PNI對(duì)RDX／Al-CMDB推進(jìn)劑燃燒性能的影響

袁志鋒，趙鳳起，楊立波，鄭曉東，張 超，田 軍

（西安近代化學(xué)研究所燃燒與爆炸技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安710065）

PNI對(duì)RDX／Al-CMDB推進(jìn)劑燃燒性能的影響

袁志鋒，趙鳳起，楊立波，鄭曉東，張 超，田 軍

（西安近代化學(xué)研究所燃燒與爆炸技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安710065）

采用吸收-壓延方法制備了含4-硝基咪唑鉛鹽（PNI）的RDX／Al-CMDB推進(jìn)劑樣品，用靶線法測(cè)試了其燃速，研究了PNI與炭黑組成的二組元催化劑，PNI、炭黑和安定劑組成的三組元催化劑，PNI與不同種類鉛鹽組成的多組元催化劑對(duì)RDX／Al-CMDB推進(jìn)劑燃燒性能的影響。結(jié)果表明，PNI是一種有效的含能燃燒催化劑；PNI與炭黑或β鉛鹽的混合物可使推進(jìn)劑出現(xiàn)平臺(tái)或麥撒燃燒；當(dāng)PNI的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.0%時(shí)，推進(jìn)劑的壓強(qiáng)指數(shù)降至0.07；1.0%PNI和2.5%β-Pb的混合物使推進(jìn)劑的壓強(qiáng)指數(shù)降至－0.13。含PNI改性雙基推進(jìn)劑的燃速可調(diào)，出現(xiàn)平臺(tái)或麥撒區(qū)間。

物理化學(xué)；PNI；固體推進(jìn)劑；燃燒性能；壓強(qiáng)指數(shù)；麥撒效應(yīng)；平臺(tái)效應(yīng)

引 言

催化劑是改善、調(diào)節(jié)固體推進(jìn)劑燃燒性能以及彈道性能不可缺少的組分，是固體推進(jìn)劑配方中十分重要的功能材料。改性雙基固體推進(jìn)劑一般采用無(wú)機(jī)或有機(jī)鉛鹽或銅鹽、炭黑作燃燒催化劑［1-3］，但是它們多為惰性催化劑，對(duì)推進(jìn)劑的能量沒(méi)有貢獻(xiàn)。目前，含能催化劑在國(guó)內(nèi)外已得到廣泛應(yīng)用［4-6］，是固體推進(jìn)劑燃燒催化劑的一個(gè)主要發(fā)展方向。

目前，國(guó)內(nèi)外研究的含能催化劑主要是多硝基苯含能催化劑、NTO鹽類、含能金屬絡(luò)合物和含疊氮基團(tuán)的有機(jī)酸鹽類等。鄭曉東［7］等合成了2，4-DNI鉛鹽，研究了該材料對(duì)雙基和改性雙基推進(jìn)劑燃燒性能的影響，發(fā)現(xiàn)含2，4-DNI鉛鹽改性雙基推進(jìn)劑的燃燒性能不夠理想。4-硝基咪唑鉛鹽（PNI）是一種新型含能催化劑，其中的硝基可提供能量，因此比惰性催化劑的能量性能好。本實(shí)驗(yàn)研究了PDI對(duì)RDX／Al-CMDB推進(jìn)劑燃燒性能的影響，發(fā)現(xiàn)催化燃燒效果十分明顯，使推進(jìn)劑出現(xiàn)平臺(tái)或麥撒效應(yīng)，以期為推進(jìn)劑用催化劑的選擇提供參考。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 材料與儀器

PNI，西安近代化學(xué)研究所；RDX，遼寧慶陽(yáng)特種化工有限公司；Al，中國(guó)科學(xué)院過(guò)程工程研究所；炭黑1，山東省章丘市永振炭黑設(shè)備廠，粒徑30～50μm；炭黑2，上海焦化特種炭黑廠，粒徑10～ 15μm；二元β-Pb，山西博奧化工有限公司，鉛含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）36%；三元β-Pb，山西博奧化工有限公司，鉛含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）57%；二號(hào)中定劑（C2），重慶長(zhǎng)風(fēng)化學(xué)工業(yè)有限公司。

1.2 樣品的制備

RDX／Al-CMDB推進(jìn)劑配方見(jiàn)表1。樣品采用吸收、離心驅(qū)水、光輥壓延、切成藥條工藝制備成Φ5 mm×160 mm的藥條，用聚乙烯醇包覆。

表1 含PNI改性雙基推進(jìn)劑配方Table 1 Formulations of CMDB propellants containing PNI

1.3 燃速測(cè)試

采用靶線法測(cè)試樣品的燃速；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 PNI含量對(duì)含炭黑1的RDX／Al-CMDB推進(jìn)劑燃燒性能的影響

