类球形超细AP在AP-CMDB推进剂中的应用

2020-09-01张正中蔚红建郭效德邓重清雷红兵陈亦斌

火炸药学报 2020年4期

张正中，蔚红建，郭效德，李铎，邓重清，雷红兵，祝捷，陈亦斌

(1．西安近代化学研究所，陕西西安 710065； 2．南京理工大学国家特种超细粉体工程技术研究中心，江苏南京 210094；3．山西北方兴安化学工业有限公司，山西太原 030008)

引言

含高氯酸铵(AP)的复合改性双基(AP-CMDB)推进剂具有能量水平高、燃速高且易于调节及性能稳定等优点，可以有效满足发动机获取瞬时大推力的要求，广泛应用于单兵火箭和反坦克导弹发动机中[1-2]。近年来，随着战术武器向提高射程的方向快速发展，要求导弹发动机能够提供更大的瞬时推力，相应要求推进剂具有高的燃速。AP的性能对推进剂的性能具有重要影响，减小AP粒度可有效提高推进剂燃速，特别是在推进剂中引入超细AP可大幅提高推进剂的燃速，目前已广泛使用超细AP来提高AP-CMDB推进剂的燃速，但超细AP的引入会导致推进剂机械感度急剧升高[3-7]。

相关研究表明[8-13],球形化是降低含能材料固体颗粒机械感度的有效途径之一，可以使含能材料粒子表面形态得到改善，同时减少其晶体缺陷，从而有效降低含能材料的机械感度，同时改善其热分解性能、热安定性及分散均匀性等。荆肖凡等[8]采用重结晶法制备了球形化RDX，和原料RDX相比，重结晶RDX的颗粒分散均匀、热分解峰温降低、热安定性提升、撞击感度降低，特性落高H50由21.5cm提高至36.4cm。宋娟等[13]采用气流粉碎法和球磨法相结合制备了球形化超细AP，所制备的超细球形AP表面光滑、缺陷少，且粒度均匀，其热分解性能和机械感度同时得到改善，与同粒度的非球形AP相比，球形化AP的低温热分解温度和高温热分解温度分别降低了13.4℃，撞击感度和摩擦感度分别降低了32%和45%，原因是类球形AP在热分解过程中的“去活作用”减小，且类球形AP受到外界刺激作用时形成热点的几率降低。因此，在CMDB推进剂中添加类球形超细AP有望同时改善推进剂的燃烧性能和机械感度。

本研究采用溶剂压伸工艺分别制备了含相同粒度的普通AP和类球形AP的AP-CMDB推进剂，探讨了类球形AP对推进剂密度、力学性能、燃烧性能及机械感度等性能的影响，并对其影响机理进行了分析，以期为AP-CMDB推进剂的性能优化提供技术参考。

1 实验

1.1 材料及仪器

NC(含氮量12.6%)、NG(工业品)，西安近代化学研究所；普通AP，d50=1～3μm，洛阳黎明化工研究院；类球形AP，d50=1～3μm，采用气流粉碎和球磨相结合的方法制备，制备过程无杂质引入，纯度与原料AP一致，山西北方兴安化学有限公司；Al粉，d50=5μm，鞍钢实业微细有限公司；无水乙醇及丙酮，分析纯，西安化学试剂厂。

Quanta FEG 600扫描电子显微镜(SEM)，美国FEI公司；10L卧式捏合机、100T油压机，西安近代化学研究所。

1.2 样品的制备

推进剂基础配方(质量分数)为：NC/NG，55%～65%；AP，28%～35%；Al粉，3%～8%；其他，3%～5%。

推进剂样品制备：NC/NG经压延驱水切成片状，外加乙醇和丙酮混合溶剂，将物料加入10L卧式捏合机，倒入混合溶剂，捏合均匀后用100T油压机压伸成管状药柱。

1.3 性能测试

采用扫描电子显微镜研究推进剂样品的微观结构；按照GJB770B-2005方法401.2液体静力称量法测试密度；按照GJB770B-2005方法417.1简支梁法测试抗冲强度；按照GJB770B-2005方法706.1靶线法测试燃速，采用Vieille方程r=apn计算燃速压强指数；撞击感度采用GJB 772A-97方法601.2特性落高法进行测试，落锤质量2kg，药量30mg，用50%爆炸率的特性落高值H50表示；摩擦感度采用GJB 772A-97方法602.1爆炸概率法进行测试，表压2.45MPa，摆角66°，药量20mg，用爆炸百分数P表示。

