镍粉对RDX-CMDB推进剂燃烧性能的影响

2015-03-23陈俊波

火工品 2015年4期

马亮，陈俊波，郑伟，张超

（西安近代化学研究所，陕西西安，710065）

推进剂燃烧过程是一个复杂的高温、瞬时、高压的放热化学反应，热传质速度与化学反应速度决定了推进剂的燃烧速度[1]。镍粉可以通过改善推进剂组分的热分解特性，降低含能成分的表观活化能，调节推进剂的燃烧性能，从而实现提高燃速与降低推进剂的可燃压力极限等目标[2-3]。但是由于昂贵的造价与复杂的制备工艺，实现纳米级镍粉的应用困难重重[4-6]。相比于纳米级镍粉，微米级的镍粉来源丰富，廉价易得，工程应用广泛，因而对微米级镍粉的研究更加具有实际价值。

1 实验部分

1.1 原材料

硝化棉（12.6% N）和硝化甘油由四川川安化工厂生产，Ⅱ号中定剂、凡士林、吉纳、黑索今、2,4-二羟基苯甲酸铅、水杨酸铜、炭黑、镍粉（1μm、3μm、5μm），均为工业品。

1.2 样品制备

基础配方组成（质量分数）：NC+NG 63%，Ⅱ号中定剂1.5%，凡士林0.5%，RDX24%，催化剂5%，其他5%。实验样品采用无溶剂压伸工艺（吸收、熟化、光棍压延）制备。推进剂配方中镍粉粒径及含量如表1所示。

表1 推进剂镍粉含量Tab.1 The Ni content of propellants

1.3 性能测试方法

采用恒压静态燃速仪，按照GJB 770B-2005方法706.1“燃速-靶线法”测试燃速。将5mm×5mm×150mm的燃速药条侧面用聚乙烯醇溶液浸渍包覆6次并晾干，在充氮缓动式燃速仪中进行燃速测试。温度为20℃，压力范围为1～12MPa。

采用单幅放大彩色摄影法测试推进剂样品的火焰结构照片。把未经过包覆、尺寸为1.5mm×4.0mm×25.0mm样品垂直装在点火架上，然后把点火架放入四视窗燃烧室内，充氮气使燃烧室内达到预定压力，并形成自下而上的流动氮气气氛，且及时排除燃气保证照片质量。采用20V直流电源作点火源，通过程序控制器用Φ0.15mm镍铬合金丝从样品上端点燃试样，燃烧正常后启动照相机拍照，即可得到推进剂稳态燃烧时的火焰结构照片。

采用“Π”型微型热电偶测试推进剂样品的燃烧波温度分布曲线。采用JSE-5800型扫描电子显微镜（日本电子公司）采集Ni粉的表面形貌信息。

2 实验结果与分析

2.1 Ni粉的表征

图1为镍粉的扫描电镜照片。从图1可以看到，3种镍粉都呈现出团聚状态。5μm镍粉团聚颗粒尺寸最大，1μm颗粒最小。

2.2 Ni粉粒径对燃烧性能的影响

含不同粒径及含量镍粉的RDX-CMDB推进剂燃速测试结果见表2、图2。从表2和图2可以看出不同粒径（1μm、3μm、5μm）与含量的镍粉对RDX-CMDB推进剂的燃速性能均有影响。比较1#、2#、3#、5#样品的燃速可以发现，粒径减小不利于提高推进剂的燃速。2#样品中1μm 的镍粉对推进剂的燃速性能影响较小，6MPa时，燃速为11.40mm/s，同1#样品燃速相比，提高了6%；5#样品6MPa时，燃速为13.27mm/s，增加了23%。2～10MPa下，1.5%的3μm镍粉对推进剂的燃速提高效应最明显，说明镍粉含量的增加促进了RDX的热分解，进而提高了推进剂的燃速；6MPa时，燃速为13.91mm/s，增加了29%。低压下（1MPa），镍粉对RDX-CMDB推进剂的燃速无较大影响，高压下（12MPa）5#样品的燃速最大，达到了14.58mm/s。

图1 镍粉样品的扫描电镜图Fig.1 The SEM pictures of nickel powder samples

表2 含镍粉RDX-CMDB推进剂的燃速Tab.2 The burning rate of RDX-CMDB propellant containing nickel powder

图2 含镍粉RDX-CMDB推进剂的燃速Fig.2 The burning rate of RDX-CMDB propellant containing nickel powder

2.3 燃烧火焰结构照片

图3为RDX-CMDB推进剂在1MPa、2MPa和4MPa下的火焰结构照片。由图3可见，镍粉对RDX-CMDB推进剂的火焰基本结构均没有产生较大影响，但是燃烧表面的规则性、燃面的几何形状与尺寸、暗区与明亮区的几何形状与尺寸产生一系列的变化。RDXCMDB推进剂的燃烧火焰结构与双基推进剂类似，分为燃烧表面区、嘶嘶区、暗区以及明亮火焰区。1MPa下，镍粉的加入使得火焰区几何尺寸增加，火焰与燃面之间的暗区厚度降低，意味着镍粉促进了推进剂的燃烧，此现象与推进剂燃速的提高相印证。2#、3#、4#、5#样品的燃烧火焰色泽并不均匀，说明了火焰气相区组成或者温度分布不规则。压力增大，火焰结构发生了较大的变化，表面反应剧烈，暗区厚度大大减小，燃烧终焰向外喷射，形成不规则的燃面。

图3 RDX-CMDB推进剂在1MPa、2MPa和4MPa下的火焰Fig.3 The flame pictures of RDX-CMDB propellant under 1MPa、2MPa and 4MPa

2.4 燃烧波温度分布曲线

图4为1MPa下RDX-CMDB推进剂的燃烧波温度分布。

图4 1MPa下RDX-CMDB推进剂样品的燃烧波温度分布曲线图Fig.4 The combustion wave temperature distribution of RDX-CMDB propellant samples under 1MPa

由图4可见，燃烧波温度分布曲线大致可以分为2个阶段，第1阶段是温度上升到1400℃左右，此为燃面温度Ts，可以看出镍粉的加入并未影响此阶段，5个被测样品在此阶段的燃烧波温度分布曲线几乎相同。第2个阶段为最终的绝热火焰温度Tf，意味着最终火焰区的温度。1#样品的Tf略小于1500℃，但是镍粉的加入大大地提高了Tf的温度，均远远大于1500℃。同时可以看出，2#、3#、4#、5#被测样品的最终火焰区温度发生了较大波动，也解释了图3中低压下2#、3#、4#、5#样品火焰颜色不均匀的现象。