劉 佳，程 山，孫麗娜，王曉倩，甘 露

(湖北三江航天江河化工科技有限公司，湖北 宜昌 444200)

0 引 言

高能、高燃速一直是推進劑發(fā)展中的主要要求，而未來的武器系統(tǒng)不僅要求固體推進劑具有高的能量，節(jié)能增效，降低成本也是其發(fā)展方向之一[1].目前，推進劑配方體系中較為成熟的是丁羥推進劑體系.端羥基聚丁二烯價格低廉，且其特有的分子結構及性能使制得的推進劑具有優(yōu)異的力學性能，但其屬于惰性粘結劑且生成焓較低，與大多數(shù)含能增塑劑相容性差，搭配使用惰性增塑劑會導致推進劑能量性能降低.提高丁羥推進劑能量性能主要有以下幾個途徑[2-6]：① 增加固含量；② 改用高能量密度固體填料；③ 合成與丁羥膠相容性較好的含能增塑劑，或?qū)Χ×u膠改性使其與現(xiàn)有含能增塑劑相容，即使用含能粘結體系.

目前大部分新開發(fā)的高能量密度材料工程化應用受限，若丁羥推進劑僅靠增加固含量提高比沖和燃速，易導致工藝性能惡化[7].國內(nèi)外研究學者將目光集中于含能粘合劑或增塑劑的開發(fā)與應用[8-11]，使粘結體系具有一定能量.按使用的粘合劑特性可分為兩大類，非含能粘結劑/含能增塑劑體系和含能粘結劑/含能增塑劑體系，這種體系提高了推進劑的能量但極大增加了制藥原材料成本.

因此可將價格低廉的端羥基聚丁二烯改性，制備新型粘結劑，使其與含能增塑劑具有良好的相容性，獲得新型含能粘結體系推進劑，可增加中高能推進劑品種，有望降低含能粘結體系推進劑成本.

1 試驗部分

1.1 主要設備與原材料

主要設備：立式混合機；燃速儀；萬能試驗機.

主要原材料：新型粘合劑(GD)，奧克托金(HMX)，含能增塑劑(ZSB)，高氯酸按(AP)，其他功能助劑.

1.2 實驗方法

推進劑樣品制備：采用配漿澆注工藝，在5 L立式混合機捏合1 h左右，70 ℃固化3 d，退模.

能量性能測試：使用Ф165標準試驗發(fā)動機，采用GJB 770B發(fā)動機靜止試驗法測試.

燃燒性能測試：固體推進劑藥條測定采用水下聲發(fā)射法，按照GJB 770B進行.

力學性能測試：將樣品制成啞鈴狀，使用萬能試驗機進行推進劑常高低力學性能測試，按照 GJB 770B 進行.

2 結果與討論

2.1 能量特性研究

采用最小自由能法對新型粘結劑配方(1#～18#)能量特性進行理論計算，并與聚醚體系推進劑配方(19#)進行對比，結果見表 1.其中RDX表示黑索金，Isp為推進劑能量，OB為推進劑氧平衡.

表 1 能量性能理論計算結果

采用Ф165發(fā)動機對7#配方及19#配方能量進行實測，結果見表 2.

表 2 Ф165能量測試結果

由圖 1～4 可見，隨增塑劑含量增加，推進劑比沖及密度均呈現(xiàn)增加趨勢，但上升趨勢逐漸降低，由于含能增塑劑的密度及氧平衡均高于粘合劑，因此其含量增加對推進劑各能量性能參數(shù)均產(chǎn)生積極影響；隨固含量增加，推進劑比沖呈現(xiàn)下降趨勢，密度呈上升趨勢，固含量為80%左右時，推進劑比沖及密度出現(xiàn)交匯，密度比沖達到最大值；隨著鋁粉含量增加，推進劑比沖呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，當鋁粉含量為18%～22%時，比沖達到最大值，推進劑密度呈現(xiàn)上升趨勢，同時鋁粉含量增加，推進劑殘渣較多，應適量控制鋁粉含量；隨著RDX含量增加，推進劑能量呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，RDX含量在20%～30%時，推進劑比沖達到最大值，密度呈現(xiàn)下降趨勢.當配方固含量為83%時，實測能量與聚醚體系推進劑能量相當，但能量效率低于聚醚體系.

