二元无硫黑火药研究(1).pdf

第! 卷第# #期 ! $ $ 年# #月 北 京 理 工 大 学 学 报 % 9 ! $ $ 文章编号 ? ! $ $ A # # = # $ # ! = $ 二元无硫黑火药研究 崔庆忠B焦清介 北京理工大学 爆炸灾害预防与控制国家重点实验室B北京# $ $ $ C # A 摘要运用最小自由能原理计算了不同配比D E F:GH体系燃烧产物的平衡气相组成和热力学参数B从反应动力 学的角度对模拟结果进行定性分析B并以平衡态气相组成I火药力I爆温为目标函数B设计出低腐蚀I无污染的无硫 黑火药配方B改善了体系的热力学性能B并就优化后配方的理化I感度性能及输出特性与制式黑火药进行了对比分 析J结果表明B无硫黑火药火焰感度提高K机械感度与静电感度降低K输出感度有所增加J 关键词黑火药K无硫K最小自由能K输出特性 中图分类号文献标识码M N O P Q RS TN P U V P W X Y W Z Z U _ S Q Z WS V a S b T c W Z Q d Z T O e f S gh S e d O d S T e D i3 L, ( 2 = j 5 - ( 2 B k 3 MGL, ( 2 = 1 , 0 : + , - ( 6 F0 7l m - 0 ( + , - ( ( oD - ( + , 0 y - . , 0 o 9% 5 0r 5 7 ) , * 6 B* 5 0 w, * 6 ( o- 4 + r 4 +r 0+ -. 6 w0 B ( o, ( ) 0 ( ) , + , ; 0+ -, wr * + ( o0 6 0 * + 不定乘子法对自由能最小化处理 建立平衡组成的计算模型? A+根据平衡组成及其热 力学数据计算反应体系在平衡状态的热力学参数+ 评价点火药输出特性的指标主要有平衡态气相 - ; .组成B火药力CD及爆温E ? F A+在燃烧过程中 气 相产物越多达到临界点火压力所需时间越短体系 的能量利用率越高3火药力B爆温是表征点火药点火 能力的重要指标火药力越大B爆温越高点火性能 越好+因此作者选择这个参数作为配方优化的目 标函数+对于不同组成的G , HIJ二元体系平衡 气相产物生成量和热力学参数计算结果如图K 图 L 图所示+ 图K M;NO的目标函数 P Q ; 8 K G R TU V W : W V R = X W Q U =U V M;NO 图L C DNO的目标函数 P Q ; 8 L G R TU V W : W V R = X W Q U =U V CDNO 图 ENO目标函数 P Q ; 8 G R TU V W : W V R = X W Q U =U V ENO 由图K可见硝酸钾的质量分数在Y Z Z 时气体生成物最多3在 1 Z Z时体系的火药 力最高3在 1 Z Y Z时体系的爆温最高+当气体 生成量B火药力B爆温最高时点火药的点火能力最 强据此确定二元体系的最优配比为- HIJ. - G . %- 1 . - L 1 K Y . + _ 试验部分 _ ! 原材料及制造工艺 工业硝酸钾-二级品. a b K c K N d 3黑火药用木 炭ef g Y L Nd Y + 制造工艺采用制式黑火药的制造工艺即原材 料粉碎h混合h压药h造粒等+试验用样品粒度分 布范围为1 F 1 1 gii+ _ _ 试验方法 无硫黑火药理化及爆炸性能试验按国军标中有 关规定执行? g A+ 输出特性曲线测试/将- K 1 j1 1 g . ;样品放入 容积为K 1 1X i的密闭爆发器中用电点火头发火 通过瞬态记录仪记录燃烧过程的kl m曲线+ n 结果与讨论 n ! 理化性能对比研究 优化配方后的无硫黑火药- HIJ. - G . % 1 L 1与制式黑火药理化性能的对比如表K所示+ 由表K可见两种药剂的安定性相当无硫黑火 药的密度B摩擦感度B撞击感度B静电感度低3吸湿 性B爆发点B火焰感度高+ 两种药剂密度的差异是由于硝酸钾晶粒和木炭 颗粒的界面间存在空隙不能形成致密接触硫属无 定型结构压药时在高温高压环境下具有一定的流 K1K 第K K期崔庆忠等/二元无硫黑火药研究 万方数据 表!