中性聚合物键合剂在NEPE推进剂中的应用

介绍了文献报道的NEPE推进剂力学性能较低的主要原因,以及添加了中性聚合物键合剂(NPBA)后使其力学性能得以显著改善的作用机理;列举了NPBA在不同含能极性粘合剂类推进剂中的作用效果;还讨论了使用NPBA的过程中应重视的几个环节。     

NEPE推进剂用中性聚合物键合剂的分子设计

中性聚合物键合剂(NPBA)是美国Kim C.S.发明的一种新助剂。这种键合剂可显著提高NEPE推进剂的力学性能。本文根据Kim C.S.发表的专利和论文,介绍了降温相分离沉积包覆的原理,归纳提出了NPBA的分子设计方法,并且举例说明。     

NEPE推进剂/衬层界面化学组成的XPS分析

针对NEPE推进剂/衬层界面化学组成复杂,缺乏有限表征手段的问题,采用XPS对其进行了分析测试,并对测试结果进行了系统分析。综合分析了XPS测试特点与NEPE推进剂配方组成,揭示了XPS定量测试结果与配方理论值的差异的原因,对C、N元素各化学态的XPS特征峰进行了合理的归属。研究结果表明,硝酸酯因为在建立高真空过程中挥发,XPS检测不到;固体填料因为表面包覆,XPS检出结果比配方含量小1~2个数量级;NEPE推进剂/衬层界面存在NPBA富集;AD1和AD2向衬层迁移较深,且呈明显的梯度分布。     

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。     

NEPE推进剂在变温环境下的损伤结构及冲击波感度变化研究

为研究NEPE推进剂在变温环境条件下的损伤情况及损伤对其冲击波感度的影响,采用温度循环试验、温度冲击试验及液氮冲击试验对NEPE固体推进剂进行了变温环境考核,用力学性能测试、超声参量检测及CT成像法表征了其损伤结构的变化情况,并利用隔板试验对损伤前后NEPE推进剂的冲击波感度进行了测试.研究结果表明,NEPE推进剂在变温环境下其内部会出现一定损伤,且损伤程度随环境严酷程度的增大而增加,但NEPE推进剂内部的热裂纹对其冲击波感度的影响并不明显.     

中性键合剂在叠氮高能推进剂中应用工艺研究

为提高叠氮高能推进剂(BAMO-THF/A3/AP/HMX/Al)力学性能,避免脱湿现象,对中性聚合物类键合剂(NPBA)在推进剂中添加应用工艺进行了研究。基于NPBA对在硝胺表面包覆效果和键合剂反应速度的影响机理,通过实验研究了键合剂加入方式、溶剂用量、捏合温度和捏合时间对键合剂键合效果的影响。结果发现:为使键合剂均匀分散至捏合体系中,增大与硝胺的接触,需将键合剂溶于溶剂再添加至药浆中,捏合过程中通过抽真空抽除溶剂;较高的捏合温度利于提高药浆流平性,加快键合剂与固化剂的反应速度,改善不同组分间的相容性,但温度选择时应考虑生产设备的限制;延长捏合时间可使键合剂充分包覆硝胺,提高推进剂力学性能。研究确定的NPBA用于叠氮高能推进剂的最佳工艺条件为:采用溶剂RJ溶解NPBA,RJ与NPBA质量比为5∶1;在温度60℃下捏合60~90min,捏合后抽真空20min。采用该工艺时,出料的工艺性能良好,经固化制得的推进剂方坯力学性满足使用要求。     

未老化NEPE推进剂/衬层粘接试件拉伸失效模式研究

采用原位拉伸扫描电镜观测不同温度下NEPE推进剂/衬层粘接界面裂纹扩展规律,得出不同温度下裂纹产生位置均出现在推进剂和衬层连接处,且裂纹的扩展存在相互竞争关系;粘接性能较好时,粘接界面的好坏主要取决于推进剂/衬层界面附近推进剂性能。重点考察了会引起推进剂"脱湿"的HMX界面,利用纳米压痕仪及动态力学实验,得出当推进剂中含NPBA时,HMX周围存在一高模量层,且该高模量层的动态储能模量与温度呈反向关系。该高模量层的存在或消失会引起推进剂在宏观性能上发生变化,进而影响推进剂/衬层试件宏观力学性能。     

