1 引 言

现代战争对炮射导弹、末端制导炮弹、航空抛放弹等低压武器弹药有着强劲需求。这些武器弹药的发射药装药工作压力通常为几十兆帕。而在身管武器中，其工作压力相对较低，要求弹丸有较高的速度。因此对发射药的低压燃烧规律的研究需要迫切。在发射药燃烧过程中，身管武器膛内温度通常在3000K以上，膛内发射药装药要承受高温气体的冲击，若其药型发生破碎，则发射药不能按预定的规律燃烧，影响其内弹道性能^[1]，严重时可能发生炸膛事故。因此发射药具有良好的高、低、常温力学性能是其应用于发射药装药的重要条件。

FOX-7与RDX能量相当，具有良好的耐热性能^[2]，可用于制备高能低敏感火药。赵凤起等^[3]研究了含FOX-7的钝感微烟推进剂能量参数和燃烧特性；陈中娥等^[4]对FOX-7在固体推进剂中的应用前景作了探讨；南海等^[5-6]研究了含FOX-7混合炸药的感度及表面能变化；而将FOX-7应用于发射药中的研究尚未见诸报道。含RDX的硝胺发射药具有较高的燃速压力指数(通常大于1)，严重影响其在发射药中的应用，加入硝基胍作为燃速调节剂可显著改善发射药燃速压力指数，但发射药低温力学性能变差^[7]。为此，本研究通过中止含FOX-7发射药试样的低压燃烧试验和密闭爆发器试验，探讨了10~80 MPa下FOX-7对发射药在的燃烧性能的影响；并通过冲击试验研究了FOX-7对发射药抗冲强度的影响。为FOX-7在高能低敏感发射药中的应用提供参考。

2 实验研究 2.1 实验试剂

FOX-7，纯度98%，西安近代化学研究所自制；RDX粒度d(0.5)21.499 μ m，辽阳庆阳化工厂；NC(N%)为12.8%，辽阳庆阳化工厂；含能增塑剂，西安近代化学研究所自制。乙醇、丙酮，分析纯，西安市试剂二厂。

2.2 样品的制备

试验用发射药配方主要成分为：RDX，FOX-7，NC，含能增塑剂及其它功能性组分。采用半溶剂法挤压成型工艺制备18/1单孔管状药。湿烘驱溶、干烘驱水，阶梯式升温烘药至其内挥、水分均小于0.5%。不同样品中FOX-7与RDX的总含量均为40%，样品其它组分含量不变的情况下，FOX-7/RDX的相对组成如表 1所示。

2.3 样品性能测试

燃烧性能测试采用常规密闭爆发器实验研究。实验按GJB770A-97703方法进行，发射药装填密度为0.20 g·cm^-3，点火压力为10 MPa。

中止燃烧实验装置见图 1^[8]。药品散装于药室中，药室容积为120 mL，样品装填量为10 g，以自制电底火点火，中止压力约为35 MPa。

采用简支梁法，按GJB770B-2005-417.1规定，测定不同样品的高、低、常温抗冲强度，试验数据取5次平均值。抗冲强度以α表示，单位为kJ·m^-2。

3 结果与讨论 3.1 样品的密闭爆发器实验

燃速压力指数是表征发射药燃烧性能的重要特征量，改变发射药的燃速能够调整发射药的燃速压力。在不同压力范围和物理化学因素的影响下，发射药燃烧过程中组分的热分解速率及机理不同，燃速的响应不同，具体表现为发射药的燃速压力指数变化。

表 2给出了不同FOX-7含量样品10~80MPa压力范围内的燃烧的压力指数及燃速系数。由表 2可知，1~4号样品的压力指数逐渐降低，即随着样品中FOX-7含量的增加，发射药低压段燃速压力指数得到明显改善。可见FOX-7的加入，使发射药组分的热分解受压力及各种物化因素的影响减弱；发射药低压下燃速压力指数可通过改变FOX-7的用量进行有效调节；作为发射药配方主要组成的FOX-7，既是重要的能量组分，又可作为燃烧调节剂，改善含RDX硝胺发射药的燃烧稳定性。

3.2 样品中止燃烧实验

对不同样品进行中止燃烧实验，其燃烧前后状况如图 2所示。由图 2可知，不同样品燃烧前后内孔变大，长度变短，药型基本完好，未出现破损现象；样品基本按平行层规律燃烧，低压下燃烧稳定。

