CN115979077A - 一种含能密封结构及其制备工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种含能密封结构及其制备工艺，包括金属壳体，所述壳体内部装有主装药，所述主装药和壳体之间依次设置防护层、含能压缩层和驱水层；所述防护层与主装药接触，厚度≤0.5mm；所述含能压缩层由聚氨酯基含能复合材料组成；厚度≥3.0mm；所述驱水层与金属壳体连接，厚度≤0.5mm。本发明的含能密封结构可以实现装药防水的目的；涂层与主装药发生协同爆轰作用，具备能量贡献；高安全性：涂层机械感度低；满足高低温冲击的要求。此外，本发明的含能密封结构的制备工艺，步骤简单，易操作，是应用于水中兵器、水下焊接、水下切割等炸药制品密封、防水的复合结构。
Description
技术领域
本发明属于战斗部技术领域，涉及一种含能密封结构及其制备工艺，具体涉及一种用于水中兵器、水下焊接、水下切割等炸药制品密封、防水的复合结构及其制备工艺。
背景技术
水中兵器主要是指在水中毁伤目标的武器，传统的水中兵器主要包括鱼雷、水雷、深水炸弹等。由于水中兵器在水下环境中使用，密封技术一直以来是行业非常重视的基础和重要技术。水中兵器战斗部是水中兵器最终有效作用单元，如果战斗部装药长时间与水接触，将会直接影响战斗部爆炸威力，所以战斗部的密封性能更是直接影响水中兵器对目标的毁伤效果。其密封性能的好坏直接决定了水中兵器在水下毁伤效果甚至任务成败，因此做好水中兵器战斗部密封性成为水中兵器设计质量的一个重要指标。
现役水中兵器战斗部装药常采用浇注炸药装药，由于水中兵器战斗部壳体为圆筒加环肋的结构，导致战斗部装药会出现侧隙情况，存在战斗部装药与海水接触缝隙，所以做好战斗部装药的密封性是很必要的。水中兵器用炸药装药防水问题十分重要。
传统的水中兵器密封主要依靠金属壳体组件和壳体组件之间的橡胶密封圈密封，在水中兵器维护保障过程中，需要反复拆装壳体组件，拆开后发现内部进水，则需要对水中兵器进行销毁。而且一旦内部炸药装药与水接触，在拆解壳体组件时存在极大地危险性，对产品维保构成潜在危险。为缓解这一问题，行业内的做法是对炸药装药进行密实装填以减小触水量，一种方法是装填含有大量高分子惰性体的低能量炸药，第二种是用大量的高分子弹性体包裹高能炸药。这两种方法都是通过牺牲能量确保产品安全。
为了满足高压水中密封要求，行业外类似领域主要采用高分子做成密封件，在壳体组件等强度构件之间密封。其密封件通常使用硬度较高、耐磨性能较好的高分子材料作为密封制品基材。例如文献《高硬度耐高压水密封制品的研制》(张杨如意,向宇.[J].橡胶科技,2020,18(01):23-26)提出的采用以锦纶布为增强体、丁腈橡胶为橡胶基体的复合结构材料，研制高硬度耐高压水密封制品。但是该类工艺只能适合自由空间或局部密闭密封，不适合密闭空间的体密封。
发明内容
为解决现有水中兵器密封结构能量损失严重的密封问题，本发明提供了一种含能密封防水复合结构及其制备工艺。
为实现上述目的，本发明公开了以下技术方案：
一种含能密封结构，包括金属壳体，所述壳体内部装有主装药，所述主装药和壳体之间依次设置防护层、含能压缩层和驱水层；
所述防护层与主装药接触，厚度≤0.5mm；
所述含能压缩层由聚氨酯基含能复合材料组成；厚度≥3.0mm；
所述驱水层与金属壳体连接，厚度≤0.5mm。
