何昌輝，王瓊林，魏 倫，劉少武，張遠(yuǎn)波，劉 波，韓 冰

(西安近代化學(xué)研究所，陜西 西安 710065)

鉀鹽對(duì)發(fā)射藥?kù)o態(tài)燃燒煙焰性能的影響

何昌輝，王瓊林，魏 倫，劉少武，張遠(yuǎn)波，劉 波，韓 冰

(西安近代化學(xué)研究所，陜西 西安 710065)

為研究鉀鹽對(duì)發(fā)射藥?kù)o態(tài)燃燒煙焰性能的影響，以含鉀鹽的發(fā)射藥樣品為對(duì)象，采用單幅放大彩色攝影法、微熱電偶測(cè)溫法以及雙光路透射率系統(tǒng)，研究了硫酸鉀(K2SO4)、硝酸鉀(KNO3)、新型有機(jī)鉀鹽(DK、HK、LK、JK和PK)等對(duì)發(fā)射藥燃燒時(shí)的火焰形貌、火焰峰溫、煙霧可見(jiàn)光透光率的影響。結(jié)果表明，無(wú)機(jī)鉀鹽K2SO4對(duì)發(fā)射藥?kù)o態(tài)燃燒火焰大小和峰溫的抑制效果最好，但會(huì)使發(fā)射藥?kù)o態(tài)燃燒時(shí)的煙霧可見(jiàn)光透過(guò)率大大降低；高氧含量的新型有機(jī)鉀鹽DK、HK及LK對(duì)發(fā)射藥?kù)o態(tài)燃燒火焰大小和峰溫有較好的抑制效果，并且含新型有機(jī)鉀鹽的發(fā)射藥?kù)o態(tài)燃燒時(shí)的煙霧可見(jiàn)光透過(guò)率較高，3種含高氧含量鉀鹽(LK、DK和HK)的發(fā)射藥的煙霧可見(jiàn)光透過(guò)率均大于50%；鉀鹽的粒徑從104μm 減小到5μm 時(shí)，消焰效果得到提高，但煙霧可見(jiàn)光透過(guò)率的變化規(guī)律并不一致。

發(fā)射藥；鉀鹽；火焰形貌；火焰峰溫；煙霧可見(jiàn)光透過(guò)率；靜態(tài)燃燒

引 言

為改善身管武器的內(nèi)彈道性能，具有燃燒漸增性能強(qiáng)、溫度系數(shù)低、燒蝕性小等優(yōu)良性能的鈍感發(fā)射藥得到廣泛應(yīng)用[1-4]。但由于鈍感劑等功能材料的加入，影響了鈍感發(fā)射藥的點(diǎn)傳火性能，易引起嚴(yán)重的發(fā)射煙焰[3-4]。煙焰問(wèn)題不僅容易暴露己方陣地、影響士兵健康和作戰(zhàn)能力、影響對(duì)目標(biāo)跟蹤和精確打擊，甚至?xí)斐晌淦鳠o(wú)法正常使用。為抑制膛口火焰，通常在發(fā)射裝藥中添加硫酸鉀、硝酸鉀等無(wú)機(jī)鉀鹽消焰劑。但是隨著身管武器和發(fā)射藥的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)所用的無(wú)機(jī)鉀鹽存在吸濕性強(qiáng)、膛口煙霧大的問(wèn)題，難以滿(mǎn)足高性能身管武器的需求。

基于上述情況，近年來(lái)國(guó)內(nèi)外研究者開(kāi)始研發(fā)新型高效低煙有機(jī)鉀鹽消焰劑，如劉波、陳斌等[5-6]研究了新型有機(jī)鉀鹽的含量、添加方式等對(duì)槍口煙焰的影響。吉麗坤等[7]研究了具有吸濕性小、高氮含量的高分子消焰劑。結(jié)果表明，與常用的硫酸鉀、硝酸鉀等無(wú)機(jī)消焰劑相比，新型有機(jī)鉀鹽具有常溫下不吸濕、消焰效果好、燃燒產(chǎn)生的煙霧少等優(yōu)點(diǎn)。但是關(guān)于新型有機(jī)鉀鹽對(duì)發(fā)射藥燃燒時(shí)煙焰影響的研究相對(duì)較少，因此有必要做進(jìn)一步的分析研究。

