納米材料對(duì)雙基和改性雙基推進(jìn)劑燃燒性能的影響

袁志鋒，王江寧，張 超，鄭 偉，陳 娜，張 軍，皮文豐

（西安近代化學(xué)研究所，陜西 西安710065）

引 言

納米材料作為一種新材料已經(jīng)得到國(guó)內(nèi)外的廣泛關(guān)注，從納米金屬粉、納米氧化物、納米復(fù)合材料到納米碳都進(jìn)行了探索性研究，關(guān)于各種納米材料（包括納米復(fù)合物）在雙基推進(jìn)劑的應(yīng)用已有大量研究［1-7］。國(guó)內(nèi)外關(guān)于納米材料對(duì)推進(jìn)劑某組份的熱分解，以及納米鋁粉對(duì)推進(jìn)劑能量性能、燃燒性能的影響也進(jìn)行了的研究［8］。但這些研究主要集中在對(duì)中等燃速雙基推進(jìn)劑的影響方面，對(duì)低燃速推進(jìn)劑、含RDX 或HMX 或HMX／Al改性雙基推進(jìn)劑燃燒性能的研究較少。

本實(shí)驗(yàn)研究了納米鋁粉對(duì)低燃速雙基推進(jìn)劑燃燒性能的影響、納米AlN 對(duì)含RDX 改性雙基推進(jìn)劑燃燒性能的影響、納米復(fù)合物n-DPN 粉對(duì)HMX 或HMX／Al的改性雙基推進(jìn)劑燃燒性能的影響，以期為此類納米材料在雙基推進(jìn)劑中的應(yīng)用提供參考。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 材料與儀器

納米Al粉、納米AlN（氮化鋁）粉，皓田納米科技（上海）有限公司；納米n-DPN（納米材料復(fù)合物），深圳尊業(yè)納米材料有限公司；普通Al粉。充氮?dú)夂銐喝妓贉y(cè)試儀，北京航天動(dòng)力研究所。

1.2 樣品的制備

推進(jìn)劑配方組成見(jiàn)表1。固體推進(jìn)劑樣品采用吸收-離心驅(qū)水-光輥壓延-切成藥條工藝制備。

表1 推進(jìn)劑配方Table 1 The formulation of propellants

1.3 燃速測(cè)試

采用靶線法測(cè)試樣品燃速。將已處理的Φ5mm×160mm 的藥柱包覆后，在氮?dú)鈿夥罩袦y(cè)量燃速。根據(jù)Vieille燃速與壓強(qiáng)關(guān)系式r=apn，計(jì)算壓強(qiáng)指數(shù)n。

2 結(jié)果與討論

2.1 納米Al粉含量對(duì)雙基推進(jìn)劑燃燒性能的影響

研究了納米Al粉含量對(duì)雙基推進(jìn)劑燃燒性能的影響，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 納米Al粉含量對(duì)雙基推進(jìn)劑燃燒性能的影響Table 2 Effect of nano-Al powder content on the combustion properties of DB propellant

從表2可以看出，在2～12MPa配方2比配方1的燃速更高，平均高約0.3～1.0mm／s；但配方2在8～20MPa的壓強(qiáng)指數(shù)（由0.77 降為0.28）較低，表明加入納米Al粉可提高低壓區(qū)（2～12MPa）的燃速、降低中高壓強(qiáng)區(qū)（8～20MPa）的壓強(qiáng)指數(shù)。

隨著納米鋁粉含量的增加，推進(jìn)劑中高壓強(qiáng)區(qū)（8～20MPa）的燃速增大，可能是因?yàn)殡S著納米鋁粉含量的增加，燃燒放熱量增大，從而提高了燃速；在4～20MPa，與普通鋁粉相比，含相同含量（1.5%）納米鋁粉使推進(jìn)劑燃速提高更多，可能是因?yàn)榧{米鋁粉的燃燒效率比普通鋁粉高。

2.2 納米AlN 粉含量對(duì)RDX 改性雙基推進(jìn)劑燃燒性能的影響

研究了納米AlN 粉含量對(duì)RDX 改性雙基推進(jìn)劑燃燒性能的影響，結(jié)果見(jiàn)表3。

由表3可以看出，用納米AlN 替代普通Al2O3，5～15MPa的燃速下降，降幅平均約2mm／s，配方7在18MPa下的燃速超過(guò)配方6，在5～18MPa的壓強(qiáng)指數(shù)大于配方6。對(duì)比配方8與配方6，配方8在5～18MPa的燃速下降，平均約5mm／s，最大值為6.25mm／s，降速作用明顯；5～18MPa的壓強(qiáng)指數(shù)增大。因此，納米AlN 是一種較好的降速劑，能大幅度降低推進(jìn)劑的燃速，且隨著加入量的增加，燃速降幅更大，但會(huì)增大推進(jìn)劑的壓強(qiáng)指數(shù)。原因可能為AlN粉為惰性物質(zhì)，不參與燃燒，并且還會(huì)吸收推進(jìn)劑燃燒時(shí)產(chǎn)生的熱量，因而使燃速。