无硫黑火药和制式黑火药的理化性能对比表 # $ % ! ?AB 安定性: ; ?C = ? 摩擦感度: E 撞击感度: E 静电感度: G 制式黑火药 D H I JK H A DD H LA A KD D H ML NL NA K I D H O 无硫黑火药 D H I KK H A DD H IA J DD K H KOKPD KK K K 动性Q填充了硝酸钾和木炭间的界面间隙Q使体系的 致密性提高Q密度增加R M ST从微观结构看Q木炭是多 孔疏松状颗粒Q有很强的吸附作用Q硝酸钾晶体具有 较高的吸湿性T对于黑火药Q硫对两者起到包覆剂的 作用U一方面硫包覆在木炭颗粒表面Q堵塞了木炭颗 粒内的毛细孔Q使其吸附性降低V另一方面Q包覆在 硝酸钾表面的硫减少了硝酸钾颗粒和外界环境的接 触面积Q减弱了硝酸钾晶体的吸湿性Q在宏观上表现 为黑火药的吸湿性小Q而在W : XYZA体系中Q没有 上述微观结构Q其吸湿性相应较大T 两种点火药燃烧性能的差异由它们的反应历程 决定T研究表明R I SQ黑火药的燃烧反应分两步进行U 在D J KFL K KF时Q硫磺吸热气化Q与木炭中的低 熔点成分反应Q放出的热诱发硝酸钾和硫的预点火 反应V硝酸钾木炭吸收预点火阶段的反应热和外界 热量Q在A K KF左右开始扩散控制的点火反应R N ST对 W : XYZA燃烧体系Q 不存在低温区的诱导反应Q主反 应所需的活化能全部由外界供给Q需要的热量多Q因 此爆发点高Q机械感度低T对于火焰感度Q体系和环 境进行能量传递的介质是高温粒子流Q可直接诱导 木炭和硝酸钾的扩散反应Q当体系中有硫磺存在时Q 要吸收热量气化Q反而阻滞了主反应的进行T因此Q 无硫黑火药的火焰感度比制式黑火药高T 硫磺属于非导电介质Q增加了体系的介电常数Q 易引起静电积累Q静电感度高Q W : XYZA体系的导电 好Q介电常数低Q易泄放静电Q因此静电感度低T H 输出特性对比研究 几种不同配比的无硫黑火药与制式黑火药的输 出特性参数如表L所示T 从表L可见Q最优配比的无硫黑火药燃烧时Q初 始压力建立时间短最大压力高做功能力强T初始 压力建立时间短Q说明反应初始温度低Q火焰感度 高Q更容易被外界能量激发V输出最大压力高Q保证 了点火药的能量利用率和下一级装药的可靠点火V 做功能力强Q能量转化速度快Q点火延滞期短Q能实 现快速点火Q提高主装药的燃烧精度T 表输出特性参数表 # $ % _ 6 4 1 6 4 1 2 3 1 / 2 4 * / )3 5) 6 , 5 6 2 7 5 2 / / $ , # + 81 3 9 . / 2 )# - .$ , # + 81 3 9 . / 2 药剂类型质量比 ?a b: cd a 上升 时间: e 相对做功 能力 无硫黑火药 XYZA: W I K fA K N K fL K N O fD M L H A N A H L K L H L I K H K O I K H K L M K H K J D K H g J D H L g K H N M 制式黑火药 XYZA: W : h I J fD J fD K L H J NK H K J JD H K K 上述配方已在某反坦克导弹战斗部和某信号弹 的点火序列设计中得到证实Q使用制式黑火药作为 点火药Q存在不能点燃下一级主装药的现象Q点火序 列可靠度低Q改用W : XYZA点火药后Q点火能力增 加Q点火序列可靠性提高Q满足了武器系统的要求T i 结论 运用最小自由能原理计算无硫黑火药燃烧产物 的平衡组成和热力学参数并进行优化设计Q改善了 反应体系的输出性能Q方法简单适用Q可节约大量试 验费用T模拟计算和对比试验结果表明U j 当硝酸钾:木炭配比为; N K N A B U ; L K