进一步的，所述聚氨酯基含能复合材料包括氟橡胶/聚四氟乙烯/ADN的复合颗粒和聚氨酯基体，所述氟橡胶/聚四氟乙烯/ADN的复合颗粒与聚氨酯基体的质量比为1:(3～4)。
进一步的，所述氟橡胶/聚四氟乙烯/ADN的复合颗粒包括将ADN与聚四氟乙烯粉通过机械研磨制成复合ADN球，接着将氟橡胶溶解于乙酸乙酯中形成溶液，再与所述复合ADN球共混后形成悬浮液，最后将悬浮液进行喷雾干燥即得。
进一步的，所述ADN与聚四氟乙烯粉的质量比为(18～22):1，所述复合ADN球与氟橡胶的质量比为(8～12):1。
进一步的，所述聚氨酯基体包括将DOA、聚叠氮缩水甘油醚和多异氰酸酯混合搅拌制备混合液，然后将混合液固化后即得。
进一步的，所述DOA、聚叠氮缩水甘油醚和多异氰酸酯的质量比为(12～13)：(10～12)：1。
本发明还公开一种含能密封结构的制备工艺，该工艺包括：
将金属壳体内壁涂敷驱水层，主装药表面涂敷防护层，接着在金属壳体内倒入含能压缩层预聚物，然后放入涂敷防护层后的主装药，直至含能压缩层预聚物溢出，使含能压缩层预聚物充满金属壳体的内部空间，最后装配金属壳体的堵盖，室温静置使含能压缩层预聚物固化成聚氨酯基含能复合材料形成含能压缩层；
所述防护层包括室温硫化硅橡胶，厚度≤0.5mm；
所述含能压缩层厚度≥3.0mm；
所述驱水层包括厌氧胶和室温硫化硅橡胶，厚度≤0.5mm。
具体的，所述压缩层预聚物的制备包括以下步骤：
步骤1：将ADN与聚四氟乙烯粉通过机械研磨制成复合ADN球，接着将氟橡胶溶解于乙酸乙酯中形成溶液，再与所述复合ADN球共混后形成悬浮液，最后将悬浮液进行喷雾干燥，获得氟橡胶/聚四氟乙烯/ADN的复合颗粒；
步骤2：将DOA、聚叠氮缩水甘油醚和多异氰酸酯混合搅拌制备混合液；
步骤3：向步骤2的混合液中加入步骤1所得的氟橡胶/聚四氟乙烯/ADN的复合颗粒，搅拌后即得压缩层预聚物，所述氟橡胶/聚四氟乙烯/ADN的复合颗粒与混合液的质量比为1:(3～4)。
更具体的，步骤1中所述ADN与聚四氟乙烯粉的质量比为(18～22):1，所述复合ADN球与氟橡胶的质量比为(8～12):1；所述的ADN粒度小于20微米；
步骤2中所述DOA、聚叠氮缩水甘油醚和多异氰酸酯的质量比为(12～13)：(10～12)：1。
优选的，步骤1中所述ADN与聚四氟乙烯粉的质量比为20:1，所述复合ADN球与氟橡胶的质量比为10:1；
步骤2中所述DOA、聚叠氮缩水甘油醚和多异氰酸酯的质量比为12.5：11.5：1。
本发明的与现有技术相比具有以下技术效果：
本发明的含能密封结构(1)可以实现装药防水的目的；(2)涂层与主装药发生协同爆轰作用，具备能量贡献；(3)高安全性：涂层机械感度低；(4)满足高低温冲击的要求。此外，本发明的含能密封结构的制备工艺，步骤简单，易操作。是应用于水中兵器、水下焊接、水下切割等炸药制品密封、防水的复合结构。
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。
附图说明
图1是本发明结构示意图；
图2是本发明聚氨酯基含能复合材料微观结构示意图；
图3是本发明防水试验示意图；
图4是本发明含能压缩层扫描电镜图；
图5是本发明经过高低温冲击后的CT结果；
图6是对比例3试验后滤纸状态图；
其中，1-防护层，2-含能压缩层，3-驱水层，4-主装药，5-金属壳体，6-ADN，7-氟橡胶，8-聚四氟乙烯，9-聚氨酯基体，10-界面隙，11-筒体，12-堵盖，13-防水涂层，14-内撑，15-滤纸，16-透水孔，17-内孔，18-氟橡胶/聚四氟乙烯/ADN的复合颗粒。
