PNI对RDX／Al-CMDB推进剂燃烧性能的影响

袁志锋，赵凤起，杨立波，郑晓东，张 超，田 军

（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）

PNI对RDX／Al-CMDB推进剂燃烧性能的影响

袁志锋，赵凤起，杨立波，郑晓东，张 超，田 军

（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）

采用吸收-压延方法制备了含4-硝基咪唑铅盐（PNI）的RDX／Al-CMDB推进剂样品，用靶线法测试了其燃速，研究了PNI与炭黑组成的二组元催化剂，PNI、炭黑和安定剂组成的三组元催化剂，PNI与不同种类铅盐组成的多组元催化剂对RDX／Al-CMDB推进剂燃烧性能的影响。结果表明，PNI是一种有效的含能燃烧催化剂；PNI与炭黑或β铅盐的混合物可使推进剂出现平台或麦撒燃烧；当PNI的质量分数为4.0%时，推进剂的压强指数降至0.07；1.0%PNI和2.5%β-Pb的混合物使推进剂的压强指数降至－0.13。含PNI改性双基推进剂的燃速可调，出现平台或麦撒区间。

物理化学；PNI；固体推进剂；燃烧性能；压强指数；麦撒效应；平台效应

引 言

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，是固体推进剂配方中十分重要的功能材料。改性双基固体推进剂一般采用无机或有机铅盐或铜盐、炭黑作燃烧催化剂［1-3］，但是它们多为惰性催化剂，对推进剂的能量没有贡献。目前，含能催化剂在国内外已得到广泛应用［4-6］，是固体推进剂燃烧催化剂的一个主要发展方向。

目前，国内外研究的含能催化剂主要是多硝基苯含能催化剂、NTO盐类、含能金属络合物和含叠氮基团的有机酸盐类等。郑晓东［7］等合成了2，4-DNI铅盐，研究了该材料对双基和改性双基推进剂燃烧性能的影响，发现含2，4-DNI铅盐改性双基推进剂的燃烧性能不够理想。4-硝基咪唑铅盐（PNI）是一种新型含能催化剂，其中的硝基可提供能量，因此比惰性催化剂的能量性能好。本实验研究了PDI对RDX／Al-CMDB推进剂燃烧性能的影响，发现催化燃烧效果十分明显，使推进剂出现平台或麦撒效应，以期为推进剂用催化剂的选择提供参考。

1 实 验

1.1 材料与仪器

PNI，西安近代化学研究所；RDX，辽宁庆阳特种化工有限公司；Al，中国科学院过程工程研究所；炭黑1，山东省章丘市永振炭黑设备厂，粒径30～50μm；炭黑2，上海焦化特种炭黑厂，粒径10～ 15μm；二元β-Pb，山西博奥化工有限公司，铅含量（质量分数）36%；三元β-Pb，山西博奥化工有限公司，铅含量（质量分数）57%；二号中定剂（C2），重庆长风化学工业有限公司。

1.2 样品的制备

RDX／Al-CMDB推进剂配方见表1。样品采用吸收、离心驱水、光辊压延、切成药条工艺制备成Φ5 mm×160 mm的药条，用聚乙烯醇包覆。

表1 含PNI改性双基推进剂配方Table 1 Formulations of CMDB propellants containing PNI

1.3 燃速测试

采用靶线法测试样品的燃速；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 PNI含量对含炭黑1的RDX／Al-CMDB推进剂燃烧性能的影响

研究了PNI含量对含炭黑1的RDX／Al-CMDB推进剂燃烧性能的影响，结果见表2。

从表2可以看出，在5～20 MPa，配方2～4比配方1的压强指数大幅度降低；燃速在中低压区大幅度提高，说明PNI能够大幅提高推进剂的燃速。配方2的压强指数下降幅度最大，在相同压强下燃速提高最大；而配方4比配方3的压强指数增加，相同压强下的燃速却降低，这说明随着PNI含量的增加，推进剂的燃速呈先增加后下降趋势，压强指数呈先降低后增大趋势，因此在该推进剂体系中，PNI含量并不是越大对改善推进剂燃烧性能越有利。

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表2 PNI含量对含炭黑1的RDX／Al-CMDB推进剂燃烧性能的影响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，推进剂的压强指数明显减低，燃速尤其是中低压下的燃速大幅度提高，这也是压强指数降低的原因；但随着PNI含量的增加，推进剂出现燃速下降、压强指数反而升高的现象。这可能是因为当质量分数在一定范围时，PNI起到催化作用；但随着含量的增加，PNI与炭黑1组成的二组元催化体系超出了最佳比例范围，因此推进剂的燃烧性能变差。

2.2 PNI含量对含炭黑2的RDX／Al-CMDB推进剂燃烧性能的影响

研究了PNI含量对含炭黑2的RDX／Al-CMDB推进剂燃烧性能的影响，结果见表3。

表3 PNI含量对含炭黑2的RDX／Al-CMDB改性推进剂燃烧性能的影响Table 3 Effect of PNI content on combustion properties of RDX／Al-CMDB propellants containing carbon black 2

从表3可以看出，10～20 MPa下配方6～9比配方5的压强指数都有所降低，尤其是当PNI质量分数达到4.0%时，压强指数降低至0.07；燃速均有所提高，当PNI质量分数达到4.0%时，燃速提高至22.95 mm／s，这说明PNI能够改善推进剂的燃烧性能。

