万能试验机和自制的抗压强度测试仪研究了粒状发射药的轴向力学性能和径向力学性能，发现随着轴向加载速度的增加，弹性模量增大，抗压强度变小；刘佳等[10]研究了含RDX多相发射药的力学性能，发现随着温度的升高，含RDX多相发射药抗压性能降低，抗冲击性能提高；王锋等[11]研究了含FOX-7发射药的低压燃烧性能及FOX-7用量对发射药常温力学性能的影响，发现随着FOX-7含量的增加, 发射药燃速压强指数降低，抗冲击强度增大。

本研究以NC基高能发射药为基础，通过改变黏结剂NC的种类，调整增塑剂ZSJ-X的含量，用FOX-7部分替代RDX，采用不同粒度的RDX和FOX-7，研究了NC基高能低敏感发射药的低温抗冲击强度，以期为高能低敏感发射药在武器上的应用提供参考。

1实验

1.1样品及仪器

1号NC、3号NC、皮罗棉、RDX(粒度为10μm)，辽宁庆阳化学工业公司；FOX-7(粒度分别为19、104、318μm)、RDX(粒度分别为5、30、50μm)、ZSJ-X(酰胺类增塑剂)，西安近代化学研究所自制。

Instron4505型电子万能材料试验机，美国英斯特朗公司。

1.2样品的制备

制备了4种NC基高能低敏感发射药，配方见表1。

表1　4种NC基高能低敏感发射药配方

采用半溶剂法挤压成型工艺将4种配方发射药制成长60cm的18/1单孔管状药。湿烘驱溶、干烘驱水，阶梯式升温烘药至其内挥、水分均小于0.5%。

1.3抗冲击强度测试

采用GJB770B-2005-417.1方法，测试NC基高能低敏感发射药在低温下(-40℃)的抗冲击强度，取5次实验的平均值。

2结果与讨论

2.1硝化棉种类对NC基高能低敏感发射药低温抗冲击强度的影响

用皮罗棉替代混棉中3号NC，用万能材料试验机测试了GD1发射药的低温抗冲击强度(αk)，结果见表2。

表2　不同组分混棉对GD1发射药低温抗冲击强度的影响

由表2可以看出，以皮罗棉替代3号NC后，GD1发射药的低温抗冲击强度由3.61kJ/m2提高至5.61kJ/m2。当混棉完全为皮罗棉时，GD1发射药的低温抗冲击强度达到6.89kJ/m2。这是由于皮罗棉具有较高的数均分子质量且分布较为均匀，聚合度也较大，塑化性能强，有利于提高发射药的抗冲击强度。另一方面，硝化棉中硝酸酯基含量降低以后，其端羟基更容易与配方中的RDX等固体填料中的极性氧原子形成氢键，能够有效提高其与固体填料的结合能力，从而显著改善发射药的抗冲击强度。

2.2增塑剂含量对NC基高能低敏感发射药低温抗冲击强度的影响

采用低敏感的硝酸酯ZSJ-X替代NC，测试了增塑剂ZSJ-X含量对GD2发射药抗冲击强度的影响，结果见表3。

表3　增塑剂ZSJ-X含量对GD2发射药低温

从表3看出，当增塑剂ZSJ-X的质量分数为23.6%～28.9%时，低温抗冲击强度显著提高。这主要是由于增塑剂ZSJ-X上的极性基团通过与NC分子上极性基团的相互作用，破坏了NC分子间极性基团的相互作用及分子间的物理交联点，使分子的链段运动得以实现，聚合物的玻璃化温度降低，聚合物低温韧性增加，表现为其抗冲击强度增大。当增塑剂ZSJ-X含量较小时，NC分子间的物理交联点破坏程度较弱，分子内多数链段的运动仍然被限制，其对应力的响应以脆性变形为主。当增塑剂ZSJ-X含量增大到使分子链间大部分物理交联点遭到破坏时，分子链段运动受到的限制减弱，发射药韧性增加。同时，增加配方中增塑剂ZSJ-X的含量，发射药的流动性变好，压伸成型过程中沿轴向取向的NC分子链增多，发射药径向的抗冲击能力增强。进一步增加增塑剂ZSJ-X的含量(即增塑剂ZSJ-X的质量分数32.5%)时，发射药的低温抗冲击强度反而降低，这可能是由于NC过度溶解，低温下塑性增强，从而造成低温抗冲击强度下降。因此，增塑剂ZSJ-X的质量分数为23.6%～28.9%即可。

2.3FOX-7含量对NC基高能低敏感发射药低温抗冲击强度的影响

研究发现，加入FOX-7有利于降低发射药的敏感性，当FOX-7的质量分数小于15%时，对发射药的能量影响不大。因此，在保证发射药高能低敏感的条件下(FOX-7的质量分数小于15%)，研究了FOX-7的含量对GD3发射药低温抗冲击强度的影响，结果见表4。

