CTPB基燃气发生剂力学性能提升浅析

为提升CTPB(端羧基液体聚丁二烯)基燃气发生剂力学性能水平,分析了CTPB基燃气发生剂力学性能的特点,针对其力学性能存在的问题,分别从粘合剂网络结构、固体填料形态及两相界面性能三方面,对提升CTPB基燃气发生剂力学性能进行了分析,重点介绍了CTPB预聚物性能及粘合剂固化体系对力学性能的影响。分析认为,采用活性聚合方法制备高性能(高相对分子质量、窄相对分子质量分布、窄官能度分布及高顺式1,4结构) CTPB预聚物;改变粘合剂网络的固化反应历程,将CTPB预聚物与固化剂反应的过程由先交联后扩链调整为先扩链后交联;在对燃气发生剂其他性能无显著不良影响的前提下,选择小粒度、球形化固体填料;结合燃气发生剂配方组分特点,针对性地设计合适的键合剂是改善CTPB基燃气发生剂力学性能的有效途径。     

复合固体推进剂的模量调节

综述了填充聚合物模量理论研究的发展概况，认为基体模量和有效填充分数是影响复合固体推进剂模量的两个主要参数。从填料、粘合剂、界面作用和工艺四个方面对影响复合固体推进剂模量的因素进行了讨论，提出了调节复合固体推进剂模量的技术途径。直接途径是调节化学及物理交联密度、填充分数、粒度级配和填料形状；间接途径是增强粘合剂网络物理相互作用、填料细化、增强界面粘附作用和改进工艺等。     

含能极性推进剂中加入中性聚合物键合剂的填料增强机理

在 HMX/PEG/NG 复合高能推进剂中,加入少量新近开发的中性聚合物键合剂(NPBA),能够得到强烈的填料增强效果,其机理是因为产生了界面效应,而不是增加了粘合剂总体交联密度.NPBA 对 HMX 有良好的相对亲合性,在混合过程中它能聚集在固体表面.在固化过程 HMX 周围能形成高度交联的聚合物壳层,并和粘合剂以化学键相联,导致起始模量增加;而且,这些壳层似乎消除了颗粒周围的松软层,从而使填料增强效果所能维持到的延伸率要比未含 NPBA 的高许多.加入 NPBA 的步骤很简单,与预先包覆颗粒的办法有同样的效果,因此加入 NPBA 经济性更好.     

三叉載Ⅰ(C4)使用的推进剂配方

三叉戟Ⅰ(C4)使用的交联复合双基(XLDB)推进剂,其配方是,氧化剂:奥克托今(HMX)、高氯酸铵(AP);粘合剂:硝化棉(WC)、液体聚乙二醇己二酸酯(PGA);固化剂:六次甲基二异氰酸酯液体(HDI);增塑剂:一般用硝化甘     

高密度比冲推进剂

目前通用的推进剂制造工艺,已能生产20,000多台高密度比冲推进剂的火箭发动机。这种CTPB基推进剂释放的能量高达20磅—秒/英寸~3。相比之下,有些发动机使用的CTPB/AP推进剂却低于11磅一秒/英寸~3。这类推进剂极适用于体积受到限制的系统,如飞行员逃逸系统。它们在宽达-54～+93℃的温度范围内检验合格,并在+129℃下作过试验。这类高密度比冲的推进剂可应用于M119脱轨补偿这类火箭发动机,而它要求的高装填分数是CTPB/AP推进剂所达不到的。     

宇航飞行器复合推进剂的发展

日本于1957年成功地发射了一枚小型探空火箭 K-3,这是日本第一枚复合固体推进剂火箭。从那时候以来,对复合固体推进剂进行了许多方面的研制。所研制的聚酯、聚硫、聚氨基甲酸酯以及聚丁二烯聚合物,均被广泛地作为探空火箭或卫星运载火箭的复合固体推进剂的粘合剂基体。日本研制的端羧基聚丁二烯(CTPB),在工艺性能、力学性能以及燃烧性能方面,均比其它聚合物好。这种聚合物(JSR·CTPB S-21)已经应用到日本典型的宇航飞行器中,例如 M-3 A、TT-500A、M-13等。另一方面 HTPB 最近作为一种新的优良的聚丁二烯粘合剂材料已引起人们极大的兴趣。它已用于目前正在研制的一些火箭发动机中。通过我们的共同努力,新的 HTPB 聚合物已经进入实用阶段。正在研制的高性能的远地点发动机(ABM)就使用这种 HTPB 推进剂。     