D I B 时Q体系的火药力爆温最高Q做功能力最强T k 与制式黑火药相比Q无硫黑火药的密度降 低Q吸湿性爆发点升高Q提高火焰感度的同时Q降低 了机械感度和静电感度Q保证了制造过程的安全性T l输出特性方面Q无硫黑火药有较高的点火压 力和较短的压力建立时间Q提高了点火和做功能力T 参考文献U R D S mn e e a o pqQr s s eq t %W u ?v n e w o u pu xv y a z u | s R t S %d u s y y a p w Q! b y u e o s e Qd # u w s $ p o e QD g g L Q D I U D O % R L S q t % D K J M D g g K %黑火药R h S % q t % D K J M D g g K % y a z u | s R h S; o pW $ o p s e s B % R A S 曹锡章Q肖良质%无机物热力学R cS %北京U科学出版 社Q D g g I % ODKD 北 京 理 工 大 学 学 报第L O卷 万方数据 ! # $ % . % 3 % . ( 3 . ? / . 4 4 * A A B , C % (! % ( . 4 . D 8 E : 潘功配*杨硕,烟火学8 9: ,北京=北京理工大学出 版社* A A B , ? (F # ( ) 6 . % * G ( ) 7 # , 3 % . ( 3 . ( 1H . 3 ( # I # ) 2# 5 6 2 / # H . 3 ( % 3 489 : , ; . % % ( ) = ; . % : , F L ; M E B N A A M ,9. H # 15 # /H . 4 H % ( )# 5 O I 3 P6 # Q1 . / 8 : ,C % (! % ( . 4 . D 8 R : ? ! -S T A U S M V U M ,9. H # 15 # /0 ( 7 5 3 H 7 / .# 5O I 3 P 6 # Q1 . / ( 1O I 3 P6 # Q1 . /4 7 O 4 H % H 7 H . 8 : , 8 B : - 7 / 3 # H H .W *X # 7 3 / 1W ! *- 7 / 3 # H H .Y 9*. H I , - . / 0 I ( I 2 4 % 4# 5O I 3 P 6 # Q1 . / 8 L : ,L # 7 / ( I# 5 - . / 0 I Y( I 2 4 % 4 ( 1! I # / % 0. H / 2 *Z M M V *B V = M K N M U , 8 U : ! # ( P I % ( )LY,! . 0% 4 H / 2# 56 2 / # H . 3 ( % 3 4 8 9: ,. Q G# / P =9 / 3 . I . P P . / *J ( 3 , * A U K , C上接第A U A面D 度不相反且同时沿着它们所在平面的垂直方向线性 极化时*对应的 ? Y! 也是线性相关的 当信号角 度 相 等 时*如 果 极 化 域 距 离 不 为 M *两 者 对 应 的 ? Y! 线性无关_上述结论与文献8 * Z : 中所观测到 的三极子天线信干比发生恶化 的 几 种 情 况 完 全 一致_ 参考文献= 8 : ! # 06 H # ( W -, - .H / % 6 # I . ( H . ( ( = Y( 1 6 H % . / / 2 Q% H 5 7 I I6 # I / % - F,9% ( % 07 0c ( # % 4 . c / % ( 3 .O . 05 # / 0. /Q% H (. I . 3 H / # 0 ) ( . H % 3 . 3 H # / 4 . ( 4 # / 8 L : ,J b b b- / ( 4 * A A A * ? c E B C V D =R M N