宋育芳，肖乐勤，李纯志，唐方圆，龙义强，周伟良
（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）
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（—N—NO2）和硝酸酯（—O—NO2）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。
1.1 试剂原料
NC（含氮量12.8%）、RDX（粒径约45 μm），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 μm），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。
图1 IM 发射药制备流程图Fig.1 Flow chart of the preparation of IM gun propellants
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 g·cm-3和0.2 g·cm-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（20±1） ℃，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（66±1）°，正压力为（2.45±0.01） MPa，每发实验药量为（25±1） 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Φ60 mm×240 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 g·cm-3，装药量586 g。
图2 泄压测试弹结构示意图Fig.2 Structure schematic diagram of pressure relief cook-off bomb
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 mm×1500 mm，燃烧架为500 mm×500 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600～800 ℃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（850±20） m·s-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Φ12.7 mm 的破片撞击样品构件，破片质量为18.6 g，破片速度为（1830±60） m·s-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态，判断发射药响应程度。
2.1 理化、燃烧与力学性能
2.1.1 理化性能
根 据GJB 770B-2005 中 的 方 法401.1，103.1 以及104.2 对IM 发射药的密度、水分和残溶进行了测定，测 得IM 发射 药 的 密 度 为1.54 g·cm-3，水分含量0.54%，残溶为1.22%。
2.1.2 燃烧性能
稳定而有规律的燃烧是发射药应用于武器装药的先决条件，本研究采用密闭爆发器考察IM 发射药的燃烧性能，结果如表1 和图3 所示。0.12 g·cm-3装填密度下，IM 发射药的最大压力pm为129 MPa，对应的燃烧时间tm为33.2 ms，在20～110 MPa 压力范围内，燃速压力指数n为0.7241；
0.2 g·cm-3装填密度下，最大压力pm为241 MPa，对应的燃烧时间tm为23.0 ms，在70～180 MPa 压力范围内，燃速压力指数n为1.017。
表1 IM 发射药密闭爆发器结果Table 1 Closed bomb results of IM gun propellants
图3 不同装填密度的IM 发射药密闭爆发器试验曲线Fig.3 Closed bomb test curves of IM gun propellants with different loading density
密闭爆发器试验结果表明IM 发射药燃烧过程稳定，火药力和余容分别为1050 kJ·kg-1和1.03 dm3·kg-1，理论计算爆温为2677 K。