研究了PNI含量對(duì)含炭黑1的RDX／Al-CMDB推進(jìn)劑燃燒性能的影響，結(jié)果見(jiàn)表2。

從表2可以看出，在5～20 MPa，配方2～4比配方1的壓強(qiáng)指數(shù)大幅度降低；燃速在中低壓區(qū)大幅度提高，說(shuō)明PNI能夠大幅提高推進(jìn)劑的燃速。配方2的壓強(qiáng)指數(shù)下降幅度最大，在相同壓強(qiáng)下燃速提高最大；而配方4比配方3的壓強(qiáng)指數(shù)增加，相同壓強(qiáng)下的燃速卻降低，這說(shuō)明隨著PNI含量的增加，推進(jìn)劑的燃速呈先增加后下降趨勢(shì)，壓強(qiáng)指數(shù)呈先降低后增大趨勢(shì)，因此在該推進(jìn)劑體系中，PNI含量并不是越大對(duì)改善推進(jìn)劑燃燒性能越有利。

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表2 PNI含量對(duì)含炭黑1的RDX／Al-CMDB推進(jìn)劑燃燒性能的影響Table 2 Effect of PNI content on combustion properties of RDX／Al-CMDB propellants containing carbon black 1

在空白配方中加入PNI后，推進(jìn)劑的壓強(qiáng)指數(shù)明顯減低，燃速尤其是中低壓下的燃速大幅度提高，這也是壓強(qiáng)指數(shù)降低的原因；但隨著PNI含量的增加，推進(jìn)劑出現(xiàn)燃速下降、壓強(qiáng)指數(shù)反而升高的現(xiàn)象。這可能是因?yàn)楫?dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)在一定范圍時(shí)，PNI起到催化作用；但隨著含量的增加，PNI與炭黑1組成的二組元催化體系超出了最佳比例范圍，因此推進(jìn)劑的燃燒性能變差。

2.2 PNI含量對(duì)含炭黑2的RDX／Al-CMDB推進(jìn)劑燃燒性能的影響

研究了PNI含量對(duì)含炭黑2的RDX／Al-CMDB推進(jìn)劑燃燒性能的影響，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 PNI含量對(duì)含炭黑2的RDX／Al-CMDB改性推進(jìn)劑燃燒性能的影響Table 3 Effect of PNI content on combustion properties of RDX／Al-CMDB propellants containing carbon black 2

從表3可以看出，10～20 MPa下配方6～9比配方5的壓強(qiáng)指數(shù)都有所降低，尤其是當(dāng)PNI質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到4.0%時(shí)，壓強(qiáng)指數(shù)降低至0.07；燃速均有所提高，當(dāng)PNI質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到4.0%時(shí)，燃速提高至22.95 mm／s，這說(shuō)明PNI能夠改善推進(jìn)劑的燃燒性能。

當(dāng)PNI的質(zhì)量分?jǐn)?shù)從1.5%增加到2.0%時(shí)，推進(jìn)劑的燃速增大，壓強(qiáng)指數(shù)降低。當(dāng)PNI的質(zhì)量分?jǐn)?shù)從2.0%增加到3.0%，推進(jìn)劑的燃速反而有所降低（除10 MPa外），壓強(qiáng)指數(shù)也有所減小。當(dāng)PNI的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.0%時(shí)，推進(jìn)劑的燃速在低壓區(qū)得到大幅提高，而高壓區(qū)提高幅度較小，因此降低了整個(gè)區(qū)間的壓強(qiáng)指數(shù)，10～20 MPa下推進(jìn)劑的壓強(qiáng)指數(shù)接近于0，取得平臺(tái)效應(yīng)。

出現(xiàn)上述變化的原因可能因?yàn)镻NI是一種含能鉛鹽，隨著其含量的增加，催化作用逐漸增加，總體上看推進(jìn)劑的燃速越來(lái)越高，壓強(qiáng)指數(shù)越來(lái)越低。此外，PNI比惰性催化劑的能量性能好，因此在推進(jìn)劑中引入PNI是調(diào)節(jié)推進(jìn)劑能量及燃燒性能有效的途徑。

2.3 PNI與兩種安定劑組成的二組元催化劑對(duì)RDX／Al-CMDB推進(jìn)劑燃燒性能的影響

研究了PNI與二硝基二苯胺、間苯二酚組成的二組元催化劑對(duì)推進(jìn)劑燃燒性能的影響，結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 PNI與兩種安定劑組成的二組元催化劑對(duì)RDX／Al-CMDB推進(jìn)劑燃燒性能的影響Table 4 Effect of PNI and binary catalyst composed of two kinds of stabilizers on combustion properties of RDX／Al-CMDB propellants

從表4可以看出，隨著二硝基二苯胺含量的增加，8～15 MPa下推進(jìn)劑的燃速提高約1 mm／s，壓強(qiáng)指數(shù)略微下降。隨著間苯二酚含量的增加，推進(jìn)劑的燃速在8～15 MPa時(shí)提高，且隨著壓強(qiáng)的增加，燃速增幅變大，壓強(qiáng)指數(shù)也增大。加入相同含量的間苯二酚比二硝基二苯胺在10 MPa下燃速提高約3.5mm／s?？梢缘贸觯琍NI與不同的安定劑復(fù)合也影響推進(jìn)劑的燃速和壓強(qiáng)指數(shù)，但影響的程度不同。

