2,4-二羥基苯甲酸鉛銅鹽對Al/RDX-CMDB推進劑燃燒性能的影響

袁志鋒，趙鳳起，焦建設，張教強，楊立波，鄭曉東,張 超，謝 波

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2,4-二羥基苯甲酸鉛銅鹽對Al/RDX-CMDB推進劑燃燒性能的影響

袁志鋒1，趙鳳起1，焦建設2，張教強3，楊立波1，鄭曉東1,張 超1，謝 波1

(1 .西安近代化學研究所 燃燒與爆炸技術重點實驗室，陜西 西安，710065；2. 炮兵防空兵裝備技術研究所，北京，100012；3. 西北工業(yè)大學，陜西 西安，710072）

為了研究2,4-二羥基苯甲酸鉛銅鹽（Pb/Cu-SDHB）單獨或與其它催化劑復合后對含Al粉和黑索今（RDX）改性雙基（Al/RDX-CMDB）推進劑燃燒性能的影響，采用吸收-壓延方法制備了推進劑樣品，用靶線法測試了推進劑燃速。結果表明：Pb/Cu-SDHB能有效調節(jié)推進劑燃燒性能，顯著提高了Al/RDX-CMDB推進劑的燃速，并明顯降低了壓強指數；3.0% Pb/Cu-SDHB與0.65%炭黑復合后使Al/RDX-CMDB推進劑在10~15MPa的壓強指數降低至-0.1，10MPa下燃速超過20mm/s。

固體推進劑；2,4-二羥基苯甲酸鉛銅鹽(Pb/Cu-SDHB)；燃燒性能；麥撒；平臺

含Al粉(質量分數不超過2%)和黑索今（RDX）的CMDB推進劑由于能量高、特征信號低、質量一致性好等總體性能優(yōu)異而得到了廣泛應用，但是由于Al粉和RDX的加入使得推進劑的燃速和壓強指數難以調節(jié)，限制了Al/RDX-CMDB推進劑的應用。

催化劑是改善、調節(jié)固體推進劑燃燒性能以及彈道性能不可缺少的組分之一，CMDB推進劑一般采用無機或有機鉛鹽，或銅鹽、炭黑作為燃燒催化劑[1-6]，雙金屬鹽是一種有價值的催化劑，該化合物同時含有鉛和銅兩種催化元素，提高了催化效率，減少了催化劑的加入量，從而有利于提高推進劑整體的能量。目前，雙金屬鹽在改性雙基推進劑應用未見報道。

本文采用2,4-二羥基苯甲酸鉛銅（Pb/Cu- SDHB）作為燃燒催化劑，通過少量單獨添加或與其它催化劑復合后，研究其對Al/RDX-CMDB推進劑燃燒性能的影響，以期為此類材料在改性雙基推進劑中的應用提供技術支撐。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

硝化棉（NC，含氮量12.0%），工業(yè)純，四川北方硝化棉股份有限公司制備；硝化甘油（NG），西安近代化學研究所制備；黑索今（RDX），工業(yè)純，蘭州白銀銀光化學材料廠；普通Al粉（Al），哈爾濱東輕金屬粉業(yè)有限責任公司；炭黑(CB)，上海焦化化工發(fā)展商社；苯二甲酸銅（φ-Cu），山西博奧化工有限公司；2,4-二羥基苯甲酸銅（β-Cu），山西博奧化工有限公司；鎳粉分3種粒度，粒度為1μm（Ni-1），粒度為3μm（Ni-3），粒度為1μm（Ni-5），中國科學院過程工程研究所；2,4-二羥基苯甲酸鉛銅(Pb/Cu-SDHB)，西安近代化學研究所研制，分子結構見圖1。

圖1 Pb/Cu-SDHB分子結構

1.2 配方設計及樣品的制備

設計了目前得到廣泛應用的含25%(質量分數)RDX/2%(質量分數)Al的改性雙基推進劑配方，設計了Pb/Cu-SDHB不同含量，以及和不同種類及含量的銅鹽、不同種類及含量的鎳粉、不同含量的炭黑復合的配方，貼近于實際應用。推進劑的配方見表1。