具体实施方式
任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。
本发明的构思：因无法解决炸药直接的高效防水措施，现有的防水措施主要依靠壳体密封。解决水中兵器密封结构能量损失严重的密封问题，需要密封材料同时满足水中兵器防水、温度冲击、安全性等要求，具体包括：(1)防水结构能够耐受高压水的静压冲击作用，不发生渗漏；(2)高低温冲击作用下不产生空隙，热膨胀系数不超过主装药。实际实施过程中，一般高分子做成密封件其线胀系数达到10-3～10-4/K，远超过主炸药。如果采用密实装填，在高温作用下，主装药和密封件共同膨胀导致内应力增大，存在安全风险；如果采用可压缩结构，则需要大量孔穴或者真空穴，渗漏风险增大。如果设计一种结构，在没有渗水时具备一定的压缩空间，满足水中兵器高低温环境中使用和维护的需求，又能够在遇水时具备密封功能，还能设计成膜结构，能够与主装药和金属壳体粘接，满足主装药使用的相容性要求，则能够解决水中兵器用主装药高效防水问题。
基于上述构思，本发明的设计思路是设计一种含能密封防水复合结构及其制备工艺，该结构分为防护层-含能压缩层-驱水层三层，防护层与主装药接触，满足与炸药相容性要求，厚度≤0.5mm。防护层是根据含能压缩层和主装药相容性结果，在二者不相容时，选择与主装药相容的粘结剂，通过涂敷密封隔离主装药和含能压缩层。含能压缩层为含能可压缩结构，厚度≥3.0mm；驱水层与金属壳体连接，≤0.5mm，可以选择厌氧胶、室温硫化硅橡胶其它的密封胶。
本发明的核心技术是结构中的含能压缩层。含能压缩层为强氧化含能材料和聚氨酯胶组成的复合结构，其中强氧化含能材料采用聚四氟乙烯和氟橡胶包覆，聚四氟乙烯包覆因表面作用，与聚氨酯胶之间存在真空穴，保证主体装药在高低温冲击过程中内应力释放。强氧化含能材料选取二硝酰胺铵(代号ADN)，ADN极易水解，水解后密度增大，与氟橡胶形成液体胶囊结构，增加热膨胀作用下的安全性，氟橡胶能与ADN形成强包覆结构，保护ADN，同时氟橡胶与聚氨酯化学结构稳定，能够形成连续相稳定的连续相结构。聚氨酯采用含能粘结剂基体聚叠氮缩水甘油醚(GAP)，该基体结构稳定。DOA是己二酸二辛酯，增塑剂，提高工艺稳定性；多异氰酸酯(N100)与GAP可以发生交联反应，形成聚氨酯基体。
在本发明中，压缩层预聚物的制备包括以下步骤：
步骤1：将ADN与聚四氟乙烯粉通过机械研磨制成复合ADN球，接着将氟橡胶溶解于乙酸乙酯中形成溶液，再与所述复合ADN球共混后形成悬浮液，最后将悬浮液进行喷雾干燥，获得氟橡胶/聚四氟乙烯/ADN的复合颗粒；
步骤2：将DOA、聚叠氮缩水甘油醚和多异氰酸酯混合搅拌制备混合液；
步骤3：向步骤2的混合液中加入步骤1所得的氟橡胶/聚四氟乙烯/ADN的复合颗粒，搅拌后即得压缩层预聚物，氟橡胶/聚四氟乙烯/ADN的复合颗粒与混合液的质量比为1:(3～4)。
步骤1中ADN与聚四氟乙烯粉的质量比为(18～22):1，复合ADN球与氟橡胶的质量比为(8～12):1；ADN粒度小于20微米；
步骤2中DOA、聚叠氮缩水甘油醚和多异氰酸酯的质量比为(12～13)：(10～12)：1。
实施例1：
结合图1～2所示，本实施例装填模拟水中兵器，主装药为JH-14，金属壳体选用45#钢，本实施例的含能密封结构，包括金属壳体5，金属壳体5内部装有主装药4，主装药4和金属壳体5之间依次设置防护层1、含能压缩层2和驱水层3；
