NEPE推进剂/衬层界面研究进展

装药界面是固体火箭发动机故障高发部位。NEPE固体推进剂活性组分多,界面化学物理过程复杂,装药界面粘接问题更加突出。重点开展了界面结构表征、界面粘接与老化失效机理两个方面的研究,发现NEPE推进剂/衬层界面区域在微观尺度上存在多层次结构,推进剂一侧形成40~80μm的HMX及其键合剂富集区,衬层HTPB粘合剂向NEPE推进剂方向扩散,在物理分界衬层侧形成粘合剂基体富集层。系统分析了影响界面粘接的主要因素,确定了影响界面粘接的主反应,阐明了两个主反应的竞争关系。揭示了界面粘接的主要副反应,即工艺助剂YS与固化剂的反应。发现了NEPE推进剂/衬层粘接界面老化降解的关键化学过程,界面老化降解主要发生在PEG与N100反应形成的氨基甲酸酯结构的C—O键,氮氧化物的残余含量决定老化反应的速率。     

NEPE推进剂用HTPB衬层老化研究(Ⅰ)——化学环境对衬层老化行为的影响

根据衬层的使用特点,研究了NEPE推进剂用HTPB衬层在NEPE推进剂环境及自由状态下的老化特性,发现NEPE推进剂对HTPB衬层的固化和老化都有严重影响。NEPE推进剂药浆影响HTPB衬层固化,导致衬层固化不完全。NEPE推进剂环境下的取样衬层与衬层材料具有不同的老化机理。取样衬层老化过程中HTPB网络发生了交联反应,模量、凝胶分数增大;而衬层材料老化以降解断链反应为主。老化对衬层材料动态损耗因子没有明显影响,但对取样衬层损耗因子曲线α峰影响显著。     

NEPE推进剂粘接体系中的组分迁移及影响

采用高效液相色谱(HPLC)和等离子发射光谱(ICP),并结合粘接强度的变化,研究了NEPE推进剂粘接体系中组分的迁移及对粘接性能的影响.结果表明,NEPE推进剂中的硝酸酯和稳定剂向HTPB/TDI衬层中的迁移量,随氨基甲酸酯硬段含量的升高而增大;硝酸酯的迁移对衬层的粘接贮存性能无明显不利影响,但显著降低了HTPB/TDI衬层的力学贮存性能;NEPE推进剂中TPB的单向迁移降低了衬层/推进剂界面的粘接性能,稳定剂的单向迁移显著降低了界面的粘接贮存性能.     

IPDI型HTPB推进剂界面软化因素研究

根据界面推进剂状态和粘接拉伸强度,研究了HTPB—IP—DI推进剂界面软化的影响因素。结果表明,存放期间半固化衬层吸收的水分是HTPB—IPDI推进剂界面软化的根源：衬层吸水量的大小决定界面软化的程度;衬层中的吸水性填料、存放时间和环境湿度影响衬层的吸水量;而衬层中的固化催化剂、推进剂中的碱性功能助剂ZGY及高固化温度等因素对界面软化起着明显的促进作用。     

丁羟推进剂粘接体系中的组分迁移

用浸泡增重法研究了衬层、绝热层对DOS和T27的吸收能力,用气相色谱仪研究了HTPB推进剂/HTPB衬层/EPDM绝热层粘接体系中DOS、T27和GFP的迁移。结果表明,HTPB衬层和EPDM绝热层对DOS和T27的吸收能力很强;粘合剂的极性增大或交联密度升高,衬层对DOS、T27的吸收能力下降,但粘合剂的极性增大,对衬层与HTPB推进剂的界面粘接性能不利;在HTPB推进剂/HTPB衬层/EPDM绝热层粘接体系中,DOS、T27或GFP的迁移平衡浓度为粘合剂相的平衡浓度。     

HTPB与TDI固化的分子模拟研究

为了提供固化反应的微观信息,运用Materials Studio 4.2分子模拟软件,构建HTPB和TDI分子模型,对HTPB和TDI固化进行分子动力学(MD)和合成(Synthia)模拟。分析了固化体系的构型、键长、X-射线散射图谱和弹性模量,结果表明,氰酸酯基(—NCO)中的N C双键变单键和羟基O—H断开,形成新化学键(—HNCOO—)生成氨基甲酸酯;HT-PB与TDI是一个自发进行的固化反应;HTPB-TDI固化体系的力学性能得到了改善,为HTPB-TDI固化研究提供了一种切实可行的新方法。     

基于Micro-CT的NEPE推进剂装药界面细观结构

NEPE推进剂装药界面粘接问题是制约NEPE推进剂推广应用的技术瓶颈之一,急需有效的细观结构表征技术,以揭示NEPE推进剂装药界面形成机理。采用Micro-CT技术,开展了NEPE推进剂/衬层/绝热层界面细观结构研究,发现Micro-CT图像可明显区分界面各相以及各相的基体与填充物,可识别不同的固体填充物;绝热层/衬层界面存在有锯齿状的镶嵌结构的扩散层,厚度不超过10μm;推进剂与衬层之间有一定的扩散,存在明显的推进剂与衬层基体富集层,在推进剂一侧,还形成40~80μm的HMX颗粒富集层。     

