钾盐对发射药静态燃烧烟焰性能的影响

何昌辉，王琼林，魏 伦，刘少武，张远波，刘 波，韩 冰

(西安近代化学研究所，陕西 西安 710065)

钾盐对发射药静态燃烧烟焰性能的影响

何昌辉，王琼林，魏 伦，刘少武，张远波，刘 波，韩 冰

(西安近代化学研究所，陕西 西安 710065)

为研究钾盐对发射药静态燃烧烟焰性能的影响，以含钾盐的发射药样品为对象，采用单幅放大彩色摄影法、微热电偶测温法以及双光路透射率系统，研究了硫酸钾(K2SO4)、硝酸钾(KNO3)、新型有机钾盐(DK、HK、LK、JK和PK)等对发射药燃烧时的火焰形貌、火焰峰温、烟雾可见光透光率的影响。结果表明，无机钾盐K2SO4对发射药静态燃烧火焰大小和峰温的抑制效果最好，但会使发射药静态燃烧时的烟雾可见光透过率大大降低；高氧含量的新型有机钾盐DK、HK及LK对发射药静态燃烧火焰大小和峰温有较好的抑制效果，并且含新型有机钾盐的发射药静态燃烧时的烟雾可见光透过率较高，3种含高氧含量钾盐(LK、DK和HK)的发射药的烟雾可见光透过率均大于50%；钾盐的粒径从104μm 减小到5μm 时，消焰效果得到提高，但烟雾可见光透过率的变化规律并不一致。

发射药；钾盐；火焰形貌；火焰峰温；烟雾可见光透过率；静态燃烧

引 言

为改善身管武器的内弹道性能，具有燃烧渐增性能强、温度系数低、烧蚀性小等优良性能的钝感发射药得到广泛应用[1-4]。但由于钝感剂等功能材料的加入，影响了钝感发射药的点传火性能，易引起严重的发射烟焰[3-4]。烟焰问题不仅容易暴露己方阵地、影响士兵健康和作战能力、影响对目标跟踪和精确打击，甚至会造成武器无法正常使用。为抑制膛口火焰，通常在发射装药中添加硫酸钾、硝酸钾等无机钾盐消焰剂。但是随着身管武器和发射药的不断发展，传统所用的无机钾盐存在吸湿性强、膛口烟雾大的问题，难以满足高性能身管武器的需求。

基于上述情况，近年来国内外研究者开始研发新型高效低烟有机钾盐消焰剂，如刘波、陈斌等[5-6]研究了新型有机钾盐的含量、添加方式等对枪口烟焰的影响。吉丽坤等[7]研究了具有吸湿性小、高氮含量的高分子消焰剂。结果表明，与常用的硫酸钾、硝酸钾等无机消焰剂相比，新型有机钾盐具有常温下不吸湿、消焰效果好、燃烧产生的烟雾少等优点。但是关于新型有机钾盐对发射药燃烧时烟焰影响的研究相对较少，因此有必要做进一步的分析研究。

本研究以含有机和无机钾盐的发射药样品为对象，以四视窗燃烧室和静态烟室为测试平台，研究了压力、钾盐种类、钾盐粒度对火焰形貌、火焰峰温及烟雾可见光透过率的影响，为新型有机钾盐在发射药中的应用奠定基础。

1 实 验

1.1 材 料

丙酮、乙醇、粒径为104μm硫酸钾和硝酸钾，均为分析纯，国药集团化学试剂厂；粒径均为104μm的二羟基乙二肟钾(DK)、二元酸钾(HK)、一元酸钾(LK)、偶氮四唑钾(PK)、二元酸钾钠(JK)；粒径均为5μm的微纳米硫酸钾、微纳米硝酸钾、微纳米LK，均为分析纯，西安近代化学研究所；双基药片(DB)、聚酯钝感剂(NA)，西安近代化学研究所。

1.2 样品的制备

发射药样品配方(质量分数)为：双基药(DB)65%、聚酯钝感剂(NA)17%和钾盐18%。不同钾盐中的钾含量和氧含量如表1所示。

表1 钾盐中的钾含量和氧含量Table 1 The potassium content and oxygen content of potassium salts

制样工艺为:将双基药片、聚酯钝感剂、钾盐用丙酮和乙醇溶解并混合均匀，加热，连续搅拌使其溶剂挥发后成胶体状，最后通过反复压延充分混合，一部分制成粒状(7孔)样品用于火焰形貌测试，另一部分制成Ф5mm×20mm的药条用于火焰峰温和烟雾可见光透过率测试。

1.3 性能测试

1.3.1 火焰形貌测试

将制成的粒状发射药样品垂直放在点火支架上，然后把点火架放入四视窗燃烧室内，充氮气使燃烧室内达到预定压强。采用20V直流电源做点火源，用Ф0.15mm镍铬合金丝从样品上端点燃，启动照相机拍照，即可得到发射药稳态燃烧时的火焰形貌。

