温度冲击策略预置微裂纹降低发射药燃烧温度敏感性的创新研究

为解决硝化纤维素基聚合物含能材料（如发射药GP和固体推进剂SP）燃烧性能对环境温度高度敏感的问题，研究人员首次采用液氮超低温处理结合骤升温的温度冲击策略，在GP表层成功预置微裂纹结构。闭膛测试显示处理后样品高低温最大动态活性变化从0.94 MPa?1·s?1和-1.24 MPa?1·s?1显著降低至0.13 MPa?1·s?1和0.03 MPa?1·s?1，微裂纹通过燃烧面积温度补偿机制有效提升了GP环境适应性，为武器装药性能优化提供安全简捷新方案。

　　

现代战争环境中，武器系统面临极端温度变化的严峻挑战。硝化纤维素基发射药（GP）和固体推进剂（SP）作为关键含能材料，其燃烧速率对环境温度高度敏感——温度每升高1°C，SP燃烧速率变化达0.2%~0.4%，而火炮初速在高低温环境下波动可达3%~7%。这种温度敏感性严重制约武器平台的作战半径和弹道一致性，成为制约现代军事技术发展的"卡脖子"难题。传统解决方案如表面包覆、机械压扁等方法存在适用范围窄、安全风险高等缺陷，亟需突破性技术创新。

泸州北方化学工业有限公司的研究团队在《European Polymer Journal》发表突破性研究，首次将液氮超低温处理与骤升温相结合的温度冲击策略应用于GP改性。通过ANSYS热-应力耦合场模拟发现，温度冲击在GP表层产生梯度分布的应力场（峰值达48.7 MPa），扫描电镜证实该应力成功诱导表层形成微裂纹网络。闭膛测试数据显示，改性后GP在-40°C和50°C的最大动态活性变化值分别从0.94 MPa^?1·s^?1和-1.24 MPa^?1·s^?1降至0.13 MPa^?1·s^?1和0.03 MPa^?1·s^?1，温度敏感系数降低86%。

研究采用三大关键技术：1）液氮浸渍（-196°C）联合80°C热风骤变的温度冲击处理；2）ANSYS有限元模拟热应力耦合场；3）闭膛测试（CBT）量化动态燃烧特性。通过双基球形发射药（NC 84.5 wt%/NG 10 wt%）的改性实验，建立微裂纹结构与燃烧性能的构效关系。

【材料与方法】采用50目防静电滤袋封装双基球状GP（含13.15 wt%氮化纤维素），经液氮处理5分钟后立即转入80°C热风箱，循环3次实现微裂纹可控构筑。

【热-应力耦合场模拟】有限元分析显示温度冲击导致GP表层与芯部产生最大温差达276°C，引发48.7 MPa的拉伸应力集中，为微裂纹形成提供力学基础。

【燃烧性能表征】闭膛测试表明微裂纹通过"自调节"机制实现燃烧面积补偿：低温下裂纹扩展增加燃烧表面积，抵消燃烧速率下降；高温时裂纹闭合抑制燃烧面积过度增长。

【结论】该研究开创性地证明温度冲击策略可安全、高效地预置功能性微裂纹：1）不改变GP密度（1.59 g/cm³）和能量水平（3.52 MJ/kg）等物化性能；2）通过燃烧面积动态补偿机制将温度敏感系数降低一个数量级；3）适用于各类尺寸GP加工。这项技术为提升武器系统全地域作战能力提供普适性解决方案，其应力调控思路对聚合物基功能材料设计具有重要启示意义。