2.4 PNI與不同種類鉛鹽組成的多組元催化劑對(duì)RDX／Al-CMDB推進(jìn)劑燃燒性能的影響

探索了PNI與不同種類鉛鹽組成的多組元催化劑對(duì)RDX／Al-CMDB推進(jìn)劑燃燒性能的影響，結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 PNI與不同種類鉛鹽組成的多組元催化劑對(duì)RDX／Al-CMDB推進(jìn)劑燃燒性能的影響Table 5 Effect of PNI and multiple catalyst composed of different lead salts on combustion properties of RDX／Al-CMDB propellants

從表5可看出，1.0%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）PNI和2.5%三元β-Pb組成二組元催化劑時(shí)，推進(jìn)劑的壓強(qiáng)指數(shù)最低達(dá)－0.13，出現(xiàn)麥撒燃燒，將兩種鉛鹽級(jí)配時(shí)，隨著三元β-Pb含量的增加，推進(jìn)劑的壓強(qiáng)指數(shù)增大，燃速增加。

1.0 %二元β-Pb與3.0%三元β-Pb組合使用，推進(jìn)劑的燃速最高，15 MPa時(shí)推進(jìn)劑的燃速超過(guò)30 mm／s；當(dāng)用1.0%PNI替代1.0%三元β-Pb時(shí)，燃速下降約2 mm／s（10 MPa），壓強(qiáng)指數(shù)降低0.16，出現(xiàn)平臺(tái)燃燒效應(yīng)?？傊?，在PNI、二元β-Pb和三元β-Pb三種鉛鹽中，二元β-Pb使推進(jìn)劑燃速提高幅度最大，但是會(huì)增大推進(jìn)劑的壓強(qiáng)指數(shù)；PNI能有效降低推進(jìn)劑的壓強(qiáng)指數(shù)，尤其與三元β-Pb組合使用能使推進(jìn)劑出現(xiàn)麥撒效應(yīng)。

由上可見(jiàn)，PNI與二元β-Pb或三元β-Pb組成二元或三元催化體系時(shí)，比單獨(dú)加入二元β-Pb或三元β-Pb催化劑效果要好，因此可以嘗試雙鉛催化劑或三鉛催化劑體系共同作用，來(lái)調(diào)節(jié)推進(jìn)劑的燃燒性能。

3 結(jié) 論

（1）PNI是一種有效的燃燒催化劑，與炭黑2組成的二組元催化劑可使推進(jìn)劑在10～20 MPa出現(xiàn)平臺(tái)區(qū)間；PNI與三元β-Pb以及炭黑2組成的三組員催化劑可使推進(jìn)劑在8～15 MPa出現(xiàn)平臺(tái)區(qū)間或麥撒區(qū)間。

（2）含PNI的RDX／Al-CMDB推進(jìn)劑在10 MPa時(shí)燃速在14.30～27.10 mm／s可調(diào)，出現(xiàn)平臺(tái)或麥撒區(qū)間。

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

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Effect of PNI on the Combustion Properties of RDX／Al-CMDB Propellant

YUAN Zhi-feng，ZHAO Feng-qi，YANG Li-bo，ZHENG Xiao-dong，ZHANG Chao，TIAN Jun
（Science and Technology on Combustion and Explosion Laboratory，Xi′an Modern Chemistry Research Institute，Xi′an 710065，China）

The RDX／Al-CMDB propellants containing 4-initroimidazole lead salt（PNI）were prepared by an absorption／rolling method.The burning rates of propellants were measured by a target line method.The effect of PNI／carbon，PNI／carbon／stabilizer，PNI／Pb salts on the combustion properties of RDX／Al-CMDB propellants were studied.The results show that PNI is an effective energetic burning catalyst.The combination of PNI with carbon black orβ-Pb salt makes the mesa effect or plateau of CMDB propellant appear.When the mass fraction of PNIis 4. 0%，it makes the pressure exponent of propellant decrease to 0.07.The combination of 1.0%PNI and 2.5%β-Pb salt makes the pressure exponent of propellant decrease to－0.13.The burning rate of RDX／Al-CMDB propellants containing PNI is adjustable and can appear the plateau or mesa effect.

physical chemistry；PNI；solid propellant；combustion property；pressure exponent；mesa effect； plateau effect

TJ55；X93

A

1007-7812（2014）04-0070-04

2013-10-23；< class="emphasis_bold">修回日期：2

2014-01-02

國(guó)家自然科學(xué)基金（21173163）；燃燒與爆炸技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金（9140C3503141006）

：袁志鋒（1980－），男，碩士研究生，從事固體推進(jìn)劑配方與工藝研究。

趙鳳起（1963－），男，研究員，博士生導(dǎo)師，從事固體推進(jìn)劑配方與性能研究。