双基火药的主要成分及特点解析

火药是指在无外界供氧条件下，可由外界能量引燃，自身进行迅速而有规律的燃烧，同时生成大量热和气体的物质。通常由可燃剂、氧化剂、黏结剂和（或）其他附加物（如增塑剂、安定剂、燃烧催化剂等）组成，是枪炮弹丸、火箭、导弹等的发射能源。火药在武器的发展和战争中具有特殊的重要地位。火药按一定的装填方式在武器装药燃烧室中燃烧，将化学能转变为热能，同时产生大量高温、高压气体并转变成弹丸、火箭、导弹的动能。这两个转变过程是在极短时间内完成的。火药的能量及其释放速率是这两个过程的决定因素，也是决定武器性能的重要参数之一。火药的能量性质由爆热、比容、爆温、火药力或比冲量等来表征。

（1）火药在弹药中的作用

在枪炮武器中，火药是装在枪弹壳体、炮弹药筒或火炮药室内的。发射时，火药经由底火或其他发火装置点燃而进行快速燃烧，火药燃烧后释放大量热，同时生成大量气体，在膛内形成很高的压力，这种高温、高压气体在膛内膨胀做功，将弹丸高速地推送出去，达到发射弹丸的目的。

在火箭武器中，火药是装在火箭发动机的燃烧室内，发射时，火药经点火装置点燃而进行燃烧，燃烧后生成的高温、高压气体经由发动机尾部的喷管高速喷出，从而产生一种反作用推力，使火箭获得一定的速度向前飞行。

从上述情况看，火药在武器中的作用是提供发射的能源，它是通过急剧的化学反应——快速燃烧，释放热量和产生大量气体来实现的。

火药不仅在武器中提供能源，同时它与武器的质量密切相关。火药提供能量的多少直接影响到弹丸、火箭飞行速度，从而影响武器射程。对某些穿甲弹来讲，弹丸飞行速度大小直接影响穿甲侵彻深度。火药燃烧的均匀性和稳定性直接影响到弹丸、火箭弹弹着点的散布精度。当制造武器的材料一定时，随着火药燃烧产生的高温高压气体温度高低、压力大小的不同，武器的结构和重量会有较大差别，从而影响武器的机动性能。在发射过程中，火药燃烧产生的高温高压气体是通过枪炮身管、火箭发动机尾部喷出的，因此火药燃烧情况会直接影响枪炮身管的使用寿命和发动机推力，故火药必须具备一定的性能方能满足武器要求。

（2）火药的分类及组成

随着科学技术和武器的不断发展，火药的品种也逐渐增多，为了使用、学习和研究方便，下面将火药进行分类。火药按所选定的分类特征，通常有两种分类方法。一是按用途，火药可分为枪炮发射药、火箭固体推进剂及其他用途的火药；二是按组成成分，火药可分为均质火药和异质火药两类。均质火药又称溶塑火药，包括单基、双基、三基和多基发射药；异质火药又称混合火药或复合火药，包括低分子复合火药、高分子复合火药及复合改性双基火药。

表2-1　火药的分类

下面概略介绍各类火药的组成及其特点：

1）单基火药

以硝化纤维素为唯一能量组成的火药称为单基火药，单基火药的主要成分有：

①硝化纤维素：硝化纤维素是纤维素经过硝化反应后制成的纤维素硝酸酯，它是这类火药的主要成分，通常占90%以上，也是这类火药提供能量的唯一成分。

②化学安定剂：火药在长期储存过程中，硝化纤维素会自动分解，加入化学安定剂后，可以减缓或抑制这种分解反应的进行，从而提高火药的化学安定性。单基火药中常用的安定剂是二苯胺。

③消焰剂：加入消焰剂后，可以减小武器发射后二次火焰的生成。常用的消焰剂有硝酸钾、碳酸钾、硫酸钾、草酸钾及树脂等。

④降温剂：降温剂的加入使火药燃烧温度降低，以减小高温对枪膛、炮膛的烧蚀作用。常用的降温剂有二硝基甲苯、樟脑和地蜡等。

⑤钝感剂：加入钝感剂的作用是控制火药的燃烧速度由表及里逐渐提高，达到所谓的渐猛性燃烧特性，从而改进火药内弹道性能，使初速提高或膛压降低。单基火药常用的钝感剂为樟脑。

