火炸药学报    2018, Vol. 41 Issue (2): 147-152   DOI: 10.14077/j.issn.1007-7812.2018.02.008
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引用本文  

田书春, 胡义文, 袁小丽, 肖乐勤, 李忠山, 高文欢, 周晓红. 叠氮类热塑性弹性体对模压可燃药筒燃烧性能的影响[J]. 火炸药学报, 2018, 41(2): 147-152. DOI: 10.14077/j.issn.1007-7812.2018.02.008
TIAN Shu-chun, HU Yi-wen, YUAN Xiao-li, XIAO Le-qin, LI Zhong-shan, GAO Wen-huan, ZHOU Xiao-hong. Influence of Azido Thermoplastic Elastomers on the Combution Performance of Molded Combustible Cartridge Cases[J]. Chinese Journal of Explosives & Propellants, 2018, 41(2): 147-152. DOI: 10.14077/j.issn.1007-7812.2018.02.008

基金项目

装备预先研究项目(No.30114010104)

作者简介

田书春(1967-), 男, 研究员级高级工程师, 从事发射装药和可燃军械元器件研究。E-mail:tshch845@sohu.com

通信作者

肖乐勤(1972-), 女, 副研究员, 从事含能材料研究。E-mail:leqinxiao@163.com

文章历史

收稿日期:2017-09-16
修回日期:2018-01-12
叠氮类热塑性弹性体对模压可燃药筒燃烧性能的影响
田书春1,2, 胡义文2, 袁小丽1, 肖乐勤2, 李忠山1, 高文欢1, 周晓红1     
1. 西安北方惠安化学工业有限公司, 陕西 西安 710302;
2. 南京理工大学化工学院, 江苏 南京 210094
摘要: 为降低模压可燃药筒的初始燃烧速度,采用叠氮类热塑性弹性体BAMO/AMMO和BAMO/GAP分别对模压可燃药筒进行表面涂覆处理,并通过密闭爆发器试验及抗拉强度试验,研究了两种叠氮热塑性弹性体对可燃药筒定容燃烧性能和力学性能的影响。结果表明,经BAMO/AMMO和BAMO/GAP处理后的药筒在高温(50±2)℃、常温(25±2)℃及低温(-40±2)℃下密闭燃烧结束时间明显延长,燃烧初始速度和最大压力梯度下降;燃烧残渣质量相当,火药力和常温力学强度略微下降;常温下,BAMO/AMMO和BAMO/GAP涂覆的药筒燃烧结束时间较未处理药筒分别延长134%和22%,最大压力梯度分别降低52.3%和5.1%,表明用BAMO/AMMO和BAMO/GAP对可燃药筒进行表面处理,可有效降低药筒的初始燃气生成速率;常温下,BAMO/AMMO处理药筒和BAMO/GAP处理药筒的抗拉强度分别为25.82和26.46 MPa,与未处理药筒相比力学性能略微下降。
关键词: 模压可燃药筒     叠氮类热塑性弹性体     密闭爆发器     燃烧性能调控    
引言

模压可燃药筒作为发射装药的容器及配套附件,在射击后可自行消失,给勤务使用带来方便,更能提供发射过程的部分能量,一定程度上改善火炮的弹道性能[1]。目前,可燃药筒在主战坦克穿甲弹等多个弹种及大口径火炮模块装药中的应用日益广泛[2-3]

随着对武器威力、射程等要求的不断提高,弹药系统不可避免地需要增加装药量来提高弹丸初速,从而导致武器装备面临高膛压的严峻考验[4-6]。作为装药的一个重要部件,可燃药筒在发射过程中参与主装药的共同燃烧,如果可燃药筒初始燃速过高,将引起装药膛压进一步增大,膛内压力波过大等问题,给弹丸发射和内弹道性能带来不利影响[7-8]。因此,在满足可燃药筒力学强度和燃烧洁净性的要求下,应尽可能降低可燃药筒的初始燃速,配合发射装药达到降低膛压的目的。

