CuO结构特性及其对固体推进剂的催化特性

为了解不同粒度和不同形态下CuO的催化能力,采用热重/差热联用(TG/DTA),水下声发射实验方法,研究了普通球形CuO、球形纳米级CuO、棒状纳米级CuO对A3、PBT、HMX、AP等含能材料的热分解影响,并测试了不同种类CuO对固体复合推进剂燃烧速率的影响。结果表明,CuO类催化剂均能催化A3、PBT、HMX、AP等含能材料的热分解,但催化效果和CuO的形态关系密切,和粒度关系不大;棒状纳米CuO可有效地提高推进剂的燃速;而球形纳米CuO只在低压条件下可提高推进剂的燃速,高压下反而抑制了推进剂的燃速。     

纳米NdCoO3对小球粘接高燃速推进剂燃烧性能的影响

采用盐助溶液燃烧法制备了平均粒径为10 nm、分散性良好的钙钛矿型纳米NdCoO3。用DSC考察了不同质量分数的纳米NdCoO3对AP和双基粘接剂热分解的影响,研究了纳米NdCoO3对小球粘接高燃速推进剂燃烧的催化作用。结果表明,随纳米NdCoO3催化剂质量分数的增加,催化效率先增大后减小,在质量分数为3%时催化效率最佳,此时AP高温分解峰温大幅降低,双基粘接剂的分解峰温也得到降低,二者的表观分解热增大。同时,对应的小球粘接高燃速推进剂燃速较高,压强指数较低。     

超级铝热剂对双基推进剂燃烧性能的影响

为了考察超级铝热剂对双基推进剂燃烧性能的催化效果,采用超声分散复合法制备了铝热剂Al/PbO、Al/CuO和Al/Bi2O3,利用螺压工艺制备了含超级铝热剂的推进剂样品,研究了超级铝热剂对双基推进剂燃烧性能的影响。结果表明,超级铝热剂对双基推进剂的燃烧具有良好的催化作用,能显著提高双基推进剂的燃速,但对推进剂压力指数的改善并不明显;纳米级超级铝热剂的改善效果明显优于微米级超级铝热剂;超级铝热剂对双基推进剂催化作用的大小顺序为Al/PbO>Al/Bi2O3>Al/CuO。     

TG-DSC-IR-MS联用研究RDX-CMDB推进剂催化热分解

采用热重-差示扫描量热-红外-质谱(TG-DSC-IR-MS)联用技术,研究了三元复合燃速催化剂(2,4二羟基苯甲酸铅、对氨基苯甲酸铜和炭黑)对RDX-CMDB推进剂热分解的作用,并比较了纳米和普通催化剂作用效果的差异.结果表明,该复合燃速催化剂使RDX-CMDB推进剂热分解特征量发生明显变化;改变了推进剂中RDX的初期热分解机理,使放热的CN 键断裂在与吸热的NNO2 键断裂的竞争反应中占优;也使双基组分放出有负生成热的CH2O的相对量增加,分解过程放热量或放热速度提高,促进了燃速的提高.与普通催化剂相比,纳米催化剂作用效果更好.     

复合推进剂燃烧性能与组分热分解特性的关系实验研究

应用常压和高压差热分析技术研究了催化剂对推进剂组分热分解的影响,测定了催化剂共晶和混合加入时相应推进剂的燃速,分析了热分析与推进剂燃烧过程的异同点,引入高氯酸铵(AP)高温分解起始温度(T_(L-H))的概念并以T_(L-H)衡量了催化剂共晶加入时对丁羟推进剂燃速和压力指数的影响.研究表明,AP高温分解过程对复合推进剂燃烧特性影响较大;热分析与燃速相关性和催化剂加入方式有关;共晶催化剂作用下的复合推进剂燃速特性与氧化剂高温分解有密切关系;压强是影响推进剂燃速和热分解相关性的重要因素,高压下AP高温分解过程和变化能更大程度地反映到推进剂燃速中去。本文同时对产生上述现象的原因作了分析。     

