含六硝基六氮杂异伍尔兹烷的NEPE因体推进剂能量水平分析

利用怀特最小自由能法和CAD软件对纯NEPE/CL 2 0与NEPE/HMX进行对比 ,其能量特性计算结果表明 ,当体系固含量为 73%～ 80 %时 ,含CL 2 0和HMX粘合剂体系比冲分别为 2 5 6 1.1N·s/kg、2 4 6 2 .1N·s/kg,前者比后者提高了近4 % ,而体系密度比冲的增幅相差更大 ,前者比后者提高 7%以上 ,这对提高战术导弹射程有利。而从燃烧产物对比分析来看 ,CL 2 0在固体推进剂尤其是在高能低特征信号推进剂中很有应用价值     

含5,5'-联四唑-1,1'-二氧二羟铵推进剂的能量特性计算

利用国军标方法 GJB/Z84-1996及CAD系统软件,在标准条件(pc/p0=70∶1)下计算了含5,5'-联四唑-1,1'-二氧二羟铵(TKX-50)的复合改性双基(CMDB)推进剂、端羟聚丁二烯(HTPB)推进剂、硝酸酯增塑聚醚(NEPE)推进剂及聚叠氮缩水甘油醚(GAP)推进剂的能量特性。结果表明,TKX-50单元推进剂的理论比冲为2623.7 N·s·kg-1,比RDX单元推进剂的理论比冲高6.5 N·s·kg-1。TKX-50是CMDB推进剂中RDX的较好替代物。当TKX-50取代HTPB推进剂中的AP和GAP推进剂中的HMX和AP时,TKX-50基HTPB推进剂和TKX-50基GAP推进剂的理论比冲均存在能量的最优值。当TKX-50取代NEPE推进剂中的AP和HMX时,TKX-50基NEPE推进剂的理论比冲先增后降再增,最大增加20.4 N·s·kg-1。     

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。     

含3,3′-二硝基-4,4′-氧化偶氮呋咱推进剂的能量特性研究

利用GJB/Z84-96方法在标准条件(pc/po=70：1)下,计算了新型高能氧化剂3,3′-二硝基-4,4′-氧化偶氮呋咱(DNOAF)的三类推进剂的能量特性.计算发现用DNOAF取代丁羟复合固体推进剂中的高氯酸铵(AP),比冲可提高120 N·s·kg-1, NC/NG/DNOAF组成的无烟改性双基推进剂比冲可达2558 N·s·kg-1.在PET/NG/DEGDN/HMX推进剂中,用DNOAF取代HMX,比冲提高194 N·s·kg-1.     

含CL-20的NEPE推进剂的燃烧性能

以CL-20、AP、Al粉和燃烧催化剂逐项添加的方式设计了递进配方[NB(PEG/NG/N-100/C2),NB/CL-20,NB/CL-20/AP,NB/CL-20/AP/Al,NB/CL-20/AP/Al/Ct],研究了含CL-20的NEPE推进剂的燃速特性及CL-20、AP、Al粉和燃烧催化剂对推进剂燃烧性能的影响,并与含RDX的NEPE推进剂的燃烧性能进行了比较。实验结果表明:CL-20取代RDX-NEPE推进剂中的RDX可使推进剂燃速大幅提高,但含CL-20的NEPE推进剂的压力指数高于含RDX的NEPE推进剂,且难以降低;AP质量百分含量为70%的NEPE推进剂NAP的燃速在4～10MPa范围内呈现一平台。将AP加入到含RDX的NEPE推进剂中和含CL-20的NEPE推进剂中能改善推进剂的氧系数,提高燃速,降低压力指数;高燃烧热的Al粉部分取代CL-20,在提高含CL-20的NEPE推进剂的燃速上,具有与CL-20相同的效果;催化剂PbCO3与Pb(NTO)2.H2O降低了含CL-20的NEPE推进剂的压力指数。     

