针对降低身管武器身管烧蚀的发展需求,分析了身管烧蚀的产生过程和机理、测量方法和主要影响因素,介绍了国内外近年来控制烧蚀磨损方面的最新研究进展,包括热因素控制措施、化学因素控制措施和机械因素控制措施; 讨论了缓蚀添加剂的降烧蚀作用机理,重点阐述了缓蚀添加剂的应用情况,包括发射药内添加型缓蚀剂和外加缓蚀剂; 提出未来降低炮管烧蚀性研究的重点方向是简化烧蚀性分析测试方法、新型高能低烧蚀发射药及装药结构、严重磨损部位强化处理以及多功能缓蚀剂等方面的研究。附参考文献82篇。

分别以1,3,5-三(2-烯丙基苯氧基)-2,4,6-三苯氧基环三磷腈(TAPPCP)和六(2-烯丙基苯氧基)环三磷腈(HAPPCP)作为耐烧蚀填料,经复配、固化制备出改性UPR包覆层; 通过红外光谱、X射线能谱和差示扫描量热法(DSC)分别研究了TAPPCP、HAPPCP与UPR的分散性、固化反应动力学和固化反应机理; 通过研究非等温固化反应参数,建立了非等温固化反应动力学方程。结果表明,TAPPCP、HAPPCP与UPR具有良好的混溶性,可通过自由基共聚反应形成交联结构; TAPPCP、HAPPCP分子结构中的不饱和双键有助于降低与UPR发生共聚反应的活化能,TAPPCP/UPR体系的特征固化温度T_p和T_f随着TAPPCP添加量的提高(0→20phr)分别由88.37℃和109.58℃降至83.58℃和99.42℃,HAPPCP/UPR体系的特征固化温度T_p和T_f随着HAPPCP添加量的提高(0→20phr)分别由88.37℃和109.58℃降至79.28℃和96.15℃。

针对传统发射药制备工艺无法实现复杂结构成型的问题,利用基于光固化成型3D打印技术制备了黑索今(RDX)+光敏树脂体系发射药,利用旋转黏度计、红外成像仪、万能材料试验机研究了3D打印发射药的物料黏度、光聚合固化反应放热、力学特性等性能。结果表明,通过添加稀释剂可以将光敏树脂黏度由42Pa·s降至1.5Pa·s,且在很小的剪切速率下就能够降到极小值; 光聚合固化过程为放热反应,固化过程最高温度51.1℃,满足RDX等含能材料的安全要求; 3D打印发射药的拉伸强度、压缩强度和弯曲强度分别为6.46、36.1和10.2MPa,常温力学强度与常规火药相当。试验结果论证了光聚合固化3D打印技术的可行性。

为了提高铵油炸药的耐热性,提高露天煤矿火区爆破的安全性和效率,利用C80微量量热仪和自研简易恒温大药量试验研究了A、B、C 3种添加剂对铵油炸药热稳定性的影响,通过爆速测试确定了耐热型铵油炸药配方。结果表明,纯铵油炸药活化能为188.93kJ/mol,含质量分数5%添加剂A、添加剂B、添加剂C的铵油炸药活化能分别为208.76、203.54和201.14kJ/mol,3种添加剂均可提高铵油炸药的耐热性,添加剂A对热分解的抑制效果最好; 纯铵油炸药爆速为3522.5m/s,含质量分数5%添加剂A、添加剂B、添加剂C的铵油炸药爆速分别为3405.0、2142.5和2415.5m/s,添加剂A对铵油炸药爆炸性能影响最小。设计的一种新型的耐热型铵油炸药配方为:多孔粒状硝酸铵与柴油的质量比为94:6,外加质量分数为5%～8%的添加剂A。耐热型铵油炸药在200～300℃的高温环境下具有高的热稳定性,并且在高温环境中经过较长时间仍能可靠使用,爆炸威力能够满足火区爆破的需求。

以聚己内酯(PCL2000)为引发剂,三氟化硼·乙醚络合物为催化剂,使3-硝酸酯甲基-3-甲基氧杂环丁烷(NIMMO)开环聚合,得到了三嵌段PNIMMO-PCL-PNIMMO含能黏合剂。采用红外光谱、核磁共振氢谱、碳谱、凝胶渗透色谱、差示扫描量热法(DSC)和热重分析(TGA)对所得含能黏合剂的结构及性能进行了研究。结果表明,合成的三嵌段PNIMMO-PCL-PNIMMO含能黏合剂相对分子质量符合预期; 玻璃化转变温度低,为-60℃; 黏度小,20℃时为6.8Pa·s; 其热稳定性性能良好,分解峰温约为216.5℃。

