一步法微氣孔球扁藥成孔機(jī)理、燃燒性能及應(yīng)用研究.pdf

1、微氣孔球扁藥(OPM)是粒徑從幾個(gè)微米到幾個(gè)毫米之間的表面和內(nèi)部均具有微孔結(jié)構(gòu)的球形或球扁狀發(fā)射藥，多孔結(jié)構(gòu)決定了其具有高產(chǎn)氣速率，使其在短身管武器、無煙煙花、汽車安全氣囊等軍民領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景，但較差的燃燒穩(wěn)定性限制了其廣泛應(yīng)用;孔結(jié)構(gòu)和火藥的燃燒性能有著密切聯(lián)系，研究并掌握多氣孔藥的成孔機(jī)理是藥?？捉Y(jié)構(gòu)控制的理論和技術(shù)基礎(chǔ);掌握孔結(jié)構(gòu)和燃燒性能的相互關(guān)系是多氣孔藥工程應(yīng)用的理論和技術(shù)基礎(chǔ)。本文以一步法制備微氣孔球扁藥工藝為基礎(chǔ)，

2、研究了其成孔機(jī)理和孔結(jié)構(gòu)控制技術(shù)，同時(shí)研究了OPM開孔方式對燃燒性能的影響，探索了其在1.2寸禮花發(fā)射裝藥技術(shù)中的應(yīng)用。
　　首先，根據(jù)一步法制備OPM成型工藝特點(diǎn)，提出并驗(yàn)證了幾種可能的成孔機(jī)理，結(jié)果表明，水是微氣孔球扁藥成孔的主要原因，主要以兩種機(jī)理來實(shí)現(xiàn):“擴(kuò)散水”和“包容水”兩種機(jī)理。“擴(kuò)散水”成孔機(jī)理是通過液～液分相機(jī)制來實(shí)現(xiàn)的:由于水和乙酸乙酯混溶，它們之間有傳質(zhì)作用，水和乙酸乙酯會(huì)通過硝化棉乳滴表面進(jìn)行擴(kuò)散，當(dāng)硝化棉

3、、乙酸乙酯和水組成的三相體系平衡被破壞時(shí)，體系將進(jìn)行液～液分相，形成聚合物貧相和聚合物富相，在后期的工藝步驟中包裹在富相中的貧相形成形貌各異的“水滴”，隨著溶劑的驅(qū)除高分子溶液固化成形，這些“水滴”最終導(dǎo)致孔洞的形成;“擴(kuò)散水”成孔機(jī)理主要形成兩種孔徑的孔洞:一種孔徑為10～200μm，孔洞呈球形，孔徑分布不均勻，孔隨機(jī)分布在球扁藥中，主要為閉孔結(jié)構(gòu);另一種孔徑小于10μm，孔洞為球狀或鏈狀，孔徑分布較均勻，孔布滿整個(gè)球扁藥，主要為通孔

4、結(jié)構(gòu);“擴(kuò)散水”成孔機(jī)理發(fā)生在整個(gè)成型工藝過程中?！鞍菟背煽讬C(jī)理為:攪拌作用使水以水滴的形式進(jìn)入硝化棉乳滴中，最終導(dǎo)致成品球扁藥中孔洞的形成，“包容水”導(dǎo)致的孔徑主要分布在0.1～200μm，主要為球形，孔隨機(jī)分布在整個(gè)球扁藥中，孔徑分布不均勻，主要為閉孔結(jié)構(gòu);“包容水”成孔機(jī)理主要發(fā)生在加水分散和加入明膠溶液兩個(gè)工藝步驟之間。
　　第二，以一步法成孔機(jī)理為基礎(chǔ)，并借鑒其它領(lǐng)域里材料多孔化方法，通過改進(jìn)一步法工藝制備不同孔結(jié)構(gòu)

5、的OPM，主要探索了通孔、閉孔、分層三種孔結(jié)構(gòu)的藥粒制備方法。以改變外形法、化學(xué)發(fā)泡法和水解溶劑法等方法成功制備出了上述各種結(jié)構(gòu)的OPM，通過改變工藝條件和配方等手段可以控制藥粒內(nèi)部平均孔徑大小、孔數(shù)量和開孔方式等，為研究孔結(jié)構(gòu)和燃燒性能的相互關(guān)系奠定了基礎(chǔ)。例如，采用化學(xué)發(fā)泡法來控制孔結(jié)構(gòu)時(shí)，以質(zhì)量濃度為7％的Na2SO4水溶液為分散介質(zhì)，當(dāng)溶劑驅(qū)除量為14.3％、42.9％和57.1％時(shí)發(fā)泡大孔基本為閉孔結(jié)構(gòu)，當(dāng)驅(qū)溶量為28.6％時(shí)

