含能材料和含能材料学科的进展-3-王泽山.pdf

1995年第9期 化工时 刊 含能材料和含能材料学科的进展 3 南京理工大学 2一00 94 王泽山 三 含能材料应用技术的 进展 含能材料的应用方式大致分为两种 一种是与其它材料构成一个整体机构 成 为一个热机 如火箭发动机 火炮系统 驱动器 地雷和炸弹等 另一类为单独使 用 如爆炸用的炸药块 特殊应用的可燃 容器等 通常情况下以前者为主 尤其在 军事上 含能材料作为能源成为武器的一 个组成部分 而火力武器的整体则是一个 热机 含能材料用在武器中有三个非常关 键的指标 一是效率 应尽量提高单位质 量含 能材料所完成的有效功 二是有 效 功 如果功率很 高 但有效功很低 就不 能完成作战目的 武器经常把有效功作为 第一指标 而效率则是第二位的 如火炮 就把有效功决定的射程和摧毁目标作为首 要任务 否则 即使效率达 Ic o 但无 法摧毁目标 这门火炮就不能成为武器 三是武器的机动性 要求通过含能材料的 高性能和合理的应用 使武器在战场进退 容易 以增加击毁敌目标和减小 自我毁伤 的几率 因此 含能材料的发展 尤其是 近期 应 用技术研究的进展迅速 而这些 进展表现在增加有效功的技术 增加有效 功率的技术 增加武器机动性的技术 以 及它们的综合技术 主要成绩是利用环境 条件大幅度增加系统能量的措施 如燃料空 气炸药 贫氧推进剂 在有限的空间增加 能量的装 药 措施 如密实装药 和增大射 程 初速的特种技术等 一 摄取环境组分 大幅度增加能量 1 燃料空气炸药 万滋习 能从空气 中获取 它所需的绝大部分或 全部氧气的可爆炸材料 燃料空气炸药本 身含有少量氧或不含氧 因而质量 效率 高 在很大面积上完成一次爆炸 与常规 炸药的点起爆特性相比 破坏区域较大 在爆 炸反应中 TNT 质量的4 2 为本身 所含的氧 而燃料空气炸药从空气中获取 氧 该质量不含在炸药内 因此等量的 1 2一 环氧丙烷和铝释放的能量是 TNT的 7倍左右 FAE 炸弹内装有燃料 引信 弹中心 轴是用于弹解体和燃料雾化的一级爆炸装 药 在离地面适合的高度 一级爆炸装药 作用 炸开容器并把燃料散布成云雾 气溶 胶 充人环境中的氧 云雾的体积继续扩 大 当达到最佳燃料比后 二次引信引发 云雾 完成爆炸反应 FAE 有较强毁伤能 力 可用于对付坦克 野外永久性的防御 工事 清 除 雷 场 清 理 直 升飞机降落着 陆 场 在海 战中是一种对付反舰导 弹的武 器 有可能使反舰导弹毁伤于 F A E 爆炸 云雾团中 FAE 对水面舰船的破坏可伤及船上的 器材和通讯系统及光学设备 燃料空气炸药武器在扫雷中获得了一 定的应用 如巳尼研制成功的 S LU一FAE 扫雷系统 包括一个安装在N 一54 8 底盘车 化工时刊 19 95 年第 9期 上的多管火箭发射器 弹 药为 8 6 kg重的火 箭弹 携带加注 3k 6g环氧丙烷的战斗部 美国海军研制的4 5地FAE装置 可 以装载普通甲烷 能在压缩波阵面形成超 压 离爆心 13 7 米处为 0 9 5大气压 18 3 米 处为 0钻大气压 而 0 3 8大气压的超压就 足以摧毁坦克的光学设备 0 4 8大气压的 超压能严 重 损 坏水面舰 船 总的看来 FA E武器是一种对付软目标的理想武器 也能对付硬目标上软的子系统 如坦克和 装甲人员运输车会由于天线和外挂物的被 毁而失去作用 2 