当PNI的质量分数从1.5%增加到2.0%时，推进剂的燃速增大，压强指数降低。当PNI的质量分数从2.0%增加到3.0%，推进剂的燃速反而有所降低（除10 MPa外），压强指数也有所减小。当PNI的质量分数为4.0%时，推进剂的燃速在低压区得到大幅提高，而高压区提高幅度较小，因此降低了整个区间的压强指数，10～20 MPa下推进剂的压强指数接近于0，取得平台效应。

出现上述变化的原因可能因为PNI是一种含能铅盐，随着其含量的增加，催化作用逐渐增加，总体上看推进剂的燃速越来越高，压强指数越来越低。此外，PNI比惰性催化剂的能量性能好，因此在推进剂中引入PNI是调节推进剂能量及燃烧性能有效的途径。

2.3 PNI与两种安定剂组成的二组元催化剂对RDX／Al-CMDB推进剂燃烧性能的影响

研究了PNI与二硝基二苯胺、间苯二酚组成的二组元催化剂对推进剂燃烧性能的影响，结果见表4。

表4 PNI与两种安定剂组成的二组元催化剂对RDX／Al-CMDB推进剂燃烧性能的影响Table 4 Effect of PNI and binary catalyst composed of two kinds of stabilizers on combustion properties of RDX／Al-CMDB propellants

从表4可以看出，随着二硝基二苯胺含量的增加，8～15 MPa下推进剂的燃速提高约1 mm／s，压强指数略微下降。随着间苯二酚含量的增加，推进剂的燃速在8～15 MPa时提高，且随着压强的增加，燃速增幅变大，压强指数也增大。加入相同含量的间苯二酚比二硝基二苯胺在10 MPa下燃速提高约3.5mm／s。可以得出，PNI与不同的安定剂复合也影响推进剂的燃速和压强指数，但影响的程度不同。

2.4 PNI与不同种类铅盐组成的多组元催化剂对RDX／Al-CMDB推进剂燃烧性能的影响

探索了PNI与不同种类铅盐组成的多组元催化剂对RDX／Al-CMDB推进剂燃烧性能的影响，结果见表5。

表5 PNI与不同种类铅盐组成的多组元催化剂对RDX／Al-CMDB推进剂燃烧性能的影响Table 5 Effect of PNI and multiple catalyst composed of different lead salts on combustion properties of RDX／Al-CMDB propellants

从表5可看出，1.0%（质量分数）PNI和2.5%三元β-Pb组成二组元催化剂时，推进剂的压强指数最低达－0.13，出现麦撒燃烧，将两种铅盐级配时，随着三元β-Pb含量的增加，推进剂的压强指数增大，燃速增加。

1.0 %二元β-Pb与3.0%三元β-Pb组合使用，推进剂的燃速最高，15 MPa时推进剂的燃速超过30 mm／s；当用1.0%PNI替代1.0%三元β-Pb时，燃速下降约2 mm／s（10 MPa），压强指数降低0.16，出现平台燃烧效应。总之，在PNI、二元β-Pb和三元β-Pb三种铅盐中，二元β-Pb使推进剂燃速提高幅度最大，但是会增大推进剂的压强指数；PNI能有效降低推进剂的压强指数，尤其与三元β-Pb组合使用能使推进剂出现麦撒效应。

由上可见，PNI与二元β-Pb或三元β-Pb组成二元或三元催化体系时，比单独加入二元β-Pb或三元β-Pb催化剂效果要好，因此可以尝试双铅催化剂或三铅催化剂体系共同作用，来调节推进剂的燃烧性能。

3 结 论

（1）PNI是一种有效的燃烧催化剂，与炭黑2组成的二组元催化剂可使推进剂在10～20 MPa出现平台区间；PNI与三元β-Pb以及炭黑2组成的三组员催化剂可使推进剂在8～15 MPa出现平台区间或麦撒区间。

（2）含PNI的RDX／Al-CMDB推进剂在10 MPa时燃速在14.30～27.10 mm／s可调，出现平台或麦撒区间。

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ZHAO Feng-qi，LI Shang-wen.The study of combination catalysist of RDX-CMDB propellants［J］.Journal of Propulsion Technology，1992，13（2）：57-64.

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LI Shang-wen，MENG Xie-quan，ZHANG Rui-e.et al. The combustion performance of screw extrusion Amonium NitrateSmokeless propellants adjusting and controlling technology.［J］.Journal of Propulsion Technology，1995，16（3）：63-69.

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ZHAO Feng-qi，GAO Hong-xu，LUO Yang，et al. Effeet of novel energetic composite catalysts on combustion properties of minimum smoke propellant［J］. Chinese Journal of Explosives and Propellants，2007，30（2）：1-4.

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［6］ ZHAO Feng-qi，LI Shang-wen，SHAN Wen-gang，et al. Effects on carbon substances on combustion properties，of catalyzed RDX-CMDB propellants［C］∥Solid Propellant Chemistry，Combustion，and Motor Interior Ballistics. New York：AIAA，2000：465-475.

［7］ 郑晓东，崔荣，李洪丽，等.2，4-DNI铅盐的合成及性能［J］.火炸药学报，2006，12（6）：23-26.

ZHENG Xiao-dong，CUI Rong，LI Hong-li，et al. Synthsis and properties of 2，4-dinitroimidazole lead salt［J］.Chinese Journal of Explosives and Propellants，2006，12（6）：23-26.

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

国家自然科学基金（21173163）；燃烧与爆炸技术重点实验室基金（9140C3503141006）

：袁志锋（1980－），男，硕士研究生，从事固体推进剂配方与工艺研究。

赵凤起（1963－），男，研究员，博士生导师，从事固体推进剂配方与性能研究。