纳米NiO/CNTs和Co3O4/CNTs对AP及HTPB/AP推进剂热分解的影响

以碳纳米管(CNTs)为载体,采用化学沉淀法制备了纳米N iO/CNTs、Co3O4/CNTs复合粒子,应用TEM、SEM、XRD、EDS、BET等方法对产物形貌、结构进行了表征,并用DSC研究了纳米N iO、Co3O4、CNTs等单一粒子及纳米N iO/CNTs、Co3O4/CNTs复合粒子对AP及HTPB/AP推进剂热分解的催化作用。结果表明,纳米N iO/CNTs、Co3O4/CNTs复合粒子结晶好、包覆均匀、比表面积大。纳米N iO、Co3O4、CNTs等单一粒子和纳米N iO/CNTs、Co3O4/CNTs复合粒子均能使AP及HTPB/AP推进剂热分解的高温分解峰温降低、表观分解热增加,表现出良好的催化性能。相比而言,纳米复合粒子的催化性能均优于其相应单一组分,表现出良好的正协同作用。复合粒子中以Co3O4/CNTs复合粒子的催化效果最为显著,使AP和HTPB推进剂的高温分解峰温降低了153.06℃和60.0℃,使总表观分解热分别增加了1 163 J/g和920 J/g。     

膏体推进剂和固体推进剂药浆稳态燃烧研究

在固体推进剂ＢＤＰ燃烧模型基础上，引入膏体推进剂燃烧效应这一新参数将模型推广于膏体推进剂和固体推进剂药浆燃烧研究，模型考虑了氧化剂粒度分布，组分配比，催化剂性有和膏体推进剂燃烧热效应等对燃速的影响，以及药浆固化有前后燃速差别，还有靶线法测量了某批次复合推进剂药浆固化前后燃速变化，论文结果可用于膏体推进剂的配方和性能预测，以及利用药浆燃速预示固化后推进剂燃速，监控固体推进剂制造质量。     

ZrO2对双基推进剂燃烧的催化作用研究

研究了ZrO2对含催化剂螺压双基推进剂燃烧性能的影响,并结合推进剂稳态燃烧火焰照片、熄火表面、燃烧区温度波分布等测试结果对其作用机理进行了探索研究。结果表明,采用ZrO2替代部分铅铜催化剂,可提高推进剂的燃速,并实现较高压力的燃烧平台,从而降低有毒有污染的铅类催化剂用量;ZrO2可能在推进剂燃面上吸附醛类、NO2、NO和CO等燃烧中间产物,在为铅铜催化剂提供催化条件的同时,又能抑制其熔融分解产物如PbO和CuO的团聚,从而提高铅铜催化剂的催化燃烧效果,且ZrO2粒度越小,该作用效果越显著。     

国内外复合固体推进剂燃速催化剂研究进展

综述了20世纪90年代前后复合固体推进剂燃速催化剂国内外研究进展情况,并重点介绍了近年来出现的纳米燃速催化剂及其对推进剂燃烧性能的影响。能产生协同效应的纳米复合型催化剂是目前的研究重点。集能量、键合、无烟、增塑、粘合功能的多功能燃速催化剂也成为复合固体推进剂燃速催化剂发展的重要方向。     

新型高燃速推进剂在固体发动机内燃烧特性研究

新型高燃速推进剂是一种采用小球粘结、无溶剂挤成型的复合改性双基推进剂,20℃、6.86MPa下用靶线法实测静态燃速为46.25mm/s。为研究这种新型高燃速推进剂在发动机内的燃烧特性,在不同燃通比和燃喉面积比的装药条件下,进行了发动机试验,获得了相应的压强-时间曲线。分析结果表明,该推进剂在火箭发动机内不同压强下可出现3种完全不同的燃烧类型,即类似于双基推进剂的平行层燃烧、类似于超高燃速推进剂的对流燃烧和有限对流燃烧,并给出了3种燃烧类型的判断条件。     

