基于硝化棉助燃的含能粘合剂爆热特征值测试研究

为了表征含能粘合剂的能量特性,开展了含能粘合剂的燃烧热、生成焓与爆热特征值的测试研究并评估了将其作为含能粘合剂能量特性量化指标的合理性,探索了利用硝化棉(NC)助燃来测试含能粘合剂爆热特征值的方法。结果表明:当含能粘合剂/NC质量比达到1∶5时,绝大多数含能粘合剂可以充分燃烧;以硝化棉为助燃物可准确测取含能粘合剂的爆热特征值,所测聚硝酸酯基缩水甘油醚(PGN)与聚乙烯醇硝酸酯(PVN)的爆热特征值分别为3164、4713 kJ·kg^(-1),与文献值的相对误差均小于5%;燃烧热不能准确反映含能粘合剂的能量优势,采用爆热特征值可较好地表征含能粘合剂的能量特性,避免了生成焓正负之分导致估值体系自我矛盾的缺点;在隔绝氧气的条件下,含能粘合剂能量贡献值从小到大依次为GETPE<FATPE<GAP<PBAMO<NC(12%)<PGN <PVN。

含能热塑性弹性体推进剂研究进展

含能热塑性弹性体推进剂具有高能量、力学性能优异、可循环利用、可回收等优点,近年来成为固体推进剂发展的重要方向。总结了常见的含能热塑性弹性体的综合性能;论述了含能热塑性弹性体推进剂在高能、高燃速、钝感、低特征信号和富燃料推进剂等领域的研究进展;介绍了压延成型、模压成型、螺压成型和熔铸成型四种含能热塑性弹性体推进剂的制备工艺;综述了含能热塑性弹性体推进剂的重复加工性能和回收利用工艺;指出了目前该类推进剂存在的问题和不足,并对其未来发展方向进行了展望。

AlH_(3)含量对固体推进剂药浆流变性能的影响

为解决用AlH_(3)替代Al粉导致的固体推进剂药浆粘度增加、流变性能恶化等问题,采用流变学测试方法研究了AlH_(3)含量对于固体推进剂药浆流变性能的影响,如药浆粘度、动态模量、触变性、温度等。结果表明:推进剂药浆的表观粘度与AlH_(3)的含量存在很强的正相关性;AlH_(3)含量为16%推进剂药浆的剪切速率高于临界剪切速率后出现了“熔体破裂”现象;AlH_(3)的加入可以提高推进剂药浆的储能模量,增强其可逆弹性形变,改善其触变性;AlH_(3)含量越高,剪切速率指数与粘流活化能越小,推进剂药浆粘度对剪切速率和温度的敏感性越低;AlH_(3)含量8%时,药浆粘流活化能随AlH_(3)含量的升高而显著降低,AlH_(3)含量高于8%后,药浆粘流活化能基本不随AlH_(3)的含量而变化。

AlH_(3)在GAP/NG/BTTN中的贮存稳定性研究

针对三氢化铝(AlH_(3))在硝酸酯(NG/BTTN)增塑叠氮缩水甘油醚(GAP)高能推进剂中的贮存稳定性问题,采用XRD、SEM、元素分析等研究了不同温度下AlH_(3)在GAP/NG/BTTN中的分解特性。结果表明:相对于XRD,采用元素分析对AlH_(3)的含量进行定量表征的测试结果波动较小;AlH_(3)本体及其在GAP/NG/BTTN混合物中的分解释氢都存在诱导期、加速期和衰退期,70℃下诱导期均为6 d左右,GAP/NG/BTTN加快了AlH_(3)的分解释氢速率,在加速期内尤为明显,使得AlH_(3)分解加速期的时间跨度由22 d缩短为9 d;在诱导期内,NG/BTTN是影响AlH_(3)贮存稳定性的主要因素,GAP对AlH_(3)的贮存稳定性影响不明显;诱导期内纯AlH_(3)的分解活化能为197.01 kJ/mol,AlH_(3)/GAP/NG/BTTN混合物中AlH_(3)的分解活化能为199.58 kJ/mol,两者的分解活化能基本一致。

