惰性热塑性弹性体在复合固体推进剂中的应用研究进展

概述了热塑性弹性体的概念和种类,指出了热塑性推进剂的特点,分析了复合固体推进剂用热塑性弹性体的特点,综述了商品化惰性热塑性弹性体在复合固体推进剂中的应用进展情况,重点介绍了合成热塑性聚氨酯(聚醚型、聚酯型及醚/酯共聚型)性能特点及其在复合固体推进剂中的应用情况,针对复合固体推进剂用惰性热塑性弹性体研究中存在的困难,提出了可能的解决方法,认为以合成热塑性聚氨酯作为粘合剂会是热塑性推进剂的一个发展方向。     

热塑性聚氨酯复合固体推进剂

采用与硝化甘油(NG)具有良好相溶性的热塑性聚氨酯弹性体(TPUE)为粘合剂制备了热塑性复合固体推进剂。对热塑性复合固体推进剂的能量性能、力学性能、燃烧性能进行了研究分析。结果表明制备的热塑性复合固体推进剂具有高的理论比冲,可高于265s,具有优良燃烧性能及良好力学性能。     

GAP-PCL含能热塑性弹性体的合成及力学性能

为改善GAP基含能热塑性弹性体(ETPEs)粘合剂的力学性能,通过溶液共聚,以一缩二乙二醇(DEG)为扩链剂,合成得到聚叠氮缩水甘油醚/聚己内酯(GAP/PCL)含能热塑性弹性体。通过傅里叶变换红外光谱(FTIR)对合成的ETPEs进行结构表征,万能材料拉伸机和动态热机械分析(DMA)测试其力学性能。研究比较—NCO/—OH摩尔比(R值)、扩链剂用量、异氰酸酯种类和软段中GAP/PCL质量比对ETPE力学性能的影响。结果表明,制备的ETPEs具有典型的叠氮聚醚聚氨酯特征;确定当R=1.15,DEG的羟基占总反应羟基的40%时,ETPEs的力学性能较好,抗拉强度为13.50 MPa、断裂伸长率为1 654%,升高软段中PCL的含量时,试样力学性能上升明显;低温力学性能中,软段柔顺性好的PCL的引入,会降低ETPEs的储能模量,玻璃化转变温度Tg最低可至-30.4℃。     

BAMO-THF叠氮型热塑性聚氨酯弹性体的合成与表征

为了研究叠氮型热塑性含能粘合剂的合成方法及反应条件对其力学性能的影响,通过熔融预聚二步法合成了以3,3-双(叠氮甲基)环氧丁烷-四氢呋喃共聚醚(BAMO-THF)为软段、异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)及1,4-丁二醇(BDO)为硬段的叠氮型热塑性聚氨酯弹性体(ATPE)。采用傅立叶变换红外光谱(FTIR)对所制备的ATPE的结构进行了表征。通过二正丁胺滴定法确定了最佳的预聚反应时间。研究比较了固化参数R和硬段含量对ATPE力学性能的影响。利用差示扫描量热(DSC)测定了ATPE的玻璃化转变温度,计算了硬段溶于软段的百分数。研究结果表明,所合成的ATPE具有典型的叠氮聚醚聚氨酯特征;确定了预聚反应时间为2 h;当R=1.02时,ATPE的拉伸强度最大,约为4 MPa;硬段含量为40%的ATPE的拉伸强度最大,为3.54 MPa;当硬段含量超过40%以后,硬段溶入软段的百分数小于10%,ATPE体现出良好的微相分离。     

含能热塑性聚氨酯推进剂的能量计算与分析

采用最小自由能法,在标准条件(pc/p0=70∶1)下,比较了用不同软硬段结构的含能热塑性聚氨酯弹性体(ET-PU)作粘合剂的复合推进剂的能量特性,从要获得较高能量水平的观点,排列出了几种ETPU选择的先后次序;计算了含ETPU的各类推进剂的能量特性参数,探讨了ETPU对硝酸酯增塑的复合推进剂和硝胺改性双基推进剂的能量特性的影响规律。结果表明,选用不同ETPU的复合推进剂配方相互间在能量特性上存在着差别,但这种差别并不十分显著,以GAP为软段、TDI为硬段的ETPU,更有利于配方获得较高的能量水平;硝酸酯增塑的ETPU推进剂的理论能量水平高于丁羟推进剂,随增塑比逐渐增大,推进剂的最大理论比冲随之增大,固含量逐步降低;少量ETPU的加入,对硝胺改性双基推进剂的能量特性影响不大,增加Al和RDX含量,更有利于提高含ETPU的硝胺改性双基推进剂的能量水平。     