6、發(fā)泡大孔主要為通孔結(jié)構(gòu);該方法制備的藥粒中所有小孔均為閉孔結(jié)構(gòu)。
　　第三，分別以大孔、小孔為通孔或閉孔結(jié)構(gòu)的藥粒為研究對象，進(jìn)行密閉爆發(fā)器試驗(yàn)，研究孔結(jié)構(gòu)和燃燒性能的關(guān)系，主要考察了結(jié)構(gòu)對質(zhì)量燃速及漸增燃燒特性的影響。結(jié)果表明，當(dāng)開孔方式一致時(shí)，藥粒堆積密度越小，其質(zhì)量燃速越大，燃燒漸增特性越明顯，分析認(rèn)為，堆積密度越小，藥粒內(nèi)部平均孔徑越大、孔數(shù)量越多，比表面積越大，更容易發(fā)生對流燃燒，故質(zhì)量燃速較大、漸增性較明顯;當(dāng)開孔方式

7、不一致時(shí)，質(zhì)量燃速如下:密實(shí)藥＜大孔閉孔小孔閉孔＜分層結(jié)構(gòu)＜大孔閉孔小孔通孔＜大孔通孔小孔通孔≈大孔通孔小孔閉孔結(jié)構(gòu)藥粒，動(dòng)態(tài)活性如下:密實(shí)藥＜大孔閉孔小孔閉孔＜大孔閉孔小孔通孔＜分層結(jié)構(gòu)＜大孔通孔小孔通孔＜大孔通孔小孔閉孔結(jié)構(gòu)藥粒;藥粒中大孔開孔方式對燃燒性能的影響遠(yuǎn)大于小孔的開孔方式，分析認(rèn)為，當(dāng)藥粒表面點(diǎn)燃后，生成的高溫燃?xì)庀蛩幜?nèi)部傳播形成對流燃燒，由于大孔對燃?xì)獾膫髻|(zhì)作用其起主導(dǎo)作用，故大孔為開孔結(jié)構(gòu)的藥粒有較強(qiáng)的燃燒漸增性，

8、大孔為閉孔結(jié)構(gòu)的藥粒基本無燃燒漸增性。
　　第四，①目前無煙發(fā)射藥在禮花類產(chǎn)品發(fā)射過程中存在的主要問題是發(fā)射高度偏低、發(fā)射高度不穩(wěn)定和發(fā)射現(xiàn)場有殘藥等;根據(jù)禮花彈發(fā)射內(nèi)彈道過程，無煙發(fā)射藥無法替代傳統(tǒng)黑火藥的主要原因是其質(zhì)量燃速較低，點(diǎn)火性能相對較低;通過提高發(fā)射藥的傳火速率和增加有效燃面理論上可以提高發(fā)射藥的質(zhì)量燃速，進(jìn)而提高其發(fā)射性能;微氣孔球扁藥的傳火速率約為密實(shí)球扁藥的8倍，并且經(jīng)過處理后還有較大的提升空間，燃燒后煙霧濃度

9、和黑火藥相比降低了98.1％，有替代黑火藥成為無/微煙禮花彈發(fā)射藥的潛力。②以影響微氣孔球扁藥傳火速率和有效燃面的原因?yàn)槌霭l(fā)點(diǎn)，研究了發(fā)射藥形態(tài)、發(fā)射筒氣密性、發(fā)射藥吸濕率和有效燃面等幾個(gè)因素對發(fā)射性能的影響，并優(yōu)化實(shí)驗(yàn)參數(shù)，尋求微氣孔球扁藥替代黑火藥的裝藥結(jié)構(gòu)和裝藥條件。結(jié)果表明，將廢棄單基藥經(jīng)過改形、改性處理制備成敏化微氣孔球扁藥，再按一定的比例添加黏合劑、燃速調(diào)節(jié)劑和點(diǎn)火藥等制備成具有特定規(guī)格的模塊，大幅度增強(qiáng)了無煙藥的燃燒性能，