2.1.3 力学性能
制备的IM 发射药的力学性能测试结果见表2。由表2 可知，IM 发射药在-40，20 ℃及50 ℃下的抗冲击强度分别为8.19，11.12，13.97 kJ·m-2，抗压强度分别为131.51，82.45，58.22 MPa。随着温度升高，IM发射药的抗冲击强度有所提升，抗压强度逐渐降低。与文献［16］和文献［17］中的低易损发射药相比，IM发射药的抗冲击强度和抗压强度有显著提升；
相比文献［18］中RDX 等高能硝胺发射药，IM 发射药的低温力学性能较好，抗压强度明显提升；
与文献［19］中的单基药相比，IM 发射药的抗冲击强度与单基药基本相当，抗压强度明显提升。
表2 不同发射药力学性能Table 2 Mechanical properties of different gun propellants
IM 发射药配方中，GAP 分子结构含有的—N3和Bu-NENA 含有的—N—NO2和—O—NO2等能量基团，可以为发射药提供部分能量，一定程度上能够降低配方中固体填料的添加量，这有利于提升发射药的力学性能。除此之外，GAP 对NC 有良好的增韧作用，Bu-NENA 对NC 有良好的增塑作用，二者的引入有效改善了硝化棉大分子的溶塑特性，而Bu-NENA 较低的玻璃化温度（＜-80 ℃）［20］也有利于提高发射药的低温力学性能。
2.2 感度性能
撞击、摩擦和静电感度反映发射药在不同场景和刺激下的安全性，可以作为不敏感测试验证的一种补充。考察了研制的IM 发射药与泸州北方化学有限公司提供的制式太根发射药的撞击、摩擦和静电感度，结果见表3。
表3 IM 发射药与太根发射药感度测试结果Table 3 Sensitivity test results of IM gun propellants and TEGN gun propellants
太根发射药的特性落高H50为16.33 cm，摩擦感度达到100%，V50约为2 kV。相同测试条件下，IM 发射药的H50为62.62 cm，摩擦感度为28%，V50约为2 kV。相比太根发射药，IM 发射药的撞击感度和摩擦感度明显降低，静电感度略有降低。IM 发射药中主要的降感组分为GAP 和Bu-NENA，GAP 具有机械感度低、热稳定性好等优点，能与硝酸酯增塑剂混合并降低硝酸酯的撞击感度［21］。Bu-NENA 的热化学稳定性好，感度低，其撞击感度明显低于太根等含能增塑剂［22］，加入发射药中可以降低发射药的感度［20］。
2.3 不敏感性能
2.3.1 慢速烤燃
多孔粒状发射药与致密的炸药相比，在慢速烤燃测试中的传热特性相差很大，被点燃后的燃烧面积大，容易导致燃烧转爆轰，因此发射药慢烤试验中的响应程度是不敏感性能评价中的关键项目。图4 为所研制IM 发射药慢烤试验后壳体、见证板及残药状态。图4a显示试验后测试壳体完整，没有破损变形，底部见证板有凹痕，仅发生微变形（图4b）。壳体和见证板的完整程度说明IM 发射药燃烧过程中没有强烈的压力释放，所以未对壳体和见证板造成严重损坏。慢烤后剩余大量残药（图4c），表明慢烤过程中发射药冲破壳体顶部泄压片，壳体泄压之后，燃烧反应迅速停止，剩余药粒在受到撞击、挤压、摩擦、加热等刺激后有变形或破损。慢速烤燃试验过程利用热电偶进行两点测温，从图5温度曲线可以看出，point 1 和point 2 测试温度基本一致，经过172.4 min 的缓慢程序加热后，IM 发射药在181 ℃发生反应。根据壳体和见证板损坏情况以及剩余残药判断，IM 发射药在慢烤试验中发生燃烧反应。
图4 IM 发射药慢烤试验结果Fig.4 Slow cook-off test results of IM gun propellants
图5 IM 发射药慢烤温度曲线Fig.5 Slow cook-off test temperature curves of IM gun propellants
2.3.2 快速烤燃
快烤试验是模拟战场中在明火等快速升温情况下弹药的响应程度，研制发射药的快烤试验过程及结果如图6 所示。结合录像资料观察，点火120 s 后，测试弹泄压片破开，残片飞出（图6a），随后样品继续燃烧（图6b）。试验结束后观察装药壳体，发现壳体构件完整，外观无破损变形（图6c），快烤装置保持完整，甚至没有破坏固定壳体的细铁丝，说明反应过程温和不剧烈，没有强压力释放。测试弹在快速升温条件下，通过传导和辐射的传热方式，将热量传给发射药，同时发射药以热传导的方式将表层的热量传递到内部，在发射药中形成一定的温度梯度，并在发射药自身产生热积累和自加热现象［23］，当部分发射药达到分解温度时开始分解。在此期间，壳体内部聚集大量分解气体产物，在局部形成高温高压区，相应处的发射药分解速率较其他处更快，达到一定程度后，燃气冲破壳体泄压片后泄压，发生燃烧反应。从试验现象可以判断，IM 发射药在快烤试验中发生燃烧反应。