⑥光泽剂：为了提高火药的流散性，使火药便于装药以及在药筒内提高其装填密度，并且减小静电积聚的危险，加入了光泽剂。通常的光泽剂是石墨。

为了便于火药成型和加工的药料变得密实（即压成火药后药粒密度大），在火药生产过程中，常用挥发性溶剂，如乙醇、乙醚，使硝化纤维塑化后具有可塑性，火药成型后又将挥发性溶剂去除，但在成品火药中总会残留少量剩余溶剂，成为火药的组分之一，因此单基火药也称挥发性溶剂火药。典型单基药的组成见表2-2。

表2-2　典型单基药的组成

在单基火药制造过程中，为了去除溶剂，火药成品的燃烧弧厚度受到一定的限制，即不能制成燃烧弧厚度大的火药粒，而且去除溶剂也使单基火药生产周期增长。单基火药含有的残余挥发成分和它本身有一定的吸湿性，故在储存期间，随着溶剂的挥发和水分的变化，火药的内弹道性能也将发生变化。对比其他火药，单基火药对枪、炮膛的烧蚀作用较小。单基火药常用作各种步枪、机枪、手枪、冲锋枪以及火炮的发射装药。

2）双基火药

以硝化纤维素和硝化甘油（或硝化二乙二醇或其他含能增塑剂）为主要成分的火药称为双基火药，其主要成分是：

①硝化纤维素：这是双基火药的能量成分之一，通常用3#硝化棉，其含氮量为11.8%～12.1%（通称弱棉），因其在硝化甘油中较易溶解，药料塑化质量好，易制成均匀性良好的火药。

②主溶剂（增塑剂）：它起溶解（增塑）硝化纤维素的作用，同时也是双基药的另一能量组成成分，常用的主溶剂有硝化甘油、硝化二乙二醇等。

③助溶剂（或称辅助增塑剂）：它的作用是增加硝化纤维素在主溶剂中的溶解度，常用的助溶剂有二硝基甲苯、苯二甲酸类、二乙醇硝胺二硝酸酯（通常称吉纳）等。

④化学安定剂：它是起减缓或抑制硝化纤维素及硝化甘油缓慢热分解的作用，双基火药中一般用中定剂而不是用二苯胺，因为二苯胺碱性较强，能使硝化甘油皂化。

⑤其他附加剂：其中有为改进工艺性能而加入的工艺附加剂（如凡士林），有为改善火药燃烧性能而加入的燃烧催化剂、燃烧稳定剂（如氧化铅、氧化镁、氧化铜、氧化铁、苯二甲酸铅、碳化钙等）、消焰剂（如硫酸钾）、钝感剂（如樟脑、二硝基甲苯、树脂、苯二甲酸二丁酯等），以及为提高火药导电性能和火药粒的流散性而加入的少量石墨。(www.xing528.com)

典型双基火药组成见表2-3。

表2-3　典型双基火药组成

双基火药可用有溶剂和无溶剂两种加工方法进行生产，用挥发性溶剂（如丙酮）加工制造的火药称柯达型火药，这种方法目前在生产上用得较少。用无溶剂加工制造的火药称巴利斯太型火药。

与单基火药相比，用无溶剂加工方法制造的双基火药，由于生产过程中没有去除溶剂过程，故生产周期较短，且适宜于制造燃烧弧厚度较大的火药。火药吸湿性较小，物理安定性和弹道性能稳定。双基火药中的硝化纤维素和硝化甘油配比可在一定范围内变化，所以火药能量能满足多种武器要求。缺点是双基火药燃烧温度较高，对炮膛烧蚀较重，生产过程不如单基火药安全。双基火药主要用于迫击炮和大口径火炮的发射装药。

3）三基火药

三基火药是在双基火药的基础上加入一定数量的含能成分（如硝基胍）而制得的，因其有三种主要含能成分，故称为三基火药。这种火药多用挥发性溶剂工艺制造。因为加入硝基胍以后可以降低火药的燃烧温度，所以加硝基胍的火药有“冷火药”之称。三基火药的典型配方范围见表2-4。

表2-4　三基火药的典型配方范围

三基火药多用于各种加农炮、榴弹炮、无后坐炮和滑膛炮的炮弹发射装药。除上述的三基火药外，还有加入其他含能成分（如黑索今）的三基火药及多基火药。

4）双基推进剂

双基推进剂是以硝化纤维素和硝化甘油或其他含能增塑剂为基本成分，再加入适应火箭发动机弹道性能各种要求的弹道改良剂而成的，其配方虽与双基火药相类似，但比双基火药复杂。

