A Study on change in thermal properties and chemical structure of Zr-Ni delay system by aging

It has been observed that, after long term storage, some ammunitions are misfired by tamping (combustionstopping) due to aging of the chemicals loaded in the ammunitions. Used in ammunitions are percussion powder which provides the initial energy, igniter which ignites the percussion powder, and a delay system that delays the combustion for a period of time. The percussion powder is loaded first, followed by the igniter and then the delay system, and the ammunitions explode by the energy being transferred in the same order. Tamping occurs by combustion-stopping of the igniter or insufficient energy transfer from the igniter to the delay system or the combustion-stopping of the delay system, which are suspected to be caused by low purity of the components, inappropriate mixing ratio, size distribution of particulate components, type of the binder, blending method, hydrolysis by the humidity penetrated during the long term storage, and chemical changes of the components by high temperature. Goal of this study is to find the causes of the combustion-stopping of the igniter and the delay system of the ammunitions after long term storage. In this study, a method was developed for testing of the combustion-stopping, and the size distributions of the particulate components were analyzed with field-flow fractionation (FFF), and then the mechanism of chemical change during long term storage was investigated by thermal analysis (differential scanning calorimetry), XRD (X-ray diffractometry), and XPS (X-ray photoelectron spectroscopy). For the ignition system, M (metal)-O (oxygen) and M-OH peaks were observed at the oxygen's 1s position in the XPS spectrum. It was also found by XRD that $Fe_3O_4$ was produced. Thus it can be concluded that the combustion-stopping is caused by reduction in energy due to oxidation of the igniter.

노화에 따른 Zr-Ni계 지연관의 열 특성 및 화학적 구조 변화에 관한 연구

장기 저장된 탄약은 화공품의 노화에 따른 절심현상(연소 중단)으로 인해 불발 등의 악작용이 발생하게 된다. 탄약에 주로 사용되는 화공품은 초기 에너지를 부여하는 뇌관 화약과 뇌관 화약의 에너지를 받아 지연제를 점화시켜주는 점화제, 일정 시간 동안 연소를 지연시켜주는 지연제 등을 사용한다. 이러한 형태의 탄약에는 뇌관화약, 점화제, 지연제의 순으로 충전되는데 충전된 순서대로 에너지가 전달되어 기능을 발휘하게 된다. 탄약의 절심 현상은 점화제의 연소중단, 점화제로부터 지연제로의 불충분한 에너지 전달, 지연제의 연소 중단 등에 의해 발생하는데, 이러한 현상이 나타나는 요인으로는 각 구성 성분의 낮은 순도,부적절한 혼합비, 입자성 성분의 입자 크기 및 분포, 바인더의 종류, 각 구성 성분의 혼합방법, 장기저장시 흡입된 수분에 의한 구성성분의 가수분해 및 고온에 의한 구성 성분의 화학적 변화 등이 의심된다. 본 연구의 목적은 Zr-Ni계 지연관 결합체를 장기 보관했을 때 점화제 및 지연제에서 나타나는 연소중단현상의 원인을 규명하는 것이다. 이를 위해 본 연구에서는 현장에서 일어나는 절심현상과 일치하는 시험법을 개발하였고, 장-흐름 분획법(field-flow fractionation, FFF)을 이용하여 입자성 성분의 입자 크기와 분포를 조사하였으며, 장기보관에 의한 점화제와 지연제의 화학적인 변화 메커니즘을 조사하기 위하여 열분석(differential scanning calorimetry) 및 XRD, XPS (X-ray diffractometry, X-ray photoelectron Spectroscopy)분석을 수행하였다. XPS 와 XRD data 에 의하면, 점화제의 경우 산소의 1s 결합에너지 위치에서 M-O,M-OH 피크들이 관찰되었다. 이는 산화에 의한 새로운 생성물이 생성되었음을 의미한다. 즉 점화제의 산화에 의해 방출 열량이 감소하여 절심(연소 중단) 현상이 야기된다는 사실을 확인할 수 있었다.