氧化高氮杂环羟胺盐在固体推进剂中的能量性能分析

为评价新的氧化高氮杂环羟铵盐作为复合固体推进剂组分的能量潜力,采用推进剂性能评估程序PEP模拟计算了3,3'-二硝基-5,5'-联-(1-氧-1,2,4-三唑)二羟铵(DHDNBT)、5,5'-联-1,1'-二氧-四唑二羟铵(TKX-50)和5,5'-偶氮联-(1-氧四唑)二羟铵(DHABT)取代AP/Al/HTPB和AP/Al/GAP+NE两种复合固体推进剂体系中AP后的能量效果,并与HMX进行了比较。结果显示,在高固体含量的AP/Al/HTPB体系中,TKX-50和DHABT取代部分AP所得到的配方在很大的配方调节范围内能量性能与HMX取代AP配方相当,DHDNBT取代AP所得配方能量特性与同样含量HMX取代AP所得配方相当。在AP/Al/GAP+NE体系中,DHDNBT配方能量性能与同样含量HMX配方相同。含TKX-50和DHABT配方能量性能优于含HMX配方。含TKX-50和DHABT配方最高冻结流比冲分别为2662.7 N·s·kg-1和2696.0 N·s·kg-1,比HMX取代同体系中AP所得配方的最高冻结流比冲(2622.5N·s·kg-1)高40.2 N·s·kg-1(TKX-50)和73.5 N·s·kg-1(DHABT)。用设想的双-(1-氧-四唑)胺二羟铵(DHBTA)取代AP/Al/GAP+NE体系中AP可使最高冻结流比冲达到2708.7 N·s·kg-1,比HMX取代同体系中AP所得的最高冻结流比冲高86.2 N·s·kg-1,且在很大配方调节范围内有比HMX配方更高的能量特性。     

含金属氢化物推进剂的能量特性计算研究

利用国军标方法及CAD系统软件,在标准条件(P_c/P_0=70:1)下计算了含金属氢化物的丁羟推进剂和NEPE推进剂的能量特性,并与相应的含铝(Al)推进剂做对比。结果表明:含金属氢化物如BeH_2、AlH_3、Al(BH_4)_3的丁羟推进剂在很宽的范围内都可以得到2600N·s·kg~(-1)以上较高的理论比冲值;金属燃烧剂按照对NEPE推进剂能量贡献的大小排序为:BeH_2、AlH_3、Al(BH_4)_3、B_(10)H_(14)、Al、MgH_2;降低燃气的平均相对分子质量更有利于提高含金属氢化物的NEPE推进剂的比冲。     

含3,4-二硝基呋咱基氧化呋咱(DNTF)推进剂的能量特性

利用国军标方法及CAD系统软件,在标准条件(pe/pc=70∶1)下,计算了含3,4-二硝基呋咱基氧化呋咱(DNTF)的各类推进剂的能量特性,结果表明DNTF的单元推进剂比冲为2696.4N.s.kg-1,比CL-20单元推进剂的理论比冲还高31.1N.s.kg-1;用DNTF取代丁羟推进剂、改性双基推进剂以及GAP推进剂中的RDX或AP可以提高相应推进剂的理论比冲和特征速度。由于DNTF不含氯元素,且摩擦感度比RDX低得多,因此将DNTF引入推进剂中对提高推进剂的综合性能是有益的。     

BAMO/AMMO共聚物基高能固体推进剂能量特性计算和分析

用"能量计算之星"程序(ECS)计算了以3,3-二叠氮甲基氧杂环丁烷(BAMO)与3-甲基-3-叠氮甲氧基氧杂环丁烷(AMMO)的嵌段共聚物(BAMO/AMMO)为黏合剂的高能固体推进剂的能量特性。研究了添加不同增塑剂(1,5-二叠氮-3-硝基氮杂戊烷(DIANP)、聚叠氮缩水甘油醚(GAP)、N-丁基-2-硝酸酯乙基硝胺(BuN ENA))、氧化剂(高氯酸铵(AP)、六硝基六氮杂异伍兹烷(CL-20)及呋咱类化合物(3,4-二硝基呋咱基氧化呋咱(DNTF)、二硝基偶氮氧化二呋咱(DNAF)、二叠氮基偶氮氧化呋咱(DAAOF))和高能燃料(铝粉(Al)、三氢化铝(AlH 3))对推进剂能量特性参数(比冲(ISP)、燃温(Tc)、氧系数(φ),等)的影响规律。结果表明:Bu NENA增塑的推进剂比冲高于DIANP或GAP增塑的BAM O/AM M O基推进剂。Bu NENA增塑的推进剂中,随着C L-20逐步替代AP,推进剂的Tc呈现先增后减的趋势。当CL-20含量大于55%时,推进剂比冲基本保持不变,趋于最大值。当C L-20完全替代AP,比冲下降。以D N AF代替C L-20可使推进剂比冲由2723.71 N·s·kg-1提高至2798.00 N·s·kg-1。以AlH 3替代Al与CL-20,同时提高体系φ时,推进剂能量得到大幅提高。     

