類球形超細AP在AP-CMDB推進劑中的應(yīng)用

張正中，蔚紅建，郭效德，李 鐸，鄧重清，雷紅兵，祝 捷，陳亦斌

(1．西安近代化學研究所，陜西 西安 710065； 2．南京理工大學 國家特種超細粉體工程技術(shù)研究中心，江蘇 南京 210094；3．山西北方興安化學工業(yè)有限公司，山西 太原 030008)

引 言

含高氯酸銨(AP)的復(fù)合改性雙基(AP-CMDB)推進劑具有能量水平高、燃速高且易于調(diào)節(jié)及性能穩(wěn)定等優(yōu)點，可以有效滿足發(fā)動機獲取瞬時大推力的要求，廣泛應(yīng)用于單兵火箭和反坦克導彈發(fā)動機中[1-2]。近年來，隨著戰(zhàn)術(shù)武器向提高射程的方向快速發(fā)展，要求導彈發(fā)動機能夠提供更大的瞬時推力，相應(yīng)要求推進劑具有高的燃速。AP的性能對推進劑的性能具有重要影響，減小AP粒度可有效提高推進劑燃速，特別是在推進劑中引入超細AP可大幅提高推進劑的燃速，目前已廣泛使用超細AP來提高AP-CMDB推進劑的燃速，但超細AP的引入會導致推進劑機械感度急劇升高[3-7]。

相關(guān)研究表明[8-13],球形化是降低含能材料固體顆粒機械感度的有效途徑之一，可以使含能材料粒子表面形態(tài)得到改善，同時減少其晶體缺陷，從而有效降低含能材料的機械感度，同時改善其熱分解性能、熱安定性及分散均勻性等。荊肖凡等[8]采用重結(jié)晶法制備了球形化RDX，和原料RDX相比，重結(jié)晶RDX的顆粒分散均勻、熱分解峰溫降低、熱安定性提升、撞擊感度降低，特性落高H50由21.5cm提高至36.4cm。宋娟等[13]采用氣流粉碎法和球磨法相結(jié)合制備了球形化超細AP，所制備的超細球形AP表面光滑、缺陷少，且粒度均勻，其熱分解性能和機械感度同時得到改善，與同粒度的非球形AP相比，球形化AP的低溫熱分解溫度和高溫熱分解溫度分別降低了13.4℃，撞擊感度和摩擦感度分別降低了32%和45%，原因是類球形AP在熱分解過程中的“去活作用”減小，且類球形AP受到外界刺激作用時形成熱點的幾率降低。因此，在CMDB推進劑中添加類球形超細AP有望同時改善推進劑的燃燒性能和機械感度。

本研究采用溶劑壓伸工藝分別制備了含相同粒度的普通AP和類球形AP的AP-CMDB推進劑，探討了類球形AP對推進劑密度、力學性能、燃燒性能及機械感度等性能的影響，并對其影響機理進行了分析，以期為AP-CMDB推進劑的性能優(yōu)化提供技術(shù)參考。

1 實 驗

1.1 材料及儀器

NC(含氮量12.6%)、NG(工業(yè)品)，西安近代化學研究所；普通AP，d50=1～3μm，洛陽黎明化工研究院；類球形AP，d50=1～3μm，采用氣流粉碎和球磨相結(jié)合的方法制備，制備過程無雜質(zhì)引入，純度與原料AP一致，山西北方興安化學有限公司；Al粉，d50=5μm，鞍鋼實業(yè)微細有限公司；無水乙醇及丙酮，分析純，西安化學試劑廠。

Quanta FEG 600掃描電子顯微鏡(SEM)，美國FEI公司；10L臥式捏合機、100T油壓機，西安近代化學研究所。

1.2 樣品的制備

推進劑基礎(chǔ)配方(質(zhì)量分數(shù))為：NC/NG，55%～65%；AP，28%～35%；Al粉，3%～8%；其他，3%～5%。

推進劑樣品制備：NC/NG經(jīng)壓延驅(qū)水切成片狀，外加乙醇和丙酮混合溶劑，將物料加入10L臥式捏合機，倒入混合溶劑，捏合均勻后用100T油壓機壓伸成管狀藥柱。

1.3 性能測試

采用掃描電子顯微鏡研究推進劑樣品的微觀結(jié)構(gòu)；按照GJB770B-2005方法401.2液體靜力稱量法測試密度；按照GJB770B-2005方法417.1簡支梁法測試抗沖強度；按照GJB770B-2005方法706.1靶線法測試燃速，采用Vieille方程r=apn計算燃速壓強指數(shù)；撞擊感度采用GJB 772A-97方法601.2特性落高法進行測試，落錘質(zhì)量2kg，藥量30mg，用50%爆炸率的特性落高值H50表示；摩擦感度采用GJB 772A-97方法602.1爆炸概率法進行測試，表壓2.45MPa，擺角66°，藥量20mg，用爆炸百分數(shù)P表示。

