高能燃燒劑配方研究

張興高，師宏心，劉庚冉，武 湃，李紅欣

（防化研究院第五研究所，北京，102205）

隨著先進(jìn)武器裝備的發(fā)展，高效毀傷已成為發(fā)展的目標(biāo)，燃燒劑作為燃燒武器戰(zhàn)斗部毀傷的威力能源，是發(fā)展燃燒武器的基礎(chǔ)。目前，燃燒毀傷技術(shù)的發(fā)展主要呈現(xiàn)為高能化和多效能化。Panas等[1]采用高分辨微量量熱和膨脹測(cè)試儀研究了還原劑-聚四氟乙烯煙火體系的熱性能，其中還原劑采用Zn、Al3Mg4、CaSi2金屬，該反應(yīng)體系燃燒時(shí)具有高熱效應(yīng)的特點(diǎn)。Steven等[2]研究了在切割火炬中提高材料穿孔性能的燃燒劑配方，該配方由以下組分組成：3%～35%的鎂鋁合金，30%～70%的CuO，15%～35%的MoO3，此外該配方還可以包含粘合劑組分。為了提高燃燒毀傷效能，需研究高能燃燒劑、提高燃燒溫度，為燃燒武器的發(fā)展奠定基礎(chǔ)。本文基于燃燒溫度、燃燒時(shí)間、熔渣量隨著氧化劑含量和金屬粉含量的變化規(guī)律，獲得了高溫燃燒劑配方。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料和儀器

實(shí)驗(yàn)采用兩種金屬粉，分別為A和B；氧化劑采用三氧化二鐵，分析純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑公司；粘合劑采用粘合劑C。

實(shí)驗(yàn)儀器：Thermalert FR1C測(cè)溫儀，美國(guó)雷泰公司；電子秒表，陜西國(guó)泰電子儀器有限公司；電子天平，上海精密科學(xué)儀器有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

將兩種金屬粉A和B、三氧化二鐵、粘合劑C按照重量百分比稱量，混合均勻，然后利用 Φ42mm的模具壓制藥柱，得到Φ42mm×25mm藥柱。

將100g燃燒劑置于鋼板上，添加適量點(diǎn)火藥，采用電點(diǎn)火頭點(diǎn)火，將紅外測(cè)溫儀探頭對(duì)準(zhǔn)高能燃燒劑，調(diào)整紅外測(cè)溫儀的架設(shè)高度、方位和俯仰角，保證火焰的影像完全充滿輻射感溫器瞄準(zhǔn)視場(chǎng)，使紅外測(cè)溫儀充分接受到熱輻射能量。觸發(fā)點(diǎn)火后，測(cè)量高能燃燒劑的燃燒溫度并用計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)記錄下數(shù)據(jù)。采用秒表記錄燃燒時(shí)間。采用電子天平稱量放置藥柱的鋼板燃燒前的質(zhì)量和燃燒后的質(zhì)量，兩者之差即為熔渣質(zhì)量。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 氧化劑含量對(duì)燃燒性能的影響

為了使燃燒劑壓藥成型性好，固定粘合劑含量為8%，則氧化劑和金屬粉總含量為92%，進(jìn)行一系列配方試驗(yàn)，獲得了燃燒溫度、燃燒時(shí)間、熔渣量隨著氧化劑含量的變化規(guī)律，據(jù)此獲得了最優(yōu)的氧化劑含量。燃燒時(shí)間隨著氧化劑含量的變化規(guī)律如圖1所示。

圖1 燃燒時(shí)間隨著氧化劑含量的變化曲線Fig.1 The curve of the combustion time vs oxidizer content

由圖1可以看出，隨著氧化劑含量的增加，燃燒時(shí)間增加，當(dāng)氧化劑含量增加到77%時(shí)，點(diǎn)火困難并且燃燒反應(yīng)持續(xù)困難。氧化劑含量為77%時(shí)，配方的氧平衡約為+20%，這時(shí)藥劑中含有過(guò)量的氧化劑，這在燃燒過(guò)程中是有害無(wú)益的，燃燒過(guò)程中氧化劑反應(yīng)不完全，燃燒后燃燒產(chǎn)物中仍然剩有未反應(yīng)的氧化劑。由于氧化劑的導(dǎo)熱系數(shù)小于金屬粉，氧化劑含量越高，則燃燒過(guò)程中固相未反應(yīng)區(qū)接受反應(yīng)區(qū)熱反饋的升溫速率越慢，其熱分解速率也慢。根據(jù)埃利·弗里曼穩(wěn)態(tài)燃燒模型，穩(wěn)態(tài)燃燒的速度基本上是由反應(yīng)溫度及傳導(dǎo)至未燃物中的熱量所決定的[3]，因此氧化劑含量越高，燃燒速度越慢，燃燒時(shí)間越長(zhǎng)。

