纳米材料对双基和改性双基推进剂燃烧性能的影响

袁志锋，王江宁，张 超，郑 伟，陈 娜，张 军，皮文丰

（西安近代化学研究所，陕西 西安710065）

引 言

纳米材料作为一种新材料已经得到国内外的广泛关注，从纳米金属粉、纳米氧化物、纳米复合材料到纳米碳都进行了探索性研究，关于各种纳米材料（包括纳米复合物）在双基推进剂的应用已有大量研究［1-7］。国内外关于纳米材料对推进剂某组份的热分解，以及纳米铝粉对推进剂能量性能、燃烧性能的影响也进行了的研究［8］。但这些研究主要集中在对中等燃速双基推进剂的影响方面，对低燃速推进剂、含RDX 或HMX 或HMX／Al改性双基推进剂燃烧性能的研究较少。

本实验研究了纳米铝粉对低燃速双基推进剂燃烧性能的影响、纳米AlN 对含RDX 改性双基推进剂燃烧性能的影响、纳米复合物n-DPN 粉对HMX 或HMX／Al的改性双基推进剂燃烧性能的影响，以期为此类纳米材料在双基推进剂中的应用提供参考。

1 实 验

1.1 材料与仪器

纳米Al粉、纳米AlN（氮化铝）粉，皓田纳米科技（上海）有限公司；纳米n-DPN（纳米材料复合物），深圳尊业纳米材料有限公司；普通Al粉。充氮气恒压燃速测试仪，北京航天动力研究所。

1.2 样品的制备

推进剂配方组成见表1。固体推进剂样品采用吸收-离心驱水-光辊压延-切成药条工艺制备。

表1 推进剂配方Table 1 The formulation of propellants

1.3 燃速测试

采用靶线法测试样品燃速。将已处理的Φ5mm×160mm 的药柱包覆后，在氮气气氛中测量燃速。根据Vieille燃速与压强关系式r=apn，计算压强指数n。

2 结果与讨论

2.1 纳米Al粉含量对双基推进剂燃烧性能的影响

研究了纳米Al粉含量对双基推进剂燃烧性能的影响，结果见表2。

表2 纳米Al粉含量对双基推进剂燃烧性能的影响Table 2 Effect of nano-Al powder content on the combustion properties of DB propellant

从表2可以看出，在2～12MPa配方2比配方1的燃速更高，平均高约0.3～1.0mm／s；但配方2在8～20MPa的压强指数（由0.77 降为0.28）较低，表明加入纳米Al粉可提高低压区（2～12MPa）的燃速、降低中高压强区（8～20MPa）的压强指数。

随着纳米铝粉含量的增加，推进剂中高压强区（8～20MPa）的燃速增大，可能是因为随着纳米铝粉含量的增加，燃烧放热量增大，从而提高了燃速；在4～20MPa，与普通铝粉相比，含相同含量（1.5%）纳米铝粉使推进剂燃速提高更多，可能是因为纳米铝粉的燃烧效率比普通铝粉高。

2.2 纳米AlN 粉含量对RDX 改性双基推进剂燃烧性能的影响

研究了纳米AlN 粉含量对RDX 改性双基推进剂燃烧性能的影响，结果见表3。

由表3可以看出，用纳米AlN 替代普通Al2O3，5～15MPa的燃速下降，降幅平均约2mm／s，配方7在18MPa下的燃速超过配方6，在5～18MPa的压强指数大于配方6。对比配方8与配方6，配方8在5～18MPa的燃速下降，平均约5mm／s，最大值为6.25mm／s，降速作用明显；5～18MPa的压强指数增大。因此，纳米AlN 是一种较好的降速剂，能大幅度降低推进剂的燃速，且随着加入量的增加，燃速降幅更大，但会增大推进剂的压强指数。原因可能为AlN粉为惰性物质，不参与燃烧，并且还会吸收推进剂燃烧时产生的热量，因而使燃速。

表3 纳米AlN 粉含量对RDX 改性双基推进剂燃烧性能的影响Table 3 Effect of nano-AlN powder content on the combustion properties of RDX-CMDB propellant

2.3 纳米复合物n-DPN 含量对HMX／Al改性双基推进剂燃烧性能的影响

研究了纳米复合物n-DPN 含量对HMX／Al改性双基推进剂燃速的影响，结果见表4。用表4 数据计算了相邻两压强点之间的催化效率，结果见表5。

表4 纳米复合物n-DPN 含量对HMX／Al改性双基推进剂燃速的影响Table 4 Effects of nano-n-DPN content on the burning rate of HMX／Al-CMDB propellant

表5 n-DPN 对燃速的催化效率Table 5 The catalytic efficiency of n-DPN on burning rate

从表4可以看出，纳米复合物n-DPN 使配方9在5～8MPa产生超速燃烧，在12～20MPa催化效率随着压强的增加而降低，因此推进剂在12～20MPa区间的压强指数降低。

纳米复合物n-DPN 较大幅度地提高了低压段的燃速，但对高压段的提高幅度较小，因此降低了整个区间的压强指数，并在各区间点上的燃速都高于原始配方。

纳米复合物n-DPN 在质量分数小于1%的情况下能较大幅度地提高已添加催化剂的推进剂燃速，并能降低12～20MPa的压强指数，很明显是参与了燃烧反应，是一种有良好应用前景的催化剂。

2.4 纳米复合物n-DPN 含量对HMX 改性双基推进剂燃烧性能的影响

研究了纳米复合物n-DPN 含量对HMX 改性双基推进剂燃烧性能的影响，结果见表6。

表6 纳米复合物n-DPN 含量对HMX 改性双基推进剂燃烧性能的影响Table 6 Effects of nano-n-DPN content on the combustion properties of HMX-CMDB propellant

从表6 可以看出，在5～20MPa时，纳米复合物n-DPN 可降低5～20MPa的压强指数，提高各压强点的燃速，其中低压点5MPa的燃速提高了6.2mm／s、高压点20MPa提高了2.57mm／s。通过比较可以看出，低压段燃速提高的幅度大，高压段燃速提高的幅度小，因此降低了推进剂在5～20MPa的压强指数，改善了推进剂的燃烧性能。

3 结 论

（1）纳米复合物n-DPN 在5～20MPa可提高含HMX／Al的改性双基推进剂的燃速，10MPa时燃速达到24.46mm／s；同时可降低推进剂的压强指数，8～20MPa的压强指数为0.16，15～20MPa出现麦撒燃烧效应，显示出较强的催化燃烧作用和显著的降低压强指数的能力。

（2）纳米Al粉在一定程度上可提高低燃速推进剂的燃速，降低推进剂压强指数。

（3）纳米AlN 粉能显著降低推进剂的燃速，在一定程度上可提高推进剂的压强指数，是一种有良好应用前景的降速剂。

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