本研究以含有機(jī)和無(wú)機(jī)鉀鹽的發(fā)射藥樣品為對(duì)象，以四視窗燃燒室和靜態(tài)煙室為測(cè)試平臺(tái)，研究了壓力、鉀鹽種類(lèi)、鉀鹽粒度對(duì)火焰形貌、火焰峰溫及煙霧可見(jiàn)光透過(guò)率的影響，為新型有機(jī)鉀鹽在發(fā)射藥中的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 材 料

丙酮、乙醇、粒徑為104μm硫酸鉀和硝酸鉀，均為分析純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑廠；粒徑均為104μm的二羥基乙二肟鉀(DK)、二元酸鉀(HK)、一元酸鉀(LK)、偶氮四唑鉀(PK)、二元酸鉀鈉(JK)；粒徑均為5μm的微納米硫酸鉀、微納米硝酸鉀、微納米LK，均為分析純，西安近代化學(xué)研究所；雙基藥片(DB)、聚酯鈍感劑(NA)，西安近代化學(xué)研究所。

1.2 樣品的制備

發(fā)射藥樣品配方(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為：雙基藥(DB)65%、聚酯鈍感劑(NA)17%和鉀鹽18%。不同鉀鹽中的鉀含量和氧含量如表1所示。

表1 鉀鹽中的鉀含量和氧含量Table 1 The potassium content and oxygen content of potassium salts

制樣工藝為:將雙基藥片、聚酯鈍感劑、鉀鹽用丙酮和乙醇溶解并混合均勻，加熱，連續(xù)攪拌使其溶劑揮發(fā)后成膠體狀，最后通過(guò)反復(fù)壓延充分混合，一部分制成粒狀(7孔)樣品用于火焰形貌測(cè)試，另一部分制成Ф5mm×20mm的藥條用于火焰峰溫和煙霧可見(jiàn)光透過(guò)率測(cè)試。

1.3 性能測(cè)試

1.3.1 火焰形貌測(cè)試

將制成的粒狀發(fā)射藥樣品垂直放在點(diǎn)火支架上，然后把點(diǎn)火架放入四視窗燃燒室內(nèi)，充氮?dú)馐谷紵覂?nèi)達(dá)到預(yù)定壓強(qiáng)。采用20V直流電源做點(diǎn)火源，用Ф0.15mm鎳鉻合金絲從樣品上端點(diǎn)燃，啟動(dòng)照相機(jī)拍照，即可得到發(fā)射藥穩(wěn)態(tài)燃燒時(shí)的火焰形貌。

1.3.2 火焰峰溫測(cè)試

采用埋設(shè)微熱電偶的方法，將“П”形帶狀(70μm寬，5μm厚)雙鎢錸微熱偶埋設(shè)在發(fā)射藥試樣(Ф5mm×20mm)中間，然后置于四視窗燃燒室中，充氮?dú)饧訅褐猎O(shè)定壓強(qiáng)，采用20V直流電源點(diǎn)火，記錄熱電偶輸出的電信號(hào)，通過(guò)換算即可得到發(fā)射藥樣品穩(wěn)態(tài)燃燒時(shí)的火焰峰溫(TP)。

1.3.3 煙霧可見(jiàn)光透過(guò)率測(cè)試

以靜態(tài)燃燒室為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，在3MPa氮?dú)鈮簭?qiáng)下，通過(guò)雙光路煙霧透射率系統(tǒng)對(duì)發(fā)射藥樣品燃燒煙霧的可見(jiàn)光透過(guò)率(η)進(jìn)行測(cè)試。

