HTPB/IPDI推進(jìn)劑裝藥界面弱粘接增強(qiáng)技術(shù)的探析

宋文　羅濤　陳芳

摘 要：本文對(duì)HTPB/IPDI推進(jìn)劑裝藥界面弱粘接增強(qiáng)技術(shù)進(jìn)行了深入研究。本文分別對(duì)-NCO消耗速度在絕熱層表面預(yù)處理作用下受到的影響、界面粘接強(qiáng)度在絕熱層表面預(yù)處理作用下受到的影響、藥柱近界面推進(jìn)劑固化在絕熱層表面預(yù)處理作用下受到的影響進(jìn)行了深入分析，具有重要意義。

關(guān)鍵詞：HTPB/IPDI推進(jìn)劑；裝藥界面；粘結(jié)性能

自1970年研發(fā)出HTPB /IPDI推進(jìn)劑以來(lái)，由于其具有多種優(yōu)點(diǎn)，包括可研制高燃速與高固體含量推進(jìn)劑配方、良好的力學(xué)性能、藥漿適用時(shí)間長(zhǎng)等，現(xiàn)已發(fā)展成為全球各地的一大主要復(fù)合固體推進(jìn)劑，當(dāng)前很多不同型號(hào)的固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)裝藥均在使用HTPB /IPDI推進(jìn)劑。但是HTPB /IPDI推進(jìn)劑也存在一些不足和缺陷，尤其是在HTPB /IPDI推進(jìn)劑的裝藥界面，極易發(fā)生弱粘接現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)發(fā)生界面脫粘現(xiàn)象，嚴(yán)重威脅了固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的工作可靠性、結(jié)構(gòu)完整性，由一旦HTPB /IPDI推進(jìn)劑的裝藥界面出現(xiàn)脫粘現(xiàn)象，殼體便會(huì)出現(xiàn)失強(qiáng)、過(guò)熱等不良現(xiàn)象，發(fā)動(dòng)機(jī)最終會(huì)失效或者解體。華立等人從多個(gè)方面對(duì)推進(jìn)劑進(jìn)行了深入研究，包括環(huán)境因素、實(shí)施工藝、組分遷移、絕熱層配方等，同時(shí)對(duì)固體推進(jìn)劑裝藥界面粘接性能在不同因素下受到的影響進(jìn)行激烈討論，最后對(duì)多個(gè)界面粘接性能造成影響的規(guī)律進(jìn)行有效總結(jié)，對(duì)界面粘接性能的技術(shù)措施進(jìn)行了有效改善，根據(jù)大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)一些產(chǎn)品在研發(fā)過(guò)程中發(fā)生的脫粘問(wèn)題進(jìn)行了有效解決。不過(guò)因?yàn)楣腆w推進(jìn)劑裝藥界面的粘接是非常復(fù)雜的，當(dāng)前整個(gè)同行均亟待解決的問(wèn)題均為界面弱粘接、脫粘問(wèn)題。所以對(duì)HTPB /IPDI推進(jìn)劑裝藥界面的粘結(jié)可靠性、粘結(jié)強(qiáng)度進(jìn)行有效提高，是當(dāng)前主要研究工作內(nèi)容。

在過(guò)去人們工作的基礎(chǔ)下，對(duì)于HTPB / IPDI推進(jìn)劑體系，進(jìn)行了很多相關(guān)研究，除了吸附水分、襯層吸收水分這兩個(gè)原因以外，絕熱層間活性物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)或者遷移等也是造成界面推進(jìn)劑出現(xiàn)弱強(qiáng)度層的重要原因。HTPB/IPDI推進(jìn)劑裝藥界面在上述各種原因影響作用下，造成固化劑異氰酸酷的大力消耗，嚴(yán)重降低固化參數(shù)，導(dǎo)致固化交聯(lián)程度的下降。本文選用/三元乙丙絕熱層粘接體系、IPDI推進(jìn)劑、HTPB推進(jìn)劑等作為主要研究對(duì)象，通過(guò)選用表面處理劑，在襯層成型之前預(yù)處理絕熱層表面，對(duì)含活潑氫小分子物質(zhì)擴(kuò)散遷移到推進(jìn)劑現(xiàn)象進(jìn)行有效避免，對(duì)固化劑IPDI的額外消耗量進(jìn)行有效降低，以對(duì)在界面推進(jìn)劑區(qū)域中產(chǎn)生弱強(qiáng)度層進(jìn)行有效抑制，以對(duì)界面粘結(jié)強(qiáng)度進(jìn)行有效提高。

