纳米Ｃu/CNＴs对AP/HTPB推进剂热分解与燃烧的催化研究

以碳纳米管为载体，采用液相还原沉积法制备了纳米Cu/CNTs复合催化剂，并用SEM、XRD和XPS对其结构和成分进行了表征。研究了纳米Cu/CNTs对AP/HTPB推进剂热分解和燃烧过程的催化作用，结果表明：纳米Cu/CNTs能显著降低AP] HTPB推进剂的热分解峰温，并使总表观分解热明显增大，且对AP/HTPB推进剂燃烧有良好的催化效果，能显著提高推进剂的燃速，降低压强指数。初步探讨了纳米Cu／CNTs催化AP] HTPB推进剂热分解和燃烧过程的作用机理。     

高氯酸铵/铝粉/端羟基聚丁二烯推进剂催化燃烧模型研究

在自由基裂解模型和引入高氯酸铵(AP)和铝粉(Al)影响因子的基础上,讨论了催化剂对AP/Al/端羟基聚丁二烯(HTPB)推进剂热分解的影响,采用假说和因子归纳的方法得到了催化影响因子,结合一定数量燃速数据分析和计算机图形学拟合的方法建立了AP/Al/HTPB推进剂催化燃烧模型,该模型可从推进剂化学结构参数出发,定量计算AP/Al/HTPB推进剂的燃速和压强指数。计算结果表明:在一定条件范围内,燃速的理论预测与实验结果吻合较好,误差一般在7%以内,验证了催化燃烧模型在AP/Al/HTPB推进剂应用的可行性,对推进剂配方研制具有一定的指导意义。     

HTPB/Cu/μAl的制备及其对AP热分解性能的影响

金属铝粉具有活性高、耗氧量低、燃烧焓高和密度大等优良性能,广泛应用于提高火炸药和固体推进剂能量特性的研究中.过渡金属Cu对铝粉的燃烧具有良好的催化作用,可以使铝粉燃烧更充分.端羟基聚丁二烯(HTPB)作为固体推进剂黏合剂组分,均匀地包覆在铝基复合粒子表面,可有效地阻止表面氧化和团聚,且有利于药柱压装固化成型.以乙酰丙酮铜为铜源,甲醛和肼为还原剂,采用一锅法液相还原制备HTPB/Cu/μAl复合粒子.通过IR、XRD、SEM和EDS对样品的结构和形貌进行表征,同时研究了HTPB/Cu/μAl对AP热分解的催化行为.结果表明,还原出来的Cu以粒子形式散落在铝粉表面,HTPB则均匀包覆在Cu/μAl的表面.HTPB/Cu/μAl的DSC曲线在150～350℃范围内同时出现过渡金属Cu的氧化放热峰和HTPB的分解放热峰,但包覆对微米铝粉在550℃的氧化放热峰基本没有影响.HTPB/Cu/μAl的平均活化能为287.2 kJ·mol-1,相比于μAl平均活化能(323.55 kJ·mol-1)降低了36.35 kJ·mol-1.加入HTPB/Cu/μAl复合材料后,AP的高温和低温分解峰均发生变化,其中高温热分解温度较纯AP降低了127℃,表明HTPB/Cu/μAl复合材料可促进AP的热分解行为.     

储氢合金/AP/HTPB推进剂的燃烧现象分析

利用单幅照相、微热电偶测温、扫描电镜（SEM）、俄歇电子能谱（EDS）以及X射线衍射（XRD）研究了Al/AP/HTPB推进剂（P-A0）、Al/储氢合金/AP/HTPB推进剂（P-A10）和储氢合金/AP/HTPB推进剂（P-A17）的火焰结构、燃烧表面温度、熄火表面形貌、熄火表面残留元素以及熄火表面残留化合物。结果表明,相对于P-A0,P-A10和P-A17燃面上方有更加猛烈的喷射现象;P-A10和P-A17的燃面温度分别提高了5.92℃和7.45℃,凝聚相反应区域分别扩大了13.13%和4730%;P-A17熄火表面相对平整,突起的合金团表面大部分被氧化;P-A10和P.A17熄火表面残碳量相对P-A0分别减少了15.81%和27.61%,说明储氢合金可以提高AP/HTPB推进剂有机组分在燃面处的燃烧效率;P-A0,P-A10和P-A17熄火表面Al含量依次减少,而Al2O3含量依次增多,说明储氢合金的燃烧效率高于Al。储氢合金替代Al作为燃烧剂,可以明显改善AP/HTPB推进剂的燃烧性能。     

