2. 总装备部沈阳军代局，辽宁 沈阳 110015
2. Shenyang Military Representative Bureau of General Armament Department, Shenyang 110015, China
延期药是控制爆炸序列或传火序列时间的药剂，其延期精度是延期药最主要的性能指标之一[1]。延期药燃烧的氧化还原反应，影响因素很多，延期精度控制难度大，延期时间超差会给武器装备带来损害。例如，某Si-CuO延期药用在某导弹延期点火具上，该点火具多次出现延期时间超差问题，给导弹使用带来了严重危害。因此，开展延期精度影响因素及控制方法研究，不断提高延期精度，具有十分重要的意义。
延期药精度与药剂组份装填的均匀性、密度密切相关。对固体颗粒体系而言，存在颗粒的堆积(排列)问题，颗粒形状、尺寸及粒径分布对颗粒的堆积有直接影响，为了获得紧密而均匀的颗粒排列，通常采取粒度级配(也称颗粒级配)，即小尺寸的颗粒填充到大颗粒的空隙中，合理的粒度级配是获得低空隙率、高堆积密度颗粒体系和组分分布均匀的重要途径[2]。目前，从公开资料来看，关于延期药粒度级配对延期精度影响研究的报道比较鲜见，本工作首次利用粒度级配原理，以某Si-CuO延期药组成的颗粒体系为对象，研究了氧化剂CuO粉和可燃剂Si粉粒度级配对延期药精度的影响。
2 延期药粒度级配原理 2.1 紧密堆积原理延期药通常是氧化剂和可燃剂的机械混合物，为了调整燃烧速度，还加入适量的燃速调节剂，或有助于燃烧稳定和贮存稳定的添加物，此外还加入少量的粘合剂以利于造粒装药。氧化剂和可燃剂构成了延期药的主体，其他添加物比例很少，为了研究方便可以忽略。
将破碎的氧化剂和可燃剂进行机械混合，当氧化剂和可燃剂颗粒直径大小相同时，二者达到最小空隙率的堆积方式是正六角形堆积; 当二者颗粒直径不同时，小尺寸颗粒将填充于大尺寸颗粒之间的空隙，这便构成了2级颗粒的级配问题，小尺寸颗粒直径达到某一临界值时，二种颗粒将达到最紧密堆积状态，即为最佳级配状态，此时延期药空隙率最小，堆积密度最大; 当将部分小尺寸颗粒直径进一步减小时，更小的颗粒将填充于大小颗粒之间剩余的空隙，此时构成了3级颗粒的级配问题，同理，三种直径的颗粒也存在最佳级配状态，对应延期药空隙率最小，堆积密度最大。延期药粒度级配的原理如图 1所示。
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图 1 延期药粒度级配原理示意图[3] Fig.1 Schematic diagram of particle gradation of delay composition |
当氧化剂与可燃剂均匀混合，越接近最佳级配状态的延期药，由于空隙率小而且空隙大小相当，氧化剂与可燃剂紧密接触，延期药密度高、一致性好，延期药震动燃烧幅度均匀，燃烧热量向药剂内部能够匀速渗透，平行燃烧性质明显，理论上越接近最佳级配状态的延期药延期精度越高。
2.2 球型颗粒的级配模型[2-3]在上述粒度级配体系中，每4个大粒度球形颗粒构成1个空隙空间，其中能填入的最大次级小球同时与4个大球相切，小球的球心应位于4个大球构成的四面体的几何中心，四面体中心与四面体顶点的距离应是大球半径与小球半径之和。由立体几何知识，可得出次级小球的半径r2与大球半径r1的关系。同理，在半径为r2小球与半径为r1大球相切的空隙中引入半径为r3的小球时，则达到3级最佳级配的效果，如图 2所示。
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图 2 3级颗粒紧密排列平面示意图[2] Fig.2 Close arrangement plan diagram of third-grade particles |
通过几何关系，计算3种球体的紧密排列半径比为: r1:r2:r3=1:0.225 :0.155，式中，r1为1级球体半径; r2为2级球体半径; r3为3级球体半径。
对于延期药颗粒体系而言，当氧化剂(或可燃剂)粉体颗粒形状为理想球体，且粒度大小一致时，上述模型即为延期药最佳级配模型。
