硝胺/端羟基聚丁二烯复合推进剂固化机理的研究

第一部分众所周知,为了获得具有优良力学性能的端羟基聚丁二烯(HTPB)复合推进剂,必需添加键合剂(BA)。而对于含高氯酸铵(AP)的推进剂,一种亚胺化合物—1.2—三[二甲基氨丙啶]氧化膦(MAPO)一是有效的键合剂。本报告用测定异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)、MAPO 和粘度随时间变化的方法研究了     

键合剂对AP/HTPB推进剂贮存老化性能的影响

本文用高温加速老化的方法,通过测定 AP/HTPB 推进剂的单轴拉伸,交联密度、硬度、燃速等性能随时间的变化,比较了三乙醇胺、三氟化硼三乙醇胺、MAPO、MAPO·HAC 和 HX-752等五种常用键合剂对 AP/HTPB 推进剂贮存老化性能的影响.并通过热重分析,对含键合剂的 AP/HTPB 推进剂的老化机理进行了初步探索,粗略估算了推进剂的贮存寿命.     

键合剂MAPO与氧化剂AP、HMX和RDX的相互作用

综合运用量化计算、微热量热、质谱等手段,研究了键合剂MAPO与氧化剂AP、HMX和RDX的相互作用。研究结果表明,一方面,MAPO通过AP与氧化剂之间产生氢键作用,MAPO能与AP形成强氢键作用,但不能与HMX和RDX形成氢键,而AP能与HMX和RDX分别形成强氢键,且AP能分别形成分子内和分子间氢键;另一方面,AP作为催化剂能促使MAPO开环自聚,在氧化剂周围形成高模量层,从而改善氧化剂与粘合剂体系的粘接。     

RDX／AP／Al／HTPB推进剂加速老化性能研究

按照复合固体推进剂老化试验方法，通过70℃加速老化试验，研究了防老剂H含量、MAPO含量以及键合剂种类对RDX／AP／Al／HTPB推进剂贮存老化性能的影响，并从理论上进行了分析。     

AP级配及含量对HTPB固体推进剂界面约束作用影响机理研究

复合固体推进剂是一种含能非均质颗粒填充材料,其基体聚合物分子通过物理缠结及氢键作用吸附于填料表面,产生基体-填料界面相互作用,这种相互作用使基体聚合物交联网络分子的运动受到限制。以高氯酸铵(AP)级配及含量不同的端羟基聚丁二烯(HTPB)推进剂为研究对象,通过动态力学试验、溶胀试验、单向拉伸试验、循环拉伸试验,探究了AP级配及含量变化引起的HTPB固体推进剂界面约束作用差异,并探究其对推进剂结构及性能的多维度影响。结果表明：随着细粒度AP含量及AP总含量的提高,约束区域占比增加,基体交联网络分子受限作用增强,HTPB固体推进剂界面相互作用提高,单向拉伸状态下的推进剂强度、模量提高,伸长率下降;循环载荷作用下,约束作用则提高了能量耗散过程,加剧HTPB固体推进剂疲劳损伤进程。     

推进剂功能组分作用研究——(I)丁羟/AP体系

通过测定药浆稳态和动态流变性的变化 ,研究了一些推进剂功能组分在丁羟粘合剂体系和丁羟 /高氯酸铵体系中的作用。结果表明 ,功能组分MAPO、H、LCM对HTPB粘合剂体系有内润滑作用 ;偶联剂MAPO可改善细高氯酸铵颗粒在体系中的分散性 ,作用效果有时间依赖性 ;TEA·BF3 一方面可改善细高氯酸铵颗粒在体系中的分散性 ,同时也增加颗粒间的吸附作用 ;防老剂H还是细高氯酸铵的优良工艺助剂 ;上述功能组分对包覆球形高氯酸铵的作用效果很小。流变学方法是研究推进剂这种复杂体系结构和功能组分作用的一种有用工具。     

新型中性聚合物键合剂设计与合成

首先以三-(2-甲基氮丙啶基)氧化膦(MAPO)与丙烯酸(AA)为原料合成MAPO的衍生物,通过红外和质谱对产物进行了定性分析,用非水滴定的方法检测氮丙啶环的含量,通过正交试验设计得到了较优工艺条件:MAPO与AA的摩尔比为1:1,反应温度为70 ℃,反应时间为2.5 h,所得氮丙啶环含量最接近理论值.再利用该活性中间体与丙烯腈、丙烯酸羟乙酯共聚,得到改性的中性聚合物键合剂,通过接触角的测量,粘接性能预估表明,该新型中性聚合物键合剂与黑索金(RDX)、奥克托金(HMX)、高氯酸铵(AP)的界面浸润好、粘接强.     