含5-氨基四唑硝酸盐(5-ATEZN)推进剂的能量特性

利用最小自由能法,在标准条件(燃烧室压力pc:喷管出口处压力pe=70∶1)下,计算了含5-氨基-四唑硝酸盐(5-ATEZN)推进剂的能量特性。结果表明,5-ATEZN单元推进剂的比冲为2371.38 N·s·kg-1,与黑索今(RDX)及奥克托今(HMX)单元推进剂接近,且5-ATEZN的氧平衡(-10.8%)远高于RDX及HMX。用5-ATEZN取代粘合剂端羟基聚丁二烯(HTPB)推进剂中的高氯酸铵(AP)和RDX时,推进剂比冲和特征速度均降低;而用5-ATEZN取代GAP推进剂中的AP时,推进剂比冲和特征速度随5-ATEZN含量增多呈抛物线形变化,最高比冲可达2580.62 N·s·kg-1,与原配方相比提高17.93 N·s·kg-1。同时由于5-ATEZN不含氯元素,对降低推进剂的特征信号十分有利。因此,用5-ATEZN取代适量AP是实现GAP(聚叠氮缩水甘油醚)推进剂高能化和少烟化的一个可行途径。     

含DNTN的CMDB推进剂的能量特性的计算及其组分的相容性

根据最小自由能法,采用NASA-CEA软件,计算了含2,3-二羟甲基-2,3-二硝基~(-1),4-丁二醇四硝酸酯(DNTN)的复合改性双基(CMDB)推进剂能量特性。采用差示扫描量热法研究了DNTN和CMDB推进剂组分的相互作用。结果表明,DNTN替代硝化棉(NC)+硝化甘油(NG)/黑索今(RDX)/Al推进剂配方中的RDX,使体系的理论比冲最大,达2666.5 N·s·kg~(-1),特征速度逐渐增大,氧系数逐渐提高。DNTN全部替代NC+NG/高氯酸铵(AP)/Al推进剂配方中的AP,使理论比冲最大,达2669.1 N·s·kg~(-1),燃气平均分子量降低,燃温升高,表明CMDB推进剂体系中的DNTN有良好的应用潜力。DNTN与NC/NG、RDX、奥克托金(HMX)、六硝基六氮杂异戊兹烷(CL-20)、吉纳(DINA)和炭黑(C.B)之间没有明显的相互作用,与邻苯二甲酸铅(φ-Pb)和1,3-二甲基~(-1),3-二苯基脲(C2)之间相互作用明显。     

CL-20基无烟NEPE推进剂的燃烧性能和能量性能研究

研究了CL-20部分代替RDX对不含燃速调节剂的无烟NEPE推进剂燃烧性能和能量性能的影响.结果表明,CL-20的加入明显提高了推进剂的燃速,CL-20含量为30%时,推进剂不同压强下的燃速均提高50%以上;CL-20替代推进剂中的RDX,明显改善了推进剂的能量性能,CL-20含量为30%时,推进剂的定容爆热增大9.2%,实测密度增大3.5%.     

含四(3,5-二硝基-1,2,4-三唑基)硼酸肼推进剂的能量特性计算

为了探究一种高能含硼化合物硼酸肼对HTPB推进剂和改性双基推进剂能量性能的影响,采用美国NASA-CEA软件,在标准状态下(Pc∶P0=70∶1)模拟计算了含硼酸肼的丁羟推进剂和改性双基推进剂的能量特性。结果表明:硼酸肼单元推进剂的理论比冲值(Isp)达到2 639.9 N·s·kg~(-1);用硼酸肼取代HTPB中的AP,当硼酸肼质量分数为80%,Isp最大值为2 598.8N·s·kg~(-1),较基础配方提高了7.5%,继续使用ADN与硼酸肼进行复配,Isp最大值为2 638.3 N·s·kg~(-1);用硼酸肼取代CMDB推进剂中AP,当硼酸肼质量分数为20%时,获得最大比冲值2 451.5 N·s·kg~(-1),较基础配方提高了0.6%,继续加入Al粉可显著增加配方体系的能量水平。     