1.3.2 火焰峰温测试

采用埋设微热电偶的方法，将“П”形带状(70μm宽，5μm厚)双钨铼微热偶埋设在发射药试样(Ф5mm×20mm)中间，然后置于四视窗燃烧室中，充氮气加压至设定压强，采用20V直流电源点火，记录热电偶输出的电信号，通过换算即可得到发射药样品稳态燃烧时的火焰峰温(TP)。

1.3.3 烟雾可见光透过率测试

以静态燃烧室为实验平台，在3MPa氮气压强下，通过双光路烟雾透射率系统对发射药样品燃烧烟雾的可见光透过率(η)进行测试。

2 结果与分析

2.1 火焰形貌

2.1.1 钾盐种类对火焰形貌的影响

7MPa压强下，含不同种类钾盐的发射药样品燃烧时的火焰照片如图1所示。

由表1和图1可以看出，在7MPa压强下，静态燃烧火焰面积和亮度大小为：KNO3>PK>DK>HK>LK>K2SO4；对于无机钾盐，钾含量高的K2SO4的火焰面积和亮度最小，其消焰效果最好，而含KNO3的发射药样品的火焰面积和亮度最大；对于有机钾盐，随着钾盐中氧含量的升高，发射药样品的静态燃烧火焰面积和亮度逐渐变小。

由消焰剂的消焰机理[8-10]可知，其消除火焰关键在于形成高浓度的KOH以终止链式反应。KNO3的钾含量和氧含量都比较高，但是由于其在低压下易升华，仅有少部分可分解生成KOH，所以其燃烧时火焰明亮；在4种有机钾盐中虽然PK的钾含量最高，但是其不含氧，在燃烧时自身不产生OH自由基，所以其燃烧时火焰明亮，消焰效果差。因此钾盐中有效钾含量和氧含量越高，其在燃烧时就会产生更多的K+和OH自由基，两者结合成KOH，就会更好地阻止链式反应，有利于抑制火焰。

2.1.2 钾盐粒度对火焰形貌的影响

7MPa压强下，含粒径为5、 104μm的KNO3和LK的发射药样品燃烧时的火焰照片如图2所示。

从图2中可以看到，含粒径为104μm的KNO3和LK的发射药样品的火焰更明亮，火焰面积更大；而含5μm钾盐的发射药样品的火焰有许多链状亮点且分布致密均匀。这说明消焰剂粒度减小后，其在发射药样品中分布更为分散均匀，在燃烧时分解程度更完全，会产生更多的钾离子和OH自由基，起到抑制火焰的作用。因此小粒度的钾盐更有利于抑制火焰。

2.1.3 压强对火焰形貌的影响

在不同压强下，含LK和JK的发射药样品的火焰形貌照片如图3所示。

由图3可以看出，随着压强的升高，含相同钾盐的发射药样品燃烧火焰越明亮，火焰面积越大。这是因为压强增大，暗区厚度大大减小，气相火焰区离燃烧表面的距离减小，使气相反应区向燃烧表面的热反馈增加，发射药的燃烧分解速度增加，放热更快，火焰更加明亮，火焰面积更大。

2.2 火焰峰温

5MPa压强下，含相同粒度、不同钾盐的发射药样品的静态燃烧火焰峰温测试结果如表2所示。

表2 含不同钾盐的发射药样品的静态燃烧 火焰峰温测试结果Table 2 Test results of static combustion flame peak temperature of gun propellant samples with different potassium salts

从表2可以看出，钾盐对火焰峰温的抑制程度由强到弱的顺序为：K2SO4>LK>PK>HK>DK。这可能是因为火焰的峰温与钾盐燃烧分解时的吸热能力有关，如无机钾盐K2SO4燃烧分解时吸热能力大，使其火焰峰温最低；PK具有高氮低碳无氧的结构，燃烧分解时吸热能力较大，使其火焰峰温相对较小。

5MPa压强下，含不同粒度、不同钾盐的发射药样品的静态燃烧火焰峰温测试结果如表3所示。

表3 不同粒度的发射药样品的静态燃烧火焰 峰温测试结果Table 3 Test results of static combustion flame peak temperature of gun propellant samples with different particle sizes

从表3可以看出，当消焰剂粒度减小时，火焰峰温略微降低。由钾盐粒度对火焰形貌的影响可知，减小消焰剂粒度，对火焰有更好的抑制作用，也抑制了峰温的升高。

2.3 烟雾的可见光透光率

2.3.1 钾盐种类对烟雾可见光透光率的影响

钾盐粒径为104μm的发射药样品的静态燃烧烟雾可见光透过率(η)如表4所示。

表4 含不同钾盐的发射药样品的静态燃烧 烟雾可见光透过率Table 4 Visible light transmission of static combustion smoke of gun propellant samples with different potassium salts

从表4可以看出，LK可见光透过率最高，达61.9%；K2SO4可见光透过率最低，为9.5%。分析原因如下：(1)无机钾盐钾离子含量较高(质量分数均达到35%以上)，使得燃烧分解生成的金属氧化物残渣量较大；(2)K2SO4燃烧分解温度较高，导致测试过程中其分解不充分，进一步增大了燃烧残渣量。相对K2SO4而言，有机钾盐金属离子含量相对较低(大部分质量分数介于20%～30%)，热分解温度较低，燃烧更充分，烟雾生成量较小，可见光透过率较高。

