2,4-二羟基苯甲酸铅铜盐对Al/RDX-CMDB推进剂燃烧性能的影响
2014-07-12袁志锋赵凤起焦建设张教强杨立波郑晓东
袁志锋,赵凤起,焦建设,张教强,杨立波,郑晓东,张 超,谢 波
2,4-二羟基苯甲酸铅铜盐对Al/RDX-CMDB推进剂燃烧性能的影响
袁志锋1,赵凤起1,焦建设2,张教强3,杨立波1,郑晓东1,张 超1,谢 波1
(1 .西安近代化学研究所 燃烧与爆炸技术重点实验室,陕西 西安,710065;2. 炮兵防空兵装备技术研究所,北京,100012;3. 西北工业大学,陕西 西安,710072)
为了研究2,4-二羟基苯甲酸铅铜盐(Pb/Cu-SDHB)单独或与其它催化剂复合后对含Al粉和黑索今(RDX)改性双基(Al/RDX-CMDB)推进剂燃烧性能的影响,采用吸收-压延方法制备了推进剂样品,用靶线法测试了推进剂燃速。结果表明:Pb/Cu-SDHB能有效调节推进剂燃烧性能,显著提高了Al/RDX-CMDB推进剂的燃速,并明显降低了压强指数;3.0% Pb/Cu-SDHB与0.65%炭黑复合后使Al/RDX-CMDB推进剂在10~15MPa的压强指数降低至-0.1,10MPa下燃速超过20mm/s。
固体推进剂;2,4-二羟基苯甲酸铅铜盐(Pb/Cu-SDHB);燃烧性能;麦撒;平台
含Al粉(质量分数不超过2%)和黑索今(RDX)的CMDB推进剂由于能量高、特征信号低、质量一致性好等总体性能优异而得到了广泛应用,但是由于Al粉和RDX的加入使得推进剂的燃速和压强指数难以调节,限制了Al/RDX-CMDB推进剂的应用。
催化剂是改善、调节固体推进剂燃烧性能以及弹道性能不可缺少的组分之一,CMDB推进剂一般采用无机或有机铅盐,或铜盐、炭黑作为燃烧催化剂[1-6],双金属盐是一种有价值的催化剂,该化合物同时含有铅和铜两种催化元素,提高了催化效率,减少了催化剂的加入量,从而有利于提高推进剂整体的能量。目前,双金属盐在改性双基推进剂应用未见报道。
本文采用2,4-二羟基苯甲酸铅铜(Pb/Cu- SDHB)作为燃烧催化剂,通过少量单独添加或与其它催化剂复合后,研究其对Al/RDX-CMDB推进剂燃烧性能的影响,以期为此类材料在改性双基推进剂中的应用提供技术支撑。
1 实验部分
1.1 材料与仪器
硝化棉(NC,含氮量12.0%),工业纯,四川北方硝化棉股份有限公司制备;硝化甘油(NG),西安近代化学研究所制备;黑索今(RDX),工业纯,兰州白银银光化学材料厂;普通Al粉(Al),哈尔滨东轻金属粉业有限责任公司;炭黑(CB),上海焦化化工发展商社;苯二甲酸铜(φ-Cu),山西博奥化工有限公司;2,4-二羟基苯甲酸铜(β-Cu),山西博奥化工有限公司;镍粉分3种粒度,粒度为1μm(Ni-1),粒度为3μm(Ni-3),粒度为1μm(Ni-5),中国科学院过程工程研究所;2,4-二羟基苯甲酸铅铜(Pb/Cu-SDHB),西安近代化学研究所研制,分子结构见图1。
图1 Pb/Cu-SDHB分子结构
1.2 配方设计及样品的制备
设计了目前得到广泛应用的含25%(质量分数)RDX/2%(质量分数)Al的改性双基推进剂配方,设计了Pb/Cu-SDHB不同含量,以及和不同种类及含量的铜盐、不同种类及含量的镍粉、不同含量的炭黑复合的配方,贴近于实际应用。推进剂的配方见表1。
样品制备:固体推进剂样品采用吸收-离心驱水-光辊压延-切成药条的工艺制备。
1.3 仪器及试验条件
采用GJB 770B-2005方法706.1“燃速 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;再根据Vieille燃速与压强关系式=ap,计算压强指数,式中为燃速,为压强,a为常数。
表1 推进剂配方
Tab.1 The formulation of propellants
2 结果与讨论
2.1 Pb/Cu-SDHB含量对Al/RDX-CMDB推进剂燃烧性能的影响
Al/RDX-CMDB推进剂能量比双基推进剂高,质量一致性好,在战术导弹发动机装药上得到了广泛应用,因此研究了Pb/Cu-SDHB含量对Al/RDX-CMDB推进剂燃烧性能的影响,结果见表2。