TKX-50/CL-20复配在固体推进剂中应用效能的预估

为实现含能材料1,1'二羟基-5,5联四唑二羟胺盐(TKX-50,又名HATO)在固体推进剂领域的高效应用,运用最小自由能法计算了含TKX-50、CL-20、TKX-50/CL-20的聚叠氨缩水甘油醚(GAP)基固体推进剂能量性能,分析了TKX-50和CL-20复配应用的可行性,预估了TKX-50/CL-20复配推进剂应用效能.结果表明,TKX-50含量增加时,燃烧室中推进剂平均温度(Tc)和燃气平均相对分子质量(Mˉg)同时下降,理论比冲呈先升后降的变化规律;TKX-50与CL-20相容等级为B,TKX-50/CL-20复配推进剂热稳定性和安全性能良好;TKX-50/CL-20复配推进剂可大幅拓宽配方各组分含量选择范围,理论比冲大于272 s的推进剂中CL-20含量下限仅为纯CL-20推进剂的40％;相同能量水平下,TKX-50/CL-20复配推进剂表现出低成本和低特征信号的特点,具备工程推广应用的潜力.     

液滴限域结晶制备CL-20/HMX共晶毫米空心球及其性能

为了研究聚集结构对六硝基六氮杂异伍兹烷/奥克托今(CL-20/HMX)共晶性能的影响，采用液滴限域结晶法制备了球形CL-20/HMX共晶。采用场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)、X射线粉末衍射(XRD)和傅里叶红外光谱(FT-IR)对共晶样品进行形貌结构表征，并通过热分析、感度和燃烧测试对共晶样品进行性能分析。结果表明，该方法成功制备CL-20/HMX共晶毫米空心球，其直径在1.3～1.85 mm之间，空心率约40%，比表面积为6.890 m²·g^-1。球形CL-20/HMX共晶的放热峰温为245.8℃，热分解活化能(463.02 kJ·mol^-1)和热爆炸临界温度(241.28℃)均高于片状CL-20/HMX共晶，热稳定性提高；撞击感度优于原料和片状CL-20/HMX共晶，摩擦感度介于CL-20和HMX之间，但低于片状CL-20/HMX共晶；点火延迟时间小于8 ms，火焰明亮、燃烧高效稳定，而片状共晶、原料及其物理混合物均为无焰燃烧。     

超细CL-20/HMX共晶的制备、表征及其与推进剂组分的相容性

通过加入微量溶剂,采用超高效混合技术,在70 g的加速度条件下反应30 min制备得到摩尔比为2∶1的超细六硝基六氮杂异伍兹烷与奥克托今(CL-20/HMX)共晶,通过X射线粉末衍射、差示扫描量热法鉴定了CL-20/HMX共晶的形成,并对其形貌、粒度、感度等进行了表征测试。结果表明:制备的超细CL-20/HMX共晶纯度为92.6%,共晶炸药呈规则块状、表面光滑、粒径小于1μm、粒度分布均匀,其X射线衍射图在11.558°,13.264°,18.601°,24.474°,33.785°,36.269°处出现新的较强的衍射峰。超细CL-20/HMX共晶放热分解过程中只有一个放热分解峰,其放热峰温为248.3℃,其分解放热量(2192.1 J·g^-1),显著高于相同摩尔比的物理混合物(1327.3 J·g^-1)。按照GJB772A-1997《炸药试验方法》测得的摩擦感度比原料CL-20降低了16%,特性落高比原料CL-20提高28.6 cm,比原料HMX提高11.5 cm,形成共晶后安全性能更高。采用DSC法研究了超细CL-20/HMX共晶与推进剂常用组分均聚叠氮缩水甘油醚(HGAP)、硝化甘油/1,2,4-丁三醇三硝酸酯混合物(NG/BTTN)、缩二脲三异氰酸酯(N-100)、高氯酸铵(AP)、铝粉(Al)的相容性,发现超细CL-20/HMX共晶与NG/BTTN、AP、Al的相容性较好,与HGAP、N-100不相容。     