防护层1与主装药4接触，厚度≤0.5mm；材料选择室温硫化硅橡胶；
含能压缩层2由聚氨酯基含能复合材料组成；厚度≥3.0mm；本实施例中的含能压缩层厚度为4.0mm；
驱水层3与金属壳体5连接，厚度≤0.5mm，材料选择室温硫化硅橡胶。
作为本实施例的一种优选方式，聚氨酯基含能复合材料包括氟橡胶/聚四氟乙烯/ADN的复合颗粒和聚氨酯基体，氟橡胶/聚四氟乙烯/ADN的复合颗粒与聚氨酯基体的质量比为1:(3～4)。ADN粒度小于20微米。ADN采用聚四氟乙烯和氟橡胶包覆，包覆层与聚氨酯基体之间存在界面隙，如图2所示。
作为本实施例的一种优选方式，氟橡胶/聚四氟乙烯/ADN的复合颗粒包括将ADN与聚四氟乙烯粉通过机械研磨制成复合ADN球，接着将氟橡胶溶解于乙酸乙酯中形成溶液，再与复合ADN球共混后形成悬浮液，最后将悬浮液进行喷雾干燥即得。
作为本实施例的一种优选方式，ADN与聚四氟乙烯粉的质量比为(18～22):1，复合ADN球与氟橡胶的质量比为(8～12):1。
作为本实施例的一种优选方式，聚氨酯基体包括将DOA、聚叠氮缩水甘油醚和多异氰酸酯混合搅拌制备混合液，然后将混合液固化后即得。
作为本实施例的一种优选方式，DOA、聚叠氮缩水甘油醚和多异氰酸酯的质量比为(12～13)：(10～12)：1。
本实施例还公开一种含能密封结构的制备工艺，该工艺包括：
将金属壳体内壁涂敷驱水层，主装药表面涂敷防护层，接着在金属壳体内倒入含能压缩层预聚物，然后放入涂敷防护层后的主装药，直至含能压缩层预聚物溢出，使含能压缩层预聚物充满金属壳体的内部空间，最后装配金属壳体的堵盖，室温静置6h以上使含能压缩层预聚物固化成聚氨酯基含能复合材料形成含能压缩层；防护层选用室温硫化硅橡胶，厚度≤0.5mm；含能压缩层厚度为4.0mm；驱水层选用室温硫化硅橡胶，厚度≤0.5mm。
具体的，防护层结构设计：依据GJB772A-97方法501.2测试含能压缩层和JH-14的相容性，40h，100℃放气量，放气量≤1.0mL时，防护层厚度0mm；1.0mm＜放气量≤3.0ml时，防护层厚度≤0.5mm；放气量大于3ml时，该结构不适用。防护层选择与主装药相容的高分子涂层。
在本实施例中，根据上述测试方法测得放气量为1.2mL，防护层厚度选择0.5mm。防护层的材料选择与主装药相容的室温硫化硅橡胶。
进一步的，压缩层预聚物的制备包括以下步骤：
步骤1：将ADN与聚四氟乙烯粉通过机械研磨制成复合ADN球，接着将氟橡胶溶解于乙酸乙酯中形成溶液，再与复合ADN球共混后形成悬浮液，最后将悬浮液注入到喷雾干燥仪中进行喷雾干燥，获得氟橡胶/聚四氟乙烯/ADN的复合颗粒；
ADN与聚四氟乙烯粉的质量比为20:1，复合ADN球与氟橡胶的质量比为10:1，如：称取氟橡胶/聚四氟乙烯/ADN的复合颗粒1000g，氟橡胶100g；
步骤2：将DOA、聚叠氮缩水甘油醚和多异氰酸酯混合搅拌制备混合液；
步骤3：向步骤2的混合液中加入步骤1所得的氟橡胶/聚四氟乙烯/ADN的复合颗粒，180r/min搅拌10～20分钟后出料，即得压缩层预聚物，氟橡胶/聚四氟乙烯/ADN的复合颗粒与混合液的质量比为1:4，如氟橡胶/聚四氟乙烯/ADN的复合颗粒4800g，混合液1200g。
步骤2中DOA、聚叠氮缩水甘油醚和多异氰酸酯的质量比为12.5：11.5：1
实施例2