2 結(jié)果與分析

2.1 火焰形貌

2.1.1 鉀鹽種類(lèi)對(duì)火焰形貌的影響

7MPa壓強(qiáng)下，含不同種類(lèi)鉀鹽的發(fā)射藥樣品燃燒時(shí)的火焰照片如圖1所示。

由表1和圖1可以看出，在7MPa壓強(qiáng)下，靜態(tài)燃燒火焰面積和亮度大小為：KNO3>PK>DK>HK>LK>K2SO4；對(duì)于無(wú)機(jī)鉀鹽，鉀含量高的K2SO4的火焰面積和亮度最小，其消焰效果最好，而含KNO3的發(fā)射藥樣品的火焰面積和亮度最大；對(duì)于有機(jī)鉀鹽，隨著鉀鹽中氧含量的升高，發(fā)射藥樣品的靜態(tài)燃燒火焰面積和亮度逐漸變小。

由消焰劑的消焰機(jī)理[8-10]可知，其消除火焰關(guān)鍵在于形成高濃度的KOH以終止鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。KNO3的鉀含量和氧含量都比較高，但是由于其在低壓下易升華，僅有少部分可分解生成KOH，所以其燃燒時(shí)火焰明亮；在4種有機(jī)鉀鹽中雖然PK的鉀含量最高，但是其不含氧，在燃燒時(shí)自身不產(chǎn)生OH自由基，所以其燃燒時(shí)火焰明亮，消焰效果差。因此鉀鹽中有效鉀含量和氧含量越高，其在燃燒時(shí)就會(huì)產(chǎn)生更多的K+和OH自由基，兩者結(jié)合成KOH，就會(huì)更好地阻止鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，有利于抑制火焰。

2.1.2 鉀鹽粒度對(duì)火焰形貌的影響

7MPa壓強(qiáng)下，含粒徑為5、 104μm的KNO3和LK的發(fā)射藥樣品燃燒時(shí)的火焰照片如圖2所示。

從圖2中可以看到，含粒徑為104μm的KNO3和LK的發(fā)射藥樣品的火焰更明亮，火焰面積更大；而含5μm鉀鹽的發(fā)射藥樣品的火焰有許多鏈狀亮點(diǎn)且分布致密均勻。這說(shuō)明消焰劑粒度減小后，其在發(fā)射藥樣品中分布更為分散均勻，在燃燒時(shí)分解程度更完全，會(huì)產(chǎn)生更多的鉀離子和OH自由基，起到抑制火焰的作用。因此小粒度的鉀鹽更有利于抑制火焰。

2.1.3 壓強(qiáng)對(duì)火焰形貌的影響

在不同壓強(qiáng)下，含LK和JK的發(fā)射藥樣品的火焰形貌照片如圖3所示。

由圖3可以看出，隨著壓強(qiáng)的升高，含相同鉀鹽的發(fā)射藥樣品燃燒火焰越明亮，火焰面積越大。這是因?yàn)閴簭?qiáng)增大，暗區(qū)厚度大大減小，氣相火焰區(qū)離燃燒表面的距離減小，使氣相反應(yīng)區(qū)向燃燒表面的熱反饋增加，發(fā)射藥的燃燒分解速度增加，放熱更快，火焰更加明亮，火焰面積更大。

2.2 火焰峰溫

5MPa壓強(qiáng)下，含相同粒度、不同鉀鹽的發(fā)射藥樣品的靜態(tài)燃燒火焰峰溫測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 含不同鉀鹽的發(fā)射藥樣品的靜態(tài)燃燒 火焰峰溫測(cè)試結(jié)果Table 2 Test results of static combustion flame peak temperature of gun propellant samples with different potassium salts

從表2可以看出，鉀鹽對(duì)火焰峰溫的抑制程度由強(qiáng)到弱的順序?yàn)椋篕2SO4>LK>PK>HK>DK。這可能是因?yàn)榛鹧娴姆鍦嘏c鉀鹽燃燒分解時(shí)的吸熱能力有關(guān)，如無(wú)機(jī)鉀鹽K2SO4燃燒分解時(shí)吸熱能力大，使其火焰峰溫最低；PK具有高氮低碳無(wú)氧的結(jié)構(gòu)，燃燒分解時(shí)吸熱能力較大，使其火焰峰溫相對(duì)較小。