目前,以模压一次成型工艺制备的可燃药筒,其多孔结构的设计能够满足燃烧完全性的要求,并呈现出渗透性燃烧的特点,不同于一般火药的几何燃烧规律。该型药筒的初始燃烧活度较高,并呈现减面燃烧。对其进行表面涂覆处理,可有效降低其燃速,控制可燃药筒燃气释放速率,同时也能改善药筒耐潮、耐热性能[9-10]。此外,叠氮类热塑性弹性体具有生成热高、爆温低、易损性低、可绿色制造等优势,是未来发射药研究的重要方向之一[11]。与传统无机涂覆材料相比,其疏水的有机结构可以改善可燃药筒的耐潮、耐热等性能。

本研究采用叠氮类热塑性弹性体BAMO/AMMO和BAMO/GAP分别对模压可燃药筒进行表面涂覆,得到BAMO/AMMO和BAMO/GAP处理药筒;通过密闭爆发器试验及抗拉强度试验,研究了两种叠氮热塑性弹性体对可燃药筒燃烧性能及力学性能的影响。

1 实验 1.1 原料

2号硝化棉(氮质量分数12.0%)、硫酸盐木浆纸(α-纤维素的质量分数大于95%)、聚醋酸乙烯酯纤维(固体质量分数大于48%)、二苯胺,西安北方惠安化学工业有限公司。

1.2 试样制备

采用模压一次成型工艺制备可燃药筒基体。将BAMO/AMMO含能热塑性弹性体溶于乙酸乙酯中,配成质量分数为20%的溶液。然后再通过表面处理工艺,将溶液涂覆在可燃药筒基体内外表面,涂层质量控制在(100±5) g/m2。此后将制品置于抽真空后的烘箱中干燥6 h,温度为(60±5)℃,然后室温晾置5 d后即得到BAMO/AMMO处理可燃药筒,如图 1所示。同样方法得到BAMO/GAP处理药筒。

图 1 叠氮类热塑性弹性体涂覆处理可燃药筒示意图 Figure 1 Illustration of azido thermoplastic elastomer coated molded combustible cartridge cases
1.3 性能测试

采用密闭爆发器分别对可燃药筒基体、BAMO/AMMO及BAMO/GAP处理药筒进行定容燃烧性能试验。密闭爆发器体积为700mL,点火药为2号硝化棉,装填密度为0.2g/cm3,试验温度为常温(25±2)℃,高温(50±2)℃及低温(-40±2)℃。其中烘前残渣质量为密闭爆发器实验后收集本体内的残渣质量。然后将残渣放入烘箱60℃下进行烘干处理,不挥发残渣的质量即为烘后残渣质量,挥发份含量为残渣中可挥发物质的质量分数。

从可燃药筒样品中部位置切取120mm圆环,按GJB5472.1-2005方法裁剪成哑铃状,进行抗拉强度测试,测试温度为(25±2)℃,拉伸速率为10mm/min。用试样破坏时的拉力值计算抗拉强度,测试方法依据GJB5472.3-2005方法,每个试样测试3次求平均值。

2 结果与讨论 2.1 可燃药筒的常温燃烧特性

药筒基体、BAMO/AMMO处理药筒和BAMO/GAP处理药筒的常温燃烧性能p-t曲线、dp/dt-B曲线和Lcp-B曲线见图 2

图 2 可燃药筒常温密闭爆发器燃烧结果曲线 Figure 2 Curves describing the combustion results of combustible cartridge cases at normal temperature by closed-bomb test

图 2(a)可知,表面涂覆处理后的两个药筒试样燃烧速度降低,最大压强下降,燃烧结束时间延长。图 2(b)中dp/dt-B曲线反应了燃气生成速率,由于可燃药筒结构多孔,燃面较大,初期的燃气生成速率迅速增加,达到最大值后又迅速降低,表现出渐减性燃烧特点。图 2(c)反应了可燃药筒的动态活性,B<0.05时,Lcp值强烈波动且数值较大,为点火药燃烧所致。此后3个药筒的Lcp曲线趋于平缓,数值达到最大值并保持基本稳定,说明3个可燃药筒主体燃烧阶段燃烧稳定。药筒基体、BAMO/AMMO处理药筒和BAMO/GAP处理药筒的常温燃烧性能见表 1。从表 1中常温燃烧性能可知,与未处理可燃药筒相比,经BAMO/AMMO处理药筒和BAMO/GAP处理药筒火药力分别降低2.3%和1.1%,燃烧结束时间分别延长134%和22%,最大压力梯度dp/dt分别降低52.3%和5.1%。此外BAMO/AMMO处理药筒燃气平均活度5.05,明显低于其他两个药筒试样。结果表明,对可燃药筒进行表面涂覆处理,常温燃烧过程依然稳定,火药力和最大压力略微降低,显著延长燃烧结束时间,延缓燃气压力上升速率。其中BAMO/GAP表面涂覆处理对可燃药筒常温燃烧性能影响较小,而BAMO/AMMO可燃药筒基体燃烧规律的改变较为明显,明显降低常温燃气释放速率和平均活度,有助于常温初始燃速的降低。