含能粉体材料声共振混合过程及机理研究

含能粉体材料混合时极易发生危险,对混合装置的本质安全度要求高。声共振混合可以实现材料迅速流化以及均匀、高效、安全的混合,但固-固颗粒混合机制尚不明确。针对含能粉体材料声共振混合过程中固-固颗粒相互作用问题,分析了在力场作用下的颗粒流动机制和声场作用下的微流效应;采用基于离散单元仿真(EDEM)的Hertz-Mindlin(no slip)模型,对15%填充率的KNO_(3)和B粉在不同垂直加速度下的运动状态、能量状态进行了模拟分析,并设计了与之对应的正交实验进行应用验证。结果表明,颗粒间的平均受力和单颗粒的平均能量均与颗粒粒径正相关,这与在一定尺寸范围内颗粒直径越小声辐射力和微流场力越大的理论推导结果相符,正交实验结果验证了声共振混合点火药相较于传统混合装备具有更好的产品性能和近乎5倍的混合效率。

基于随机本构模型的HTPB推进剂装药结构完整性评估

针对HTPB推进剂力学性能的分散性问题,引入用对数正态概率密度函数描述的随机参数,构建随机本构模型,开展了基于随机本构模型的发动机药柱在点火增压工况下的结构完整性分析。结果表明:通过随机本构模型预测的5组应力应变曲线与试验的5组应力应变曲线重合度较高,试验曲线全部落在95%的概率区间之内,随机本构模型可以较好地反映推进剂材料的分散性;药柱的力学响应与随机参数有关,最大Von Mises应力、最大Von Mises应变、最大位移、最大损伤指数及安全系数均与随机参数呈近似线性关系;基于试验曲线拟合的本构模型和基于概率区间预测的随机本构模型获得的药柱力学响应误差不超过1%,基于概率区间预测的随机本构模型可以准确预测点火增压载荷下的药柱力学响应。

NEPE推进剂/衬层界面固化反应机理的理论研究

推进剂/衬层界面是固体火箭发动机燃烧室中的关键结构。采用密度泛函理论(DFT)研究了硝酸酯增塑聚醚(NEPE)推进剂/衬层粘合界面的反应机理,评估了界面结构中不同组分之间的反应途径和过渡态结构,包括聚乙二醇(PEG)、甘油(GO)、三乙醇胺(TEA)、N,N,N′,N′-四(2-羟乙基)乙二胺(THEED)、甲苯二异氰酸酯(TDI)、异佛尔酮二氰酸酯(IPDI)和多官能度异氰酸酯(N-100);得到不同组分间反应路径的吉布斯自由能曲线。结果表明,TDI与PEG、GO、TEA和THEED之间的反应竞争性发生在第二步修饰反应,即第二个—NCO基团与端羟基的氢转移反应生成产物——聚氨酯;含羟基化合物中端羟基的增多有利于与2,4-TDI反应,但对2,6-TDI体系影响不大。此外,对比相关基元反应决速步的反应速率常数可知,2,4-TDI体系的反应速率常数大多高于2,6-TDI体系、IPDI体系和N-100体系,基元反应PEG+INT1较易发生,而基团反应N-100/THEED最慢发生。

高燃烧效率含卤氧化剂包覆硼粉的制备及性能

为了提升硼粉的点火燃烧性能,采用高能球磨与喷雾干燥相结合的技术制备了4种微纳米B-Fe-Bi_(2)O_(3)@AP/PVDF复合物,根据其高热值和高燃烧效率的特点将四种复合物命名为μBHH_(c)、μBHC_(e)、nBHH_(c)及nBHC_(e),并对其形貌结构、热反应性、点火延迟、质量燃速和凝聚相产物进行了表征分析。结果表明,μBHH_(c)和μBHC_(e)复合物在氩气中最大热值达9.7 k J·g^(-1),最高燃烧效率达66.2%;在氧气中最大热值达14.6 k J·g^(-1),最高燃烧效率达93.3%,空气中氧化峰温在750~760℃之间。n BHH_(c)和n BHC_(e)复合物在氩气中最大热值达9.9 k J·g^(-1),最高燃烧效率达68.9%;在氧气中最大热值达14.8 k J·g^(-1),最高燃烧效率达97.2%,空气中氧化峰温在595~600℃之间。各类复合物的最高燃烧温度达1954~2011℃,其中n BHH_(c)复合物的点火延迟最短(26 ms),且质量燃速最高(1.84 g·s^(-1));μBHC_(e)复合物的点火延迟最长(39 ms),质量燃速也最低(0.80 g·s^(-1))。各类复合物燃烧产物主要由B_(2)O_(3)、B_(4)C及少量未完全燃烧的硼组成,形貌包含5~10μm的球体及10~20μm的片状物质。

