以硝化棉为主要组分的单基药，工业基础十分雄厚，目前很多品种的枪炮弹药，特别是中小口径枪炮武器系统仍以使用单基发射药为主，但单基药能量较低，弹丸威力小。20世纪90年代瑞士研制成功的改性单基发射药(即EI药)，具有高初速、低烧蚀、低温度系数、燃烧渐增性强的特点，大幅度提高了火炮炮口的动能水平，在各种中小口径火炮、迫击炮中得到了广泛应用，取得了显著的军事效益^[1-3]。王琼林等人^[4-6]研制出了具有自主知识产权的改性单基药，该改性单基药具有低烧蚀、低温度系数、燃烧渐增性强等优良特性，但此类样品由于在制备过程中长时间在含有溶剂的浸渍液中浸泡导致其表面致密性变差，堆积密度降低，制约了其燃烧性能的改善进而影响其内弹道性能的提高。为了进一步改善其燃烧性能，本研究在文献[4-6]工艺基础上，对改性单基药的制备工艺进行了优化，在原有工艺的基础上采取了抽取溶剂的工艺措施，通过缓慢有序地驱除溶剂使药粒表面得到合理收缩，制备出了表面更为致密、堆积密度更高的改性单基发射药样品，对此样品的燃烧性能进行了初步研究。

乙酯和乙醇均为分析纯；高分子聚酯，204所制备；空白药，单基5/7粒状药，国营845厂制备，氮量为13.0%；NG-乙醇溶液，204所制备；立式搅拌釜，最大容量为4 kg；真空泵，水循环式；扫描电镜，日本日立公司。

以弧厚为0.55 mm的单基药单5/7作为空白药，以硝化甘油为含能浸渍液，高分子聚酯为钝感剂，在一定温度条件下进行了增能、钝感浸渍处理制备出了主要含有硝化棉、硝化甘油、聚酯钝感剂的1^#、2^#改性单基发射药样品^[5-6]，其中2^#样品是在1^#样品的制备工艺基础上在钝感工艺过程中采取了驱溶措施制备而成，驱溶过程首先通过缓慢升温将药粒内部的溶剂扩散到药粒表面，溶于水后再被蒸发出反应釜，即2^#样品在一定温度条件下在含有钝感剂的浸渍液中搅拌浸渍规定的时间后，缓慢升温驱溶，采用真空泵对蒸发出的溶于浸渍液中的溶剂进行缓慢有序的抽取，使得药粒以及浸渍液中的大部分溶剂在规定的时间内得到有效驱除。

对1^#、2^#样品进行表面切片处理后，采用日本电子JSM5800扫描电子显微镜(SEM)，按照JY/T010-1996测试标准进行材料微观形貌观察并对比其表面形貌。

采用GJB770B-2005，401.2的标准容器法测试1^#、2^#样品的堆积密度。

药室容积100 cm³，装填密度0.2 g·cm^-3，实验温度20 ℃，应变压力传感器精度为0.005 MPa，采样间隔是0.05 ms，点火药为2号NC、药量1.1 g，点火压力10 MPa的条件下，在密闭爆发器中测试单5/7、1^#和2^#样品的定容燃烧性能，得到p-t曲线。对p-t曲线进行数据处理得到dp/dt-t及L-B曲线。

1^#样品和2^#样品表面的SEM照片如图 1所示。

图 1(Fig. 1)

图 1 1#和2#样品剖面的SEM照片(×1000) Fig.1 SEM images of sample 1# and sample 2# (×1000)

对比图 1a和图 1b可以看出，1^#样品表面有较多的孔洞，而2^#表面的孔洞较少，说明经过溶剂抽取工艺制备的2^#样品表面较为致密，分析认为造成此现象的主要原因是改性单基药样品在制备过程中，长时间在含有硝化甘油和溶剂的水相中搅拌浸渍，浸渍液对药粒表面有一定的溶解性，使得其表面逐渐变得粗糙、疏松；而2^#样品表面较为光滑，表面结合较为紧密，孔洞较少，说明浸渍后变得粗糙的表面通过溶剂抽取工艺缓慢有序的驱除溶剂，药粒表面大部分孔洞能够得到合理有效的收缩，从而使其表面变得光滑、紧密，这种表面致密的特性有利于2^#样品初始燃烧的稳定进行。

样品的堆积密度是真密度的重要反映，而密度的高低对粒状发射药的燃烧性能有较大的影响。1^#和2^#样品的堆积密度测试结果见表 1。从表 1可见，2^#样品堆积密度与1^#样品相比提高较大，说明工艺过程中采用抽取溶剂的优化措施有利于样品堆积密度的提高。

表 1(Tab. 1)

表 1 1#和2#样品的堆积密度 Tab. 1 The bulk densities of samples 1# and 2# sample bulk density/g·cm-3 1# 0.888 2# 0.920

表 1 1#和2#样品的堆积密度 Tab.1 The bulk densities of samples 1# and 2#

三种样品的p-t曲线如图 2所示，其曲线特征点见表 2。由图 2及表 2可见，三种样品的最高压力点(p_m)从高到低依次为2^#>1^#>单5/7，最高压力点对应的时间点即燃烧结束时间从长至短依次为2^# >1^# >单5/7。可见，改性单基发射药其燃烧结束点明显滞后于空白药样品, 其中2^#样品的燃烧结束点要迟于1^#样品，说明经过工艺优化制备的2^#样品其表面致密及堆积密度的提高有延缓火药燃烧的作用。

图 2(Fig. 2)

图 2 1#、2#样品和单5/7的p-t曲线 Fig.2 p-t curves for samples 1# and 2# and 5/7 single base gun propellants

表 2(Tab. 2)