表3 納米AlN 粉含量對(duì)RDX 改性雙基推進(jìn)劑燃燒性能的影響Table 3 Effect of nano-AlN powder content on the combustion properties of RDX-CMDB propellant

2.3 納米復(fù)合物n-DPN 含量對(duì)HMX／Al改性雙基推進(jìn)劑燃燒性能的影響

研究了納米復(fù)合物n-DPN 含量對(duì)HMX／Al改性雙基推進(jìn)劑燃速的影響，結(jié)果見(jiàn)表4。用表4 數(shù)據(jù)計(jì)算了相鄰兩壓強(qiáng)點(diǎn)之間的催化效率，結(jié)果見(jiàn)表5。

表4 納米復(fù)合物n-DPN 含量對(duì)HMX／Al改性雙基推進(jìn)劑燃速的影響Table 4 Effects of nano-n-DPN content on the burning rate of HMX／Al-CMDB propellant

表5 n-DPN 對(duì)燃速的催化效率Table 5 The catalytic efficiency of n-DPN on burning rate

從表4可以看出，納米復(fù)合物n-DPN 使配方9在5～8MPa產(chǎn)生超速燃燒，在12～20MPa催化效率隨著壓強(qiáng)的增加而降低，因此推進(jìn)劑在12～20MPa區(qū)間的壓強(qiáng)指數(shù)降低。

納米復(fù)合物n-DPN 較大幅度地提高了低壓段的燃速，但對(duì)高壓段的提高幅度較小，因此降低了整個(gè)區(qū)間的壓強(qiáng)指數(shù)，并在各區(qū)間點(diǎn)上的燃速都高于原始配方。

納米復(fù)合物n-DPN 在質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于1%的情況下能較大幅度地提高已添加催化劑的推進(jìn)劑燃速，并能降低12～20MPa的壓強(qiáng)指數(shù)，很明顯是參與了燃燒反應(yīng)，是一種有良好應(yīng)用前景的催化劑。

2.4 納米復(fù)合物n-DPN 含量對(duì)HMX 改性雙基推進(jìn)劑燃燒性能的影響

研究了納米復(fù)合物n-DPN 含量對(duì)HMX 改性雙基推進(jìn)劑燃燒性能的影響，結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 納米復(fù)合物n-DPN 含量對(duì)HMX 改性雙基推進(jìn)劑燃燒性能的影響Table 6 Effects of nano-n-DPN content on the combustion properties of HMX-CMDB propellant

從表6 可以看出，在5～20MPa時(shí)，納米復(fù)合物n-DPN 可降低5～20MPa的壓強(qiáng)指數(shù)，提高各壓強(qiáng)點(diǎn)的燃速，其中低壓點(diǎn)5MPa的燃速提高了6.2mm／s、高壓點(diǎn)20MPa提高了2.57mm／s。通過(guò)比較可以看出，低壓段燃速提高的幅度大，高壓段燃速提高的幅度小，因此降低了推進(jìn)劑在5～20MPa的壓強(qiáng)指數(shù)，改善了推進(jìn)劑的燃燒性能。

3 結(jié) 論

（1）納米復(fù)合物n-DPN 在5～20MPa可提高含HMX／Al的改性雙基推進(jìn)劑的燃速，10MPa時(shí)燃速達(dá)到24.46mm／s；同時(shí)可降低推進(jìn)劑的壓強(qiáng)指數(shù)，8～20MPa的壓強(qiáng)指數(shù)為0.16，15～20MPa出現(xiàn)麥撒燃燒效應(yīng)，顯示出較強(qiáng)的催化燃燒作用和顯著的降低壓強(qiáng)指數(shù)的能力。

（2）納米Al粉在一定程度上可提高低燃速推進(jìn)劑的燃速，降低推進(jìn)劑壓強(qiáng)指數(shù)。

（3）納米AlN 粉能顯著降低推進(jìn)劑的燃速，在一定程度上可提高推進(jìn)劑的壓強(qiáng)指數(shù)，是一種有良好應(yīng)用前景的降速劑。

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