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。     

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。     

高燃速HTPB/IPDI推进剂低温力学性能研究(Ⅰ)细AP及工艺助剂PA的影响

研究了细粒度AP及工艺助剂PA含量对丁羟高燃速推进剂低温(-40℃)力学性能的影响,结果显示:大量细粒度AP加入高燃速配方中,一方面加剧了单向拉伸过程中填料(主要是细AP)颗粒附近的应力集中;另一方面降低了填料/粘合剂间的粘结强度,是造成低温力学性能偏低的主要原因.由于工艺助剂PA极性及刚性,使得它易于富集于填料表面,低温下降低了界面层的柔性,物理作用也极大地束缚了填料附近粘合剂网络的分子运动,因此,它在改善工艺性能的同时,对推进剂低温力学性能有不利影响.     

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。     

端羧基聚丁二烯(CTPB)推进剂的进展

用作优良粘合剂组份的端羧基聚丁二稀聚合物,由于其均匀的分子结构和化学反应性提供给推进剂良好的力学性能。本文是关于新的端羧基聚丁二稀和推进剂的进展。作者们共同研究的新CTPB 已从工业基地日本合成橡胶公司推荐给推进剂制造者。对日本合成橡胶公司的端羧基聚丁二稀的特性,特别是关于分子结构和粘合剂性能方面已进行了试验研究。     

含CL-20/HMX的GAP高能推进剂老化特性

GAP高能推进剂是固体推进剂的重要发展方向。为掌握该推进剂的老化特性,开展了含CL-20/HMX的GAP高能推进剂高温加速老化试验研究。结果表明,老化过程中推进剂模量显著升高、伸长率快速降低,且密度下降、燃速上升。采用SEM、XRD、凝胶分数、交联密度、HPLC等理化分析方法对推进剂老化特性进行了分析,揭示了CL-20与HMX在硝酸酯中的溶解、重结晶生成CL-20/HMX共晶,是造成GAP高能推进剂该老化特性的主要原因。     

NEPE推进剂粘合剂网络结构调节研究

把混合固化剂、扩链剂聚乙二醇200(PEG200)、交联剂三羟甲基丙烷(TMP)、三官能度环氧乙烷四氢呋喃共聚醚(PET)、端异氰酸酯预聚物以及互穿网络的使用作为调整NEPE推进剂粘合剂网络结构的主要措施。采用单向拉伸手段,研究了它们对NEPE推进剂力学性能的影响。结果表明,TMP能提高推进剂的拉伸强度,异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)与PEG200混合使用能提高推进剂的最大延伸率;三官能度PET能使推进剂的强度和延伸率均有所提高,当粘合剂中三官能度PET的质量分数为50%时,推进剂常温下的拉伸强度和最大延伸率分别比空白样提高了16%和161%;端异氰酸酯预聚物能改善推进剂的力学性能,尤其是对提高最大延伸率有明显作用;将新型聚合物P31引入推进剂粘合剂体系形成互穿网络,推进剂在不同温度下的拉伸强度先增大后减小,延伸率一致增大,当P31的含量占粘合剂体系的5%时,拉伸强度达到最大值。     

RDX／AP／A1／HTPB推进剂配方工艺性能和力学性能研究

选用了3种不同规格的HTPB粘合剂、3种高性能键合剂和3种不同粒度的球形铝粉来研究以TDI为固化剂的高固体含量（88％）的RDX/AP/Al／HTPB丁羟推进剂的力学和工艺性能，研究结果表明，使用高分子量、低粘度的HTPB粘合剂和3^#高性能键合剂能明显改善RDX／AP／Al／HTPB推进剂宽温度范围内的力学性能和工艺性能；采用细粒度球铝粉能使工艺性能得到改善，而对力学性能影响不大。     

硝胺/丁羟复合推进剂的固化机理的研究(第二部分)