固体火箭发动机中最终凝相产物特性分析

铝颗粒的加入可以有效提高固体推进剂的能量特性,但也带来了两相流比冲损失、熔渣沉积和喷管烧蚀加剧等消极影响,因此,对固体火箭发动机最终凝相产物特性展开研究对评估和提升固体火箭发动机性能具有重要意义。以燃烧终产物为主要研究对象,搭建了基于粒度分析仪的高温高速颗粒特性动态测量系统,对AP/HTPB含铝复合推进剂开展了高温高压下固体火箭发动机试验研究,获得了排气羽流中燃烧终产物分布特性,包括燃烧终产物粒径、均值粒径及颗粒种类等随时间的变化规律,为全面了解凝相产物粒度分布特性提供试验和数据支撑。根据发动机燃烧室压力分布趋势,将固体火箭发动机的工作过程划分为3个阶段(阶段①~③),研究表明:阶段①排气羽流中固体颗粒包括黑火药和推进剂两种燃烧产物,黑火药的随机燃烧特性、燃烧室压力和温度的突升会共同影响该阶段的燃烧终产物分布特性;阶段②燃烧稳定性最高,且该阶段不同时刻燃烧终产物粒径具有较为一致的分布特性,可采用特征模式描述阶段②燃烧终产物的粒径分布;阶段③燃烧终产物粒径分布离散度小于阶段①,该阶段燃烧室压力和温度的突降会影响燃烧终产物分布特性;燃烧室压力和温度突变会改变燃烧终产物模态、峰值粒径及均值粒径等分布特性,不同类型颗粒质量分数随发动机工作阶段的变化而变化。

压强对纳米铝粉点火和燃烧特性的影响

为了揭示压强对纳米铝(n-Al)粉点火和燃烧特性的影响,利用高压燃烧实验台对n-Al粉堆进行了0.1~3.5 MPa的激光点火实验研究。采用高速摄像仪、三色测温仪和光谱分析仪同步获取颗粒堆着火、火焰演变、表面辐射温度和特征辐射光谱等信息,分析了n-Al粉堆点火和燃烧特性。结果表明,空气气氛中的n-Al粉堆在1.5 MPa时,燃烧时间最短且最充分,剧烈燃烧阶段占比最大。随着压强的增加,n-Al粉的燃烧火焰强度和特征辐射光谱均增强,三个燃烧阶段时间从常压下的254.03、864.24、922.69 ms分别缩短至1.0 MPa时的118.85、435.69、452.50 ms,总燃烧时间缩短了50.65%。点火延迟时间和燃烧时间均随压强增加呈现非线性曲线的变化趋势,在0.1~1.5 MPa范围内,提高空气压强可以减小n-Al粉的燃烧时间,增大火焰锋面,提升最高燃烧火焰温度,促进气相燃烧。但过高的压强(1.5~2.5 MPa)会阻碍n-Al粉点火及火焰发展,减小剧烈燃烧阶段占比进而增大燃烧时间,引起中压熄火现象。

炸药热-力耦合响应机制研究进展

炸药一般会在热-力耦合刺激下经历能量吸收和累积,易引起分解甚至燃烧爆炸。此过程较复杂,为深入探究炸药的热-力耦合响应机制,围绕炸药产品和炸药晶体,通过实验分析、有限元模拟、分子动力学模拟等多种研究手段,综述了热-力耦合响应机制的相关进展。目前,聚焦炸药产品应用的研究工作,多通过实验分析、有限元模拟以及二者结合的方法展开;针对炸药晶体,围绕高温-高压耦合条件,进行热-力耦合响应机制研究工作,但与实际生产条件仍存在一定差距。在未来工作中,随着实验分析技术和各类模拟手段的持续发展,有望对炸药产品及晶体在热-力耦合刺激下,不同时间尺度、不同空间尺度的物理变化过程、化学反应过程开展更为详尽的探究,推动炸药热-力耦合响应机制的进一步深入,为实现炸药从安全性科学研究向实际应用奠定扎实的理论基础。