通过扫描电镜对不同样品的燃烧表面进行观察，结果如图 3所示。从图 3a可以看出，1号样品燃烧表面凹凸不平，并且在燃烧表面上分布着大量直径在5~30 μ m范围内的凹坑，与样品中RDX的粒度范围相吻合^[8]。低压下发射药基体的燃速大于RDX的分解速度，RDX颗粒被外界的热量加热后，其表面开始熔融，并从基体上脱落下来进入气相中，形成凹凸不平的燃烧表面。燃烧表面上大量微坑的存在，增大了发射药的燃烧表面积，相当于发射药单位质量燃速增加，发射药燃烧时一定程度上偏离几何燃烧规律。图 3b中，中止燃烧表面基本形成连续的熔融层，在熔融层表面有少量的大颗粒依附，燃烧表面凹坑数量减少且直径变小。图 3c显示，中止燃烧表面为连续熔融层构成，熔融层表面无明显的凹坑和大颗粒。由图 3d可以看出，中止燃烧表面被光滑的熔融层覆盖。

分析认为，这可能是由于FOX-7热分解存在两个放热峰，分别为221.94℃和288.51℃处，两峰的温差范围达到60℃，且其热分解是一个连续过程^[9]，较高的热分解温度及热分解范围使FOX-7热失重较为平缓，即FOX-7的热分解过程较为缓和，因此随着样品中FOX-7含量的增加，发射药固相反应的剧烈程度降低，发射药燃烧过程中药体表面更加光滑。与FOX-7相比，RDX热分解温度范围相对较低，且热分解过程中，随着RDX的熔融，其分解速度急剧增加，不利于发射药的稳定燃烧。总之，随着实验样品中FOX-7含量的增加，中止燃烧表面熔融层由不连续的蜂窝状变为光滑连续的表面。说明样品在燃烧过程中，随着RDX粒子脱离基体被抛入空气中燃烧的可能性变小，发射药燃烧表面的凹坑在不断减少。随着压力及温度的升高，RDX的燃速与基体药相近，凝聚相反应加快，但由于完整熔融层的存在，RDX发生爆燃的可能性降低，发射药基本按预定几何规律燃烧，有利于发射药低压下的稳定燃烧。

为证明发射药燃烧表面凹坑减少的主要影响因素是新型含能材料FOX-7的加入，而不是RDX含量减少，笔者设计了验证配方5、6：将配方2、3中的FOX-7去除，其含量按原配方比例分配到其它非固体组分中。验证配方中止燃烧试验样品的SEM图如图 4所示。

由图 3c、图 3d和图 4对比可知，配方中虽然分别含有等量的RDX，但添加FOX-7的中止燃烧样品表面较为平滑。图 4与图 3a比较可知，随着配方中RDX含量的减少，样品中止燃烧后表面的平滑度有变好的趋势，但不明显。

综上可知，中止燃烧后样品表面凹坑减少的主要影响因素为配方中添加了新型含能材料FOX-7，并且随着配方中FOX-7含量的增加，发射药中止燃烧样品的表面越平滑，有利于发射药的稳定燃烧。

3.3 样品的力学性能

发射药的力学性能对发射药的使用安全性具有十分重要的作用。发射药抗冲强度过低，发射药燃烧过程中发生冲击破碎，发射药装药燃烧面积增加导致膛内压力剧增，易发生安全事故。表 3 为 不同样品的高、低、常温条件下的抗冲击强度数据。

表 3中显示，随着样品中FOX-7含量的增加，样品高、低、常温的抗冲强度均有所增大。这是因为，发射药在冲击试验中，发生断裂的情况有以下两种。当受力方向平行于硝化棉高分子链的方向时，发射药的断裂表现为范德华力或氢键的破坏引起的分子间滑脱；若受力方向垂直于硝化棉高分子链的排列方向，则发射药的断裂表现为化学键的断裂和范德华力、氢键的破坏。采用半溶剂法制备的发射药样品，在压伸成型过程中硝化棉大分子被沿轴向取向^[10]，发射药受冲击断裂时属于第二种情况。与RDX相比，FOX-7分子中大量的硝基和氨基可以形成分子内及分子间氢键，也能够同硝化棉分子上的羟基形成氢键，FOX-7与硝化棉大分子之间的相互作用增强了硝化棉分子的链段活动能力。在受到冲击力作用时，硝化棉分子链段的分子内转动及韧性变形能力增强，发射药的韧性增加；同时，这种相互作用增强了硝化棉分子链之间的相对活动能力，使发射药制备过程中沿轴向取向的分子链增多，发射药抗冲能力增强。FOX-7与硝化棉分子之间的相互作用，使得两者之间接触紧密，有利于外力在复合体系中的传递。

4 结 论

(1) 将新型含能材料FOX-7应用于含RDX的高能发射药配方中，可调节该配方体系发射药低压下的燃速压力指数。随着样品中FOX-7含量的增加，燃烧过程中发射药表面形成的熔融层连续性变好，发射药有较好的燃烧一致性，有利于发射药低压下的稳定燃烧。

(2) FOX-7特殊的分子结构，使其与硝化棉大分子之间相互作用强烈，降低了硝化棉分子间的相互作用，有利于硝化棉分子链段的运动。随着发射药中FOX-7含量的增加，发射药的抗冲强度增大。