催化硝胺推进剂的热化学分析

研究了催化刑对HMX复合推进剂的作用部位和模式。加入硬脂酸铅(PbSt)后,推进剂燃速急剧增加。此种燃速增快现象类似于催化双基推进剂,即所谓的“超速燃烧”现象。仅当粘合剂本身氧含量较高时,HMX的超速燃烧现象才会发生。但HMX本身的燃速并不随PbSt的加入而增加。PbSt影响粘合剂的热分解过程,并在燃烧表面上产生含碳物质,喷射至气相的气体产物也由于催化剂的加入而发生变化。这时气体物质量的比接近于化学计量比,因而反应速率很可能增加。反应速率的增加又使反馈至燃面的热流量增大,并使推进剂燃速增加。     

不稳定燃烧抑制剂对RDX—CMDB浇注推进剂的影响

对五种物质组成的七种单一或复合不稳定燃烧抑制剂在ＲＤＸ－ＣＭＤＢ（黑索今－复合改性双基）浇注推进剂中应用了研究，发现其中白刚玉（Ａｌ２Ｏ３）和ＳｉＣ对不稳定燃烧的抑制效果较佳。其加入方式和加入量地共不稳定燃烧抑制作用有较大的影响。当白刚 粒度与推进剂中燃烧催化剂的粒度相当时，其粒度变化对剂燃烧性能的影响较明显。且与其在螺压、粒铸推进剂中规律相似，即粒度减小，推进剂燃速增大。     

纳米鞣酸Pb(Ⅱ)配合物的合成及其燃烧催化性能研究

采用液相分散沉淀法制备了纳米鞣酸Pb(Ⅱ)配合物,用TG、TEM和FTIR对产物的形貌、粒径和组成进行了表征,考察了纳米鞣酸Pb(Ⅱ)配合物对RDX-CMDB推进剂燃烧的催化作用。结果表明,产物的平均粒径约为80 nm,能明显改善推进剂的燃烧性能,使推进剂的燃速提高了148%,压强指数(6~8 MPa)从0.861降低至0.129。     

含微米级铝粉丁羟推进剂燃烧效率影响因素研究

理论计算丁羟推进剂组分对凝聚相产物的影响,利用充氮气密闭装置收集含微米级铝粉丁羟推进剂燃烧残渣,采用扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)分别对残渣形貌及物相分析,并采用激光粒度仪测试燃烧产物平均粒径,研究铝粉粒度及含量、燃速催化剂含量、氧化剂级配等因素对微米级铝粉在推进剂燃烧过程团聚及燃烧效率影响。结果表明,丁羟推进剂理论生成凝聚相产物随铝粉含量增加而增加,随燃速催化剂含量增加而降低;当推进剂中铝粉含量由18%降至6%,推进剂燃烧残渣团聚颗粒尺寸由112.58μm降至79.03μm,残渣中单质铝相对含量由10.6%降至1.4%,铝粉燃烧效率由82.1%提高至97.1%;铝粉粒度由14μm增加至34μm,推进剂燃烧残渣团聚尺寸从65.24μm增加至92.14μm,推进剂燃烧残渣中单质铝相对含量由2.4%增加至5.1%,铝粉燃烧效率由95.0%降至89.5%;燃速催化剂含量由0.5%增加至2.0%,推进剂燃烧残渣团聚颗粒平均尺寸由112.56μm下降至70.12μm,残渣中单质铝含量由5.1%降至3.5%,铝粉燃烧效率由90.3%增加至93.3%;当粗粒径AP与细粒径AP比例由9∶1降至9∶4时,推进剂燃烧残渣团聚颗粒尺寸由234.21μm降至87.16μm,残渣中单质铝相对含量由8.9%降至2.9%,铝粉燃烧效率由84.4%提高至94.7%。     

白刚玉对微烟推进剂燃烧性能的影响

微烟推进剂不能含有铝粉,故必须加入其他燃烧稳定剂来抑制不稳定燃烧。本文提出了燃烧稳定剂选择的关键性指标——粒度及粒度分布的可控性,认为磨料微粉白刚玉(Al_2O_3)是微烟推进剂比较合适的燃烧稳定剂新品种,进而研究了白刚玉粒度、含量对推进剂燃速、压强指数和燃烧稳定性影响的规律性,探讨了燃烧前后白刚玉粒度变化的趋势,并由实测火焰结构证实,该推进剂与双基推进剂火焰结构相似,从而为该类推进剂选择催化剂提供了理论依据.     