表1 可燃药筒密闭爆发器试验结果 Table 1 The closed-bomb test results of combustible cartridge cases
2.2 可燃药筒高温燃烧特性

图 3分别给出了药筒基体、BAMO/AMMO处理药筒和BAMO/GAP处理药筒的高温燃烧性能p-t曲线、dp/dt-B曲线和Lcp-B曲线,高温燃烧性能数值结果见表 1

图 3 可燃药筒高温密闭爆发器燃烧性能曲线 Figure 3 Curves describing the combustion performance of combustible cartridge cases at high temperature by closed-bomb test

图 3(a)可见,BAMO/AMMO处理药筒和BAMO/GAP处理药筒的高温燃烧性能p-t曲线较为接近,但BAMO/GAP处理药筒燃烧持续时间更长。由表 1可知,相对于未处理药筒基体,BAMO/AMMO处理药筒和BAMO/GAP处理药筒的高温火药力分别下降0.8%和0.4%,燃烧时间分别延长31%和81%,最大压力梯度dp/dt分别降低12.1%和27.7%,平均活度分别降低13.6%和23.8%。结果表明,热塑性弹性体BAMO/AMMO和BAMO/GAP表面处理可燃药筒基体,在高温条件下对火药力影响较小,均可延长燃烧结束时间、降低最大压力梯度,减小燃气平均活度,有助于高温初始燃速降低。

2.3 可燃药筒低温燃烧特性

未处理药筒基体、BAMO/AMMO处理药筒和BAMO/GAP处理药筒的低温燃烧p-t曲线、dp/dt-B曲线和Lcp-B曲线见图 4,其燃烧性能数值列于表 1

图 4 可燃药筒低温密闭爆发器燃烧性能曲线 Figure 4 Curves describing the combustion performance of combustible cartridge cases at low temperature by closed-bomb test

图 4(a)可见,BAMO/AMMO处理药筒和BAMO/GAP处理药筒的低温p-t曲线差异仍然较小。对比低温p-t曲线,BAMO/GAP处理药筒燃烧持续时间明显缩短。从表 1可知,相对于未处理药筒基体,BAMO/AMMO处理药筒和BAMO/GAP处理药筒的低温火药力分别下降1.2%和0.5%,燃烧结束时间分别延长65%和34%,最大压力梯度dp/dt分别降低45.8%和7.0%,平均活度分别降低42.5%和17.9%。这说明热塑性弹性体BAMO/AMMO和BAMO/GAP对可燃药筒进行表面处理,在低温条件下其火药力下降较小,燃烧结束点时间明显延长,燃烧强度和初始燃速降低。此外,与BAMO/GAP处理药筒对比,BAMO/AMMO处理药筒的最大压力梯度及燃气平均活度下降幅度更明显。

2.4 可燃药筒燃烧残渣质量分析

表 2为可燃药筒定容燃烧后残渣的质量。

表2 可燃药筒燃烧后的残渣质量 Table 2 Residual mass after the combustion of combustible cartridge cases

表 2可知,常温下,药筒基体、BAMO/AMMO处理药筒和BAMO/GAP处理药筒的残渣质量分别为3.94、3.12和2.92g。与未处理药筒基体相比,烘干后BAMO/AMMO处理药筒和BAMO/GAP处理药筒不挥发性残渣质量分别减少20.9%和25.9%。这说明常温条件下BAMO/AMMO和BAMO/GAP表面处理可燃药筒可使不挥发性残渣质量有效减少。而高、低温条件下,药筒基体、BAMO/AMMO处理药筒和BAMO/GAP处理药筒的残渣质量未发生明显变化。