以混合聚醚为软段的含能热塑性聚氨酯弹性体的性能研究

采用熔融二步法合成了以聚叠氮缩水甘油醚(GAP)和聚环氧乙烷-四氢呋喃共聚物(PET)为软段,以2,2-二叠氮甲基-1,3-丙二醇和HMDI为硬段,硬段含量为55%的混合聚醚型含能热塑性聚氨酯弹性体(ETPUE),通过FTIR、DSC、DMA及机械性能测试对该弹性体进行了结构和性能表征,发现所合成的ETPUE具有GAP含能弹性体的特征,具有明显的相分离,ETPUE中PET的引入使GAP的Tg降低,在PET含量达到软段总质量的30%时,能观察到PET的玻璃化转变,在所研究的温度范围内,所合成ETPUE没有明显的结晶。同时结果表明,ETPUE中引入PET后,硬段的Tg具有先降低后升高的规律,软段中PET的含量增加,ETPUE的拉伸强度呈现下降的趋势,断裂延伸率有升高的趋势,当软段中PET的含量达到30%~40%时,其综合性能较优。     

GAP型含能热塑性聚氨酯弹性体热分解反应动力学研究

采用DSC、TG考察了可用于固体推进剂的GAP型热塑性聚氨酯弹性体(ETPUE)的热分解行为,并分别采用Kissinger方法和Ozawa方法计算了热分解反应的活化能Ea和指前因子lnA等动力学常数。结果表明,GAP型ETPUE的热分解分3个阶段:叠氮基团分解、硬段分解、软段主链分解。给出了放热阶段的热分解机理函数,并研究了硬段含量对热分解性能的影响。     

聚氧化乙烯粘合剂推进剂力学性能研究

对聚氧化乙烯(PEO)为粘合剂硝酸酯增塑的高能推进剂配方力学性能进行了研究。研究了键合剂BS、交联剂JC、固化剂、粘合剂分子量和官能度等因素对推进剂力学性能的影响。结果表明,PEO粘合剂推进剂具有较好的力学性能,达到了20℃时σm≥0．7MPa,-40～70℃时εm≥70％。因此,PEO可用作硝酸酯增塑推进剂的粘合剂。     

国外含能材料研究的新进展

介绍当前国外含能材料及固体推进剂研究的一些新进展。支化的缩水甘油叠氮聚醚（Ｂ－ＧＡＰ），含能热塑性弹性体及硝酸酯乙基硝胺类化合物（ＮＥＮＡ）的研究正受到关注。卡托辛和巴得辛之类二茂铁衍生物是固体推进剂的高效燃速催化剂，氢化端羟基聚戊二烯能改善推进剂的储存性能，热稳定性和易损性。     

热塑性聚氨酯弹性体包覆CL-20及对NEPE推进剂性能影响

采用热塑性聚氨酯弹性体,通过水-溶液悬浮法将其包覆于六硝基六氮杂异伍兹烷(CL-20),并对包覆后的CL-20分别进行了XPS、SEM、撞击感度和表面能测试;研究了弹性体包覆CL-20对含CL-20的NEPE推进剂常温力学性能、燃烧性能的影响.研究表明,热塑性弹性体能有效包覆CL-20,在大幅度提高含CL-20的NEPE推进剂常温力学性能并改善"脱湿"的同时,改善高能低特征信号配方燃烧性能,σm最大提高了47%,εm最大提高了184%;燃速压强指数n降低了12%.     