为明确声共振混合设备在不同加速度条件下驱动输入能量和混合动能之间的转换特性,掌握声共振混合技术设备放大、工艺放大和工艺控制的基本规律,以200克B炸药、浇注PBX、熔注PBX、HTPE推进剂为混合对象,加速度在0～60g范围内反复改变,测试驱动电机输入能量随加速度变化的关系。结果表明,声共振混合设备输入能量随着加速度的增大而增大,两者之间呈线性关系,设备反复启停和加速度频繁调节并不会影响这种线性关系,声共振设备具有良好的运行稳定性和重复性; 火炸药混合过程中物料状态的变化、由物料状态变化引起的阻尼变化、由真空度引起的阻尼变化对输入能量和加速度之间的线性关系没有影响; 输入能量和加速度之间的线性关系对被混物料质量的变化较为敏感,相同加速度条件下被混物料质量变大时输入能量也变大; 对于实验所用的混合设备,被混物料为200克时,输入能量和加速度之间线性关系的斜率为0.339,可作为声共振混合设备性能参数标定和工艺控制的依据。

合成和稳定聚合氮形式的分子或晶体是一项非常具有挑战性的工作。在这里，我们基于第一性原理的计算提出了两种稳定N₄于分子和晶体相中的途径。第一种方法是在单晶金属表面吸附N₄(T_d)分子。结果表明，在超高真空和低温条件下，N₄(T_d) 在金属表面可以通过失去T_d对称而稳定。在晶体方面，我们提出了P-43m-N₄、P4/m-LiN₄和Amm2-G/N₄，并计算了它们的能量密度、热力学和动力学稳定性以及电子结构性质。AIMD模拟结果表明，这种高氮含量的HEDM在50 GPa和50或300 K下是稳定的。我们的理论结果表明，聚合的N₄可以在高压和低温条件下合成和稳定，特别地，N₄可以通过配位键与金属原子形成稳定的结构。

为了发展新型含能黏合剂,以聚四氢呋喃醚二醇(PTMEG)为引发剂,三氟化硼·乙醚络合物为催化剂,环氧氯丙烷(ECH)为单体,通过阳离子开环聚合反应,制备出端羟基聚环氧氯丙烷-聚四氢呋喃-聚环氧氯丙烷(PECH-PTMEG-PECH),PECH-PTMEG-PECH经过叠氮化反应得到端羟基聚叠氮缩水甘油醚-聚四氢呋喃-聚叠氮缩水甘油醚(GAP-PTMEG-GAP)。通过红外光谱、核磁共振氢谱、碳谱、凝胶渗透色谱和差示扫描量热法对共聚醚的结构及性能进行了表征。结果表明,PECH/PTMEG链段比与投料比基本吻合,共聚醚的相对分子质量可控、分布较窄,叠氮化时间为28h,共聚醚的玻璃化转变温度为-58.6℃,黏度为3.5Pa·s,热分解峰温为256.6℃,与丁二酸二丙炔酯在60℃固化后得到的聚三唑弹性体具有较好的力学性能,拉伸强度(δ_m)最大为1.04MPa,断裂伸长率(ε_b)最大为73%,优于GAP基聚三唑弹性体。

以5-氨基四氮唑(5-ATZ)为前驱体合成了5,5'-偶氮四唑钾(PZT)。将不同质量比的PZT和硝酸铵(AN)同时溶解在水中,然后将水蒸发,得到了几种“AN+PZT”复合物。用IR和XRD对PZT和“AN+PZT”复合物进行了相应表征。结果表明,IR图谱证明了所制备PZT的分子结构,并且说明PZT可能为一种水合物; XRD图谱表明,“AN+PZT”是一种多晶复合物; DSC图谱表明,PZT的存在完全抑制了AN在环境温度下的晶体相变,即原料AN在57.1℃下的相变吸热完全消失; 所有“AN+PZT”复合物的热分解峰温与原料AN相比明显降低; 原料AN热分解的最终产物为N₂O、HNO₃和H₂O。与原料AN相比,“0.8AN+0.2PZT”的热分解未生成HNO₃,但有NH₃作为中间产物生成。推测在AN解离为NH₃和HNO₃后,HNO₃先与PZT发生了反应,而NH₃则剩余下来并在更高的温度下被HNO₃氧化。由于AN热分解的控制步骤是其解离产物中HNO₃的分解,因此PZT的引入在反应机理上促进了AN的热分解。