本实施例采用模拟装置进行防水试验，设计实验装置如图3所示，筒体11、堵盖12、内撑14为铝合金，筒体11上预留透水孔16，内撑14上设置内孔17。透水孔16的数量6个，直径5mm，模拟壳体5漏水工况；内孔17的数量为40个，直径2mm；内撑14内装有干燥后的滤纸。
本实施例包括防护层1、含能压缩层2和驱水层3，防护层1与内撑14接触，厚度≤0.5mm，材料为室温硫化硅橡胶；含能压缩层2为含能可压缩结构，厚度3.0mm；驱水层3为驱水涂层，与筒体11连接，≤0.5mm，选择室温硫化硅橡胶，如图1所示。
本实施例的含能压缩层预聚物的制备与实施例1相同；
防水试验时：用透明胶布在筒体11外侧封堵透水孔16，采用手工涂刷工艺将筒体11、堵盖12内壁和内撑14表面涂敷室温硫化硅橡胶，厚度≤0.5mm；在筒体11内倒入步骤三制备的含能压缩层预聚物，放入涂敷室温硫化硅橡胶后的内撑14；含能压缩层预聚物自然溢出，充满内部空间，最后装配堵盖，室温静置6h以上使含能压缩层预聚物固化成聚氨酯基含能复合材料形成含能压缩层。
对比例1
本对比例与实施例2的不同点在于没有防护层。
对比例2
本对比例与实施例2的不同点在于没有驱水层。
对比例3
本对比例参考实施例，完全填充室温硫化硅橡胶。
实施效果评价
(1)实施例1制备的含能压缩层固化后的扫描电镜如图4所示，聚氨酯基体9上附着有氟橡胶/聚四氟乙烯/ADN的复合颗粒18，其中，氟橡胶/聚四氟乙烯/ADN的复合颗粒18与聚氨酯基体9之间存在界面隙10，实现了本发明设计的结构。
(2)按照GJB772A-97方法601.1测试实施例1中的含能压缩层固化后的撞击感度，测试值10％，远低于普通装药的40％的安全性指标要求。
(3)实施例1经过高低温冲击试验，高温75℃，低温-40℃，连续三次冲击，冲击后CT扫面如图5所示，结构完整。
(4)根据炸药爆轰理论，计算实施例1复合结构的能量贡献，完全惰性体材料能量贡献5500kJ，实施例1爆热贡献21600kJ，能量提升3.92倍。
(5)实施例2、对比例1、对比例2、对比例3放入水箱中，水压0.2MPa，放置10d。取出后，实施例2、对比例1、对比例2、对比例3中的滤纸增重分别为：≤1％，≤1％，26％，46％，对比例2、对比例3发生霉变，对比例3试验后滤纸状态如图6所示。
从实施效果可以看出，本发明可以实现装药防水的目的，涂层与主装药发生协同爆轰作用，具备能量贡献，涂层机械感度低，满足高低温冲击的要求。
在上列实施例，对本发明的目的、技术方案和有点进行了进一步地详细说明，所应说明的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围内。
以上结合附图详细描述了本公开的优选实施方式，但是，本公开并不限于上述实施方式中的具体细节，在本公开的技术构思范围内，可以对本公开的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本公开的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本公开对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发公开的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本公开的思想，其同样应当视为本公开所发明的内容。
Claims (10)