新型硝胺推进剂的研究

本文研究一种与奥克托金(HMX)相类似的新型硝胺化合物——1,3,3,5,7,7-六硝基-1,5二氮杂环辛烷(简称HCO)。这种硝胺炸药比HMX含氧量高,熔点250℃,加热时,在250℃温度范围内无晶型转变。HCO单元推进剂标准理论比冲比HMX单元推进剂约高4s。以HCO取代HMX作为无烟推进剂的高能添加剂,其理论比冲都高于HMX无烟推进剂。这种推进剂的燃烧性质比HMX无烟推进剂有明显改善,压力指数比HMX无烟推进剂低得多。无催化剂时,压力指数下降了0.109;加催化剂时,压力指数下降了0.148。而HMX推进剂只下降0.129,改进催化剂,其压力指数有可能进一步下降,故这种推进剂是有发展前途,值得进一步研究的新型无烟推进剂。     

几种呋咱含能衍生物的性能研究

研究了包括3, 3′二硝基4, 4′氧化偶氮呋咱(DNOAF)、N,N′二(硝基呋咱基)草酰胺DNFOA和5, 5′二(叠氮甲基) 3, 3′联异呋咱(DABIF)的一系列二呋咱化合物的性能。其中,DABIF和DNFOA的特性落高分别为(68±3)cm和82cm(H50, 5kg落锤),可望作为不敏感炸药应用。根据Kamlet方程计算得到DNFOA的理论爆速D=8560m·s-1,爆压pCJ=33. 6GPa,DNOAF的理论爆速D=9390m·s-1,爆压pCJ=40. 5GPa。按照以20%呋咱含能化合物代替某NEPE推进剂,计算表明,DNOAF基推进剂的比冲为269. 1s-1,高于HMX基NEPE推进剂的比冲268. 6s-1,可知DNOAF爆轰性能优良。     

硝基呋咱/CMDB推进剂能量特性

根据最小自由能法,采用NASA-CEA软件,研究了六种硝基呋咱化合物:3-硝基呋咱(NF)、3,4-二硝基呋咱(DNF)、3-硝氨基-4-硝基呋咱(NNF)、3-硝氨基-4-硝基呋咱铵盐(ANNF)、3-硝氨基-4-硝基呋咱肼盐(HNNF)和3-硝氨基-4-硝基呋咱羟胺盐(HANNF)的能量特性。研究了硝基呋咱化合物含量对复合改性双基(CMDB)推进剂能量特性的影响和压强对硝基呋咱/CMDB推进剂能量特性的影响。结果表明,HANNF和HNNF单元推进剂的比冲高于RDX,分别为2744.8 N·s·kg-1和2802.2 N·s·kg-1。六种硝基呋咱化合物使CMDB推进剂的比冲大幅提高,其中HNNF和HANNF使CMDB推进剂的比冲分别提高74.6 N·s·kg-1和91 N·s·kg-1。六种硝基呋咱/CMDB推进剂的比冲均随压强升高而增加。比冲受压强影响顺序为DNFNNFHANNFANNFHNNFNF。     

基于溶剂/非溶剂法的微通道结晶制备CL-20/HMX共晶

为了发展易放大、可连续化的共晶制备方法,采用溶剂/非溶剂法的微通道结晶技术制备了六硝基六氮杂异伍兹烷/奥克托今(CL-20/HMX)共晶.采用场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)、X射线粉末衍射(XRD)、拉曼光谱(Raman)、傅里叶红外光谱(FT-IR)、热分析和感度测试,对样品的形貌、结构、热性能和感度进行了表征分析.结果表明,该方法成功制备了CL-20/HMX共晶,其表观形貌部分呈花簇状,直径为20～30μm,由厚度为200～600 nm的片状晶体组装而成,部分呈单独的片状结晶(厚度为200～600 nm);所制备的CL-20/HMX共晶在放热过程中仅有一个尖锐的放热分解峰,放热峰温位于243.4℃,低于原料CL-20(250.2℃)和HMX(284.7℃).放热区间仅为242.7～246.0℃,比原料CL-20(230.0～254.6℃)和HMX(281.0～290.7℃)窄,具有较高的能量释放效率;表观活化能470.75 kJ·mol-1,介于CL-20(175.04 kJ·mol-1)和HMX(481.45 kJ·mol-1)之间,比CL-20提高了295.71 kJ·mol-1,具有较好的热稳定性;撞击感度为18 J,较原料CL-20(10 J)和HMX(14.4 J)分别提高8 J和3.6 J,摩擦感度比CL-20原料降低了20％,安全性有所提高.