樣品制備：固體推進劑樣品采用吸收-離心驅水-光輥壓延-切成藥條的工藝制備。

1.3 儀器及試驗條件

采用GJB 770B-2005方法706.1“燃速 靶線法”測試樣品燃速。將已處理的φ5mm×160mm的藥柱包覆后，在氮氣氣氛中測量燃速；再根據Vieille燃速與壓強關系式=ap，計算壓強指數，式中為燃速，為壓強，a為常數。

表1 推進劑配方

Tab.1 The formulation of propellants

2 結果與討論

2.1 Pb/Cu-SDHB含量對Al/RDX-CMDB推進劑燃燒性能的影響

Al/RDX-CMDB推進劑能量比雙基推進劑高，質量一致性好，在戰(zhàn)術導彈發(fā)動機裝藥上得到了廣泛應用，因此研究了Pb/Cu-SDHB含量對Al/RDX-CMDB推進劑燃燒性能的影響，結果見表2。

表2 Pb/Cu-SDHB含量對Al/RDX-CMDB推進劑燃燒性能的影響

Tab.2 Effects of Pb/Cu-SDHB content on combustion property of Al/RDX-CMDB propellant

從表2可以看出，在沒有Pb-Cu-C三組元催化劑的空白配方中加入1.0%的Pb/Cu-SDHB，推進劑在10～15MPa的壓強指數以較大幅度下降，同時燃速有所增加。隨著Pb/Cu-SDHB含量的增大（從0%增加至3.0%），推進劑壓強指數大幅度下降，推進劑的燃速小幅度增加，尤其是低壓下的燃速增加得多，高壓下的燃速增加少，因此推進劑的燃速壓強指數下降；說明隨著Pb/Cu-SDHB含量的增加，其催化作用逐漸得到體現；但當含量增加至4.0%時，推進劑的燃速進一步增加，但壓強指數也大幅度增加，主要原因是高壓區(qū)比低壓區(qū)的燃速增加迅速。

以上結果初步說明Pb/Cu-SDHB是一種有效的催化劑，能大幅度提高中壓下的燃速，從而降低壓強指數；但達到一定含量后推進劑高壓區(qū)的燃速提高迅速，因此帶來了壓強指數的增大。

2.2 Pb/Cu-SDHB與不同含量CB復合對Al/RDX-CMDB推進劑燃燒性能的影響

CB是推進劑配方中常用的催化劑，有提高燃速、調節(jié)壓強指數的作用，因此探索了Pb/Cu-SDHB與不同含量CB復合對Al/RDX-CMDB推進劑燃燒性能的影響，結果見表3。

表3 Pb/Cu-SDHB與不同含量CB復合對Al/RDX-CMDB推進劑燃燒性能的影響

Tab.3 Effect of Pb/Cu-SDHB composite with carbon on combustion property of Al/RDX-CMDB propellant

從表3可以看出，在含有3.0%Pb/Cu-SDHB的推進劑配方中加入0.5%CB，推進劑的壓強指數小幅度降低，燃速有所提高。隨著CB含量的增加，推進劑的燃速顯著提高，壓強指數先降低然后增大，但即使CB含量達到0.8%時推進劑依然能產生麥撒效應，達到0.95%時推進劑壓強指數雖然有所增加，但依然能產生平臺燃燒。說明隨著CB的增加，其與Pb/Cu- SDHB組成的復合催化體系作用越來越明顯，推進劑的燃速越來越高，10MPa燃速最多增加12.42mm/s；壓強指數先大幅下降至-0.10，然后緩慢增加，但最高不超過0.11。

產生上述效果的原因可能是由于CB的加入，在推進劑燃燒表面形成了更多的碳骨架，使催化劑在燃燒表面上停留時間更長，產生的催化效果更好，因此提高了燃燒，降低了壓強指數。