5MPa壓強(qiáng)下，含不同粒度、不同鉀鹽的發(fā)射藥樣品的靜態(tài)燃燒火焰峰溫測(cè)試結(jié)果如表3所示。

表3 不同粒度的發(fā)射藥樣品的靜態(tài)燃燒火焰 峰溫測(cè)試結(jié)果Table 3 Test results of static combustion flame peak temperature of gun propellant samples with different particle sizes

從表3可以看出，當(dāng)消焰劑粒度減小時(shí)，火焰峰溫略微降低。由鉀鹽粒度對(duì)火焰形貌的影響可知，減小消焰劑粒度，對(duì)火焰有更好的抑制作用，也抑制了峰溫的升高。

2.3 煙霧的可見(jiàn)光透光率

2.3.1 鉀鹽種類(lèi)對(duì)煙霧可見(jiàn)光透光率的影響

鉀鹽粒徑為104μm的發(fā)射藥樣品的靜態(tài)燃燒煙霧可見(jiàn)光透過(guò)率(η)如表4所示。

表4 含不同鉀鹽的發(fā)射藥樣品的靜態(tài)燃燒 煙霧可見(jiàn)光透過(guò)率Table 4 Visible light transmission of static combustion smoke of gun propellant samples with different potassium salts

從表4可以看出，LK可見(jiàn)光透過(guò)率最高，達(dá)61.9%；K2SO4可見(jiàn)光透過(guò)率最低，為9.5%。分析原因如下：(1)無(wú)機(jī)鉀鹽鉀離子含量較高(質(zhì)量分?jǐn)?shù)均達(dá)到35%以上)，使得燃燒分解生成的金屬氧化物殘?jiān)枯^大；(2)K2SO4燃燒分解溫度較高，導(dǎo)致測(cè)試過(guò)程中其分解不充分，進(jìn)一步增大了燃燒殘?jiān)俊Ｏ鄬?duì)K2SO4而言，有機(jī)鉀鹽金屬離子含量相對(duì)較低(大部分質(zhì)量分?jǐn)?shù)介于20%～30%)，熱分解溫度較低，燃燒更充分，煙霧生成量較小，可見(jiàn)光透過(guò)率較高。

對(duì)比發(fā)現(xiàn)，4種有機(jī)鉀鹽中，LK、DK和HK的可見(jiàn)光透過(guò)率均大于50%，而PK可見(jiàn)光透過(guò)率相對(duì)較低。分析認(rèn)為，前3種有機(jī)鉀鹽氧含量較高(質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于40%)，有助于發(fā)射藥充分燃燒，減少了微小固體碳顆粒生成量，因此煙霧生成量較小，可見(jiàn)光透過(guò)率較高。

2.3.2 鉀鹽粒度對(duì)煙霧可見(jiàn)光透光率的影響

含不同粒度鉀鹽發(fā)射藥樣品的靜態(tài)燃燒煙霧可見(jiàn)光透過(guò)率(η)如表5所示。

表5 不同粒度鉀鹽發(fā)射藥樣品的靜態(tài)燃燒 煙霧可見(jiàn)光透過(guò)率Table 5 Visible light transmission of static combustion smoke of gun propellant samples with different particle sizes

由表5可以看出，含104μm LK的發(fā)射藥樣品的可見(jiàn)光透過(guò)率最大，含5μm K2SO4的發(fā)射藥樣品可見(jiàn)光透過(guò)率最小。當(dāng)LK和K2SO4粒徑由104μm減小為5μm時(shí)，燃燒煙霧的可見(jiàn)光透過(guò)率降低。而KNO3的試驗(yàn)結(jié)果則相反，當(dāng)粒徑由104μm減小為5μm時(shí)，煙霧的可見(jiàn)光透過(guò)率增加。這種相反的變化規(guī)律，與光源-固體顆粒的相互作用有關(guān)。可能的原因如下：