贫氧推进 别 多年来对战术导弹推进系统的研究主 要放在固体火箭发动机上 现在越来越明 显的是冲压发动机在射程 比冲以及快速 拦截或尾追攻击高机动目标上具有明显的 优势 在同质量和体积条件下 携带冲压 发动机的导弹射程可增加 1 倍 推进剂比 冲可达 6 0 0秒以上 以贫氧推进剂为能源的固体冲压发动 机 以其成本低 可靠性高 结构简单 勤务处理方便而具有吸引力 推进剂是氧 化剂和可燃物的统一 体 可自身完成燃烧 反应 如果 部分氧化剂 或可燃物来自外 界 相当于增加了推进剂的潜能 同体积 或同质量的推进剂将放出更多的能量 效 果可成倍增加 是其它增能方法难以相比 的 一般武器在瞬间的快速反应中很难摄 取环境 中的物质 因而推进剂无法用一般 燃料取代 导弹飞行却与飞机飞行有相似 之处 因此冲压发动机可考虑用于导弹飞 行 即氧化剂可以取自于大气环境 对于 液体燃料 这个间题已获解决 对于固体 燃料 采用贫氧推进剂 将成为含能材料 应用技术的一项有意义的进展 近年来 随 着燃料侵蚀 速度 燃烧效 率 进气一燃烧匹配等复杂技术间题的解 决 固体 冲压发动机基本上达到了液体冲 压发 动机的水平 如法德联合研制 ANS 超音速反舰导弹将采用德国研 制的含硼组 合式冲压发动机 美国捕鲸叉 罗兰特导 弹也将采用 固冲发动机 苏联萨姆 6导弹 采用固体贫氧推进剂 以铝 镁 硼为燃 料 以高叙酸按 奥克托金为氧化剂的丁 经配方已广泛用于中 高能贫氧推进剂的 研制 并将成为今后发展的主要品种 硼 具有很高的燃烧热 如果配方适当 其热 值和燃烧效率比侣粉还高 含硼是进一步 提高能量的技术措施 适当添加氟碳化合 物不仅可提高铅 硼 镁等金属填加剂的 燃烧效率 还有助于提高贫氧推进剂的比 冲 固冲发动机和贫氧推进剂已进人成熟 阶段 预计到9 0年代中期 由于组合式固 冲发动机 的发展 贫氧推进剂有可能成为 固体推进剂发展的最重要领域 将冲压发 动原理引人到炮弹中 是7 0年代开展的新 课题 二 含能材料民用技术 各类特种炸药的出现 都出于战争和 生产的需要 在有水环境 高温环境以及 强振荡 特殊空间等环境 中 一般炸药的 适应性变差 有时无法发挥爆炸效果 石 油 物探地下的高温 环境 需要耐热炸 药 用于复杂形状构件的金属加工 需要 塑性和粘性 炸药 用于水上目标 需要可 浮于水上的泡沫炸药 用于开辟雷区 采 用粘于坦 克 车辆的爆炸技术 就需要粘 性 可塑性的炸药 这些需要 促成各类 特种炸药的相继间世 另一 方面 由于提高含能材料效率的 追求 又发展了特殊的应用技术 I 特种炸药 特种炸药是具有某种 特殊性能或特殊 用途 的混合炸药 通常由单质炸药 粘结 剂以及相应的附加剂经混合加工而制成 特种炸药 中应用较多的单质炸药是黑 索金 R D X 也用奥克托金似M X 太安 199 5年第9期 化工时刊 和 1 3 5一三 氨基 一2 4 6 一 三 硝基苯 汀 ATB 较典型的特种炸药有 1 塑性炸药 具有可塑性 适于装 填形状复 杂的弹体 因加 工和环境的差 别 不同品种的塑性炸药具有不 同的可塑 性温度范围 塑性炸药携带方便 使用安 全 便于加工成不同形状和外观的药体 2 拈性炸药具有很强 的粘性 可 粘附于物体上长时间不会脱落 如粘附于 3 0km h速度的汽车上夕小时内不脱落 臼夕株皮炸药 具有橡胶的各种物理 性能 又是高能炸药 可以加工成片状 条状 棒 状 