BF3及其衍生物在Al／HTPB／IPDI模拟推进剂中的作用研究

用单向拉伸试验、红外光谱分析、化学分析等实验方法对BF_3及其衍生物在Al/HTPB模拟推进剂中的作用进行了研究。试验结果表明,BF_3及其衍生物加入后显著影响其力学性能,其原因是,BF_3及其衍生物在Al存在下,与HTPB发生凝胶化反应,这导致模拟推进剂凝胶含量、交联密度上升。由此可见,BF_3在推进剂中的作用,不仅仅是MAPO开环聚合的一种催化剂,而且是丁羟粘合剂基体的一种网络调节剂。     

一种新型燃速催化剂的作用效果研究

合成了一种新型二茂铁化合物—1,1—双(三甲基硅氧乙基)二茂铁,并研究了这种化合物对AP/HTPB复合推进剂燃烧性能、力学性能以及工艺性能的影响。实验结果表明,这种化合物具有改善推进剂燃烧性能和力学性能的双重作用。     

高氯酸铵分解与NEPE推进剂氧化交联机理研究

基于密度泛函理论中的GGA/PBE和B3LYP方法,对高氯酸铵(AP)分解的质子转移过程及其分解产物引起的硝酸酯增塑聚醚(NEPE)推进剂固化体系PEG-TDI的氧化交联过程进行了分子模拟分析,以理清AP分解初始反应和NEPE推进剂中氧化交联反应机理。结果表明,分子结构和键离解能(BDE)计算结果显示,H4原子的转移是AP初始和再次质子转移过程的主要发生点; AP分解产物引起的PT氧化交联过程可划分为三个阶段:NO2分子引起的H原子夺取反应、O原子引起的氧化反应、交联反应; H原子夺取反应为NO2分子夺取PT分子的α—H、β—H,生成P1(—C·)和P2(—N·)两种带正电荷基团;氧化反应为O原子分别与P1和P2基团发生反应,生成P3(—C—O·)和P4(—N—O·)两种带负电荷基团;交联反应是在H原子夺取反应和氧化反应基础上发生的,最终生成—C—O—C—、—C—O—N—以及—N—O—N—三种结构链。     

水/丙酮混合溶剂提取HTPB推进剂中AP组分的工艺因素

为提高废弃HTPB推进剂中高氯酸铵(AP)组分的回收率,采用水/丙酮混合溶剂体系对HTPB推进剂中的AP进行提取。探讨了超声提取时间、提取温度、水/丙酮体积比、液料比、推进剂试样厚度对AP提取率的影响规律。采用傅里叶漫反射红外光谱仪(DRIFT)、X射线衍射仪(XRD)、扫描电镜(SEM)等手段对提取结果进行表征。结果表明,提取温度45℃、超声提取时间3.5 h、水/丙酮体积比2∶1、液料比10∶1、试样厚度3 mm是提取HTPB推进剂中AP组分的最佳工艺参数。在该工艺条件下,AP的回收率为96.3%,AP的纯度为96.5%。结果证明,水/丙酮混合体系可用于废弃HTPB推进剂中AP组分的分离回收。     

二茂铁功能化SBA-15的制备及其对AP／HTPB固体复合推进剂燃烧催化作用研究

二茂铁(Fc)及其衍生物是AP/HTPB固体复合推进剂的有效燃速催化剂,但在推进剂中的迁移始终是其应用的最大障碍。将二茂铁通过缩合反应接枝到介孔材料SBA-15的表面,制备了一种低迁移催化剂Fc-SBA-15。X射线衍射和N2吸附-脱附实验表明,Fc均匀致密地固定在了SBA-15的内外表面,Fc的负载没有对SBA-15的介孔结构造成破坏。改进的迁移性实验表明,制备的Fc-SBA-15复合材料是一种低迁移的催化剂。Fc-SBA-15对AP的热分解与AP/HTPB推进剂的燃烧具有较好的催化效果,添加2%的Fc-SBA-15使AP的高温热分解峰温度降低64℃,使AP/HTPB固体复合推进剂的燃速提高43%,压强指数下降30%。     

用流变学研究丁羟推进剂组分对固化初期反应速度的影响

采用RM-15同轴转子流变仪研究了固体推进剂各种功能组分(偶联剂、防老剂、燃速催化剂及氧化剂等)对HTPB表观固化反应的影响,并对HTPB的TDI和IPDI两种固化体系做了比较.实验结果表明,各种组分对HTPB的两种固化体系的影响是不同的.     