圖2 燃燒溫度隨著氧化劑含量的變化曲線Fig.2 The curve of combustion temperature vs oxidizer content

燃燒溫度隨著氧化劑含量的變化規(guī)律如圖 2所示。由圖2可以看出，隨著氧化劑含量的增加，燃燒溫度先略有上升后降低，當(dāng)氧化劑含量為57%時(shí)，燃燒溫度最高，當(dāng)氧化劑含量繼續(xù)增加，燃燒溫度逐漸降低。這是因?yàn)樵撊紵齽┡浞綄儆谧怨┭躞w系，隨著氧化劑含量的增加，配方的氧平衡從負(fù)氧到零氧再到正氧平衡，恰好為零氧平衡時(shí)，燃燒劑配方的燃燒充分，能量釋放的效能高，而負(fù)氧平衡時(shí)，燃燒不充分，正氧平衡時(shí)，有部分氧化劑未參加反應(yīng)。當(dāng)氧化劑含量為57%時(shí)，約為零氧平衡，這時(shí)能量釋放的效能高，燃燒溫度也最高。

燃燒產(chǎn)物熔渣量隨著氧化劑含量的變化規(guī)律如圖3所示。

圖3 熔渣量隨著氧化劑含量的變化曲線Fig.3 The curve of sinter amount vs oxidizer content

由圖3可以看出，隨著氧化劑含量的增加，熔渣量先降低后增加，當(dāng)氧化劑含量為46%左右時(shí)，熔渣量最低，當(dāng)氧化劑含量小于52%或大于67%時(shí)，熔渣質(zhì)量較差，熔融狀態(tài)差，尤其是氧化劑含量高時(shí)，此時(shí)配方呈正氧平衡，燃燒產(chǎn)物中有未反應(yīng)的氧化劑，這時(shí)熔渣量雖多，但質(zhì)量較差。

綜合考慮以上情況，燃燒時(shí)間、燃燒溫度和熔渣量雖在燃燒毀傷方面均發(fā)揮一定作用，鑒于在熔渣質(zhì)量較好的情況下熔渣量基本相同，并且在燃燒劑中，燃燒時(shí)間和燃燒溫度是最重要的兩個(gè)指標(biāo)，因此定義燃燒時(shí)間和燃燒溫度的乘積為綜合效應(yīng)參數(shù)Y：Y=T×t。綜合效應(yīng)參數(shù)Y隨氧化劑含量的變化規(guī)律如圖4所示。

圖4 綜合效應(yīng)參數(shù)隨著氧化劑含量的變化Fig.4 The general effect parameter vs oxidizer content

由圖4可以看出，隨著氧化劑含量的增加，綜合效應(yīng)參數(shù)先增大后減少，在氧化劑含量為 60%左右時(shí)，綜合效應(yīng)參數(shù)最大，考慮到氧平衡及空氣中的少量氧參與反應(yīng)，因此取氧化劑含量為57%。

2.2 金屬粉A和B含量對(duì)燃燒性能的影響

研究了燃燒溫度、燃燒時(shí)間、熔渣量隨著金屬粉A和B之間比例的變化規(guī)律，獲得了最優(yōu)的金屬粉A和B比例。固定氧化劑含量為57%、粘合劑C含量為8%，則金屬粉總含量為35%，研究金屬粉A的含量對(duì)燃燒溫度等的影響規(guī)律。燃燒溫度隨金屬粉A含量的變化規(guī)律如圖5所示，燃燒時(shí)間隨金屬粉A含量的變化規(guī)律如圖6所示。

圖5 燃燒溫度隨金屬粉A含量的變化Fig.5 The curve of combustion temperature vs metal powder A content

從圖5可以看出，隨著金屬粉A含量的增加，燃燒溫度先增加后降低，在金屬粉A含量為15%時(shí)，燃燒溫度最高。

從圖6可以看出，隨著金屬粉A含量的增加，燃燒時(shí)間先增加后趨于平緩，在金屬粉 A含量為15%～20%時(shí)，燃燒時(shí)間變化較小。

綜合考察燃燒時(shí)間和燃燒溫度的影響，獲得綜合效應(yīng)參數(shù)Y隨金屬粉A含量的變化規(guī)律，如圖7所示。

圖7 綜合效應(yīng)參數(shù)隨著金屬粉A含量的變化規(guī)律Fig.7 The general effect parameter vs metal powder A content

從圖7可以看出，隨著金屬粉A含量的增加，綜合效應(yīng)參數(shù)先增加后降低，在金屬粉A含量為15%時(shí)，綜合效應(yīng)參數(shù)最高。綜上，獲得了最優(yōu)的金屬粉含量，即金屬粉A含量為15%，金屬粉B含量為20%。

3 結(jié)論

基于燃燒溫度、燃燒時(shí)間、熔渣量隨著氧化劑含量和金屬粉含量的變化規(guī)律研究，獲得了高溫燃燒劑配方，該配方為：氧化劑三氧化二鐵含量57%、金屬粉A含量15%、金屬粉B含量20%、粘合劑C 含量8%。該配方燃燒溫度大于2 200℃，有望在難燃目標(biāo)毀傷上應(yīng)用。

[1]Panas A. J.，Cudzilo S.．Complementary DSC and dilatometric investigation of M-PTFE pyrotechnic compositions[J]．Journal of Thermal Analysis and Calorimetry，2004(77)：329-340．

[2]Steven P.DA.，Travis S.，Brian M. Pyrotechnic thermite composition:US,7632365[P].2009-12-15．

[3]焦清介，霸書紅．煙火輻射學(xué)[M]．北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2009．