块状 并可以预制成 V 型 聚能槽 有良好的抗水性 4 夕热 固性炸药在固化前具有一定 的流动性 可浇铸到预制的模 具 中成型 固化后成为一定形状高强度的炸药 热固 性炸药具有不溶及不熔的特点 耐震 抗 冲击性能好 具有机械加 工性能 可车 铣 刨成各种形状的构件组装使用 一 J 低密度泡沫炸药外 观或象 海 绵 或象木块 配方 中有主体炸药 粘结 剂 发泡剂 泡沫稳定剂 催化剂等 经 过 发泡 固化 而制成 可以制备出软 硬不同 密度不同的泡沫炸药 了 司耐热炸 药通常由耐热性能好的 单体炸药和耐高温的高分子材料混成造型 粉 然后 再压制成药柱 耐高温性 能好 如耐热2号炸药耐温可达 25 0 2 高能气体压裂 激活一口不产油的油井 比新钻一口 井可能还经济 工业上最常用的激活泪油 井的技术是水力压裂 但水力压裂趁程显 得复杂 年代发展的 高能气体压叔 嚷 术 以火药燃烧的气体为动力 制角真瞬 间的高温 高压 在井筒周围造成多条辐 射状裂缝 并与井筒沟通以增大油层 的供 油面积 它能较好地提高油 气产量 是 提高石油采收的一项技术 在较艰难的油田条件下 应用含能材 料作油井压 裂的能源 是 一个较好的选 择 石油压裂装置的基本件是圆筒形含能 材料气体发生器 内装火药 点火器 通 过 电缆点火 后形成 高压气 体 的强大挤压 力 造成长达1 0米的多条径向裂缝 3 金属材料加工 1 金属爆炸 包及 爆炸包覆过的不 锈钢板薄至 0 02 5mm 厚至 3 c 2m 可包 覆高质量的可 锻金属而不改变其化学组 成 一次爆炸可包覆多层复合板 已获成 功的有 10 0 层以上的多层复合板 2夕爆炸切割打捞海底沉船 快速 切割船体 切割海底电缆和大口径石油管 道 采用爆炸切割方法是最理想 简便易 行的途 径之一 一是 快速 二 是可以遥 控 避免危险 臼 爆炸成型 常规工艺中的拉伸 胀型 卷边 翻口 冲孔 弯曲和校形等 都可用爆 炸加工来完成 目前已从金属爆 炸成型发展到陶瓷制品的爆炸成型 从单 件生产发展到成组生产 4少爆炸张化和硬化爆炸强化就是 利用炸药的爆炸力代替机 械力锻造加工 爆炸强化工艺用 于奥氏体类型钢材制品 具有明显效果 用炸药爆炸对高锰钢零件进行表面预 硬化处理 可提高钢材使用寿命3 0 J 夕爆炸铆接和焊接利用爆炸铆钉 来代替普通铆钉固定金属板 佰夕粉末爆炸压实一些特殊性能的 材料可由金属 金属氧化物 合金和其它 材料粉末通过炸药爆炸压实而制得 如爆 炸合成金刚石 氮化硼等 通过爆炸压实 而制得的非晶态合金 强度 高 易磁化 具有良好的抗疲劳性能及耐磨性能 目前 铁基 铝基 钦基等非晶态合金已用于生 产工业零部件 如变压 器的非晶态硅 钢 化工时刊1 99 5 年第 9期 片 电子转子铁芯 飞机发动机零件等 4 含能材料的其它民用技术 含能材料在民用经济中应用日渐扩 展 如用含能材料作气体发生剂 热源 对外界作功 自控以及利用它的声 光 烟等效应 完成上述任务时 含能材料具 有下述功能 l 含 能材料 自身的化 学反应 可在 隔绝大气的条件下完成 不需要供氧装置 就可完成成气 放热和作功过程 2 含能材料反应可在 瞬间完成 可 在驭动开关 汽车用防护气袋 飞机安全 滑梯 救生阀体 登山和灭火人员堕落 防护衣等应急情况下使用 3 含能材料存放期间是固体 其反 应器在贮存期间内外压差接近零 叼含能材料反应 过程可以控制 它 通过 