2 結(jié)果與討論

2.1 密度分析

含相同粒度普通AP和類球形AP的AP-CMDB推進劑密度測試結(jié)果一致，均為1.77g/cm3，表明類球形化處理對AP在推進劑中的分散均勻情況影響不大，從而推進劑密度保持不變。

2.2 力學性能分析

含相同粒度普通AP和類球形AP的AP-CMDB推進劑在不同溫度下的抗沖強度結(jié)果如表1所示。

表1 AP-CMDB推進劑的抗沖強度

從表1可以看出，添加類球形AP后，AP-CMDB推進劑在-40、20和50℃下的抗沖強度均明顯降低，為了分析類球形AP對推進劑力學性能的影響，采用掃描電子顯微鏡對含普通AP和類球形AP的推進劑斷面微觀結(jié)構(gòu)進行表征，結(jié)果如圖1所示。

圖1 含普通AP及類球形AP的AP-CMDB推進劑SEM圖Fig.1 SEM images of AP-CMDB propellants with ordinary AP and spheroidal AP

從圖1可以看出，普通AP呈片狀結(jié)構(gòu)、表面棱角明顯，局部存在顆粒團聚現(xiàn)象，而類球形AP呈類球狀、表面較光滑，分散均勻性相對較好；但普通AP與推進劑中的雙基組分間結(jié)合較為緊密，而類球形AP與雙基組分間則存在部分界面脫粘現(xiàn)象，原因可能是與同粒度的普通AP相比，類球形AP球形度高、表面光滑，從而與雙基組分之間界面張力增大，使得AP與雙基組分間的界面結(jié)合力下降；同時，由于與同粒度的普通AP相比，類球形AP相對分散均勻，從而與雙基組分之間接觸面增多，在受到外力沖擊作用時內(nèi)部應(yīng)力產(chǎn)生點較多，從而推進劑藥柱易被沖斷，造成含類球形AP的AP-CMDB推進劑抗沖強度下降。

2.3 燃燒性能分析

含相同粒度普通AP和類球形AP的AP-CMDB推進劑的燃速曲線如圖2所示。

從圖2可以看出，與同粒度的普通AP相比，含類球形AP的AP-CMDB推進劑在不同壓強下的燃速均提高，壓強指數(shù)基本保持不變，推進劑在10MPa下燃速從60.12mm/s提高至63.03mm/s。原因包括兩個方面：一是球形化處理有利于AP的熱分解，類球形AP的低溫分解峰和高溫分解峰均提前，分解溫度向低溫區(qū)移動[13]，同時由于類球形AP分散均勻，從而與催化劑接觸面增大，有利于提高催化效率；二是粒度較小的普通AP在推進劑中容易團聚，而類球形超細AP由于相對分散均勻，從而比表面積較大，有利于凝聚相放熱反應(yīng)，AP在推進劑的燃燒表面附近放熱增加，傳給表面的熱量也增加，故推進劑的燃速提高[14]。

2.4 機械感度分析

含相同粒度普通AP和類球形AP的AP-CMDB推進劑的機械感度結(jié)果如表2所示。

從表2可以看出，含類球形AP的AP-CMDB推進劑撞擊感度和摩擦感度均明顯降低，特性落高H50提高了15.7cm，摩擦感度P降低了32%。根據(jù)熱點理論[15]，非均質(zhì)炸藥在受到撞擊和摩擦等機械刺激作用時，其內(nèi)部形成的熱點數(shù)量越多，炸藥越易點火，機械感度越高。本實驗所用的普通AP棱角較多，且分散性較差，在受到外界機械刺激作用時顆粒之間更容易產(chǎn)生相互摩擦作用，從而產(chǎn)生熱點的幾率也較大，導致機械感度相對較高；而類球形AP由于表面相對較圓滑、棱角較少，且顆粒之間較為分散，根據(jù)熱點理論，晶體在受到撞擊、摩擦等外界作用力時形成熱點的幾率減小，從而機械感度降低。

3 結(jié) 論

(1)含普通AP和類球形AP的AP-CMDB推進劑密度一致，均為1.77g/cm3。

(2)含類球形AP的AP-CMDB推進劑力學性能下降，含普通AP和類球形AP的推進劑-40℃抗沖強度分別為5.22和4.12kJ/m2。

(3)含類球形AP的AP-CMDB推進劑燃速提高，壓強指數(shù)基本不變，含普通AP和類球形AP的推進劑在10MPa下的燃速分別為60.12和63.03mm/s。

(4)含類球形AP的AP-CMDB推進劑的機械感度大幅降低，特性落高H50提高了15.7cm，摩擦感度P降低了32%。