含氟有机物对含铝固体推进剂燃烧特性的影响

为抑制高铝含量固体推进剂燃烧产物的团聚,研究铝含量为18%、含有机氟化物(OF)的固体推进剂不同燃烧区域中铝粒子燃烧的特性。利用高速摄影系统研究熔铝粒子在推进剂燃面的团聚过程;通过对推进剂燃烧火焰特定位置的低温淬熄,获得终止燃烧的含铝固体粒子,并进行形貌和成分分析;使用动态粒径测试系统、激光粒度仪分别对推进剂燃烧火焰区及最终固体燃烧产物的粒子尺寸进行了表征。结果表明,有机氟化物产生的气态氟化烃可抑制熔铝粒子在燃烧表面的团聚,可使推进剂火焰中燃铝粒子的尺寸降低约50%,固体燃烧产物中大尺寸(D≥10μm)颗粒的体积分数下降约74.2%。燃烧性能测试结果表明,有机氟化物使推进剂的爆热及理论火焰温度分别下降9.5%和8.8%,燃速也发生了降低。     

纳米Ni／CNTs对AP／HTPB推进剂热分解及燃烧性能的影响

采用化学液相沉淀法制备了纳米Ni/CNTs复合催化剂,用SEM、XRD、XPS对纳米Ni/CNTs的形貌、微观结构、组成进行了表征,采用DSC研究了其对AP和AP/HTPB推进剂热分解的催化性能,并考察了纳米Ni/CNTs对AP/HTPB推进剂燃速和压强指数的影响.结果表明,纳米Ni能够均匀包覆在CNTs表面,纳米Ni/CNTs可显著降低AP及AP/HTPB推进剂的热分解峰峰温,使AP及AP/HTPB的总表观分解热明显增大,并能有效提高AP/HTPB推进剂的燃速和降低其压强指数.相同量的纳米Ni/CNTs、纳米Ni和纯CNTs进行对比,纳米Ni/CNTs具有更好的催化性能,表现出较好的正协同催化效应.     

未固化AP/Al/HTPB推进剂燃速预示法——DSC法

研究了未固化推进剂的燃速预示方法，用DSC法（差示扫描量热法）研究了多种AP／Al/HTPB推进剂的常压热分解特性。根据BDP燃烧模型，考察了推进剂的燃速与热分解参数的关系，提出了未固化推进剂燃速的预示方法。实验结果表明，用DSC法可较准确地预示未固化推进剂的燃速，并成功预示了某配方的基础燃速。     

Ap／RDX推进剂燃速调节实验研究

利用正交试验法研究了CuO、Cr_2O_3和Fe_2O_3三种催化剂对Ap/RDX推进剂燃烧性能的影响,得到了提高燃速的最佳催化剂组合,提出了催化剂对Ap/RDX推进剂的催化机理,该机理可较好地解释许多实验结果。     

GAP/CL-20高能固体推进剂燃烧性能影响因素

采用水下声发射法测试了推进剂静态燃速,用线性回归法计算了推进剂燃速压强指数;研究了GAP/CL-20高能固体推进剂中增塑比及固体组分AP、CL-20、Al粉粒度等配方组成因素对燃烧性能的影响。研究结果表明,增塑比一定范围内的变化不会对推进剂燃烧性能产生显著影响,其燃速和燃速压强指数基本不变;CL-20粒度减小或AP粒度增加均会导致燃速不同程度的降低,Al粒度减小也会使燃速减小,但在达到一定程度后,燃速又增加;推进剂燃速压强指数随CL-20、Al粉粒度减小和AP粒度增加而减小,并对其燃烧性能的影响机制进行了简单分析。