这篇报告是为了改进硝胺系复合推进剂的工艺性能和力学性能而进行的几个实验之一,得到了如下结果。(1)将三乙醇胺(TEA)加到硝胺系复合推进剂中,其工艺性能下降而力学性能却明显得到改进。(2)端马来酐化聚丁二烯(MPB)可以明显改进硝胺系复合推进剂和过氯酸铵系复合推进剂的工艺性能。(3)通过向硝胺系复合推进剂添加MPB和TEA,可以使工艺性能和力学性能均得到改进。(4)通过向粘合剂组分中添加TEA来改进粘合剂力学性能。(5)将TEA添加到粘合剂组分中,可明显改进RDX系复合推进剂的力学性能,但对AP系、GB(玻璃珠)系则几乎没有改进。     

固体火箭发动机绝热层炭化厚度的估算方法

固体火箭发动机燃烧温度很高,故在发动机壳体和推进剂药柱之间应用绝热层隔离。大多数固体火箭发动机的绝热材料采用能隔热、防烧蚀、并充有填料的橡胶。填料的作用在于使炭化层粘附在衬垫上,以使未炭化、未烧蚀的剩余绝热材料不受高温气体的冲击。表1是固体火箭发动机绝热层最常用的橡胶(粘合剂)和填料。     

理想的固体推进剂粘合剂的分子结构

对可用于现代固体火箭推进剂的10种粘合剂体系,按其加填料和不加填料两种情况,进行了研究,并根据火箭发动机在空间转移、发射飞行器/弹道导弹和空—空导弹三方面的应用,针对推进剂力学性能和流变性能的要求,比较了这10种粘合剂系统的适用性;并证明了它们的分子结构是怎样影响最终推进剂性质的。     

复合双基推进剂的力学性能与弹道性能研究

在以端羟基预聚物与异氰酸酯和硝化纤维素(NC)为基的圆柱型药粒(BG)所组成的复合双基(CDB)推进剂中,粘合剂与异氰酸酯的当量比对于推进剂的力学性能影响很大。虽然作为改善力学性能的粘合剂含量增加会对双基推进剂的平台特征有些不良影响,但是当粘合剂含量控制在一定范围内,则可获得压力指数低于0.2以下的低压力指数CDB推进剂。之外,由于硝胺对CDB推进剂的压力指数影响较小,所以有可能使CDB推进剂实现高比冲化。     

热分析法研究ADN与推进剂组分的相互作用及相容性

用高压差示扫描量热法( PDSC),研究了ADN(二硝酰胺铵)与推进剂的粘合剂、固化剂、增塑剂和高能填料的相互作用及相容性。结果表明,ADN与PEG、TDI和HDI二元混合物的分解温度比ADN的分解峰温低16.3~26.9℃,混合体系相互作用危险,相容性差;ADN与NG-BTTN、TEGDN、Bu-NENA和HMX二元混合物的分解温度略高于ADN的分解峰温0.5~7.5℃,对应混合物的分解温度比NG-BTTN、TEGDN、Bu-NENA和HMX的分解温度低5.9~14.4℃,混合体系的相互作用较为敏感;ADN与GAP、PBT、PET、IPDI、N-100、NG、TMETN、BDNPA-F和Al二元混合物的分解温度与各单组分分解温度差小于2℃,上述组分相容。     

含硝酸酯增塑剂的固体推进剂的脆化研究

本文介绍硝酸酯增塑的聚醚聚氨酯推进剂在低温贮存中,解决失去应变能力(脆化)问题的研究结果。这种高度增塑的推进剂在低温下短期贮存,几乎完全失去了应变能力。研究这种脆化的原因表明,交联密度以及粘合剂配方是起作用的因素。湿度曾被考虑是因素之一,但实验证明并非如此。实验表明增塑剂结晶是脆变的主要原因但不一定与增塑剂的凝固点有关。重新测定某些增塑剂的凝固点是研究工作的一部份。放入增塑剂晶体增加了推进剂脆变速度。单独采用丁三醇三硝酸酯(BTTN)或是混合增塑剂可以解决这个问题。采用混合增塑剂可以得到最好的低温性能。