1 -NCO消耗速度在絕熱層表面預(yù)處理作用下受到的影響

在HTPB/IPDI推進(jìn)劑裝藥界面中，化學(xué)鍵是一種最佳的作用力，能夠?yàn)榻缑尜x予相應(yīng)的黏結(jié)強(qiáng)度，由于兩個(gè)分子或者兩個(gè)原子在對(duì)電子對(duì)進(jìn)行共享時(shí)，才會(huì)表現(xiàn)出最強(qiáng)的作用力。通過(guò)-NCO和一些含活潑氫基團(tuán)產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，HTPB/IPDI推進(jìn)劑裝藥界面粘接才能夠發(fā)揮出相應(yīng)的化學(xué)鍵合作用。所以，在襯層預(yù)固化結(jié)束以后，界面粘結(jié)的一大重要因素就是剩余的-NCO濃度。通過(guò)大量研究后，不難發(fā)現(xiàn)，襯層在絕熱層表面中發(fā)生預(yù)固化反應(yīng)過(guò)程中，和本體消耗速度相比，-NCO的消耗速度更快一些，在發(fā)生反應(yīng)三小時(shí)以后，襯層在絕熱層表面約剩余7.5%的-NCO，襯層本體約剩余16%的-NCO。但是在表面處理劑進(jìn)行預(yù)處理以后，襯層在絕熱層表面進(jìn)行預(yù)固化時(shí)，-NCO的消耗速度顯著下降，在發(fā)生反應(yīng)三小時(shí)以后，襯層在絕熱層表面約剩余16.5%的-NCO，和熱層表面沒(méi)有進(jìn)行預(yù)處理比較，約提升1倍，這說(shuō)明-NCO消耗速度在絕熱層表面預(yù)處理作用下，能夠顯著降小，能夠?qū)TPB /IPDI推進(jìn)劑裝藥界面的粘接強(qiáng)度進(jìn)行有效提高。

2 界面粘接強(qiáng)度在絕熱層表面預(yù)處理作用下受到的影響

襯層在成型之前，針對(duì)三元乙丙絕熱層表面，通過(guò)選用表面處理劑對(duì)其進(jìn)行預(yù)處理后，能夠?qū)TPB / IPDI推進(jìn)劑裝藥界面的粘接強(qiáng)度進(jìn)行有效提高。另外，裝藥界面粘接性能的一大重要影響因素還有絕熱層烘干程度。一般來(lái)說(shuō)，隨著絕熱層烘干時(shí)間的不斷變長(zhǎng)，界面粘接強(qiáng)度會(huì)變得越強(qiáng)。

3 藥柱近界面推進(jìn)劑固化在絕熱層表面預(yù)處理作用下受到的影響

和粘接試件比較，藥柱的裝藥環(huán)境是非常接近于發(fā)動(dòng)機(jī)的。在沒(méi)有預(yù)處理絕熱層情況下，在固化期間，藥柱近界面推進(jìn)劑具有顯著的弱強(qiáng)度層，在本區(qū)域中的推進(jìn)劑沒(méi)有固化，但是在藥柱內(nèi)部推進(jìn)劑的固化交聯(lián)是比較好的，通過(guò)進(jìn)行測(cè)量以后，在固化3天時(shí)，近界面推進(jìn)劑弱強(qiáng)度層的厚度為4mm，在固化4天時(shí)，近界面推進(jìn)劑弱強(qiáng)度層的厚度為3mm，在固化5天時(shí)，近界面推進(jìn)劑弱強(qiáng)度層的厚度為2mm，即隨著固化時(shí)間的推移，近界面推進(jìn)劑弱強(qiáng)度層的厚度不斷變薄。由此可以證明，針對(duì)絕熱層表面，在對(duì)其進(jìn)行預(yù)處理以后，能夠?qū)缑嫱七M(jìn)劑弱強(qiáng)度層的形成起到顯著的抑制作用，能夠?qū)TPB /IPDI推進(jìn)劑裝藥界面的粘接性能進(jìn)行有效提升。

4 小結(jié)

通過(guò)本文研究后，得出以下結(jié)論：在襯層成型之前，在預(yù)處理絕熱層表面以后，能夠?qū)TPB /IPDI推進(jìn)劑裝藥界面的粘接強(qiáng)度進(jìn)行有效提高；在襯層成型之前，在預(yù)處理絕熱層表面以后，能夠?qū)缑嫱七M(jìn)劑弱強(qiáng)度層的形成起到顯著的抑制作用；近界面推進(jìn)劑在固化期間，藥柱并不會(huì)產(chǎn)生顯著的弱強(qiáng)度層現(xiàn)象；在襯層成型之前，在預(yù)處理絕熱層表面以后，能夠?qū)TPB /IPDI推進(jìn)劑裝藥界面弱粘接性能進(jìn)行有效提高。

參考文獻(xiàn)：

[1]詹國(guó)柱，黃洪勇，樓陽(yáng)，邱磊.界面推進(jìn)劑弱強(qiáng)度層的形成與抑制[J].固體火箭技術(shù)，2017（03）.