论文摘要
微气孔球扁药（OPM）是粒径从几个微米到几个毫米之间的表面和内部均具有微孔结构的球形或球扁状发射药,多孔结构决定了其具有高产气速率,使其在短身管武器、无烟烟花、汽车安全气囊等军民领域有广泛的应用前景,但较差的燃烧稳定性限制了其广泛应用；孔结构和火药的燃烧性能有着密切联系,研究并掌握多气孔药的成孔机理是药粒孔结构控制的理论和技术基础；掌握孔结构和燃烧性能的相互关系是多气孔药工程应用的理论和技术基础。本文以一步法制备微气孔球扁药工艺为基础,研究了其成孔机理和孔结构控制技术,同时研究了OPM开孔方式对燃烧性能的影响,探索了其在1.2寸礼花发射装药技术中的应用。首先,根据一步法制备OPM成型工艺特点,提出并验证了几种可能的成孔机理,结果表明,水是微气孔球扁药成孔的主要原因,主要以两种机理来实现：“扩散水”和“包容水”两种机理。“扩散水”成孔机理是通过液～液分相机制来实现的：由于水和乙酸乙酯混溶,它们之间有传质作用,水和乙酸乙酯会通过硝化棉乳滴表面进行扩散,当硝化棉、乙酸乙酯和水组成的三相体系平衡被破坏时,体系将进行液～液分相,形成聚合物贫相和聚合物富相,在后期的工艺步骤中包裹在富相中的贫相形成形貌各异的“水滴”,随着溶剂的驱除高分子溶液固化成形,这些“水滴”最终导致孔洞的形成；“扩散水”成孔机理主要形成两种孔径的孔洞：一种孔径为10～200μ m,孔洞呈球形,孔径分布不均匀,孔随机分布在球扁药中,主要为闭孔结构；另一种孔径小于10μm,孔洞为球状或链状,孔径分布较均匀,孔布满整个球扁药,主要为通孔结构；“扩散水”成孔机理发生在整个成型工艺过程中。“包容水”成孔机理为：搅拌作用使水以水滴的形式进入硝化棉乳滴中,最终导致成品球扁药中孔洞的形成,“包容水”导致的孔径主要分布在0.1～200μ m,主要为球形,孔随机分布在整个球扁药中,孔径分布不均匀,主要为闭孔结构；“包容水”成孔机理主要发生在加水分散和加入明胶溶液两个工艺步骤之间。第二,以一步法成孔机理为基础,并借鉴其它领域里材料多孔化方法,通过改进一步法工艺制备不同孔结构的OPM,主要探索了通孔、闭孔、分层三种孔结构的药粒制备方法。以改变外形法、化学发泡法和水解溶剂法等方法成功制备出了上述各种结构的OPM,通过改变工艺条件和配方等手段可以控制药粒内部平均孔径大小、孔数量和开孔方式等,为研究孔结构和燃烧性能的相互关系奠定了基础。例如,采用化学发泡法来控制孔结构时,以质量浓度为7%的Na2SO4水溶液为分散介质,当溶剂驱除量为14.3%、42.9%和57.1%时发泡大孔基本为闭孔结构,当驱溶量为28.6%时发泡大孔主要为通孔结构；该方法制备的药粒中所有小孔均为闭孔结构。第三,分别以大孔、小孔为通孔或闭孔结构的药粒为研究对象,进行密闭爆发器试验,研究孔结构和燃烧性能的关系,主要考察了结构对质量燃速及渐增燃烧特性的影响。结果表明,当开孔方式一致时,药粒堆积密度越小,其质量燃速越大,燃烧渐增特性越明显,分析认为,堆积密度越小,药粒内部平均孔径越大、孔数量越多,比表面积越大,更容易发生对流燃烧,故质量燃速较大、渐增性较明显；当开孔方式不一致时,质量燃速如下：密实药<大孔闭孔小孔闭孔<分层结构<大孔闭孔小孔通孔<大孔通孔小孔通孔≈大孔通孔小孔闭孔结构药粒,动态活性如下：密实药<大孔闭孔小孔闭孔<大孔闭孔小孔通孔<分层结构<大孔通孔小孔通孔<大孔通孔小孔闭孔结构药粒；药粒中大孔开孔方式对燃烧性能的影响远大于小孔的开孔方式,分析认为,当药粒表面点燃后,生成的高温燃气向药粒内部传播形成对流燃烧,由于大孔对燃气的传质作用其起主导作用,故大孔为开孔结构的药粒有较强的燃烧渐增性,大孔为闭孔结构的药粒基本无燃烧渐增性。第四,①目前无烟发射药在礼花类产品发射过程中存在的主要问题是发射高度偏低、发射高度不稳定和发射现场有残药等；根据礼花弹发射内弹道过程,无烟发射药无法替代传统黑火药的主要原因是其质量燃速较低,点火性能相对较低；通过提高发射药的传火速率和增加有效燃面理论上可以提高发射药的质量燃速,进而提高其发射性能；微气孔球扁药的传火速率约为密实球扁药的8倍,并且经过处理后还有较大的提升空间,燃烧后烟雾浓度和黑火药相比降低了98.1%,有替代黑火药成为无／微烟礼花弹发射药的潜力。②以影响微气孔球扁药传火速率和有效燃面的原因为出发点,研究了发射药形态、发射筒气密性、发射药吸湿率和有效燃面等几个因素对发射性能的影响,并优化实验参数,寻求微气孔球扁药替代黑火药的装药结构和装药条件。结果表明,将废弃单基药经过改形、改性处理制备成敏化微气孔球扁药,再按一定的比例添加黏合剂、燃速调节剂和点火药等制备成具有特定规格的模块,大幅度增强了无烟药的燃烧性能,在装药量为传统礼花弹黑火药装药量的一半、药块吸湿率在1.0-1.9%范围内的条件下,可以满足1.2寸小礼花发射高度、稳定性、压力等弹道指标和环保指标的要求,该装药条件可以实现微气孔球扁药在无／微烟礼花类产品发射过程中的应用。