3 级配试验与分析 3.1 延期药制备Si-CuO延期药的组成(质量分数)配方如下: Si粉18%，CuO粉73.8%，燃速控制剂8.2%和外加少量的粘结剂。
原料准备:为了实现Si粉与CuO粉的粒度级配，基于前述粒度级配模型，采用现行球磨工艺，采取筛分和实验室分离的方法，制备不同粒度分布的延期药原料。其中，Si粉按粒度从小到大共制备4种规格; CuO粉按粒度从小到大共制备2种规格; 燃速控制剂按粒度从小到大共制备2种规格，并保持与CuO同级粒度大小。
粒度分析:采用Msatersizer2000激光粒度分析仪对各规格Si粉和CuO粉进行粒度分析，测试条件如下:采用Hydro 2000MU(A)进样器，选择水作为分散剂，泵速3000 r·min-1，超声强度20db，超声持续时间60 s。各规格Si粉和CuO粉粒度测量数据见表 1。实际测量中发现，相同规格的Si粉或CuO粉，如果生产厂或批次发生变化，其粒度分布差异也很显著，甚至出现粒度分布不均匀、一致性差的不合格状态，需要剔除重新制造，表 1给出了一组Si粉(规格3)不合格的数据。4种规格合格Si粉粒度分布见图 3，不合格Si粉(规格3)粒度分布见图 4。由图 3可见，各规格Si粉粒度分布均匀、一致性较好，分布曲线光滑，而图 4可见，因Si粉粒度分布不均曲线产生“双峰”现象，在实际测试中，粒度分布不均匀的曲线主要还表现为“拐点、阶梯、严重偏斜”等等。
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表 1 延期药原料粒度测量结果 Tab.1 Test results of particle size of raw materials used in delay composition |
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图 3 合格Si粉粒度分布 Fig.3 Particle size distribution of qualified Si powder |
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图 4 不合格Si粉(规格3)粒度分布 Fig.4 Particle size distribution of unqualified Si powder (specification 3) |
延期药制备:
① 2级级配样品:选取一种规格的Si粉、一种规格的CuO粉，加入与CuO粉粒度同级的燃速控制剂，按质量配比机械混合8 h，外加少量粘结剂造粒，然后在真空干燥箱烘干，最后放在干燥器中待用。
② 3级级配样品:选取一种规格的Si粉，加入CuO粉(规格1和规格2各50%)，加入与CuO粉粒度同级的燃速控制剂，按质量配比机械充分混合8 h，外加少量粘结剂造粒，然后在真空干燥箱烘干，最后放在干燥器中待用。
同时为了进一步验证粒度分布均匀性对延期药的影响，利用图 4所示Si粉(不合格的规格3)与各规格CuO粉制备延期药。
3.2 延期体制作本研究采用的延期体，直接采用了引言中所述点火具的结构，点火具结构示意图如图 5所示。
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图 5 点火具结构示意图 1—辐射罩, 2—1#热辐射火帽, 3—传火管体, 4—2#冲击激发火帽, 5—套筒, 6—3#引燃火帽, 7—引燃药, 8—点火管体, 9—延期药, 10—烟火药, 11—顶盖 Fig.5 Structure sketch of the igniter 1—thermal cup, 2—1# thermal shock primer, 3—flame tube, 4—2# shock explosive primer, 5—inner barrel, 6—3# primer, 7—firing charge, 8—delay tube, 9—delay charge, 10—pyrotechnic charge, 11—inner capsule |
点火具辐射罩端为能量输入端，顶盖端为输出端。其中延期药药量为620 mg，分4次压制，为了排除其他干扰，各零部件均选用同一批次并加严控制。