1.一种含能密封结构，包括金属壳体(5)，所述金属壳体(5)内部装有主装药(4)，其特征在于，所述主装药(4)和金属壳体(5)之间依次设置防护层(1)、含能压缩层(2)和驱水层(3)；
所述防护层(1)与主装药(4)接触，厚度≤0.5mm；
所述含能压缩层(2)由聚氨酯基含能复合材料组成；厚度≥3.0mm；
所述驱水层(3)与金属壳体(5)连接，厚度≤0.5mm。
2.根据权利要求1所述的含能密封结构，其特征在于，所述聚氨酯基含能复合材料包括氟橡胶/聚四氟乙烯/ADN的复合颗粒和聚氨酯基体，所述氟橡胶/聚四氟乙烯/ADN的复合颗粒与聚氨酯基体的质量比为1:(3～4)。
3.根据权利要求2所述的含能密封结构，其特征在于，所述氟橡胶/聚四氟乙烯/ADN的复合颗粒包括将ADN与聚四氟乙烯粉通过机械研磨制成复合ADN球，接着将氟橡胶溶解于乙酸乙酯中形成溶液，再与所述复合ADN球共混后形成悬浮液，最后将悬浮液进行喷雾干燥即得。
4.根据权利要求3所述的含能密封结构，其特征在于，所述ADN与聚四氟乙烯粉的质量比为(18～22):1，所述复合ADN球与氟橡胶的质量比为(8～12):1。
5.根据权利要求2所述的含能密封结构，其特征在于，所述聚氨酯基体包括将DOA、聚叠氮缩水甘油醚和多异氰酸酯混合搅拌制备混合液，然后将混合液固化后即得。
6.根据权利要求5所述的含能密封结构，其特征在于，所述DOA、聚叠氮缩水甘油醚和多异氰酸酯的质量比为(12～13)：(10～12)：1。
7.权利要求1～6任一所述的含能密封结构的制备工艺，其特征在于，该工艺包括：
将金属壳体内壁涂敷驱水层，主装药表面涂敷防护层，接着在金属壳体内倒入含能压缩层预聚物，然后放入涂敷防护层后的主装药，直至含能压缩层预聚物溢出，使含能压缩层预聚物充满金属壳体的内部空间，最后装配金属壳体的堵盖，室温静置使含能压缩层预聚物固化成聚氨酯基含能复合材料形成含能压缩层；
所述防护层包括室温硫化硅橡胶，厚度≤0.5mm；
所述含能压缩层厚度≥3.0mm；
所述驱水层包括厌氧胶和室温硫化硅橡胶，厚度≤0.5mm。
8.根据权利要求7所述的含能密封结构的制备工艺，其特征在于，所述压缩层预聚物的制备包括以下步骤：
步骤1：将ADN与聚四氟乙烯粉通过机械研磨制成复合ADN球，接着将氟橡胶溶解于乙酸乙酯中形成溶液，再与所述复合ADN球共混后形成悬浮液，最后将悬浮液进行喷雾干燥，获得氟橡胶/聚四氟乙烯/ADN的复合颗粒；
步骤2：将DOA、聚叠氮缩水甘油醚和多异氰酸酯混合搅拌制备混合液；
步骤3：向步骤2的混合液中加入步骤1所得的氟橡胶/聚四氟乙烯/ADN的复合颗粒，搅拌后即得压缩层预聚物，所述氟橡胶/聚四氟乙烯/ADN的复合颗粒与混合液的质量比为1:(3～4)。
9.根据权利要求8所述的含能密封结构的制备工艺，其特征在于，步骤1中所述ADN与聚四氟乙烯粉的质量比为(18～22):1，所述复合ADN球与氟橡胶的质量比为(8～12):1；所述的ADN粒度小于20微米；
步骤2中所述DOA、聚叠氮缩水甘油醚和多异氰酸酯的质量比为(12～13)：(10～12)：1。
10.根据权利要求8所述的含能密封结构的制备工艺，其特征在于，步骤1中所述ADN与聚四氟乙烯粉的质量比为20:1，所述复合ADN球与氟橡胶的质量比为10:1；
步骤2中所述DOA、聚叠氮缩水甘油醚和多异氰酸酯的质量比为12.5：11.5：1。
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