为了满足未来先进火炮提高系统杀伤力和生存力的发展需要，对发射药来说，需要有更高的能量和更低的感度。提高能量水平和降低易损性始终是发射药技术发展的两大主要目标和方向，将不敏感单质炸药引入到高能发射药配方是国外发展高能低易损发射药常用技术途径。FOX-12(又称GUDN)是一种新型高能量密度材料，感度和热稳定性优于RDX[1-2]，可广泛用于推进剂、气体发生剂和钝感炸药等方面，目前瑞典、俄罗斯、法国和中国都对FOX-12的性能及应用展开了研究，例如瑞典已将FOX-12应用于ARCHER08型火炮发射药[2]，欧洲含能材料公司将FOX-12熔融于TNT中制备出GUNTOL(钢托儿)炸药[3]，中国开展了不同催化剂对FOX-12热分解催化作用的研究[6]，进行了含FOX-12的复合改性双基推进剂热性能及应用研究[7-8]。从国内外报道的文献看，FOX-12的研究主要集中在炸药和推进领域，在发射药方面的研究及应用报道尚处于起步阶段，本研究主要在高能硝胺发射药中引入FOX-12, 分析了其热分解和燃烧特性，为FOX-12在发射药中的应用提供基础数据。
2 实验部分 2.1 原材料FOX-12，粒度d0.5=31.774 μm；高能硝胺发射药RGD7A，主要组分为硝化棉(NC)、硝化甘油(NG)、黑索今(RDX)、硝基胍(NGu)，均由西安近代化学研究所提供。
2.2 样品制备通过外添加的方式，将FOX-12加入到RGD7A中，通过捏合，压伸，切药，烘干等工艺，制成长为40 mm的18/1单孔管状药，三种试样(F1、F2和F3)中FOX-12的含量分别为6%、10%和14%。
2.3 实验测试(1) 热分析仪器及测试方法
差示扫描量热仪DSC-2910(美国TA公司)，使用范围：-150~720 ℃。热失重分析仪TGA-2950(美国TA公司)使用范围：室温~1000 ℃。在实验压力0.1 MPa，升温速率10 ℃·min-1，保护气体为氮气的条件下对含FOX-12的样品进行DSC-TG测试。
(2) 密闭爆发器测试方法
在装填密度为0.2 g·cm-3，实验温度20 ℃，点火药2# NC，药量1.1 g，点火压力10 MPa的实验条件下，在密闭爆发器中测试了样品的静态燃烧性能，得到密闭爆发器实验样品p-t曲线。
(3)中止燃烧仪器及测试方法
在温度20 ℃的实验条件下，采用可泄压的中止燃烧装置对RGD7A和含FOX-12的发射药进行中止燃烧试验，泄压方式为压力击穿铜制泄压片，燃烧中止压力控制在40 MPa左右，中止燃烧装置结构如图 1所示，试验完毕后将样品收集。
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图 1 中止燃烧装置示意图 Fig.1 Structure scheme of the interrupted-burning instrument |
(4) 扫描电镜试验
将收集的中止燃烧样品通过JSM-5800扫描电子显微镜，观察中止燃烧实验后样品的表面微观结构，判断药体表面的变化情况。
3 结果与讨论 3.1 含FOX-12的发射药热分解性能图 2、图 3是含FOX-12试样的DSC和TG-DTG曲线，从DSC曲线可以看出三种试样均主要有两个放热峰，第一个放热峰由NC-NG体系和FOX-12放热产生，这与在复合改性双基推进剂中的热行为相同[7]，第二个放热峰由固体填料(RDX和NGu)放热产生，且第一个放热峰比第二个峰陡峭且面积大，这是因为样品中NC和NG总量较大的缘故。随着FOX-12含量的增加，试样F1至F3的第一个放热峰温逐渐降低，从199.10 ℃降至195.50 ℃，说明FOX-12的加入对NC-NG体系的热分解产生了影响，可能因为FOX-12分子放热分解速率较快，释放出的热量加速了硝化甘油的挥发和硝化棉的熔融吸热，使分解温度下降[9-10]；第二个峰温基本无变化，分别为238.77 ℃、238.22 ℃和237.48 ℃。从TG-DTG曲线上可以看出三个试样有三个较为明显的质量变化过程，第一阶段质量损失是样品挥发份的质量损失，第二阶段是NC-NG体系和FOX-12的分解，第三阶段是RDX和NGu的分解，三个阶段失重最大速率所对应的峰温和质量损失如表 1所示。
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图 2 不同FOX-12含量的试样DSC Fig.2 DSC curves of samples with different FOX-12 content |
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图 3 不同FOX-12含量的试样TG-DTG Fig.3 TG-DTG curves of samples with different FOX-12 content |