圖 1 能量示性數(shù)與增塑比關系圖Fig.1 The relationship between the energy signature and the plasticization ratio

圖 2 能量示性數(shù)與固含量關系圖Fig.2 The relationship between the energy signature and the solid content

圖 3 能量示性數(shù)與Al含量關系圖Fig.3 The relationship between the energy signature and the Al content

圖 4 能量示性數(shù)與RDX含量關系圖Fig.4 The relationship between the energy signature and the Al content

2.2 力學性能研究

經(jīng)篩選預聚物分子結構及分子量、固化劑種類、鍵合劑種類及用量等調(diào)節(jié)配方力學性能，結果如表 3 所示.其中σm為推進劑抗伸強度，εm為推進劑最大延伸率.

表 3 推進劑力學性能結果

由表 3 可以看出：推進劑配方力學強度達到0.8 MPa左右時，常溫延伸率達50.8%；高溫強度達0.47 MPa，延伸率為50%左右；低溫延伸率達40%左右，滿足真空貼壁式澆注工藝.

推進劑使用粘合劑體系雖為改性丁羥粘合劑，但分子中增加硬段成分(酯基基團)，具有較強極性，使得粘合劑鏈段柔順性變差，制得的推進劑延伸率較丁羥體系差.使用傳統(tǒng)鍵合劑難以提高推進劑的力學性能，配方體系中鍵合劑選用兩種硼胺類鍵合劑復配，硝銨炸藥中氮原子與鍵合劑中硼原子形成σ共價鍵，同時鍵合劑中氨基、羥基等活性基團參與粘合劑基體發(fā)生固化反應，進入交聯(lián)網(wǎng)絡，防止固體填料與粘合劑發(fā)生“脫濕”現(xiàn)象，從而提高了推進劑強度并對延伸率具有增強作用.預聚物結構及分子量主要對交聯(lián)網(wǎng)絡及交聯(lián)密度產(chǎn)生影響，交聯(lián)密度越大，推進劑抗拉強度越高，但延伸率相對較低.由于改性丁羥膠含有硬段及軟段組分，硬段組分對推進劑強度具有增強作用，但硬段含量較高，不利于推進劑延伸率的提高，而硬段含量過低，預聚物與含能增塑劑的相容性較差，因此應綜合考慮兩種因素，選用合適的預聚物作粘合劑.固化劑種類對推進劑力學性能影響較為顯著，多官能度固化劑主要對推進劑強度具有一定增強作用，但推進劑延伸率較差，使用二官能度固化劑對提高推進劑延伸率具有顯著積極作用.

2.3 燃燒性能研究

對83%固含量推進劑進行燃燒性能研究，采用水下聲發(fā)射法測試其基礎燃速、壓強指數(shù)(nP)及溫度敏感系數(shù)(aT)，結果見表 4.

表 4 燃燒性能結果

由表 4 可知：推進劑配方在6.86 MPa下基礎燃速、壓強指數(shù)均略高于相同配比、相同壓力范圍內(nèi)的丁羥推進劑.由于使用含能增塑劑，燃燒表面區(qū)與加熱區(qū)厚度變薄，表面反應區(qū)放熱量增加，對燃燒面熱反饋較多，使燃燒劇烈，基礎燃速提高.同時配方為四組元推進劑，硝銨炸藥的反應在火焰區(qū)進行，壓力提高，暗區(qū)和燃燒表面熔化層變薄，氣相燃燒表面能量傳遞提高，從而提高了燃燒表面熱量.新型粘結體系推進劑使用含能增塑劑，其產(chǎn)生熱能較惰性增塑劑高，燃燒表面溫度和凝聚相梯度增加，高壓下，燃燒傳遞到表面熱量更多，利于燃速增加.

3 結 論

1) 改性丁羥新型粘合劑引入推進劑配方中，增加了中高能推進劑品種，Ф165發(fā)動機實測能量與聚醚體系推進劑能量基本相當，能量有進一步提升空間；

2) 推進劑常溫強度在0.8 MPa時，常、高、低溫延伸率均大于40%，基本滿足真空貼壁式澆注工藝；

3) 推進劑在6.86 MPa下基礎燃速為7.93 mm/s，在5～11 MPa下，壓強指數(shù)為0.421.