双基推进剂典型配方范围见表2-5。

表2-5　双基推进剂典型配方范围

双基推进剂可用压伸法和浇铸法生产，压伸法适用于生产小型及形状简单的药柱，浇铸法对药柱形状和尺寸可不受限制。双基推进剂生产周期短，工艺比较成熟，成品药柱均匀性好，在高温条件下具有较好的安定性和力学性能。双基推进剂广泛适用于小型火箭、导弹（如某些地空导弹、空空导弹、战术地地导弹及反坦克导弹等）。双基推进剂的主要缺点是能量较低，燃速范围较窄，低温力学性能较差，与发动机壳体黏结比较困难，因而不适宜于大型火箭发动机装药。

5）复合推进剂

复合推进剂是由氧化剂、燃料、黏合剂及其他附加剂组成，各组分之间存在明显的界面，因而有“异质火药”之称。现就各类组分分述如下：

①氧化剂：可用于复合推进剂的固体氧化剂有各种硝酸盐（如硝酸铵、硝酸钾、硝酸钠、硝酸锂等）、高氯酸盐（如高氯酸铵、高氯酸钠、高氯酸锂、高氯酸硝酰及硝基化合物等）。高氯酸铵是在固体推进剂中应用最广的氧化剂，因为其与推进剂中其他组分的相容性好，且来源也较广。高氯酸铵和高氯酸钾二者都溶于水，且吸湿。高氯酸硝酰与常用黏合剂在化学上都不相容，本身也不稳定。各种高氯酸盐氧化剂与燃料混合燃烧时都产生氯化氢或其他氯化物，故其燃烧产物有烟，且有腐蚀性。硝酸盐虽是比高氯酸盐含氧量低的氧化剂，但硝酸盐中的硝酸铵具有价格低廉、来源广、燃烧产物无烟等优点，故在低能量和低燃速的推进剂中，常用硝酸铵做氧化剂。有时为了提高推进剂的比冲，也将高能炸药（如黑索金、奥克托金）用于复合推进剂中。

②燃料：复合推进剂中广泛应用的固体燃料是金属铝粉，其含量一般在14%～18%。硼也是一种高能燃料，但在燃烧室内难以燃烧完全，故其实用价值不大。铍较硼易燃烧，且燃烧后释放能量较高，但其毒性很大，价格昂贵。氢化铝（AlH3）、氢化铍（BeH2）在燃烧时释放的能量都很高，但二者都难以制造，且储存时不稳定，还能缓慢地放出氢气使推进剂变质，所以目前还没有实用价值。

③黏合剂：黏合剂的作用是把固体氧化剂和燃料黏合在一起，同时黏合剂本身也是燃料的一部分。黏合剂会影响推进剂的力学性能、工艺性能和储存性能。可用做推进剂的黏合剂的高聚物很多，有固态的高聚物、液态的高聚物，也有可聚合的单体，可以是橡胶类型的，也可以是塑料类型的。目前，在复合推进剂中广泛应用的黏合剂为聚氯乙烯（PVC）、液态聚硫橡胶（PS）、聚氨酯（PU）以及各种聚丁二烯共聚物的高聚体。

④附加剂：在复合推进剂中，根据不同的特殊要求加入少量的附加剂，如起固化交联作用的固化剂、缩短或延长固化时间的固化催化剂、改善药浆流变性能使之易于浇铸的表面活性剂、提高推进剂力学性能的增塑剂和键合剂，以及增加或降低推进剂燃速的弹道改性剂等。聚氨酯推进剂和聚丁二烯推进剂见表2-6和表2-7。

表2-6　聚氨酯推进剂

表2-7　聚丁二烯推进剂

聚氨酯推进剂和聚丁二烯推进剂应用范围比较广泛，如某些战略导弹、空空导弹、地地导弹、地空导弹和空间飞行器等。

6）复合改性双基推进剂

复合改性双基推进剂是双基推进剂和复合推进剂之间的中间品种，它是由双基黏合剂、氧化剂和金属粉燃料组成，复合改性双基推进剂的典型配方及其变化范围见表2-8。

表2-8　复合改性双基推进剂的典型配方及其变化范围

复合改性双基推进剂与其他类推进剂相比，有较高的比冲，原材料来源比较广，生产设备可借用生产双基火药的部分设备，因而这种推进剂获得了比较迅速的发展和应用。其缺点是复合改性双基推进剂的高、低温力学性能较差，可使用的温度范围较窄，等等。复合改性双基推进剂多用于战略导弹和大型助推发动机上，如某些反弹道导弹的空间飞行器等。