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表 1 3种试样最大失重速率所对应的峰温和质量损失 Tab.1 Peak temperature and mass loss of samples containing FOX-12 on the TG-DTG curves |
图 4为试样密闭爆发器压力-时间测试结果，从中可以看出，试样F1、F2和F3的密闭爆发器曲线在整个燃烧阶段都比较光滑，没有出现压力转折和突变，具有优良的静态燃烧性能。对比空白样RGD7A，样品燃烧压力增加，燃烧时间缩短，说明加入FOX-12后，能够提高硝胺发射药的燃速和燃烧压力，但幅度较小。
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图 4 含FOX-12的试样p-t曲线 Fig.4 p-t curves of samples containing FOX-12 |
对p-t曲线处理，得到燃速-压力数据，利用最小二乘法对数据进行非线性指数式(y=axb)拟合, 得到不同压力段下的燃速系数u1和燃速压力指数n，结果见表 2。
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表 2 不同试样的燃速-压力曲线的拟合结果 Tab.2 Simulation results of u-p curves obtained by different samples |
从表 2中可以看出，与RGD7A发射药相比，试样的燃速系数u1和压力指数n都发生了变化。整体来看，加入FOX-12后，F1、F2和F3在低压(10~20 MPa)和中高压段(40~240 MPa)压力指数都小于空白药RGD7A，压力指数小于1, 燃速系数大于空白药，说明使用FOX-12可以降低硝胺发射药的燃速压力指数；同时随着FOX-12含量的增加，试样F1至F3在低压和中高压段的压力指数都呈现下降趋势，但是低压段递减的幅度大于中高压段递减的幅度，这可能因为FOX-12在热解过程中没有经历吸热熔化，直接开始放热分解，且在较短的温度区间分解完成，并随着燃烧的进行，温度的升高，热分解速度减弱，所以在中高压段对燃烧行为影响较小[3-5]。
3.4 FOX-12降低硝胺发射药燃速压力指数机理分析作为一种新型钝感炸药，FOX-12具有感度低、能量较高的优点，其热分解活化能(DSC法，200~225 ℃)Ea=277 kJ·mol-1[3]，显著大于RGD7A发射药中的其它固体组分(例如RDX)，因此当发射药点火燃烧后，需要较多的热能用来克服FOX-12自身的热分解活化能，致使向发射药固相和液相中传递的热能减小，从而降低了整个药体温度，一定程度上抑制了RDX的分解和爆燃，表现为燃烧压力增长缓慢，燃速压力指数降低。从空白样RGD7A和F3试样的中止燃烧后扫描电镜照片(图 5和图 6)上可以看出，不含FOX-12的空白样表面有较多的空穴，这是RDX爆燃后所致，而试样F3表面较光滑，空穴数量较少，FOX-12的加入抑制了RDX的爆燃。
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图 5 RGD7A中止燃烧后的SEM照片(×500) Fig.5 SEM image of the propellant RGD7A after the interrupted-burning test |
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图 6 F3中止燃烧后的SEM照片(×500) Fig.6 SEM image of the propellant F3 after the interrupted-burning test |
(1) 与硝胺发射药RGD7A相比，含FOX-12发射药中的NC-NG体系和FOX-12一起开始分解，随着FOX-12含量的增加，其DSC曲线第一个峰温下降，但第二个峰温基本无变化。
(2) 含FOX-12的硝胺发射药在燃烧过程中没有出现压力转折和突变，具有优良的静态燃烧性能，能够提高硝胺发射药的燃速和燃烧压力，但幅度较小。
(3) FOX-12可以降低硝胺发射药RGD7A的燃速压力指数，低压(10~20 MPa)和中高压下(40~240 MPa)的压力指数都小于空白药RGD7A，压力指数小于1。
(4) 随着硝胺发射药中FOX-12含量的增加，其在低压和中高压下的压力指数都呈现下降趋势，但是低压段递减的幅度大于中高压段递减的幅度。
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