表4　FOX-7含量对GD3发射药低温抗冲击强度的影响

从表4可以看出，用FOX-7部分替代配方中的RDX，发射药的低温抗冲击强度显著提高。随FOX-7含量的增加，发射药的低温抗冲击强度有所增大。这是因为，FOX-7与RDX具有相同的元素比，但其分子结构有明显的差异，单位质量的FOX-7比RDX含有更多的极性基团-NO2和-NH2。FOX-7分子上的-NH2及NC分子上未酯化的羟基使FOX-7与NC之间形成大量的氢键，这些化学键及其极性基团间的相互作用使FOX-7颗粒较好地吸附在黏结剂分子上，有利于复合体系中应力的传递。同时，FOX-7与NC分子间的相互作用降低了NC分子间极性基团的相互作用，有利于NC分子链段的运动，从而提高发射药对应力的塑性变形能力。当FOX-7质量分数达到13.1%时，发射药的低温抗冲击强度达到5.57kJ/m2；再增加FOX-7的含量，低温抗冲击强度增加不大，但此时发射药的能量有所降低。因此，将FOX-7质量分数定在13.1%左右。

2.4RDX和FOX-7粒度对NC基高能低敏感发射药低温抗冲击强度的影响

以RDX和FOX-7作为固体填料，研究其粒度对GD4发射药低温抗冲击强度的影响，结果见表5。

表5　RDX和FOX-7粒度对GD4发射药低温

从表5可以看出，随着RDX和FOX-7粒度的减小，GD4发射药的低温抗冲击强度显著提高。这是因为在NC及固体填料含量一定时，固体填料的粒度影响其与黏结剂的结合。在发射药制备过程中，机械、热等因素的作用使固体填料均匀分散在黏结剂之间，且两者接触良好，固体填料在体系中起物理交联点作用。小粒度RDX和FOX-7的比表面积大，与黏结剂结合更加紧密，形成分子间相互作用力的强度更高、数量更多，即小粒度的RDX和FOX-7与黏结剂的结合强度比大粒度的RDX和FOX-7的高；同时，高的比表面积有利于分散外加的冲击力，减小单位面积的受力，降低外力对复合体系结构的破坏。在相同固体含量的前提下，小粒度RDX和FOX-7的数量多，与黏结剂形成的物理交联点增加，这有利于外力在复合材料体系内部的传递，不易形成应力集中，提高了发射药对外力的响应能力，降低了外力的破坏作用。当FOX-7粒径为19μm，RDX粒径为5μm时，GD4发射药的低温抗冲击强度为6.38kJ/m2。如果再减小FOX-7与RDX的粒度，会发生团聚现象，发射药的低温抗冲击强度反而有所降低。因此，RDX和FOX-7的最佳粒径分别为5μm和19μm。

2.5NC基高能低敏感发射药的最佳配方及敏感性

根据上述实验，确定最佳配方(质量分数)为：含氮量为12.6%的皮罗棉27%；增塑剂ZSJ-X为25%；FOX-7(粒径19μm)为13%；RDX(粒径5μm)为33%。测得该配方低温抗冲击强度为7.75kJ/m2，火药力为1205J/g，爆热为4102J/g。测试了该配方和传统三胍发射药的敏感性，结果见表6。

表6　常规发射药和NC基高能低敏感发射药的敏感性对比

从表6可以看出，经5s爆发点、DSC、射流撞击、快烤、慢烤及子弹撞击等敏感性试验，该配方的敏感性优于传统三胍发射药。

3结论

(1)以含氮量为12.6%的皮罗棉作为黏结剂，提高增塑剂ZSJ-X的含量，用FOX-7部分替代RDX，减小RDX和FOX-7的粒度，有助于提高NC基高能低敏感发射药的低温抗冲击强度。

(2)发射药最佳配方(质量分数)为：含氮量为12.6%的皮罗棉27%；增塑剂ZSJ-X 为25%；FOX-7(粒径19μm)为13%；RDX(粒径5μm)为33%，此时发射药的低温抗冲击强度最佳，为7.75kJ/m2。

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Low Temperature Impact Strength of Nitrocellulose Based High

Energy-Low Vulnerability Gun Propellant

ZHANG Yuan-bo, XUAN Chun-lei, LIU Bo, LIU Jin-yu, LIU Guo-tao, WANG Qiong-lin

(Xi′an Modern Chemistry Research Institute, Xi′an 710065，China)

Abstract:To study the low temperature impact strength of nitrocellulose (NC) based high energy -low vulnerability gun propellant, four kinds of NC based high energy-low vulnerability gun propellants were prepared by changing the kind of NC, content of plasticizer ZSJ-X and FOX-7, and granularities of RDX and FOX-7 in formulations. Their low temperature impact strength were measured by an electronic universal material testing machine. The results show that the low temperature impact strength of NC based high energy-low vulnerability gun propellant can be improved through reducing the nitrogen content of binder, enhancing the content of ZSJ-X, partly replacing RDX with FOX-7 and reducing the granularity of RDX and FOX-7. When the formulation of NC based high energy-low vulnerability gun propellant is(mass fraction): NC of 37%; ZSJ-X of 25%; FOX-7(particle size of 1μm) of 13%; RDX(particle size of 5μm) of 33%, the low temperature impact strength is the best with the value of 7.75kJ/m2.

Keywords:applied chemistry; high energy-low vulnerability gun propellant; low temperature impact strength; NC; FOX-7; granularity

作者简介:张远波(1977-)，男，高级工程师，从事发射药配方及装药工艺研究。

基金项目:国防基础产品创新计划火炸药科研究专项

收稿日期:2014-05-22；修回日期:2014-10-19

中图分类号：TJ55; O69

文献标志码：A

文章编号：1007-7812(2015)01-0078-04

DOI：10.14077/j.issn.1007-7812.2015.01.018