超级铝热剂在固体推进剂中的应用研究进展

超级铝热剂具有高放热和高活性的特点,其反应速率和能量释放效率均显著高于传统铝热剂,应用于固体推进剂有望改善释能速率、效率、感度等指标,已成为固体推进剂的发展方向。总结了超级铝热剂的制备工艺、特点及其工业化应用潜力;论述了超级铝热剂在固体推进剂中的适用性;综述了超级铝热剂的微结构(燃料/氧化剂界面控制、核壳结构、多层膜结构)和组分(金属氧化物、氟材料、碳纳米材料)对固体推进剂燃烧性能和能量释放的影响。超级铝热剂的添加显著提高了热反应活性和放热量,增强了推进剂的点火及燃烧性能,同时存在工业生产成本高、工艺控制要求复杂、燃烧过程精密控制难度大等问题,展望了未来超级铝热剂在固体推进剂中应用的研究重点和发展方向。

考虑温度与围压的HTPB固体推进剂细观结构损伤演化机制

为揭示载荷环境对固体推进剂损伤机制的影响,基于孔隙率、应变等因素,利用拉伸试验、SEM、微CT等开展细观结构研究,构建了HTPB固体推进剂细观结构损伤演化物理模型,定量分析不同围压、温度及应变率下推进剂的损伤特性。结果表明,HTPB推进剂处于高围压(10 MPa)时,其最大抗拉强度与伸长率均显著增加。低温高围压(-45℃,10 MPa)环境中,围压会抑制“脱湿”损伤的发生,使得推进剂AP颗粒和基体的界面粘接更好,微裂纹更易聚合形成孔穴,进而出现颗粒破碎损伤机制。细观变形阶段,推进剂内部微裂纹的出现点早于应力-应变曲线的抗拉强度点;宏观裂纹阶段,仅有小部分孔隙的球度较高,大部分孔隙为球度较低、不规则的损伤裂纹,比例达到75%左右,并且孔隙直径与球度之间符合幂率相关性,幂率指数为-0.246;破坏失效阶段,推进剂的损伤机制为颗粒破碎、“脱湿”损伤并伴随着基体粘连。

PBT推进剂中水氧扩散及键合作用的分子动力学模拟

采用分子动力学模拟方法,对H_(2)O和O_(2)在三氟化硼三乙醇胺络合物(T313)中的扩散行为进行模拟,并研究了叠氮聚醚聚氨酯(PU_(PBT))/T313/高氯酸铵(AP)复合体系在不同界面层间的结合能和界面间的相互作用机理。扩散模拟结果显示,随着温度升高,H_(2)O在T313中的扩散系数逐渐降低,O_(2)在T313中的扩散系数逐渐增大,呈现出相反的变化趋势,表明极性分子和非极性分子在键合剂膜层中的扩散现象有显著差异。PU_(PBT)加入键合剂T313后,与AP颗粒之间的结合将更加紧密。PU_(PBT)/T313体系的界面黏附能力主要由PU_(PBT)体系中的原子与T313中各原子之间的强范德华相互作用或氢键相互作用提供,而T313/AP体系的界面黏附能力主要由AP和PU_(PBT)体系中原子之间的强范德华相互作用提供。

高固含量热固性固体推进剂3D打印技术

3D打印技术相比于传统的固体推进剂浇注成型方法具有更高的制造灵活性和安全性。对于高固含量(质量分数大于85%)的固体推进剂材料,传统挤出打印方式存在挤出不连续、成型质量差等问题,限制了发动机的整体性能。针对上述问题,基于超声减摩辅助挤出原理设计了双超声振子共振挤出高固含量热固性固体推进剂打印头。重点探究了打印过程中打印温度、挤出压力、喷嘴直径等关键工艺参数对于打印推进剂材料孔隙率的影响。在打印温度为70℃、挤出压力为0.6 MPa、喷嘴直径为φ1.7 mm,打印层高间距比为0.8的最优工艺参数条件组合下,可打印制备固含量为88%、孔隙率为3.46%、打印制造误差被控制在0.4%以内的复杂变燃速热固性固体推进剂药柱结构,同时打印样件的拉伸强度较传统浇注样件提升56%,为复杂高固含量固体推进剂药柱结构的制造提供了一个新思路。