对比发现，4种有机钾盐中，LK、DK和HK的可见光透过率均大于50%，而PK可见光透过率相对较低。分析认为，前3种有机钾盐氧含量较高(质量分数大于40%)，有助于发射药充分燃烧，减少了微小固体碳颗粒生成量，因此烟雾生成量较小，可见光透过率较高。

2.3.2 钾盐粒度对烟雾可见光透光率的影响

含不同粒度钾盐发射药样品的静态燃烧烟雾可见光透过率(η)如表5所示。

表5 不同粒度钾盐发射药样品的静态燃烧 烟雾可见光透过率Table 5 Visible light transmission of static combustion smoke of gun propellant samples with different particle sizes

由表5可以看出，含104μm LK的发射药样品的可见光透过率最大，含5μm K2SO4的发射药样品可见光透过率最小。当LK和K2SO4粒径由104μm减小为5μm时，燃烧烟雾的可见光透过率降低。而KNO3的试验结果则相反，当粒径由104μm减小为5μm时，烟雾的可见光透过率增加。这种相反的变化规律，与光源-固体颗粒的相互作用有关。可能的原因如下：

对于K2SO4，随着颗粒粒度减小，颗粒数量增加、颗粒尺寸更接近可见光波长，而其热分解温度高，燃烧过程中颗粒外表仅少量分解，造成烟雾可见光透过率下降。

对于KNO3，随着颗粒粒度减小，颗粒数量增加、颗粒尺寸更接近可见光波长，但由于其热分解温度低，5μm的小颗粒相对于104μm的大颗粒在燃烧过程中分解更完全，颗粒容易熔融、分解，只留下少量分解残渣，且残渣颗粒尺寸远小于光源波长，造成烟雾可见光透过率增大。

对于有机钾盐LK，随着颗粒粒度减小，颗粒数量增加、颗粒尺寸更接近可见光波长，虽然其热分解温度比较低，但有效氧含量低于硫酸钾和硝酸钾，燃烧不充分，残渣颗粒数量多，且颗粒尺寸更接近光源波长，造成烟雾可见光透过率下降。

3 结 论

(1)无机钾盐K2SO4对发射药静态燃烧火焰的抑制效果最好，但是会使发射药静态燃烧时的烟雾可见光透光率大大降低，加重了烟雾的生成。

(2)高含氧量的有机钾盐对发射药静态燃烧火焰有较好的抑制效果，并且含有机钾盐发射药静态燃烧时的烟雾可见光透过率较高，3种高氧含量钾盐(LK、DK、PK)的可见光透过率均大于50%。

(3)钾盐的粒径从104μm 减小到5μm 时，消焰效果得到提高，但是不同种类钾盐烟雾的可见光透光率的变化规律并不一致。

(4)综合消焰效果和烟雾的大小来看，建议未来设计高效低烟雾消焰剂的方向为：具有较高的钾含量、氧含量，并且具有较强的吸热性。

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Effect of Potassium Salts on the Smoke and Flame Characteristics during Static Combustion of Gun Propellant

HE Chang-hui, WANG Qiong-lin, WEI Lun, LIU Shao-wu, ZHANG Yuan-bo, LIU Bo, HAN Bing

(Xi′an Modern Chemistry Research Institute, Xi′an 710065, China)

To study the effect of potassium salts on the smoke and flame characteristics during static combustion of gun propellant, taking the gun propellant samples containing potassium salt as the object, the effects of potassium sulfate, potassium nitrate, new organic potassium salts (DK,HK,LK,JK and PK)on the flame morphology, flame peak temperature and the visible light transmittance of smoke during gun propellant combustion were researched by using single amplification photography, micro thermocouple temperature measurement method and double light path transmission system. The results show that the inorganic potassium salt K2SO4has the best inhibition effect on the size and peak temperature of flame for the static combustion of gun propellant, but it can make the visible light transmittance of smoke greatly reduce for the static combustion of gun propellant. The organic potassium salts DK, HK and LK with high oxygen content have better inhibition effect on the size and peak temperature of flame for the static combustion of gun propellant. Besides, the visible light transmittance of smoke for the static combustion of propellant containing organic potassium salt is relatively high. The visible light transmittance of smoke for three kinds of the propellant containing organic potassium salt with high oxygen content (LK,DK and HK) is greater than 50%.When the particle size of the potassium salts is reduced from 104μm to 5μm, the antiflash effect is improved, but the change of the visible light transmittance of smoke is not consistent.

gun propellant; potassium salts; flame morphology; flame peak temperature; smoke visible light transmittance;static combustion

10.14077/j.issn.1007-7812.2017.03.020

2016-11-23；

2017-05-04

陆军预先研究项目(No. 301110104)

何昌辉(1988-)，男，硕士研究生，从事发射药技术研究。E-mail:hechanghui1989@163.com

王琼林(1966-)，男，博士，博导，研究员，从事发射药及装药技术研究。E-mail:wangqionglin369@126.com

TJ55;TQ562

A

1007-7812(2017)03-0102-05