表 2 1#、2#样品和单5/7的p-t曲线特征点 Tab. 2 The characteristic points of p-t curves for samples 1# and 2# and 5/7 single base gun propellants sample pm/MPa tk/ms 5/7 single base 264.2 4.9 1# 270.3 7.2 2# 271.4 8.0

表 2 1#、2#样品和单5/7的p-t曲线特征点 Tab.2 The characteristic points of p-t curves for samples 1# and 2# and 5/7 single base gun propellants

三种样品的dp/dt-t曲线如图 3所示，其曲线特征点见表 3。由图 3和表 3可见，在压力增长起始阶段单5/7以及1^#、2^#样品的dp/dt最大值即压力变化最快时所对应的时间点分别为4.0 ms，6.0 ms，7.0 ms，而dp/dt最大值点即为火药的燃烧分裂点，火药从此时间点开始由增面燃烧变为减面燃烧至燃烧结束^[8]，说明1^#、2^#改性单基药样品增面性燃烧时间要远长于单5/7，其中2^#样品增面性燃烧时间要稍长于1^#样品。在压力增长起始阶段单5/7样品的压力增长速率要远远大于制备的改性单基药样品，其中1^#样品的压力增长速率要大于2^#样品，说明经过工艺优化制备的改性单基药压力增长速率低，压力增长缓慢稳定，有利于火药在膛内燃烧时膛压的控制，从而提高其内弹道性能。

图 3(Fig. 3)

图 3 1#、2#样品和单5/7的dp/dt-t曲线 Fig.3 dp/dt-t curves of samples 1# and 2# and 5/7 single base gun propellants

表 3(Tab. 3)

表 3 1#、2#样品和单5/7的dp/dt-t曲线特征点 Tab. 3 The characteristic points of dp/dt-t curves of samples 1# and 2# and 5/7 single base gun propellants sample (dp/dt)m/MPa·s-1 tm/ms 5/7 141467 4.0 1# 155996 6.0 2# 144908 7.0

表 3 1#、2#样品和单5/7的dp/dt-t曲线特征点 Tab.3 The characteristic points of dp/dt-t curves of samples 1# and 2# and 5/7 single base gun propellants

三种样品的L-B曲线如图 4所示。由图 4可以看出，与单5/7比较，制备的改性单基药(1^#和2^#样品)前期燃烧较为稳定，燃烧渐增性较好。

图 4(Fig. 4)

图 4 1#、2#样品和单5/7的L-B曲线 Fig.4 L-B curves of samples 1# and 2# and 5/7 single base gun propellants

L-B曲线及其特征点是判定发射药燃烧渐增性强弱的重要依据，文献[9]给出了一种基于密闭爆发器L-B曲线判定发射药燃烧渐增性的计算公式：

P_r值为发射药燃烧渐增性因子，其值越大，表示燃烧渐增性越好，L为动态活度，B为相对压力，B_s为燃烧分裂点对应的B值，L_s为燃烧分裂点对应的动态活度值，L_0.1、L_0.3分别表示相对压力B为0.1和0.3时所对应的L值。密闭爆发器L-B曲线反映了火药气体生成量与火药燃去量的关系，而在分析发射药初始燃烧稳定性时主要分析其在初始燃烧阶段气体生成量的变化^[8]，为此计算出了L-B曲线B＜0.1区间段L值的跳差ΔL_0.1，即B＜0.1区间内L最大值(L_{0.1 max})与最小值(L_{0.1 min})的差值，认为ΔL_0.1值越小气体生成量跳差越小，其初始燃烧越稳定。三种样品的P_r、ΔL_0.1计算结果见表 4。

表 4(Tab. 4)

表 4 1#、2#样品和单5/7的Pr、ΔL计算结果 Tab. 4 Calculated values of Pr and ΔL of samples 1# and 2# and 5/7 single base gun propellant sample Ls Bs L0.1 L0.3 Pr L0.1 max L0.1 min ΔL0.1 5/7 3.5569 0.1432 2.7932 3.2857 0.0838 4.0479 0.6028 3.4451 1# 3.0645 0.5501 1.5164 2.2667 0.4456 2.2699 0.5697 1.7002 2# 2.8844 0.5579 1.4433 2.1572 0.4469 1.8116 0.3999 1.4117

表 4 1#、2#样品和单5/7的Pr、ΔL计算结果 Tab.4 Calculated values of Pr and ΔL of samples 1# and 2# and 5/7 single base gun propellant

从表 4可见，1^#、2^#样品的P_r值均为0.4左右，远远大于单5/7的P_r值0.0838，说明改性单基药样品的燃烧渐增性明显优于单5/7；比较1^#、2^#样品的P_r值，说明2^#样品燃烧渐增性稍好于1^#样品。

从图 4还可以看出，1^#、2^#改性单基药样品在B>0.1段曲线跳动较小，燃烧较为稳定。表 4三个样品的ΔL_0.1值2^#＜1^#＜单5/7，说明经过增能钝感处理后的改性单基药样品其初始燃烧得到有效抑制，其中2^#样品其初始燃烧稳定性优于1^#样品。

(1) 经过溶剂抽取工艺优化制备的改性单基发射药样品其表面更加致密，堆积密度从0.888 g·cm^-3提高到0.920 g·cm^-3，有较大幅度的提高。

(2) 经过溶剂抽取工艺优化制备的2^#改性单基发射药样品其初始燃烧阶段气体生成量的跳差较小，其燃烧分裂时间点为7.0 ms，燃烧结束时间为8.0 ms，而1^#样品的燃烧分裂时间点为6.0 ms，燃烧结束时间为7.2 ms，说明经过溶剂抽取工艺优化制备的改性单基发射药样品其初始燃烧稳定性好、燃烧分裂点延后、燃烧结束时间晚，体现出了良好的渐增性，有利于进一步提高其内弹道性能。