對(duì)于K2SO4，隨著顆粒粒度減小，顆粒數(shù)量增加、顆粒尺寸更接近可見(jiàn)光波長(zhǎng)，而其熱分解溫度高，燃燒過(guò)程中顆粒外表僅少量分解，造成煙霧可見(jiàn)光透過(guò)率下降。

對(duì)于KNO3，隨著顆粒粒度減小，顆粒數(shù)量增加、顆粒尺寸更接近可見(jiàn)光波長(zhǎng)，但由于其熱分解溫度低，5μm的小顆粒相對(duì)于104μm的大顆粒在燃燒過(guò)程中分解更完全，顆粒容易熔融、分解，只留下少量分解殘?jiān)?，且殘?jiān)w粒尺寸遠(yuǎn)小于光源波長(zhǎng)，造成煙霧可見(jiàn)光透過(guò)率增大。

對(duì)于有機(jī)鉀鹽LK，隨著顆粒粒度減小，顆粒數(shù)量增加、顆粒尺寸更接近可見(jiàn)光波長(zhǎng)，雖然其熱分解溫度比較低，但有效氧含量低于硫酸鉀和硝酸鉀，燃燒不充分，殘?jiān)w粒數(shù)量多，且顆粒尺寸更接近光源波長(zhǎng)，造成煙霧可見(jiàn)光透過(guò)率下降。

3 結(jié) 論

(1)無(wú)機(jī)鉀鹽K2SO4對(duì)發(fā)射藥?kù)o態(tài)燃燒火焰的抑制效果最好，但是會(huì)使發(fā)射藥?kù)o態(tài)燃燒時(shí)的煙霧可見(jiàn)光透光率大大降低，加重了煙霧的生成。

(2)高含氧量的有機(jī)鉀鹽對(duì)發(fā)射藥?kù)o態(tài)燃燒火焰有較好的抑制效果，并且含有機(jī)鉀鹽發(fā)射藥?kù)o態(tài)燃燒時(shí)的煙霧可見(jiàn)光透過(guò)率較高，3種高氧含量鉀鹽(LK、DK、PK)的可見(jiàn)光透過(guò)率均大于50%。

(3)鉀鹽的粒徑從104μm 減小到5μm 時(shí)，消焰效果得到提高，但是不同種類(lèi)鉀鹽煙霧的可見(jiàn)光透光率的變化規(guī)律并不一致。

(4)綜合消焰效果和煙霧的大小來(lái)看，建議未來(lái)設(shè)計(jì)高效低煙霧消焰劑的方向?yàn)椋壕哂休^高的鉀含量、氧含量，并且具有較強(qiáng)的吸熱性。

[1] 王澤山, 何衛(wèi)東, 徐復(fù)銘.火炮發(fā)射藥及裝藥設(shè)計(jì)原理與技術(shù)[M]. 北京: 北京理工大學(xué)出版社, 2014.

[2] 任務(wù)正, 王澤山.火炸藥理論與實(shí)踐[M]. 北京: 中國(guó)北方化學(xué)工業(yè)總公司, 2001.

[3] 王瓊林, 劉少武, 吳建軍.鈍感劑對(duì)發(fā)射藥槍口煙霧特性影響的研究[J]. 火炸藥學(xué)報(bào), 1998, 21(3): 17-19. WANG Qiong-lin, LIU Shao-wu, WU Jian-jun.Study on effect of deterrents on gun muzzle smoke[J]. Chinese Journal of Explosives & Propellants(Huozhayao Xuebao), 1998, 21(3): 17-19.

[4] 王瓊林, 劉少武, 譚惠民, 等.具有潔凈燃燒特征的高分子鈍感槍藥[J]. 火炸藥學(xué)報(bào), 2003, 26(4): 5-7. WANG Qiong-lin, LIU Shao-wu, TAN Hui-min, et al. Study on the clear-burning gun propellant [J]. Chinese Journal of Explosives & Propellants(Huozhayao Xuebao), 2003, 26(4): 5-7.