药剂的配方 药型和阻燃技术来实 现 它可以产生热 声 光 烟等效应 可完成驱动 抛射和破坏过程 含能材料 的上述特点使得它的装置简 单 轻便 适于运输 贮存 特别适于快 速需要的动作和运动中的装置 便于在有 限空间使用 三 增加弹丸和火箭射程和初速的装 药技术 1 弹丸底部排气装药 现有的火炮系统以远程射程 高初速 和高精度为追求目标 实现这些目标可应 用多种措施 大多数采用膛 内的增速技 术 也有涉及膛外的技术 高性能的火炮 系统往往运用膛内外技术的组合 附设于 弹底的气体发 生器 即弹后底部 排气装 置 可以明显减少弹底阻力 成 为增加射 程的一项有效措施 底排与火箭推进有原则的差别 火箭 是通过给定的冲量 形成速度的增量 底 排增程不是依靠反作用的原理 而是通过 底排增加弹底的压力 导致减少阻力的效 果是主要目的 底排装置有一个药室 内 有点火装置和底排剂 以及一端设有流出 气体的喷口 火炮射击时 底排剂在膛 内 被点燃 在火药 气体推进下 弹丸出炮 口 此时 已被点燃的底排剂 因环境压力 迅速降低而熄灭 但底排装查中的点火装 置将保证在炮口处底排剂的正常燃烧 有 底排装置的弹丸在飞行时阻力将明显降低 至原来阻力的 70 相应增加射程近 30 2 火箭增程装药 配有火箭增程装药的弹相 当于由火炮 发射药的火箭 在弹底部有一个火箭发动 机 以便在离开炮口后进一步加速 目的 是在现有武器上获得更大的射瞬或更短的 飞行 时间 或者使用较轻型的火炮打到较 远的给定目标 火箭增程弹丸用的增程装 药 即推进剂装药 固定于弹丸后部的火 箭发 动机燃烧室中 原苏联的 15 2mm 红 工地 制导炮弹就是采用常规火炮发射的火 箭增程的制导炮弹 美国匹克汀尼兵工厂近年来 提出了一 种新颖独特的复合增程技术 即把底排增 程和火箭增程结合成所谓 弹底排气火箭增 程 技术 该兵工 厂目前正在 研制的 x M9 8 2 式 1 mm 远程反装甲子母弹就采 用了这种复合增程技术 其射程可达4 0公 里以上 该弹 由卵形部 弹体和弹底排气 装置组成 卵形部内装有火箭推进剂 端独 基聚丁二烯 高抓酸按 铝 火箭发动机 点火药等 弹丸发射后 弹底排气装置 内 的排气药柱燃烧1 5秒 然后火箭增程发动 机再燃烧 0 5 秒 接着弹丸沿降弧飞行至 目标区上空 抛出子弹命中目标 3 随行装药 根据试验观察 弹丸运行时 正在燃 烧的火药较多留在药室 火药燃烧生成的 气体的压力波峰不能及时传到弹底 在火 药燃烧结束后 由于弹丸高速度运动和弹 1995年第9期 化工时刊 后气体运动的差异 弹底 膛底压差 明 显 减少了增速效果 多药室 随行装药 能改变膛 内燃气压力分布 减少弹底 膛 底压差 随行装药相当于无穷多 的药室 这个 药室固定于弹丸上 超高燃速的随行装 药可以用简单形状 的药柱 但药柱要有适合的强度 以适应 发射状态时的坏境和传递加速力至弹底 另一 种 随行 是液体火药随行装药 其过程是 弹丸 由弹体上的助推装 药起动 加速 可使弹及其液体装药容器在膛内加 速到 500米 秒 射向燃烧气体中的装药 液体增加了弹 底压力并改变了压力梯度 粗略估计 初速可比一般装药高出3 0 四 增加能盈密度 的装药技术 人们对密实装 药的研究没有停顿 这 是因为密实装药具有明显的潜在优越性 即在容积不变时提高发射药装药量与弹丸 的质量比 所获的性能比单纯提高发射药 能量对弹丸作功产生的效果要好 