3.3 级配试验结果将上述制备好的延期药，压制成点火具，每个延期药样本10发。测定延期时间，从外界能量作用开始计时，到输出端靶线被炸断为止。在常温(20 ℃左右)下测时，测试结果见表 2。根据延期药粒度级配模型，表 2中样本2和9最接近2级最佳级配，样本12最接近3级最佳级配。
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表 2 Si粉与CuO粉粒度级配测试结果 Tab.2 Test results of particle gradation of Si powder and CuO powder |
从表 2结果可见，样本3和样本8延期精度较差，分析原因为: Si粉粒度大小对燃烧影响较大，粒度小燃烧从表面进行到内部时间短，反应完全，燃烧快而均匀，精度就高; 反之，粒度大燃烧时间长，精度相对降低，样本3和样本8使用的Si粉粒度分布一致性差，造成燃烧时间长短不一，延期精度变差。
从表 2可以看出，Si粉与CuO粉2级级配的测时精度(样本1~10，除样本3和8外)明显优于3级级配精度(样本11~14)。分析可能的原因如下:延期药各组分混合均匀后，才有稳定的燃烧状态，延期精度才能够得到保证[4]，因此，Si粉与CuO粉互相分散的均匀性至关重要，在给定延期药成分配比情况下，氧化剂与还原剂之间只能实现一定尺寸范围内的级配，在2级级配的基础上加入颗粒更小的CuO颗粒，超过了延期药稳定燃烧的级配范围，对药剂的混合均匀度造成不利影响，小颗粒CuO填充到2级级配剩余的空隙中，造成局部CuO粉相对于Si粉过剩，其他部位CuO粉相对不足，燃烧时间变长，精度变差。另外，两种不同粒度尺寸的CuO粉，单位时间内的放氧量不同，对Si粉燃烧的一致性不利，也是造成3级级配延期精度变差的重要原因。
由表 2可见，当CuO粉粒度分布保持不变，随着Si粉粒度的增大，2级级配延期药，延期精度呈现出先提高后降低的趋势，存在极值点，分析原因为: 2级级配，Si粉、CuO粉颗粒尺寸一致性好，二者尺寸越接近最佳级配状态，相分散的均匀性越好，接触越紧密，越有利于延期药均匀燃烧，精度就越高，从试验数据来看，接近最佳级配的样本2和9延期精度较高; 当CuO粉规格保持不变，3级级配延期药，随着Si粉粒度的减小，延期精度逐渐提高，分析认为:主要是因为随着Si粉粒度的减小，Si粉与CuO粉粒度逐渐接近，药剂的混合均匀度逐步提高所致。
实际上，氧化剂(或可燃剂)粉体的粒度是在一定区间上按统计规律分布的，且氧化剂(或可燃剂)粉体的形状并不是理想的球体，这些对延期药级配模型的准确性会造成一定的影响，但从本试验结果来看，基于一定精度要求下，仍能够满足工程使用需要。
4 结论(1) 延期药可燃剂、氧化剂粒度分布对延期精度影响较大，粒度分布的均匀性、一致性越好，越有利于提高延期药延期精度，3级级配并不能提高延期药精度。
(2) 给定延期药成分配比情况下，氧化剂与还原剂之间只能实现一定尺寸范围内的级配，对于Si-CuO延期药，2级级配精度明显高于3级级配精度。
(3) 2级粒度级配可以提高延期药混合均匀度，有利于提高延期精度，越接近最佳级配状态的延期药延期精度越高。
根据研究成果，对Si-CuO延期药制造工艺进行了优化，经10个批次320发点火具验收结果表明，产品合格率由原来的50%左右提高到了100%，点火具延期时间超差的难题得到了彻底解决。理论和实践表明，粒度级配是提高延期药延期精度的有效方法，值得深入研究和推广应用。
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The Si powder and CuO powder with different particle sizes were prepared. The Si-CuO delay composition with different gradation specifications were mixed and prepared. The delay precision of various delay composition was studied.