键合剂结构对AlH_(3)推进剂流变性能和力学性能的影响

针对三氢化铝(AlH_(3))在固体推进剂中的应用问题,采用自制和市售的不同结构键合剂对其进行表面处理,并浇注制备了AlH_(3)基固体推进剂。对比了不同键合剂对推进剂的流变性能、力学性能、热性能和断面形貌等的影响。结果表明:自制聚多巴胺键合剂使推进剂浇注浆料的黏度增大,却提高了推进剂的力学性能,拉伸强度从0.62 MPa提高到1.87 MPa,断裂伸长率从17.50%提高到18.56%;自制聚氨酯键合剂显著降低了推进剂浇注浆料的黏度,在20 s^(–1)的剪切速率下,黏度从0.68 Pa·s降到0.002 Pa·s,而推进剂的拉伸强度保持在0.45 MPa,断裂伸长率保持在43.99%。

炭黑对CMDB推进剂燃烧性能的影响

采用燃烧–靶线法分析了炭黑的种类、含量及粒径对复合改性双基(CMDB)推进剂燃烧性能的影响。结果表明:在压强为1~8MPa时,添加炭黑可以提高推进剂的燃速,Y1炭黑可以有效减小推进剂配方的压强指数;当Y1炭黑在推进剂配方中含量较低时,推进剂样品在压强为3~8MPa时具有平台燃烧特性,小粒径的Y1炭黑有利于推进剂配方压强指数的降低。

超细AP热分解、吸湿与安全性能一体化调控技术

针对超细高氯酸铵(UF-AP)易吸湿、感度高、热分解温度偏高等问题,通过溶剂-非溶剂法制备了UF-AP,平均粒径约为7μm。采用液相沉积法制备了具有核壳结构的超细高氯酸铵@硬脂酸锰(UF-AP@MnSA)复合物,并开展了性能一体化调控研究。采用扫描电子显微镜(SEM)、傅里叶红外光谱法(FT-IR)、热重分析法(TG)、差示扫描量热法(DSC)和(DTG)等方法,对样品的形貌、结构和热分解性能进行了表征;并测量样品的撞击感度、摩擦感度、吸湿率和水接触角等相关参数。结果表明,当MnSA质量分数为3%时,可将UF-AP完全包覆成具有核壳结构的UF-AP@MnSA复合物;MnSA分解产物中的MnO会催化UF-AP的分解过程,随着MnSA质量分数的增加,UF-AP@MnSA复合物的低温分解阶段会被削弱,同时高温分解阶段提前,热分解放热速率显著加快;MnSA质量分数为3%时为最优选择,对应UF-AP@MnSA复合物的高温分解DTG最大为139.1%/min,特性落高(H_(50))增加了20 cm,摩擦感度的爆炸概率减小了72%,72 h吸湿率仅为0.062%,UF-AP@MnSA复合物的热分解性能、安全性能、防吸湿性能均有效提升。

基于微型双螺杆的各向异性装药技术原理和关键工艺参数

各向异性装药是固体火箭发动机能量精细化管理和性能跨越式提升的重要途径。利用增材制造“离散-堆积”的工艺优势,确立了基于微型D6 mm双螺杆的“在线计量-原位混合-连续挤出-增材制造”各向异性复合推进剂增材制造系统原理。在挤出成型过程中,将复合推进剂的材料要素准确映射到药柱的几何空间,为各向异性装药提供一种新的思路。面向挤出成型增材制造工艺需求,室温快速固化双组分聚脲被用于复合推进剂黏合剂,实现了外径120 mm、内径57 mm、高240 mm代料药柱的增材制造成型,固体质量含量72%。进一步定义和实验确立了D6 mm双螺杆系统的关键工艺参数——计量精度、混合均匀度(CV)和组分切换时间(t_(s))。结果表明:粉体、黏合剂的计量体积分别为0.036、0.610 cm^(3)/转,并与螺杆的转速呈良好的线性关系;“粉体-树脂”混合物取样体积为1.0 ml时,变异系数CV值为1.1%,t_(s)低至8 s。

基于近红外光谱技术的固体推进剂燃速模型化快速预估方法

利用近红外光谱技术建立了基于近红外光谱的固体推进剂燃速快速预估模型,通过波谱范围筛选和光谱预处理对模型进行优化,并采用内部验证和外部验证对该模型进行评价,验证模型的精密度及准确度。结果表明,基于近红外光谱技术的固体推进剂燃速快速预估模型测试时间约为2 min,燃速偏差范围为-0.122~0.067 mm/s,精密度测试相对标准偏差≤0.4%,准确度测试偏差-0.029~0.057 mm/s。该方法能够在药浆混合阶段快速预测固体推进剂的燃速,提供了一种简单快捷和稳定可靠的燃速测定新方法。