降低NEPE推进剂燃速压强指数研究

研究了两种新型含铅燃速催化剂（ｃｔ２０３－１，ｃｔ２０３－２）对ＮＥＰＥ推进剂燃速压强指数的影响，采用小配方实验和ＤＳＣ研究了两种催化剂与硝酸酯的相容性以及对推进剂固化反应的影响和对ＲＤＸ热分解的催化作用，并利用恒压静态燃速仪测量试了推进剂在４－１１ＭＰａ下的燃烧速度和燃速压强指数。结果表明峡谷种催化剂都表现出与硝酸酯良好的相容性，对推进剂的固化反应有明显的催化作用，对ＲＤＸ的热分解行为则基本没有     

复合固体推进剂的相(微相)分离

复合固体推进剂中存在两种形式的相分离，一种是由于粘合剂体系的混溶性差或是由于粘中合剂和增塑剂的结晶及凝胶作用造成的；另一种为聚氨酯粘合剂基体中软硬段的微相分离，两种相分离可以同时发生，但其对复合固体推进剂性能的影响不同，粘合剂与增塑剂的相分离有可能导臻推进剂性能的严重下降，而适宜的微相分离则能显著提高推进剂的力学性能，可以采用微相分离促进剂、离子化和形成互穿聚合物网络的方法来改善推进剂的微相分离，提高其务学性能。     

纤维素甘油醚硝酸酯在双基推进剂中的应用

纤维素甘油醚硝酸酯NGEC是一种改性硝化棉,以NGEC为粘合剂代替NC,采用传统的无溶剂法制备了NGEC基改性双基推进剂。研究了以NGEC为粘合剂的改性双基推进剂的力学、燃烧和弹道性能及燃烧波结构。结果表明,NGEC具有较好的热塑性,NGEC基改性双基推进剂加工性能优良,其低温-40℃延伸率可达相同配方NC基改性双基推进剂的1.5倍以上,其推进剂弹道性能稳定,燃烧性能和燃烧波结构与NC基推进剂相似。因此,NGEC作为含能粘合剂代替NC,可用于改善改性双基推进剂性能的研究。     

含CL-20的NEPE推进剂热分解

借助热重-微商热重(TG-DTG)试验和差示扫描量热(DSC)试验研究了含CL-20的NEPE推进剂的热分解特性,探索了主要组分NG、CL-20、AP和催化剂之间的相互作用。实验结果表明,该推进剂的热分解过程分3个阶段:增塑剂(NG)的挥发和分解,PEG CL-20的分解,AP的分解。CL-20促进了NG和PEG的分解,NG与PEG并未影响CL-20的分解。AP的加入促进了CL-20的分解,同时CL-20也使AP的分解由单质2步分解合并为1步。Al粉在该体系中与其他组分的相互作用较弱。催化剂Ct1和Ct2在一定程度上抑制了推进剂中NG、CL-20和AP的起始分解,对于NG起始分解的抑制作用更为明显,当温度升高,抑制作用消失即分解开始时,分解速率大幅提高,从而使推进剂热分解的放热历程缩短,致使推进剂燃速提高。     

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。     

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。     

无毒单组元发动机技术研究

介绍了国内外几种无毒单组元发动机技术的研究背景及研究现状。列出了过氧化氢推进剂、羟基推进剂及硝酸肼基推进剂的一般物理、化学特性和主要性能。除比较了上述三种推进剂无毒单元发动机的工作原理及性能特点外，还在推进剂配方的确定、催化剂的选择及发动机结构设计准则等方面进行了初步的探讨，并对三种推进剂发动机的空间应用前景进行了评价。     

发动机药柱和推进剂方坯老化性能相关性研究

通过长期贮存的CTPB推进剂方坯性能变化和发动机中推进剂药柱性能变化比较,研究了发动机药柱和推进剂方坯老化性能的相关性,发现发动机中不同位置的推进剂性能的变化有明显差异,内层推进剂“变软”的速率比外层慢得多。当外层推进剂强度降低较大时,内层推进剂仍有较高的保持率,几乎和推进剂初始性能相同,并且强度由内向外逐渐变化。因此。单用推进剂方坯的老化性能难于推断发动机药柱的寿命,并对这一现象对发动机寿命的影响进行了讨论。     

87型含铝丁羟复合推进剂侵蚀燃烧特性

本文是采用“片型装药发动机中止燃烧法”,对87型复合推进剂的侵蚀燃烧特性进行实验研究,得到了侵蚀比与燃气流速和压力的半经验关系式,并进行了相应的分析。试验所得的数据是合理的,表明这种方法可以用于燃烧温度较高且又易变形的复合推进剂。