[5] 劉波, 鄭雙, 劉少武,等.消焰劑降低槍口火焰的研究[J]. 含能材料, 2012, 20(1): 80-82. LIU Bo, ZHENG Shuang, LIU Shao-wu, et al. Research of reducing the muzzle flame by flame inhibitor[J]. Chinese Journal of Energetic Materials, 2012, 20(1): 80-82.

[6] 陳斌, 王瓊林, 姬月萍, 等. 偶氮四唑鉀的合成表征及其對(duì)槍口煙焰的抑制[J]. 含能材料, 2014, 22(4): 478-481. CHEN Bin, WANG Qiong-lin, JI Yue-ping, et al. Synthesis and characterization of cotassium 5, 5′-azotetrazolate and its effect on reducing muzzle flame and smoke[J]. Chinese Journal of Energetic Materials, 2014, 22(4): 478-481.

[7] 吉麗坤, 張麗華. 高分子消焰劑聚(N-丙烯?；?甘氨酸鉀)的合成及表征[J].化學(xué)推進(jìn)劑與高分子材料, 2010, 8 (3): 46-48. Jl Li-kun, ZHANG Li-hua. Synthesis and characteristics of poly(Potassium N-Acryloyl-Giycinate) as macro molecular flame inhibitor[J]. Chemical Propellants & Polymeric Materials, 2010, 8(3): 46-48.

[8] Friedman R, Levy J B. Inhibition of opposed-jet methane-air diffusion flames. The effects of alkali metal vapours and orgenic halides [J].Combustion and Flame, 1977(7): 195-201.

[9] McHale E T. Flame inhibition by potassiume compounds [J].Combustion and Flame, 1975, (7): 277-279.

[10] Cohen A, Decker L. Chemical mechanism for secondary flash suppression[C]∥18th Symposium(international) on Combustion. Pittaburgh:The Combustion Institute,1981,23: 225-231.

Effect of Potassium Salts on the Smoke and Flame Characteristics during Static Combustion of Gun Propellant

HE Chang-hui, WANG Qiong-lin, WEI Lun, LIU Shao-wu, ZHANG Yuan-bo, LIU Bo, HAN Bing

(Xi′an Modern Chemistry Research Institute, Xi′an 710065, China)

To study the effect of potassium salts on the smoke and flame characteristics during static combustion of gun propellant, taking the gun propellant samples containing potassium salt as the object, the effects of potassium sulfate, potassium nitrate, new organic potassium salts (DK,HK,LK,JK and PK)on the flame morphology, flame peak temperature and the visible light transmittance of smoke during gun propellant combustion were researched by using single amplification photography, micro thermocouple temperature measurement method and double light path transmission system. The results show that the inorganic potassium salt K2SO4has the best inhibition effect on the size and peak temperature of flame for the static combustion of gun propellant, but it can make the visible light transmittance of smoke greatly reduce for the static combustion of gun propellant. The organic potassium salts DK, HK and LK with high oxygen content have better inhibition effect on the size and peak temperature of flame for the static combustion of gun propellant. Besides, the visible light transmittance of smoke for the static combustion of propellant containing organic potassium salt is relatively high. The visible light transmittance of smoke for three kinds of the propellant containing organic potassium salt with high oxygen content (LK,DK and HK) is greater than 50%.When the particle size of the potassium salts is reduced from 104μm to 5μm, the antiflash effect is improved, but the change of the visible light transmittance of smoke is not consistent.

gun propellant; potassium salts; flame morphology; flame peak temperature; smoke visible light transmittance;static combustion

10.14077/j.issn.1007-7812.2017.03.020

2016-11-23；

2017-05-04

陸軍預(yù)先研究項(xiàng)目(No. 301110104)

何昌輝(1988-)，男，碩士研究生，從事發(fā)射藥技術(shù)研究。E-mail:hechanghui1989@163.com

王瓊林(1966-)，男，博士，博導(dǎo)，研究員，從事發(fā)射藥及裝藥技術(shù)研究。E-mail:wangqionglin369@126.com

TJ55;TQ562

A

1007-7812(2017)03-0102-05