业已发 现 1 9 孔发射药的允许装 填 密度达 0 9 9 c m 经压实的发射药装填密度甚至 可超过 1 359 c m 3 国外在密实发射药研 究方面 大致有如下途径 1 多层密实结构发射药装药 由多层发射药片叠加而成 各层之间 有 明显 的界限 每一层 都有自己的燃速 每一层的 热值 也不相同 各层的燃烧时 间是总燃烧时间的一部分 采用这种装药 后 不但可以增加装药量 不去或少去考 虑药的几何外形 而只需要选择不同热值 或选择不同燃速的多层药组分就能制备所 需要 的渐增性燃烧的发射药装药 其制造 工艺可以是采用复式压伸或发射药园片叠 加等 2 小粒药或球形药压实成密实发射装 药 美国陆军弹道研究所采用 的球型药压 实工艺采用溶剂燕发软化技术 先将药粒 软化 然后压实 美国创in军工厂报道 采用大尺寸 深度钝感的球扁药在药桶内 直 接 密实 可使装填 密 度达到 1 35 9 c m 3 并在2 0 一1 mm 不同 口径 的火炮上进行大量试验 在基本保持膛压 不变的情况下使弹丸初速提 高 6 1 5 另一种压实工艺是先将单体药料用溶剂蒸 气进行溶剂化 然后在模具 中进行压制 再进行干操固化 并在装药块周边进行阻 燃涂覆 3 纺织式密实发射药装药 美国和日本曾研究将发射药组分溶于 挥发性溶剂中制成粘稠溶液 在一定压力 下通过抽丝器并使之固化 细丝用纺织机 按预定式样绕成一定形状 4 按序一开裂棒状发射药 按序一开裂棒状发射 药是 一种高渐增 性高密新药型 在发射药燃烧过程中 在 最需要增加燃气生成速率的时刻 发射药 燃烧表面积按序突然增加 有效地改善 p 一t 曲线 使火 炮性 能获得大幅度提高 实现的方法是在药柱内部设一种 埋置式 的槽 药柱开始燃烧时 这种槽不暴露在 燃烧的炽热气体中 达到最高压力后 通 过预定程序使药柱横槽暴露 开裂 导致 燃烧面积大大增加 相应增大气体生成速 率 试验结果 初速获得较大幅度的提高 5 部分切口多孔杆状药 部分切口杆状药是目前增面性较高的 有现实应用价值的装药 火药愈长 内孔 就愈大 能使孔内燃烧的气 体及时流 出 不破坏药体结构 药柱短 内孔可减小 也增加了装 药密度 为了保证内孔限定的 长度 切口必须是相对的和相间的 四 结束语 含能材料学科是世界各国极为关注的 学科 它的发展与各国的国际事业密切相 化工时刊 9915 年第 9期 关 近期 在该学科领域 尤其在高能量 密度材料的合成 高性能推进剂 炸药 发射药研制 以及它们的应用研究上 出 现了突破性的进展 促成 了各国在含能材 料研究领域的激烈竞争 世界各国都集 中 一批高层次的科技人才和科学家 投人巨 额的经费 企 图在竟 争中赢得胜利 以加强 各国的防务和威摄能力 在我国 也出现 了高速 发展的形 势 研究出有价值的成 果 对我国武器现代化建设作出了重大贡 献 参考文献 1 1张春海 八十年代国外含能化合 物及相应火炸药的研究概况 机 械委第 210所 3一46 1991 l z 王泽山 发射装 药 技术研究述 评 华东工学院 l一15 1992 3 李一韦 199 0 年国外火炸药情报 研究 210 研 究 所 12 4 3 1991 阵 李一韦 1 9 9 1年国外火炸药情报 研究 210 研究所 45一68 1991 5 包昌火 火炸药发展的现状 前 景和建议 21 0 研究所 1 2 5 19 82 6 曹欣茂 国外