在不同温度条件下对双基发射药中钝感剂的迁移进行模拟

在不同温度条件下对双基发射药中钝感剂的迁移进行模拟

摘要

在膛压升高的初期，发射药的燃烧速度比预期的燃烧速度要快。为了消除因燃烧速度过快而造成的对弹道性能的影响，采用对燃烧快的发射药表面进行钝感，以达到缓燃的目的。钝感剂作为一种胶状的阻燃物质或作为硝化棉基体的增塑剂，能降低发射药的初始燃烧速率，从而使发射药的气体生成速率降低，以达到阻燃的目的。而对钝感剂迁移速率的了解有助于我们发展具有优良弹道性能的发射药。对另一参量，即发射药在老化和存储期间，在发射药基体内钝感剂的迁移速率，它对弹道保质期有直接的影响。在保质期内，弹道要求的各种性能必须达到指标要求。但要对钝感剂的迁移进行实测是一项非常困难的、昂贵的和费时的工程，因此，开发一种能够模拟钝感剂迁移过程的工具似乎显得尤为必要。本论文主要讲述了由等温迁移系数D所决定的等温实验曲线来模拟钝感剂和NG在双基发射药中迁移的情况，并考虑到了双基火药本身的溶胀效应。该模拟是通过使用AKTS-SML软件来进行的，在分析的过程中，它同时考虑到钝感剂和硝化甘油在已溶胀的发射药基体内的迁移。此外，在确定对温度依赖性很强的迁移系数D之后，就可以在任意的温度分布下对钝感剂的迁移进行预测。比如，振荡的温度模式、实际的气温分布，或在温度模式下，气温的改变与2895标准相符合的温度条件等。

1. 引言

通过在发射药中添加NG和钝感剂，能使发射药的内弹道性能得到明显改善。然而，发射药在长期的贮存过程中，表层的钝感剂会迁移到发射药药粒的内部，从而明显地降低发射药的保质期限。考虑到发射药的内弹道性能，发射药的生产方有责任确保他们的产品在保质期限内，钝感剂的迁移满足规定的指标要求。

在前期的工作中，我们用含NG（大约在5-15%）的各类发射药对钝感剂的迁移进行了研究。其中邻苯二甲酸二丁酯（DBP）或高分子增塑剂的质量分数在2%-5%的范围之间。先将发射药样品在50－80℃的温度范围内进行等温条件下的老化，然后再用红外光谱仪进行钝感剂迁移过程的研究。对含有邻苯二甲酸二丁酯（DBP）的样品而言，老化时间的长短取决于温度，一般老化时间在1－200天左右，在最高温度为80℃的条件下，老化时间缩短到1－11天之间。实验发现，由于发射药表层钝感剂往发射药内部迁移而引起的钝感剂浓度的变化与由菲克尔迁移法所得的结果是一致的，因此一维迁移方程式在各向异性介质中可以分析解决。在50－80℃的等温条件下，平均迁移系数值可分别求得，即在4.10-18－7.21-16m2/s之间。

目前的工作是在已有模拟AKTS－SML的基础上进一步发展，以便于在变化的实验条件下（比如，在老化期间温度存在波动及溶胀效应等），对发射药基体内钝感剂与NG的迁移进行预测。该研究报告了该模拟的可行性及局限性，并把模拟结果与迁移的实验数据进行了比较。

2. 迁移效应与弹道稳定性之间的关系

表面改性发射药通过是在发射药的表面浸渍一种阻燃物所组成的。该阻燃物沿着发射药的表面向里渗透一定的深度，并且在发射药的表面与内部之间形成一定的浓度梯度。在发射药的燃烧过程中，该浓度梯度将减缓发射药的燃烧速率。发射药的使用期由两个因素决定：一，化学品的贮存期限；二，弹道相关性能的保质期。

－化学品的贮存期限包括化学品可以安全地贮存而对环境不造成任何的危害。这期限主要是由化学老化反应所决定的，比如硝酸酯的分解及分解产物与安定剂的反应。化学安定性可通过热量测定和检测安定剂的消耗情况来进行评估，这方面的研究结果已有相关的报道。

－弹道相关性能的保质期在这段时间内，发射药或弹药能安全可靠地使用，或在此期间发射药与弹药满足相关的弹道性能要求。该保质期与发射药相关的因素主要包括：一，发射药某些组份之间的不相容；二，某些组分（如钝感剂或NG）的迁移过程；三，一定程度上，硝化棉局部的分解。上面所述的三种因素都将缩短该保质期限。