2.3 Pb/Cu-SDHB和不同含量的β-Cu復合對Al/RDX -CMDB推進劑燃燒性能的影響

β-Cu是推進劑配方中常用的催化劑，能提高推進劑的燃速，因而初步研究了Pb/Cu-SDHB和不同含量的β-Cu復合對Al/RDX -CMDB燃燒性能的影響，結果見表4。

表4 Pb/Cu-SDHB和不同含量的β-Cu復合對Al/RDX-CMDB推進劑燃燒性能的影響

Tab.4 Effect of Pb/Cu-SDHB composite with β-Cu on combustion property of Al/RDX-CMDB propellant

從表4可以看出，在含有3.0%Pb/Cu-SDHB的推進劑配方中加入0.4%β-Cu，壓強指數大幅度降低；燃速在10～12MPa提高較多，在12～15MPa提高較少。隨著β-Cu含量的增大，推進劑的燃速以較大幅度提高；壓強指數先降低，出現麥撒燃燒，然后有所增加，但最大只增加至0。

由以上可以看出，加入β-Cu能大幅度降低推進劑的壓強指數（最多降低0.37），在加入量0.4%～1.2%的范圍內，推進劑的壓強指數范圍為0.06～-0.12； 加入β-Cu能大幅度提高推進劑燃速，10MPa下燃速最多提高7.22mm/s。產生這些效果的原因可能是由于β-Cu的加入，推進劑燃燒表面的催化中心變得更多、更為細密，因此燃燒性能得到了較大幅度的提升。

2.4 Pb/Cu-SDHB和不同含量φ-Cu復合對Al/RDX -CMDB推進劑燃燒性能的影響

φ-Cu是推進劑配方中常用的催化劑，具有調節(jié)推進劑壓強指數的作用，因此探索了Pb/Cu-SDHB和不同含量φ-Cu對Al/RDX-CMDB推進劑燃燒性能的影響，結果見表5。

表5 Pb/Cu-SDHB和不同含量φ-Cu復合對Al/RDX-CMDB推進劑燃燒性能的影響

Tab.5 Effect of Pb/Cu-SDHB composite with φ-Cu on combustion property of Al/RDX-CMDB propellant

從表5可以看出，在含有3.0%Pb/Cu-SDHB的推進劑配方中加入0.4%φ-Cu，壓強指數以較大幅度增加；燃速有所下降。隨著φ-Cu含量的增大，推進劑的燃速呈下降趨勢，壓強指數呈增大趨勢，且幅度相當大（當φ-Cu含量為1.2%時，壓強指數增大為0.80）。

可以看出，φ-Cu在本配方體系里是負催化劑，降低推進劑燃速，提高壓強指數，且加入量越大，影響越嚴重。

2.5 Pb/Cu-SDHB和不同粒度、含量的鎳粉復合對Al/ RDX-CMDB推進劑燃燒性能的影響

鎳粉是推進劑配方中常用的催化劑，具有調節(jié)推進劑燃速和壓強指數的作用，Pb/Cu-SDHB與鎳粉復合形成催化體系可能對燃燒性能起到較好的調節(jié)作用，因此初步研究了Pb/Cu-SDHB和不同粒度、含量鎳粉對Al/RDX-CMDB燃燒性能的影響，結果見表6。

表6 Pb/Cu-SDHB和不同粒度、含量鎳粉對Al/RDX-CMDB推進劑燃燒性能的影響

Tab.6 Effects of Pb/Cu-SDHB composite with different granularity and content of Ni on combustion property of Al/RDX- CMDB propellant

從表6可以看出，在含有0.5%Ni-1的推進劑配方中加入1.0%Ni-1，推進劑的壓強指數大幅度增加，燃速有所下降。隨著增加的鎳粉粒度由1μm分別替換為3μm或5μm，推進劑的燃速在10～15MPa先減小然后增加，壓強指數以較大幅度下降。當在已經加入0.5%Ni-1的推進劑中加入1.0%的1μm、3μm或5μm的鎳粉，推進劑的燃速都會下降；壓強指數在加入1.0%的1μm、3μm鎳粉的情況下大幅度提高，在含量加入1.0%的Ni-5時有所降低。由以上可知，在已經含有0.5% 1μm鎳粉的推進劑中再加入粒徑為1～5μm的鎳粉對推進劑燃燒性能的改善基本不起作用，甚至有變差的可能性。