表2 Pb/Cu-SDHB含量对Al/RDX-CMDB推进剂燃烧性能的影响
Tab.2 Effects of Pb/Cu-SDHB content on combustion property of Al/RDX-CMDB propellant
从表2可以看出,在没有Pb-Cu-C三组元催化剂的空白配方中加入1.0%的Pb/Cu-SDHB,推进剂在10~15MPa的压强指数以较大幅度下降,同时燃速有所增加。随着Pb/Cu-SDHB含量的增大(从0%增加至3.0%),推进剂压强指数大幅度下降,推进剂的燃速小幅度增加,尤其是低压下的燃速增加得多,高压下的燃速增加少,因此推进剂的燃速压强指数下降;说明随着Pb/Cu-SDHB含量的增加,其催化作用逐渐得到体现;但当含量增加至4.0%时,推进剂的燃速进一步增加,但压强指数也大幅度增加,主要原因是高压区比低压区的燃速增加迅速。
以上结果初步说明Pb/Cu-SDHB是一种有效的催化剂,能大幅度提高中压下的燃速,从而降低压强指数;但达到一定含量后推进剂高压区的燃速提高迅速,因此带来了压强指数的增大。
2.2 Pb/Cu-SDHB与不同含量CB复合对Al/RDX-CMDB推进剂燃烧性能的影响
CB是推进剂配方中常用的催化剂,有提高燃速、调节压强指数的作用,因此探索了Pb/Cu-SDHB与不同含量CB复合对Al/RDX-CMDB推进剂燃烧性能的影响,结果见表3。
表3 Pb/Cu-SDHB与不同含量CB复合对Al/RDX-CMDB推进剂燃烧性能的影响
Tab.3 Effect of Pb/Cu-SDHB composite with carbon on combustion property of Al/RDX-CMDB propellant
从表3可以看出,在含有3.0%Pb/Cu-SDHB的推进剂配方中加入0.5%CB,推进剂的压强指数小幅度降低,燃速有所提高。随着CB含量的增加,推进剂的燃速显著提高,压强指数先降低然后增大,但即使CB含量达到0.8%时推进剂依然能产生麦撒效应,达到0.95%时推进剂压强指数虽然有所增加,但依然能产生平台燃烧。说明随着CB的增加,其与Pb/Cu- SDHB组成的复合催化体系作用越来越明显,推进剂的燃速越来越高,10MPa燃速最多增加12.42mm/s;压强指数先大幅下降至-0.10,然后缓慢增加,但最高不超过0.11。
产生上述效果的原因可能是由于CB的加入,在推进剂燃烧表面形成了更多的碳骨架,使催化剂在燃烧表面上停留时间更长,产生的催化效果更好,因此提高了燃烧,降低了压强指数。
2.3 Pb/Cu-SDHB和不同含量的β-Cu复合对Al/RDX -CMDB推进剂燃烧性能的影响
β-Cu是推进剂配方中常用的催化剂,能提高推进剂的燃速,因而初步研究了Pb/Cu-SDHB和不同含量的β-Cu复合对Al/RDX -CMDB燃烧性能的影响,结果见表4。
表4 Pb/Cu-SDHB和不同含量的β-Cu复合对Al/RDX-CMDB推进剂燃烧性能的影响
Tab.4 Effect of Pb/Cu-SDHB composite with β-Cu on combustion property of Al/RDX-CMDB propellant
从表4可以看出,在含有3.0%Pb/Cu-SDHB的推进剂配方中加入0.4%β-Cu,压强指数大幅度降低;燃速在10~12MPa提高较多,在12~15MPa提高较少。随着β-Cu含量的增大,推进剂的燃速以较大幅度提高;压强指数先降低,出现麦撒燃烧,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能大幅度降低推进剂的压强指数(最多降低0.37),在加入量0.4%~1.2%的范围内,推进剂的压强指数范围为0.06~-0.12; 加入β-Cu能大幅度提高推进剂燃速,10MPa下燃速最多提高7.22mm/s。产生这些效果的原因可能是由于β-Cu的加入,推进剂燃烧表面的催化中心变得更多、更为细密,因此燃烧性能得到了较大幅度的提升。
2.4 Pb/Cu-SDHB和不同含量φ-Cu复合对Al/RDX -CMDB推进剂燃烧性能的影响