为实现超细季戊四醇四硝酸酯(太安)的批量化和绿色制备,采用机械粉碎法,配合真空冷冻干燥技术,成功获得分散性良好、粒径在1～20μm分段可控的超细太安粉体; 作为对比,同时也采用溶剂-非溶剂重结晶法得到超细太安颗粒; 通过扫描电镜(SEM)、X射线衍射法(XRD)和傅里叶红外光谱(FTIR)表征样品的形貌结构,采用热重与差示扫描量热同步热分析仪(TG-DSC)研究样品的热分解性能,结合机械感度测试评价样品的安全性能。结果表明,与原料太安相比较,机械粉碎法制备的超细太安颗粒粒径在1μm左右,棱角大大减少,部分颗粒偏类球形,而重结晶法制备的超细太安颗粒平均粒径约11.4μm,呈片层状结构; 两种方法得到的太安晶型及分子结构均未发生改变,但放热峰温明显提前,活化能由104.1kJ/mol分别降至71.9kJ/mol和77.1kJ/mol,热爆炸临界温度由175.0℃分别降至138.1℃和149.1℃,热稳定性有所下降; 机械粉碎法制备的超细太安撞击感度下降24.8%,摩擦感度下降17.6%,而重结晶法得到的超细太安撞击感度增加29.7%,摩擦感度降低47.1%。采用机械粉碎法可实现超细太安的批量化、粒径可控、低成本及绿色制备。

为研究HTPE/AP/Al/RDX推进剂在宽温域下的准静态力学性能，通过单轴拉伸试验获取了HTPE/AP/Al/RDX推进剂在温度范围为-50℃～70℃及5种应变率下的应力-应变曲线，通过推进剂的断面形貌法分析了其损伤失效形式，并建立了相关力学性能主曲线。研究表明，随温度升高，HTPE/AP/Al/RDX推进剂的最大拉伸强度降低，断裂延伸率先升高后降低。随应变率增加，最大拉伸强度提高，断裂延伸率变化较为复杂。HTPE/AP/Al/RDX推进剂的断裂发生了脆-韧转变，推进剂在常高温下的损伤主要以脱湿为主；在低温下的损伤主要为粘合剂基体撕裂和填料的穿晶断裂，且随应变率增加，填料的穿晶断裂更显著。

为研究环四亚甲基四硝胺(HMX)基高聚物黏结炸药(PBX)在高强度热载荷(室温～200℃,10h)作用下的热损伤行为,使用微米计算机断层扫描技术(micro-CT)定量表征了试验前后HMX基PBX的内部微米级孔隙变化,结合样品尺寸、质量、真密度和微观形貌的变化分析了热载荷对HMX基PBX的损伤情况。结果表明,在160℃时,样品体积、质量和真密度无显著变化; 经过180℃处理后,样品发生了不可逆的体积膨胀,质量未发生变化,真密度降低8.76%; 200℃处理后,由于质量降低、体积膨胀,样品表面出现孔隙和裂纹导致样品真密度降低9.92%; 根据细观观测和统计计算,样品孔隙率随试验温度升高呈现先升高后降低的趋势,在180℃时最高为7.81%,200℃时又呈现下降趋势; 180℃时HMX晶粒发生相变,产生的大量微裂纹和颗粒之间脱粘增大了PBX的孔隙率; 200℃时,HMX颗粒细化填充部分空隙,导致孔隙率较180℃时降低,但黏结剂未发生熔化,对孔隙率的变化影响不大。

为了获得纳米级金属粉对HMX热分解的催化作用及分解动力学的影响规律,采用差示扫描量热法(DSC)、热重法(TG)研究了普通级和纳米级金属钛粉、锆粉与HMX混合体系的热分解,采用等温热重法研究了上述混合体系的分解动力学。结果表明,纳米级金属粉使HMX在固相的热分解提前, HMX/金属粉质量比为2:1时,纳米钛粉和纳米锆粉分别使HMX固相起始分解温度降低了3.9℃和3.0℃,使HMX固相分解比例由0.5%分别增至18.3%和4.6%; HMX在固相的分解深度随纳米金属粉含量增加而增加; HMX/金属粉混合体系固相初期分解反应机理函数均为成核和生长(n=1)的Avrami-Erofeyev方程,钛粉显著降低了HMX固相分解的表观活化能和指前因子,提高了以反应速率常数之比表示的催化分解系数,缩短了分解时间; HMX/纳米钛粉质量比5:1混合体系的等温分解表观活化能E_a为138.9kJ/mol,指前因子ln(A/s^-1)为25.47; 此外,还发现金属粉/HMX混合体系、金属氧化物/HMX混合体系、各种相态单质HMX的动力学参数有同一“动力学补偿效应”关系。