Cu_2Cr_2O_5/SiO_2复合粒子的制备及对AP复合推进剂燃烧特性的影响

采用改进的共沉淀法制备了Cu2Cr2O5/SiO2复合粒子。用扫描电子显微镜(SEM)、比表面积分析仪(BET)等对其进行了表征,并且用差热分析仪(DTA)考察了Cu2Cr2O5/SiO2复合粒子对高氯酸铵(AP)热分解的催化性能。结果表明,复合粒子的分散性好、比表面大,可使AP的高温放热峰温度提前至323.80℃,催化性能明显优于纯Cu2Cr2O5。AP复合推进剂燃速测试结果显示,复合粒子使推进剂燃速提高了17%,且压强指数有所下降。     

HTPB/AP推进剂的慢速烤燃特征

介绍了弹药慢速烤燃试验方法和评判标准,初步分析了影响弹药慢速烤燃响应的因素。对国外在HTPB/AP推进剂慢速烤燃特性方面的研究进行了述评,研究表明,高氯酸铵热分解形成的多孔性形貌是导致AP基推进剂慢速烤燃响应剧烈的重要因素。在此基础上提出了改善HTPB/AP推进剂慢速烤燃响应的技术途径。     

纳米金属粉对AP及AP/HTPB推进剂热分解的催化性能研究

用热分析法研究了纳米金属粉(Ni、Cu和Al)对高氯酸铵(AP)以及AP/HTPB推进剂热分解的催化性能.结果表明,质量分数为5%的纳米镍粉、铜粉和铝粉可以明显降低AP的高温分解温度,显示出对AP高温分解反应很好的催化活性;纳米铜粉对AP的低温分解也有很好的催化作用,而纳米镍粉和铝粉却表现出对AP低温分解反应具有一定的阻碍作用.微米级金属粉对AP高温分解反应的催化作用明显小于纳米金属粉.纳米金属粉对AP/HTPB推进剂的热分解同样具有一定的催化效果.     

金属凝聚和热反馈对复合推进剂燃速的影响

通过对一组AP/HTPB复合推进剂凝聚物尺寸和燃速的测量,研究了铝和镁铝金属的凝聚对推进剂燃速的影响。发现了推进剂燃速与凝聚物尺寸间的相互关系,认为较小的凝聚物更易导致推进剂燃速的增加。还发现,镁铝合金比纯铝点火温度低,所以燃速增幅更大。     

溶解法研究HTPB/AP/A1复合推进剂的微观结构

为了探索HTPB/AP/Al复合固体推进剂的微观结构特征,了解各组分在固体推进剂中的微观形态,对HTPB/AP/Al复合推进剂在水、乙醇、乙酸乙酯和二氯甲烷溶剂中的溶解过程进行了微观现象研究.用电子显微镜对溶解剩余物进行了形貌扫描观测,对推进剂在不同溶剂中的溶胀比进行了测试,并得到了质量损失变化数据.结果表明:HTPB/AP/Al复合推进剂中粘合剂系统的交联程度比较高,结构比较致密,粘合剂把固体颗粒粘结在一起;从微观结构上看,溶剂只能以渗透的方式缓慢进入,未交联的粘合剂很容易被溶解.     