φ-Cu是推进剂配方中常用的催化剂,具有调节推进剂压强指数的作用,因此探索了Pb/Cu-SDHB和不同含量φ-Cu对Al/RDX-CMDB推进剂燃烧性能的影响,结果见表5。
表5 Pb/Cu-SDHB和不同含量φ-Cu复合对Al/RDX-CMDB推进剂燃烧性能的影响
Tab.5 Effect of Pb/Cu-SDHB composite with φ-Cu on combustion property of Al/RDX-CMDB propellant
从表5可以看出,在含有3.0%Pb/Cu-SDHB的推进剂配方中加入0.4%φ-Cu,压强指数以较大幅度增加;燃速有所下降。随着φ-Cu含量的增大,推进剂的燃速呈下降趋势,压强指数呈增大趋势,且幅度相当大(当φ-Cu含量为1.2%时,压强指数增大为0.80)。
可以看出,φ-Cu在本配方体系里是负催化剂,降低推进剂燃速,提高压强指数,且加入量越大,影响越严重。
2.5 Pb/Cu-SDHB和不同粒度、含量的镍粉复合对Al/ RDX-CMDB推进剂燃烧性能的影响
镍粉是推进剂配方中常用的催化剂,具有调节推进剂燃速和压强指数的作用,Pb/Cu-SDHB与镍粉复合形成催化体系可能对燃烧性能起到较好的调节作用,因此初步研究了Pb/Cu-SDHB和不同粒度、含量镍粉对Al/RDX-CMDB燃烧性能的影响,结果见表6。
表6 Pb/Cu-SDHB和不同粒度、含量镍粉对Al/RDX-CMDB推进剂燃烧性能的影响
Tab.6 Effects of Pb/Cu-SDHB composite with different granularity and content of Ni on combustion property of Al/RDX- CMDB propellant
从表6可以看出,在含有0.5%Ni-1的推进剂配方中加入1.0%Ni-1,推进剂的压强指数大幅度增加,燃速有所下降。随着增加的镍粉粒度由1μm分别替换为3μm或5μm,推进剂的燃速在10~15MPa先减小然后增加,压强指数以较大幅度下降。当在已经加入0.5%Ni-1的推进剂中加入1.0%的1μm、3μm或5μm的镍粉,推进剂的燃速都会下降;压强指数在加入1.0%的1μm、3μm镍粉的情况下大幅度提高,在含量加入1.0%的Ni-5时有所降低。由以上可知,在已经含有0.5% 1μm镍粉的推进剂中再加入粒径为1~5μm的镍粉对推进剂燃烧性能的改善基本不起作用,甚至有变差的可能性。
3 结论
(1)Pb/Cu-SDHB是一种有效的燃烧催化剂,作为唯一的催化剂,加入较少含量(3.0%质量分数)可以大幅度降低Al/RDX-CMDB推进剂的压强指数(小于0.3),同时提高推进剂的燃速。
(2)Pb/Cu-SDHB质量分数为3.0%时,通过与一定含量炭黑复合,可使Al/RDX-CMDB推进剂的压强指数继续降低,达到-0.10(10~15MPa);燃速进一步提高,10MPa下超过25mm/s。
(3)在含有Pb/Cu-SDHB的Al/RDX-CMDB推进剂中加入β-Cu能降低推进剂的压强指数,当β-Cu含量为0.8%(质量分数)时,推进剂的压强指数由0.25降低至-0.12;燃速以相当幅度增加,尤其当β-Cu含量达到1.2%(质量分数)时燃速增加7.22mm/s (10 MPa)。但加入φ-Cu反而会显著增大推进剂的压强指数,燃速小幅度下降。
(4)在含有Pb/Cu-SDHB、0.5%1μm镍粉的Al/ RDX-CMDB推进剂中,加入粒度为1μm、3μm的镍粉时,推进剂的压强指数增加,加入5μm的镍粉时推进剂的压强指数略微增加,但燃速变化不明显。
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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
袁志锋(1980-),男,硕士研究生,从事固体推进剂配方与工艺研究。
国家自然科学基金(21173163);燃烧与爆炸技术重点实验室基金(9140C350341006)。