2.5 常温力学性能分析

对模压药筒基体和BAMO/AMMO处理药筒、BAMO/GAP处理药筒分别进行力学性能测试,其结果见表 3

表3 可燃药筒力学性能测试结果 Table 3 The mechanical properties of combustible cartridge cases

表 3可知,对比未涂覆处理的药筒,采用BAMO/AMMO和BAMO/GAP表面处理后的可燃药筒抗拉强度分别降低6.3%和4.0%。此外,涂覆处理后药筒的延伸率相对于未处理药筒也有一定程度的下降。这可能是因为表面处理过程中乙酸乙酯破坏了可燃药筒的内部纤维结构,导致硝化纤维素和木质纤维素自身强度减小,影响药筒力学性能。总之,采用BAMO/AMMO和BAMO/GAP对可燃药筒进行表面涂覆处理引起药筒力学性能略微下降,但能满足使用要求。

3 结论

(1) 常温定容燃烧性能中,与未处理药筒相比,BAMO/AMMO处理药筒和BAMO/GAP处理药筒燃烧时间分别延长134%和22%,最大压力梯度dp/dt分别降低52.3%和5.1%。高温下燃烧时间分别延长31%和81%,最大压力梯度dp/dt分别降低12.1%和27.7%。低温下燃烧时间分别延长65%和34%,最大压力梯度dp/dt分别降低45.8%和7.0%。热塑性弹性体BAMO/AMMO和BAMO/GAP对可燃药筒进行表面涂覆处理可明显延长药筒在高温、常温和低温下的燃烧时间,降低最大压力梯度,有助于燃速降低,但也引起火药力略微下降。

(2) 热塑性弹性体BAMO/AMMO和BAMO/GAP表面处理可燃药筒,常温下燃烧后残渣质量明显减少,高、低温燃烧后残渣质量变化较小。

(3) 常温下,未处理药筒、BAMO/AMMO处理药筒和BAMO/GAP处理药筒的抗拉强度分别为27.56、25.82和26.46MPa,采用BAMO/AMMO和BAMO/GAP表面涂覆处理后,可燃药筒力学性能略微下降。


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Influence of Azido Thermoplastic Elastomers on the Combution Performance of Molded Combustible Cartridge Cases
TIAN Shu-chun1,2, HU Yi-wen2, YUAN Xiao-li1, XIAO Le-qin2, LI Zhong-shan1, GAO Wen-huan1, ZHOU Xiao-hong1     
1. Xi'an North Huian Chemical Industries Co., Ltd., Xi'an 710302, China;
2. School of Chemical Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China
Abstract: To reduce the initial burning rate of molded combustible cartridge cases, azido thermoplastic elastomers, 3, 3-diazidomethyl oxetane/azidomethyl-3-methyl oxetane copolymer (BAMO/AMMO) and 3, 3-diazidomethyl oxetane/azido glycidyl copolymer (BAMO/GAP), were used to coat the surface of molded combustible cartridge case. The effect of two kinds of azido thermoplastic elastomers on the constant volume combustion performances and mechanical properties of combustible oncartridge cases was investigated by closed-bomb test and tensile strength test. The results show that the closing time of closed combustion of the cartridge case treated by BAMO/AMMO and BAMO/AMMO at high (50±2)℃, normal (25±2)℃ and low temperature (-40±2)℃ is obviously prolonged, the initial burning rate and maximum pressure gradient decrease obviously, the mass of the combustion residue is equal, the gunpower force and mechanical strength at normal temperature of the coated cases decrease slightly. At normal temperature, the closing combustion time of the BAMO/AMMO and BAMO/GAP treated cartridge cases is prolonged by 134% and 22%, respectively and the maximum pressure gradient decreases by 52.3% and 5.1%, respectively, indicating that the surface treatment of combustible cartridge cases with BAMO/AMMO and BAMO/GAP can effectively reduce the initial gas generation rate of cartridge cases. The tensile strength of BAMO/AMMO and BAMO/GAP at normal temperature are 25.82 and 26.46 MPa, respectively, decrease slightly compared with untreated combustible cartridge cases.
Key words: molded combustible cartridge cases     azido thermoplastic elastomer     closed-bomb     combustion performance control