2 结果与讨论

2.1 密度分析

含相同粒度普通AP和类球形AP的AP-CMDB推进剂密度测试结果一致，均为1.77g/cm3，表明类球形化处理对AP在推进剂中的分散均匀情况影响不大，从而推进剂密度保持不变。

2.2 力学性能分析

含相同粒度普通AP和类球形AP的AP-CMDB推进剂在不同温度下的抗冲强度结果如表1所示。

表1 AP-CMDB推进剂的抗冲强度

从表1可以看出，添加类球形AP后，AP-CMDB推进剂在-40、20和50℃下的抗冲强度均明显降低，为了分析类球形AP对推进剂力学性能的影响，采用扫描电子显微镜对含普通AP和类球形AP的推进剂断面微观结构进行表征，结果如图1所示。

图1 含普通AP及类球形AP的AP-CMDB推进剂SEM图Fig.1 SEM images of AP-CMDB propellants with ordinary AP and spheroidal AP

从图1可以看出，普通AP呈片状结构、表面棱角明显，局部存在颗粒团聚现象，而类球形AP呈类球状、表面较光滑，分散均匀性相对较好；但普通AP与推进剂中的双基组分间结合较为紧密，而类球形AP与双基组分间则存在部分界面脱粘现象，原因可能是与同粒度的普通AP相比，类球形AP球形度高、表面光滑，从而与双基组分之间界面张力增大，使得AP与双基组分间的界面结合力下降；同时，由于与同粒度的普通AP相比，类球形AP相对分散均匀，从而与双基组分之间接触面增多，在受到外力冲击作用时内部应力产生点较多，从而推进剂药柱易被冲断，造成含类球形AP的AP-CMDB推进剂抗冲强度下降。

2.3 燃烧性能分析

含相同粒度普通AP和类球形AP的AP-CMDB推进剂的燃速曲线如图2所示。

从图2可以看出，与同粒度的普通AP相比，含类球形AP的AP-CMDB推进剂在不同压强下的燃速均提高，压强指数基本保持不变，推进剂在10MPa下燃速从60.12mm/s提高至63.03mm/s。原因包括两个方面：一是球形化处理有利于AP的热分解，类球形AP的低温分解峰和高温分解峰均提前，分解温度向低温区移动[13]，同时由于类球形AP分散均匀，从而与催化剂接触面增大，有利于提高催化效率；二是粒度较小的普通AP在推进剂中容易团聚，而类球形超细AP由于相对分散均匀，从而比表面积较大，有利于凝聚相放热反应，AP在推进剂的燃烧表面附近放热增加，传给表面的热量也增加，故推进剂的燃速提高[14]。

2.4 机械感度分析

含相同粒度普通AP和类球形AP的AP-CMDB推进剂的机械感度结果如表2所示。

从表2可以看出，含类球形AP的AP-CMDB推进剂撞击感度和摩擦感度均明显降低，特性落高H50提高了15.7cm，摩擦感度P降低了32%。根据热点理论[15]，非均质炸药在受到撞击和摩擦等机械刺激作用时，其内部形成的热点数量越多，炸药越易点火，机械感度越高。本实验所用的普通AP棱角较多，且分散性较差，在受到外界机械刺激作用时颗粒之间更容易产生相互摩擦作用，从而产生热点的几率也较大，导致机械感度相对较高；而类球形AP由于表面相对较圆滑、棱角较少，且颗粒之间较为分散，根据热点理论，晶体在受到撞击、摩擦等外界作用力时形成热点的几率减小，从而机械感度降低。