NEPE推进剂/衬层结构-性能MD模拟（Ⅱ）--复杂体系组分分子迁移和配方设计示例

用分子动力学( MD)方法,对( PEG/NG/BTTN)/NPBA/HMX/AP/PEG/N-100//HTPB/TDI复杂的推进剂/衬层模型体系进行295 K-NVT模拟研究,展示了组分分子的浓度分布和迁移状况,发现HMX和NPBA分子有向界面层迁移趋势,而AP则呈平均分布态势。以RDX等量取代HMX后所得新配方的MD模拟研究表明,前者拉伸模量( E)、体模量( K)和剪切模量( G)、柯西压( C12-C44)和K/G值均有明显下降,表明新配方的刚性、强度和延展性均有下降;新配方中引发键(N—NO2)最大键长(1.528?)明显大于原配方中相应值(1.503?),预示新配方感度增大、安全性将下降;比较RDX、HMX与其他组分之间的结合能,前者小于后者,预示新配方的相容性较差。     

碳纳米管/HTPB复合粒子的制备及其催化性能研究

用HTPB对碳纳米管（CNTs）进行改性,改善其对AP热分解的催化性能,并使用TEM和FTIR对其进行表征。热重分析表明,CNTs／HTPB复合粒子中HTPB的含量为28．57％。采用差示热分析（DTA）研究了CNTs／HTPB复合粒子对AP热分解的催化性能。结果表明,CNTs／HTPB复合粒子对AP的热分解具有一定的催化性能,与纯AP相比,高温分解峰温提前了111．9℃,表观分解热由309．92J／g提高到987．18J／g,优于CNTs与AP的简单混合样,表明经过HTPB改性后CNTs对AP具有较好催化性能,同时AP与CNTs／HTPB复合可使其高温分解峰温进一步降低9．8℃。     

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。     

HTPB/TDI衬层与NEPE推进剂的界面反应机理

采用富立叶变换红外光谱(FTIR)和全反射红外光谱(FTIR/ATR),研究了半固化的HTPB/TDI衬层表面的活性基团以及不同的—NCO基团与不同羟基的反应速率。结果表明,半固化的HTPB/TDI衬层表面含有大量的—NCO基团;HTPB/TDI衬层和NEPE推进剂粘合剂相的—NCO基与—OH的交叉反应速度较NEPE推进剂的固化反应速度快得多。HTPB/TDI衬层与NEPE推进剂界面的化学反应机理是粘合剂相中—OH基和—NCO基的交叉反应,其中衬层中TDI分子的—NCO基与PEG分子的—OH基的反应速度稍快于NEPE推进剂中N100分子的—NCO基与HTPB分子的—OH基的反应;在界面区域,HTPB/TDI衬层与NEPE推进剂通过氨基甲酸酯键形成化学粘接。     

适应高压燃烧的HTPB/AP/Al推进剂用钙盐降速剂研究

研究了碳酸钙(CaCO_3)和一种自制钙盐(CaOr)对HTPB/AP/Al推进剂燃烧性能和常温力学性能的影响,采用DSC-TG和SEM方法对比研究了CaOr、CaCO_3对AP热分解的影响,及含两种化合物的推进剂熄火表面形貌。结果表明,在3~17 MPa压强范围内,CaCO_3和CaOr均能有效降低HTPB/AP/Al推进剂的燃速和压强指数,CaOr比CaCO_3具有更好的燃速抑制效果,在高压段内的压强指数可降为0.17,达到平台推进剂水平。CaOr的加入使AP两个阶段的分解放热峰均向高温方向移动,CaCO_3对AP的低温分解峰没有影响,使AP的高温分解峰推迟。CaOr的降速效果优于CaCO_3的主要原因是其推迟了AP的低温分解峰,同时改变了AP的热分解历程,且在凝聚相中的分散性更好。     

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.     

两种十氢十硼酸金属盐的表面特性及在富燃料推进剂中的应用

基于硼氢盐化合物具有高燃速、高燃烧热值等优点,探索了两种十氢十硼酸金属盐化合物(BHM)在富燃料推进剂中应用前景。采用DCAT 21型动态接触角/表面张力仪测量了BHM、AP、Mg、团聚硼、HTPB的接触角,计算了固体组分与HTPB之间的粘合功W和铺展系数S,结果显示几种固体组分与HTPB粘合剂相互作用大小次序为AP/HTPBBH-2/HTPB团聚硼/HTPBMg/HTPBBH-1/HTPB,且SHTPB/BH-1较小,因为BH-1不能充分浸润于HTPB粘合剂,界面间产生排斥作用,导致含硼氢盐BH-1推进剂内部出现裂纹。还研究了含硼氢盐BH-2富燃料推进剂的流变性能、能量性能和燃烧性能。结果表明,用硼氢盐BH-2替代团聚硼粉,能降低推进剂药浆的表观粘度和屈服值,提高推进剂实测热值,其中,BH-2含量30%的B-2配方,推进剂药浆的屈服值为44.5 Pa,表观粘度为188 Pa·s,燃烧效率达到了93.2%。发现硼氢盐使推进剂燃速降低,且产生大量的燃烧残渣,这与燃烧产物中凝聚相碳(C)的大幅增加有关。依据硼氢盐分解和燃烧特点,认为其适应于燃料冲压发动机。