含3,5-二硝氨基-1,2,4-三唑肼盐推进剂的能量特性计算

周　诚，毕福强，王伯周,2，李祥志，李吉祯，周　群

(1.西安近代化学研究所， 陕西 西安 710065; 2.氟氮化工资源高效开发与利用国家重点实验室，陕西 西安 710065)



含3,5-二硝氨基-1,2,4-三唑肼盐推进剂的能量特性计算

周诚1，毕福强1，王伯周1,2，李祥志1，李吉祯1，周群1

(1.西安近代化学研究所， 陕西 西安 710065; 2.氟氮化工资源高效开发与利用国家重点实验室，陕西 西安 710065)

摘要：为评价新型高氮化合物3,5-二硝氨基-1,2,4-三唑肼盐(HDNAT)作为固体推进剂组分的应用潜力，采用NASA-CEA软件，在标准条件下(pc∶p0=70∶1)，计算了含HDNAT的丁羟推进剂(HTPB)、聚叠氮缩水甘油醚(GAP)推进剂和改性双基推进剂(CMDB)的能量特性。绘制了HTPB/Al/AP/HDNAT推进剂(金属Al的最大质量分数为20%)的标准理论比冲Isp、特征速度C*、燃烧温度Tc、燃气平均相对分子质量的等性能三角图。结果表明，HDNAT单元推进剂的比冲为2533.0N·s/kg；在HTPB推进剂中，当HDNAT质量分数为50%时，Isp最大为2658.0N·s/kg，较基础配方提高了326.6N·s/kg；在GAP推进剂中，当HDNAT质量分数为30%时，Isp最大为2529.0N·s/kg，较基础配方提高了252.7N·s/kg；在CMDB推进剂中，当HDNAT质量分数为27%时，Isp最大为2593.1N·s/kg，较基础配方提高了57.3N·s/kg。

关键词：物理化学；固体推进剂；3,5-二硝氨基-1,2,4-三唑肼盐; HDNAT；能量特性;NASA-CEA软件

引 言

追求高能量始终是固体推进剂研究的主要方向之一，固体推进剂能量的提高依赖于新型氧化剂、黏合剂等新材料的合成，以及推进剂配方设计思路的创新[1-2]。目前，固体推进剂中常用的氧化剂是高氯酸铵(AP)，其生成焓较低(-290.45kJ/mol)，燃烧产物中有大量氯化氢(HCl)气体，不利于提高推进剂能量和降低特征信号[3]。3,5-二硝氨基-1,2,4-三唑肼盐(HDNAT)是一种性能优异的新型三唑高氮含能材料，密度为1.89g/cm3，实测爆速为9000m/s (ρ=1.80g/cm3)，理论爆压为36.0GPa[4]，具有高能量、高氮含量(57.01%)、高生成焓(292.5kJ/mol)、热稳定性好等特点，且不含卤素，因此，用其取代AP，有望提高固体推进剂的能量、降低特征信号和减少环境污染。

1HDNAT和含能化合物性能比较

HDNAT是一种三唑高氮化合物，其结构式如图1所示。

图1　HDNAT的结构式Fig.1　The structural formula of HDNAT

表1列出了HDNAT和AP、ADN、RDX、DNTF、1,1′-二羟基-5,5′-联四唑二羟胺盐(HATO)等几种含能化合物的物化性能。为研究HDNAT在推进剂中的能量水平，在标准条件(pc∶p0=70∶1)下,采用基于最小自由能原理的NASA-CEA软件计算了其单元推进剂的能量特性参数，结果见表1。

表1　HDNAT与其他几种含能化合物的物化性能和能量特性参数

HDNAT具有高氮、高生成焓的特点，其单元推进剂的标准理论比冲为2533.0N·s/kg，均低于常用的高能化合物RDX、DNTF、HATO，但远高于AP和ADN。同时，HDNAT不含卤素，燃烧产物中无HCl成分，可以大幅度降低推进剂的特征信号、减少环境污染。因此，在推进剂中用其部分或全部取代AP，有利于实现推进剂的高能化和微烟化。

2含HDNAT推进剂的能量特性计算

2.1含HDNAT的HTPB推进剂

为了考察HDNAT含量对HTPB推进剂能量特性和燃烧产物的影响，本研究设计的推进剂配方中保持HTPB和Al的质量分数分别为10%和5%，用HDNAT逐步取代AP，其能量特性和主要燃烧产物含量计算结果如表2所示。