3 結論

（1）Pb/Cu-SDHB是一種有效的燃燒催化劑，作為唯一的催化劑，加入較少含量（3.0%質量分數）可以大幅度降低Al/RDX-CMDB推進劑的壓強指數(小于0.3)，同時提高推進劑的燃速。

（2）Pb/Cu-SDHB質量分數為3.0%時，通過與一定含量炭黑復合，可使Al/RDX-CMDB推進劑的壓強指數繼續(xù)降低，達到-0.10（10～15MPa）；燃速進一步提高，10MPa下超過25mm/s。

（3）在含有Pb/Cu-SDHB的Al/RDX-CMDB推進劑中加入β-Cu能降低推進劑的壓強指數，當β-Cu含量為0.8%（質量分數）時，推進劑的壓強指數由0.25降低至-0.12；燃速以相當幅度增加，尤其當β-Cu含量達到1.2%（質量分數）時燃速增加7.22mm/s (10 MPa)。但加入φ-Cu反而會顯著增大推進劑的壓強指數，燃速小幅度下降。

（4）在含有Pb/Cu-SDHB、0.5%1μm鎳粉的Al/ RDX-CMDB推進劑中，加入粒度為1μm、3μm的鎳粉時，推進劑的壓強指數增加，加入5μm的鎳粉時推進劑的壓強指數略微增加，但燃速變化不明顯。

[1] 趙鳳起,李上文.RDX-CMDB推進劑中組合催化劑的研究[J].推進技術,1992,13(2):57-64.

[2] 李上文,孟燮銓,張蕊娥,等.螺壓硝胺無煙改性雙基推進劑燃燒性能調節(jié)和控制規(guī)律[J].推進技術,1995,16(3): 63-69.

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[6] ZHAO Feng-qi,LI Shang-wen, SHAN Wen-gang,et al. Effects on carbon substances on combustion properties, of Catalyzed RDX-CMDB propellants[C]//Solid Propellant Chemistry, Combustion, and Motor Interior Ballistics, 2000.

Effect of 2,4-Dihydroxybenzoate Lead/Cupric on Combustion Properties of Al/RDX-CMDB Propellants

YUAN Zhi-feng1, ZHAO Feng-qi1,JIAO Jian-she2, ZHANG Jiao-qiang3,YANG Li-bo1, ZHENG Xiao-dong1, ZHANG Chao1,XIE Bo1

(1. Xi’an Modern Chemistry Research Institute, Xi’an, 710065；2.Equipment and Technologies Research Institute of FA and ADA, Beijing,100012；3. Northwestern Polytechnical University, Xi’an ,710072)

In order to investigate the effects of lead/cupric salt of 2,4-dihydroxybenzoate（Pb/Cu-SDHB）itself, or composite with other catalysts on the combustion properties of Al/RDX-CMDB propellant, the propellant samples were prepared through a solventless extrusion technique, as well as the burning rate of propellants were measured by stand burner method .The results showed that Pb/Cu-SDHB could increase the burning rate and reduce the pressure exponent of Al/RDX-CMDB propellant notably. When 3.0% Pb/Cu-SDHB composited with 0.65% carbon, the pressure exponent of Al/RDX-CMDB propellant reduced to -0.1 under 10~15MPa, and the burning rate at 10MPa would exceed 20mm/s.

Solid propellant；2,4-dihydroxybenzoate lead/cupric（Pb/Cu-SDHB）；Combustion property；Mesa；Plateau

TQ560.71

A

1003-1480（2014）04-0020-04

2014-05-20

袁志鋒（1980-），男，碩士研究生，從事固體推進劑配方與工藝研究。

國家自然科學基金（21173163）；燃燒與爆炸技術重點實驗室基金（9140C350341006）。