新型固化催化剂对高燃速HTPB推进剂性能的影响

文章研究了新型固化催化剂CSH-01对高燃速HTPB-IPDI推进剂力学性能、工艺性能、高温加速老化性能及推进剂/衬层界面粘接性能的影响。结果表明,添加0.04%CSH-01的固体推进剂,在固化时间不变的情况下可将推进剂固化温度从70℃降低到50℃;在较低的固化参数下推进剂的力学性能便可以达到较高的水平;固化后的推进剂中的异氰酸酯基团数量变少,减轻了推进剂后固化现象,使推进剂的高温加速老化性能也得到改善;推进剂药浆50℃下保温5 h的粘度为1177.8 Pa·s,可满足推进剂生产对工艺性能的要求;添加CSH-01的高燃速IPDI型HTPB推进剂与衬层中的固化反应速率更匹配,可改善推进剂的界面粘接性能。总之,与TPB相比,CSH-01具有更及时、适中的催化效果,是高燃速HTPBIPDI推进剂较为理想的固化催化剂。     

键合剂与粘合剂的匹配性研究

运用单向拉伸和扫描电镜表征了TEA、BAG—7、BAG—22及BAG—24等多种键合剂在HTPB和784两种粘合剂推进剂中的效能;采用化学分析、红外分析、差热分析等手段,研究了HTPB和784两种粘合剂对键合剂效能的影响。结果表明,键合剂的效能与键合剂和粘合剂的互溶性、粘合剂的链段结构、粘合剂的活性基团和固化剂的反应速度及它们的相互作用等方面,有强烈的相关性。     

固体火箭发动机壳体粘结衬层系统

对于固体火箭发动机壳体粘结衬层系统,提出了在阻挡层/衬层/推进剂配方中弄清化学性质,工艺变量,以及它们如何影响界面粘结性能的思路.层间扩散速率和每层固化速率需与界面固化的化学改变最小一起考虑。控制阻挡层固化,以减少衬层和推进剂反应物与增塑剂的迁移,且为衬层提供有效的粘结表面.HTPB 是衬层和推进剂的组分之一,其固化时间的变化会影响扩散速率.壳体粘结衬层系统愈来愈复杂,其参变量也就愈来愈多,当更多的变量接近于规范极限时,就会提高可能失效的统计显著性。对于现行的衬层系统应进行工艺变量研究,以期进一步提高各层界面粘结的可靠性.     

白炭黑特性对丁羟衬层力学性能的影响

研究了沉淀法白炭黑在HTPB/TDI衬层中的补强效果及白炭黑的分散性、表面羟基含量和类型、空隙容量等对丁羟衬层力学性能的影响。结果表明,沉淀法白炭黑是HTPB/TDI衬层体系良好的补强填料,补强效果分为物理补强和化学补强两部分,化学补强效果取决于表面孤立态羟基及其相对含量,物理补强效果取决于分散性;白炭黑的空隙容量是综合评定白炭黑在HTPB/TDI衬层中补强效果的有效参数。     

NEPE推进剂/衬层粘接界面细观力学性能/结构研究

研究了不同组成的NEPE推进剂/衬层粘接界面细观力学性能和结构的差异,以及对应粘接界面贮存过程中粘接性能和破坏方式的变化规律,探索了粘接界面的细观力学性能、结构与破坏方式的内在关联,初步提出NEPE推进剂/衬层粘接界面失效模式。试验结果表明,粘接界面细观力学性能、结构与界面粘接质量相关,是影响界面失效模式的主要因素。粘接界面具有高模量、高硬度层,N元素含量高且有明显梯度变化时,粘接质量较好,发生内聚破坏,反之发生界面破坏或混合破坏;老化过程中,粘接界面的模量和硬度降低、N元素的含量明显降低决定粘接界面依次发生内聚破坏、混合破坏和界面破坏。     

提高IPDI丁羟推进剂低温力学性能研究

实验研究了IPDI丁羟推进剂低温力学性能不稳定且偏低的问题。结果表明，导致IPDI丁羟推进剂低温力学性能不稳定且偏低的原因是助剂TB与粘合剂系统不相容，从而命名较多的TBT同固体填料表面聚集；同时，因IPDI的反应活性低，导致能进入粘合剂网络的TB量较少，而使助剂H更多地进入粘合剂网络。这就使推进剂力学性能对助剂TB进入网络的量变化敏感，导致推进剂低温力学性能不稳定；另一方面，由于助剂TB与H没有产生如同TDI丁羟推进剂中的协同效应，也使其低温力学性能偏低。在此基础上，提出了解决该问题的技术途径。     

添加剂对 NEPE推进剂力学性能的影响研究(Ⅰ)

采用单向拉伸法和化学溶胀法研究和剖析了添加剂对NEPE推进剂力学性能的影响机理。单向拉伸实验表明，添加剂加入推进荆后，可以显著提高NEPE推进荆的力学性能；化学溶胀法分析表明，加入添加剂使推进剂的凝胶含量和化学交联密度稍有降低；通过进一步数据处理表明，添加剂的加入明显提高了推进剂的物理交联密度而几乎不影响填料／基体的相互作用。因此综合分析认为，加入添加剂可提高推进剂的物理交联密度，从而改善NEPE推进剂的力学性能。     

固体火箭发动机预固化技术及其应用

依据HTPB复合推进剂界面特性 ,提出改变固化反应温度与时间来调节交联程度 ,使系统的官能团逐步进行化学反应 ,形成化学键和氢键 ,改善了生成物的力学性能。论述了预固化技术和粘接模型。将其应用于固体发动机推进剂 衬层界面粘接、发动机装药成型和推进剂药柱修补技术 ,经地面热试车和飞行考核 ,以及试件的十年储存试验考核 ,性能可靠 ,满足设计要求