一步法微氣孔球扁藥成孔機理、燃燒性能及應用研究.pdf

1、微氣孔球扁藥(OPM)是粒徑從幾個微米到幾個毫米之間的表面和內部均具有微孔結構的球形或球扁狀發(fā)射藥，多孔結構決定了其具有高產(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域有廣泛的應用前景，但較差的燃燒穩(wěn)定性限制了其廣泛應用;孔結構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理是藥粒孔結構控制的理論和技術基礎;掌握孔結構和燃燒性能的相互關系是多氣孔藥工程應用的理論和技術基礎。本文以一步法制備微氣孔球扁藥工藝為基礎，

2、研究了其成孔機理和孔結構控制技術，同時研究了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)射裝藥技術中的應用。
　　首先，根據(jù)一步法制備OPM成型工藝特點，提出并驗證了幾種可能的成孔機理，結果表明，水是微氣孔球扁藥成孔的主要原因，主要以兩種機理來實現(xiàn):“擴散水”和“包容水”兩種機理?！皵U散水”成孔機理是通過液～液分相機制來實現(xiàn)的:由于水和乙酸乙酯混溶，它們之間有傳質作用，水和乙酸乙酯會通過硝化棉乳滴表面進行擴散，當硝化棉

3、、乙酸乙酯和水組成的三相體系平衡被破壞時，體系將進行液～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”，隨著溶劑的驅除高分子溶液固化成形，這些“水滴”最終導致孔洞的形成;“擴散水”成孔機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，孔隨機分布在球扁藥中，主要為閉孔結構;另一種孔徑小于10μm，孔洞為球狀或鏈狀，孔徑分布較均勻，孔布滿整個球扁藥，主要為通孔

4、結構;“擴散水”成孔機理發(fā)生在整個成型工藝過程中。“包容水”成孔機理為:攪拌作用使水以水滴的形式進入硝化棉乳滴中，最終導致成品球扁藥中孔洞的形成，“包容水”導致的孔徑主要分布在0.1～200μm，主要為球形，孔隨機分布在整個球扁藥中，孔徑分布不均勻，主要為閉孔結構;“包容水”成孔機理主要發(fā)生在加水分散和加入明膠溶液兩個工藝步驟之間。
　　第二，以一步法成孔機理為基礎，并借鑒其它領域里材料多孔化方法，通過改進一步法工藝制備不同孔結構

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

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

7、不一致時，質量燃速如下:密實藥＜大孔閉孔小孔閉孔＜分層結構＜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構藥粒，動態(tài)活性如下:密實藥＜大孔閉孔小孔閉孔＜大孔閉孔小孔通孔＜分層結構＜大孔通孔小孔通孔＜大孔通孔小孔閉孔結構藥粒;藥粒中大孔開孔方式對燃燒性能的影響遠大于小孔的開孔方式，分析認為，當藥粒表面點燃后，生成的高溫燃氣向藥粒內部傳播形成對流燃燒，由于大孔對燃氣的傳質作用其起主導作用，故大孔為開孔結構的藥粒有較強的燃燒漸增性，

8、大孔為閉孔結構的藥?；緹o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量燃速較低，點火性能相對較低;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)射藥的質量燃速，進而提高其發(fā)射性能;微氣孔球扁藥的傳火速率約為密實球扁藥的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為出發(fā)點，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因素對發(fā)射性能的影響，并優(yōu)化實驗參數(shù)，尋求微氣孔球扁藥替代黑火藥的裝藥結構和裝藥條件。結果表明，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、燃速調節(jié)劑和點火藥等制備成具有特定規(guī)格的模塊，大幅度增強了無煙藥的燃燒性能，