图6 IM 发射药快烤试验结果Fig.6 Fast cook-off test results of IM gun propellants
2.3.3 子弹撞击
子弹撞击试验是模拟发射药在战场环境中受到意外子弹撞击的响应程度，本研究采用12.7 mm 穿甲弹撞击发射药样弹的径向中部位置，结果见图7。结合录像资料，子弹射击后测试弹倒地，之后未产生任何现象（无冒烟或火光）（图7a）。试验后观察现场，除了子弹穿孔产生的破洞外，测试弹壳体基本保持完整，壳体内部及周围存在大量未燃烧残药，底部见证板无明显变形，仅有轻微凹痕（图7b）。根据上述试验现象判断，IM 发射药在子弹撞击试验中发生燃烧反应。
图7 IM 发射药子弹撞击试验结果Fig.7 Bullet impact test results of IM gun propellants
在枪弹的高速撞击及摩擦等因素作用下，部分机械能迅速转化为热能，IM 发射药药粒受到冲击和摩擦作用，并迅速分解燃烧，燃烧过程较温和，未见药粒喷射，也没有发生进一步的剧烈反应。
2.3.4 破片撞击
和慢烤刺激类似，发射药受高速破片撞击后，瞬间大量发射药药粒被点燃，容易导致燃烧转爆轰，本研究采用12.7 mm 锥形破片撞击发射药样弹的径向中部位置，试验结果如图8 所示。从图8 看出，壳体背部筒体破裂，见证板发生变形，并有轻微凹痕。结合录像资料分析，破片撞击样弹瞬间，撞击位置出现明亮火光，随后火光消失，壳体受击倒地发生破裂，药粒四散，试验现场再未观察到冒烟或火光，试验结束后收集到大量残药。由上述现象分析，破片撞击测试弹后，药粒受到高速破片的冲击和摩擦作用，局部温度快速升高并分解燃烧，壳体破裂后，壳体内部压力降低，热传递作用减弱，因此局部燃烧反应在未传播之前迅速停止。根据壳体破裂情况以及剩余残药，判断IM 发射药在破片撞击试验中发生局部燃烧反应。
图8 IM 发射药破片撞击试验结果Fig.8 Fragment impact test results of IM gun propellants
2.3.5 殉爆试验
殉爆试验是模拟弹药在受到冲击波、热力结合等刺激下的响应程度，本研究采用主发弹与被发弹零距离放置，先由雷管引爆传爆药柱，进而引爆主发弹。图9 为IM 发射药殉爆试验结果，从图9 中可以观察到试验后被发弹、见证板以及剩余残药的状态。被发弹在受到主发弹爆炸后产生的冲击波、爆炸产物以及高速碎片等刺激下，壳体底部发生变形，其余完好无破裂；
见证板在主发弹和被发弹的强剪切力作用下破裂，板上留下2 个部分剪切的圆孔，但并未形成穿孔；
试验后收集到部分剩余残药，主发弹壳体碎片未收集。从被发弹仅变形无破裂、见证板未穿孔以及收集到部分残药的试验结果，判断Bu-NC/RDX 发射药在殉爆试验中发生燃烧反应。
图9 IM 发射药殉爆试验结果Fig.9 Sympathetic detonation test results of IM gun propellants
（1）以NC 和GAP 为黏结剂，Bu-NENA 为增塑剂，RDX 为高能填料，石墨为导热助剂制备了IM 发射药；
GAP 和Bu-NENA 的引入改善了硝化棉大分子的溶塑特性，IM 发射药-40 ℃下抗冲击强度和抗压强度分别为8.2 kJ·m-2和131.5 MPa；
实测IM 发射药的火药 力为1050 kJ·kg-1，理论爆温为2677 K。
（2）低感组分GAP 和Bu-NENA 有利于降低IM 发射药的感度，IM 发射药的特性落高H50为62.62 cm，摩擦感度为28%，与太根发射药相比，感度大幅降低。
（3）IM 发射药在慢烤、快烤、子弹撞击、破片撞击和殉爆试验中未发生爆燃或爆炸，在慢烤、快烤、以及殉爆试验中发生燃烧反应，在子弹撞击试验和破片撞击试验中的响应程度低于燃烧反应。以上结果表明，IM 发射药具有良好的不敏感性，是一种有应用前景的低敏感发射药。
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