采用近红外光谱法快速测定了三基发射药干燥过程的总挥(醇酮溶剂)含量; 通过对比三基发射药药粒样品及总挥的光谱图特点,确定了总挥最佳建模光谱范围; 对三基发射药样品的光谱图进行预处理,对比了不同光谱预处理方法的效果,最终确定了最佳光谱预处理方法; 采用偏最小二乘法建立了三基发射药样品总挥的校正模型,最终选择总挥建模的最佳主因子数为8,并对模型的预测能力进行了验证。结果表明,确定的最优建模光谱区间为5700～6100cm^-1,最佳光谱预处理方法为一阶导数+SNV的组合,总挥含量模型的校正决定系数(R²_C)为0.9703,校正均方根误差(RMSEC)为0.1497; 预测决定系数(R²_P)为0.9628,预测均方根误差(RMSEP)为0.1879; 验证集标准偏差与预测标准偏差的比值(RPD)为6.7; 将该模型应用到三基发射药干燥过程总挥含量的检测,预测平均偏差为0.025%,建立的总挥模型具有较好的预测性和重复性,在60s内可实现三基发射药干燥过程总挥含量的准确检测。

为了降低含超细AP的AP-CMDB推进剂的机械感度,将类球形超细AP加至CMDB推进剂中,通过扫描电子显微镜获得了推进剂的断面微观形貌; 分别研究了类球形超细AP对推进剂密度、力学性能、燃烧性能和机械感度的影响。结果表明,类球形AP表面较光滑,在推进剂中分散较均匀,但与双基组分间存在部分界面脱粘现象; 添加类球形超细AP对AP-CMDB推进剂的密度没有影响; 可以有效提高推进剂的燃速,含类球形AP的AP-CMDB推进剂在10MPa时燃速从60.12mm/s提高至63.03mm/s; 大幅降低推进剂的机械感度,特性落高(H₅₀)提高了15.7cm,摩擦感度(P)降低了32%; 但同时降低了推进剂的抗冲强度,-40℃时抗冲强度从5.22kJ/m²降至4.12kJ/m²,其原因与类球形AP的热分解性能、表面形貌、分散均匀性及与双基组分间的界面情况有关。

为了实现单次发动机试验测得多个压强条件下推进剂的燃速,提出了一种固体推进剂动态燃速测试方法——质量流率法。该法以质量流率计算公式为依据,通过处理推进剂燃烧过程中随时间递增的压强曲线,计算得到发动机工作全过程中不同时刻对应压强下的燃速值; 对比了通过质量流率法与冲量法处理得到的双铅-2(SQ-2)推进剂燃速结果; 分析了特征速度和喷管喉径变化对质量流率法燃速测试结果的影响。结果表明,两种方法得到的燃速结果随压强变化趋势完全一致; 当压强为9.945MPa时,两种方法的误差为1.06%; 当压强为22MPa时,误差为3.87%。造成质量流率法与冲量法燃速结果之间差异的主要原因为喷管喉径实际尺寸的变化。

为了解决自由装填大长径比火箭发动机装药高温工作时的碎药问题,以一种螺压改性双基推进剂装药为研究对象,采用固体火箭试验发动机研究了影响自由装填大长径比发动机装药工作稳定性的因素,包括初始通气参量(æ)、挡药架厚度(d)、装药局部涂覆。结果表明,装药结构是影响自由装填大长径比发动机装药工作稳定性的主要因素,减小初始通气参量(æ)能显著提高装药在高温条件下的工作稳定性。对于长径比为12的推进剂装药,50℃时,æ从225减小至166,基本消除了碎药的产生; 60℃时,显著减小了碎药的产生; 采用厚度为25mm的挡药架比采用厚度为8mm的档药架更有利于减少装药工作时碎药的产生; 装药内孔是否涂覆对改善装药工作时的碎药情况没有作用,不影响装药工作的稳定性。