由表2可知，在HTPB/Al/AP/HDNAT推进剂中，用HDNAT逐步取代AP，推进剂的标准理论比冲Isp先增后减，当体系中HDNAT质量分数为50%时，Isp达到最大值2658.0N·s/kg，较基础配方提高了326.6N·s/kg，特征速度C*提高了213m/s，而燃气平均相对分子质量则逐渐下降，可见，加入HDNAT可大幅度提高推进剂的能量。同时，主要燃气产物中，具有腐蚀性的HCl气体含量明显降低，摩尔分数从21.00%降至7.75%。因此，该配方丁羟复合推进剂中，可用HDNAT取代AP，以达到提高推进剂高能量和环境友好的目标。

表2　HDNAT含量对HTPB推进剂的能量特性及燃烧产物的影响

图2　HTPB/Al/AP/HDNAT推进剂的等性能三角图Fig. 2　Iso-property trigonal figures of the HTPB/Al/AP/HDNAT propellant

2.2含HDNAT的GAP推进剂

GAP推进剂具有燃烧性能优异、机械感度低及燃速高等优点。因此，本研究设计的推进剂配方中，GAP的质量分数为15%，用HDNAT取代AP来提高GAP推进剂的能量，其能量特性计算结果如表3所示。

2.3含HDNAT的改性双基推进剂

本研究设计的改性双基推进剂配方为：硝化棉(NC，含氮量12.6%)22%～28%，硝化甘油(NG)30%～35%，AP 30%，Al 2%～7%，DINA 3%～5%，其他助剂4%。采用HDNAT逐步取代配方中的AP，考察推进剂的能量变化规律，结果见表4。

表3　HDNAT含量对GAP推进剂的能量特性及燃烧

表4　含HDNAT的CMDB推进剂的能量性能

3结论

(1)HDNAT是一种高能高氮化合物，单元推进剂比冲为2533.0N·s/kg，且不含卤素，可作为推进剂组分以利于推进剂的高能化和微烟化。

(2)在HTPB/Al/AP/HDNAT体系中，当HDNAT质量分数为50%时，Isp最大为2658.0N·s/kg，较基础配方提高326.6N·s/kg，C*提高213m/s；在GAP/AP/HDNAT体系中，当HDNAT质量分数为30%时，Isp最大为2529.0N·s/kg，较基础配方提高了252.7N·s/kg，C*提高了155m/s；在CMDB推进剂中，Isp最大为2593.1N·s/kg，较基础配方提高57.3N·s/kg，C*提高了70m/s。这表明HDNAT在HTPB推进剂、GAP推进剂和CMDB推进剂中有良好的应用潜力。

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Energetic Characteristics Computation of Propellants Containing Hydrazinium 3,5-Diamino-1,2,4-triazole

ZHOU Cheng1, BI Fu-qiang1, WANG Bo-zhou1，2, LI Xiang-zhi1, LI Ji-zhen1, ZHOU Qun1

(1.Xi′an Modern Chemistry Research Institute, Xi′an 710065, China; 2.State Key Laboratory of Fluorine &Nitrogen Chemical, Xi′an 710065, China)

Abstract:To evaluate the application prospect of novel nitrogen-rich compound hydrazinium 3,5-diamino-1,2,4-triazole(HDNAT) as composite solid propellant components, the energy characteristics of hydroxy terminated polybutadiene(HTPB) propellant, glycidyl azide polymer (GAP) propellant and composite modified double-base(CMDB) propellant containing HDNAT were calculated by NASA-CEA software under the standard condition(pc∶p0=70∶1). The iso-property trigonal figures of standard theory specific impulseIsp, characteristic velocityC*, combustion temperatureTcand average relative molecular weight of combustion gaswfor HTPB/Al/AP/HDNAT propellant(the largest mass fraction of Al is 20%) were drawn out. The results show that theIspof HDNAT monopropellant is 2533.0N·s/kg. When the mass fraction of HDNAT in HTPB propellant is 50%, the largestIspis 2658.0N·s/kg, improves by 326.6N·s/kg compared with the basic formulation. When the mass fraction of HDNAT in GAP propellant is 30%, the largestIspis 2529.0N·s/kg, improves by 252.7N·s/kg compared with the basic formulation. When the mass fraction of HDNAT in CMDB propellant is 27%, the largestIspis 2593.1N·s/kg, improves by 57.3N·s/kg compared with the basic formulation.

Keywords:physical chemistry; solid propellant; hydrazinium 3,5-diamino-1,2,4-triazole; HDNAT;energy characteristics;NASA-CEA software

DOI：10.14077/j.issn.1007-7812.2016.03.016

收稿日期:2015-12-24；修回日期:2016-02-19

基金项目:总装基础科研基金(B0920110051)

作者简介:周诚(1975-)，男，副研究员，从事含能材料合成和应用研究。E-mail: zhoucn@163.com

中图分类号：TJ55;V512

文献标志码：A

文章编号：1007-7812(2016)03-0080-04