DSC-FTIR联用研究HTPB／AP和HTPB／AP／AI体系的热分解

采用高压差示扫描量热（PDSC）、热重（TG—DTG）以及热红联用（DSC—FTIR）技术研究了HTPB／AP复合体系热分解及压力和铝粉对该体系的影响。结果表明，端羟基聚丁二烯（HTPB）包覆去活作用推迟了AP的热分解过程，但AP加速了HTPB的分解。增大压力和加入铝粉均能加速HTPB／AP复合体系的热分解过程，燃速也因此而提高。同时增大压力也使HTPB分解放热产生多峰现象，而铝粉会抑制该现象。此外，AP还使HTPB发生“后固化”过程，随着压力的增大，该过程的固化热也增大。     

不同火焰环境下固体火箭发动机烤燃特性数值模拟

为了研究固体火箭发动机意外遇到火焰环境时的热安全性问题,以高氯酸铵/端羟基聚丁二烯（AP/HTPB）复合固体推进剂为装填对象,针对某种小型固体火箭发动机建立了二维烤燃简化模型。分别对800 K、1 000 K、 1 200 K火焰环境下固体火箭发动机的烤燃特性进行了数值模拟。计算结果表明,3种火焰环境下,AP/HTPB最初着火位置均发生在靠近喷管的药柱外壁一环形区域内;随着火焰温度的提高,着火延迟期快速缩短,着火温度逐渐增大;绝热层的绝热作用随着火焰温度的增大而增强;复合固体推进剂中AP首先发生缓慢分解时的温度随火焰温度的提高而增大。     

基于AP预处理技术的粉末推进剂性能

为了提高高氯酸铵(AP)粉末推进剂的长期贮存性和高效燃烧性,利用预处理技术对AP粉末进行包覆团聚,改善其表面特性。采用吉布斯最小自由能法计算Al/AP粉末火箭发动机的能量特性,利用预处理实验分析端羟基聚丁二烯(HTPB)对AP粉末的装填密度、吸湿性能和热分解特性的影响,并进行密闭燃烧器点火实验,研究氧燃比和装填量对Al/AP粉末推进剂能量特性参数的影响规律。结果表明:AP的最佳预处理材料配比为添加10%HTPB,且在氧燃比为3∶1时,Al/AP粉末火箭发动机的理论比冲最高达262.1s;一定范围内,随着氧燃比的增加,粉末推进剂的能量特性参数均有所增加;在氧燃比相同条件下,单位质量粉末推进剂成气量基本相同,随着粉末装填量的增加,燃温和特征速度均有所提高。     

DSC-FTIR联用研究HTPB/AP和HTPB/AP/Al体系的热分解

采用高压差示扫描量热(PDSC)、热重(TG-DTG)以及热红联用(DSC-FTIR)技术研究了HTPB/AP复合体系热分解及压力和铝粉对该体系的影响。结果表明,端羟基聚丁二烯(HTPB)包覆去活作用推迟了AP的热分解过程,但AP加速了HTPB的分解。增大压力和加入铝粉均能加速HTPB/AP复合体系的热分解过程,燃速也因此而提高。同时增大压力也使HTPB分解放热产生多峰现象,而铝粉会抑制该现象。此外,AP还使HTPB发生“后固化”过程,随着压力的增大,该过程的固化热也增大。     

含2-偕二硝甲基-5-硝基四唑羟胺盐的推进剂能量特性计算

采用最小自由能法,在标准状态下(膨胀比为70/1),计算了含2-偕二硝甲基-5-硝基四唑羟胺盐(HADNMNT)的丁羟复合推进剂和改性双基推进剂的能量特性。理论计算可知,HADNMNT单元推进剂的密度比冲为4936.4 N·s·dm-3,高于黑索今(RDX),低于奥克托今(HMX)和六硝基氮杂异伍兹烷(CL-20);利用HADNMNT完全取代高氯酸铵(AP)后,丁羟复合推进剂的比冲提高了428.7 N·s·kg-1;绘制了HADNMNT与RDX、Al组成的丁羟复合推进剂的等比冲三角图,直观的反映了比冲与配方的关系,HTPB、HADNMNT、RDX及Al的含量分别为10%、60%~62%、14%~16%以及14%~15%时,获得推进剂的最高理论比冲为2778.9 N·s·kg-1。利用HADNMNT完全取代RDX后,改性双基推进剂的比冲为2522.9 N·s·kg-1:通过添加Al并调节HADNMNT与Al在改性双基推进剂中的含量,获得推进剂的优化配方为:NC 25%,NG 33%,HADNMNT 11%,Al 20%,DINA 3.5%,其他助剂7.5%,其理论比冲为2598.5 N·s·kg-1。     