子弹的弹道稳定性主要取决于钝感剂的迁移程度，而不是发射药的化学稳定性。最大膛压（P m）与发射药药粒表面钝感剂浓度之间的关系已有相关报道。因此，了解钝感剂及NG在发射药基体内的

迁移过程显得尤为重要。

3. 在不考虑溶胀效应的情况下单层疏松物质的迁移模型

在等温条件下，疏松物质的迁移能通过一个简单的迁移模型来进行模拟，但该种模型只限于单层的情况。通过该模型我们能解析解迁移方程式，菲克尔方程式也能由此推导出来。

虽然解析解描述迁移过程的微分方程是已知的，而且能从多种参考书上查到，但通常要想从实验数据获得迁移系数D是很困难的。要想获得迁移系数D，就必须测绘出迁移曲线或浓度分布曲线，而两个曲线都是迁移时间或迁移路径的函数。通常，迁移到疏松物质的物质的量M（t）能通过与迁移时间的函数关系而求得，或迁移物的浓度C（x,t）能从给定时间内迁移的路径测量出。又一个必须考虑的参量是可以使迁移过程重现的几何体系。微分方程的解决方案是下面将介绍的片状几何体、管状几何体、及球状几何体，它们能描述出系统的整个迁移过程。

从一个无限液体迁移到：

1.两面同时接触的有限片状体：

或

2.只与一面接触的有限片状体：

或

3.径向和纵向同时迁移的有限长管状体：

4.球状体

或

M(t)表示在迁移时间t内迁移到片状体、管状体、及球状体内的迁移物质的物质的量；M∞表示在无限长时间内已迁移物质的相应的物质的量，并且用D来表示迁移物质的迁移系数。C(x,t)表示在t时刻及迁移距离为x处的迁移物质的浓度。C(r,t)表示在t时刻及径向半径为r处的迁移物质的浓度；C1表示在片状体、管状体、及球状体表面的迁移物质的浓度。C i表示迁移物质在物料中的初始浓度。L分别表示片状体的厚度和管状体长度的一半。R表示球状体的半径和管状体横切面的半径。a m R表示第一类零阶贝塞尔函数开根，零阶是电脑程序里近似的计算方法。AKTS－SML软件采用列文伯格－马夸尔特法的非线性回归算法，估计最理想的迁移系数D能与试验数据相吻合。为了缩小实测值和计算值平方和的差异，上面的计算方法对迁移系数D进行了渐进地改变。对于下面的三种模拟来说，上述的微分方程存在一定的局限。

一、根据菲克尔定律，迁移过程一定发生在单层结构中。

二、在实验期间，迁移系数D是一个常量。

三、在发射药基药与迁移微粒之间，和在不同的迁移物质之间，没有其它的因素促进物质的迁移。

4. 在考虑溶胀效应的情况下单层/或多层疏松结构的迁移模型

4.1 数学模型

当对发射药基药中钝感剂和NG的迁移过程进行模拟时，必须考虑到基药与迁移微粒之间，及不同的迁移化合物之间可能产生的对迁移系数D、对钝感剂和NG的浓度分布曲线的影响。这可以通过求解菲克尔偏微分方程（PDE）的一般式进行数值近似：

在方程中，g是一个与发射药颗粒的几何特征相关的几何因子：g=0，代表无限大的片状体；g=1，代表无限大的管状体；g=2,代表球状体。

c－表示在t时刻及径向半径为r处的NG的迁移浓度。

c i－表示在t时刻及径向半径为r处的钝感剂的迁移浓度。

T－温度对时间的函数曲线。

D－迁移系数D是c、c i、T这三个变量的函数。

4.2 双基火药或EI发射药中钝感剂与NG的迁移

发射药的组成非常复杂，以至于我们在研究它们的性能与各组分的关系时相当困难。比如，沿药粒的径向上钝感剂和NG存在浓度梯度；在发射药中含有安定剂等等。所以，要描述出由实验所观测到的结论是相当复杂的。为了验证模拟计算数据的正确性和准确性，我们将把它与先前已报道的试验研究结果进行比较。通常，我们运用傅里叶变换红外光谱仪（FTIR）及红外显微镜对钝感剂和NG的浓度分布进行检测。

4.2.1 表面包覆的迁移过程

“两步走”的表面包覆过程主要是运用了“压伸－浸渍”EI双基发射药的研究成果。用硝化甘油对单基发射药颗粒进行浸渍，它在火药表面形成一个几百微米的外层，而且外层硝化甘油的浓度