以极限热流值为安全贮存寿命判据,用“温度系数”方程作为“时温等效”关系,改进了NATO STANAG 4582标准的外推方程,建立了一种用微量量热技术快速预估硝酸酯火药安全贮存寿命的新方法——“单温度定时热流量热法”,即单一温度下,仅需短周期的一个试验就可以预估硝酸酯火药在特定贮存温度下特定年限的安全贮存寿命,或评估预定贮存期内的热安定性。结果表明,与以安定剂消耗50%为判据的热加速老化法相比,该方法是以模拟大尺寸装药体系在较苛刻环境下贮存不发生热爆炸的极限热流值为安全寿命判据,更符合实际,预估结果更可信,可广泛适用于单基、双基、三基和改性双基等硝酸酯火药安全贮存寿命的评估。该方法为在线检测,无需大药量、大规模的老化试验,相比热加速老化法既安全又更简单快速,可在4.01天内预估硝酸酯火药10年内能否安全贮存。

针对恒温法爆热经典测量方法存在测量时间长、出现系统故障易导致测量失败等问题,提出一种基于故障前数据辨识爆热的解决方案。首先建立了基于炸药瞬态反应假设的量热计传热学方程,解算得到内桶水温的变化规律; 然后基于系统辨识的思想,给出了先辨识中间参数kNW/(c_Nm_N)、u1、λ1、λ2,然后辨识目标参数TE(τ_M)、kNZ/c_Nm_N、kNZ/c_Zm_Z,再辨识修正温升与爆热的系统辨识方法,误差分析表明爆热的辨识值可稳健地收敛于经典值,氧化、燃烧等非瞬态反应对辨识精度的影响可忽略; 最后,针对8个典型炸药样本爆热测量数据进行模拟分析并提出收敛时刻的试验判据。模拟结果表明,爆热的辨识值可在不超过3%的相对误差、1/2主末期时间的条件下快速、可靠地收敛于经典值,试验判据能可靠地判断爆热辨识值的收敛时刻,有效降低了系统故障导致测量失败的风险。

为研究爆炸物示踪安检技术,以各类工业炸药为基体,均匀混合微量示踪剂,采用能谱检测方法,通过探测示踪元素的特征X射线,对示踪剂质量分数、炸药质量、介质材料和探测距离等影响因素进行了系列试验研究。以粒状铵油炸药为基体的试验结果表明,示踪剂质量分数由0.01%增至0.1%,50g粒状铵油炸药在空气中的探测距离由40mm增至180mm; 示踪剂质量分数0.05%,粒状铵油炸药质量由10g增至100g,在空气中的最大探测距离由40mm增至180mm,50g粒状铵油炸药分别在空气、布料、纸张、木板和泡沫等介质材料中的最大探测距离为120、80、35、70、90mm,分别用厚度0.4、0.6和6mm的铜、铁、铝作介质材料,最大探测距离分别为40、1和10mm; 探测距离为0时,示踪剂质量分数0.05%、质量大于4g的粒状铵油炸药可被准确探测到。可见,通过探测示踪元素特征X射线对爆炸物进行安检,不仅技术上可行,而且达到了较高的精度。数据表明,最大探测距离分别与示踪剂质量分数和炸药质量呈线性增长关系,与介质材料的密度呈负相关性。

综述了目前国内外S-四嗪类含能化合物的研究情况,对国内外具有代表性的研究工作进行了介绍,主要分为含能有机物、含能有机盐、含能金属盐与配合物3个方面,其中有机物和有机盐研究较多,金属盐研究较少。总结了四嗪含能化合物的设计思路、应用前景和待解决的问题。对称取代的1,2,4,5-四嗪化合物是目前绝大多数工作的研究目标,设计这些化合物主要依靠四嗪环上易发生亲核取代反应的特点而引入不同的含能取代基来对整体化合物的性能进行修饰和调控。通过设计合成离子盐,利用阴阳离子间的氢键相互作用可对含能化合物的稳定性进行优化。四嗪类含能材料氮含量高、分解产物清洁,在微推力和低特征信号推进剂、汽车安全气囊气体发生剂组分、绿色起爆药等方面具有良好的应用前景。不足之处在于这些化合物的放大合成研究很少,工业化基础较薄弱,且对非对称取代的1,2,4,5-四嗪化合物研究较少,在未来需要加大这些方面的研究。附