丁羟推进剂模型体系中键合剂作用机理的分子模拟研究

为研究不同键合剂在丁羟(HTPB)推进剂中作用机理,采用分子动力学(MD)方法和COMPASS力场对固本填料(Al/Al_2O_3)晶面、键合剂及HTPB所组成的层面模型进行了模拟计算,求得了吸附能与静态力学性能,研究了键合剂对体系力学性能的影响;在303 K温度下对推进剂中氧化剂分解气体O_2和H_2O在键合剂膜层中的扩散进行了模拟,探讨了键合剂对推进剂抗老化性能影响.结果表明,键合剂加入能够增强固体填料同HTPB界面吸附能力,使体系弹性系数增强,刚度增加;而键合剂膜层对气体扩散的阻碍能力也同提高体系抗老化性能趋势一致.     

某镁铝贫氧推进剂吸湿与点火失效分析

为分析某航天型号镁铝贫氧推进剂失效机理,利用显微形貌分析、X射线衍射(XRD)、热分析和高速摄影等测试了贫氧推进剂的成分、热分解规律以及常压点火性能。结果表明,吸湿后推进剂中的高氯酸铵(AP)发生结块,Mg被氧化后与水作用生成Mg(OH)_2。未吸湿的推进剂在420℃前仅有AP的晶型转变及热分解失重,而吸湿后推进剂热稳定性变差,90℃下即开始失重,420℃前有四个分解步骤:水分挥发、Mg(ClO_4)_2热分解及AP与Mg(OH)_2分解。采用电点火头在常压下点燃后,未吸湿推进剂可以稳定燃烧,而吸湿后的推进剂无法被引燃。分析认为,导致推进剂点火失效的原因是AP结块和活性镁含量降低,因此镁铝贫氧推进剂在潮湿环境下的贮存应给予重点关注和定期抽样监测。     

HTPB/IPDI复合固体推进剂细观界面率相关参数的反演识别研究

为研究HTPB/IPDI(hydroxyl-terminated polybutadiene/isophorone diisocyanate)复合固体推进剂细观界面性能随加载速率的变化规律,基于分子动力学算法生成了HTPB/IPDI复合固体推进剂的细观颗粒填充模型。颗粒与基体间粘接作用通过结合粘弹性标准机械单元及指数型率无关内聚本构所构建出的率相关内聚力模型模拟。通过HTPB/IPDI基体胶片的应力松弛试验得到细观模型中基体材料的松弛参数。基于模型对HTPB/IPDI推进剂在不同加载速率下(0.1,5,20 mm·min~(-1))的宏观力学响应进行仿真计算。利用数值仿真结果与HTPB/IPDI推进剂单轴拉伸试验结果曲线,通过Hooke-Jeeves优化算法对率相关内聚力模型参数进行反演分析,得到了优化后的界面参数数值。利用所建立的模型对50,100 mm·min~(-1)加载速率下的HTPB/IPDI复合固体推进剂材料的宏观力学行为进行预测。结果显示,预测结果与实际试验结果较为一致。     

HTPB复合固体推进剂溶胀实验研究

比较了7种纯溶剂和5种混合溶剂对HTPB复合固体推进剂的溶胀效果,得到并分析了推进剂经各溶剂溶胀后的质量损失情况;利用扫描电子显微镜(SEM)对溶胀后的推进剂表面形貌进行观测,并利用傅里叶漫反射红外光谱(DRIFT)仪对纯AP以及经水/乙醚、水/丙酮溶胀回收的AP进行表征。实验结果显示:纯溶剂溶胀实验中,二氯甲烷、三氯甲烷的溶胀效果最明显,溶胀增长比达44.6%、50%,但质量损失比较小,仅为26.5%、28.8%;混合溶剂溶胀实验中,水/乙醚、水/丙酮的溶胀效果最显著,溶胀增长比分别为100.2%、41.2%,质量损失比分别为65.98%、66.34%;DRIFT检测结果显示,经水/乙醚、水/丙酮溶胀回收得到的AP的特征峰均没有发生变化,证明水/乙醚、水/丙酮体系均可用于废弃HTPB复合固体推进剂中AP组分的回收。