键合剂对NEPE推进剂破坏趋势影响的实验定量研究

在采用原位拉伸扫描电镜对不同22#键合剂加入量的NEPE推进剂样条单轴拉伸破坏过程进行观察的基础上,通过图像处理与差分盒维数计算的方法,对22#键合剂加入量对NEPE推进剂力学性能的影响进行了定量比较。结果表明,随22#键合剂的加入量增大,有利于提高固体粒子与粘合剂基体的相互作用力。同时也表明,利用分形维数随延伸率的变化曲线,通过对曲线斜率与拐点位置的比较,可对固体推进剂的力学性能变化趋势进行定量研究。     

NEPE推进剂力学性能的统计特性及贮存老化的影响

固体推进剂力学性能是决定固体推进剂药柱可靠性的关键性能。为准确评估贮存寿命和可靠性,需要掌握固体推进剂力学性能的分布规律以及贮存老化的影响。研究了NEPE推进剂老化过程中抗拉强度、初始模量、最大伸长率和断裂伸长率等力学性能参量的统计分布特性,以及加速老化过程中统计参数的变化规律。研究结果表明:同一老化状态和测试条件下,NEPE推进剂单向拉伸力学性能参量测试值呈正态分布;不同老化状态的力学性能变异系数与老化时间、温度无关,呈正态分布。将不同老化温度、老化时间的力学性能变异系数作为来自同一总体样本的随机变量,求出了NEPE推进剂抗拉强度、最大伸长率、初始模量和脱湿因子的变异系数的99%置信上限,作为固体推进剂药柱贮存可靠性评估的基础数据。     

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%.     

交联密度为特征参量的NEPE推进剂贮存寿命评估方法研究

为探索新的特征参量来预估NEPE推进剂的贮存寿命,采用高温加速老化方法,通过老化样品性能测试,检测老化过程中爆热、力学性能、燃速、有效安定剂含量、热爆炸临界温度、交联密度等参量的变化,并利用Bethelot方程评估NEPE推进剂的贮存寿命.结果表明,NEPE推进剂在高温加速老化过程中爆热、燃速、热爆炸临界温度及有效安定...     

推进剂功能组分作用研究(Ⅲ)--聚醚/硝酸酯体系

在硝酸酯增塑的聚醚粘合剂与HMX、AP、Al固体组成的实验体系中，用流变学方法研究推进剂功能组分中性聚合物键合剂NPBA和MAPO的影响特征及作用机理。实验结果表明，NPBA明显增加HMX体系的粘度和屈服值，对HMX产生的可能是物理键合作用，其合适的加入量应为HMX重量的1．0％－1．5％，同时还存在作用的时间效应。实验还发现NPBA是粉碎细AP的优良工艺助剂，可大幅度降低粘度，其适宜加入量为细AP的0．4％。MPAO能对细AP起很好的界面改性作用，显著改善推进剂药浆的工艺性能。但MAPO、NPBA对铝粉无明显作用。     

考虑应变率和温度响应的少烟NEPE推进剂粘弹性本构模型

为研究少烟NEPE推进剂力学性能的应变率及温度相关性,使用万能材料试验机分别在不同应变率(4.17×10-4～4.17×10-1s-1)和温度(-40～50℃)下测试了推进剂的力学性能,建立了考虑应变率和温度响应的本构模型。结果表明,少烟NEPE推进剂具有应变率硬化特性,其拉伸应力与对数应变率呈线性关系;降低温度使推进剂的定伸应力和模量增大,升温则相反。结合少烟NEPE推进剂的线性对数应变率效应和温度变化特性,建立了粘弹性本构模型,该模型用多蠕变模式与非线性弹簧的组合来反映力学性能的率相关性,用率相关模型与温度函数的乘积形式来描述力学性能的温度相关性。模型预测与实验曲线对比表明,所建模型在实验温度、应变率、0.1～1.0应变范围内预测的准确性较好,其百分误差小于24%。     

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.     

NPBA在黑索金表面的吸附研究

建立了中性聚合物键合剂NPBA在RDX颗粒表面吸附的定量检测方法.实验结果表明,RDX对NPBA的吸附量随平衡吸附时NPBA在硝化甘油中的质量百分含量Ce增加而迅速增加,当Ce达到0.275%时出现一平台,此平台一直延伸到0.837%处,随后吸附量随Ce增加而继续缓慢增加;吸附理论研究分析表明,Ce较小时形成单分子层吸附,随Ce的增加,转化成多分子层吸附;BET多分子层吸附模型能对吸附等温线作出较好描述.     

固体填充剂对推进剂力学性能的影响

借助扫描电子显微镜（SEM）及微型动态拉伸装置测试手段，对含固体颗粒填充剂的丁羟复合固体推进剂（HTPB）和硝酸酯增塑的聚醚高能推进剂（NEPE）中的微相结构进行了断口微观形貌观察和推进剂拉伸试件在拉应力作用下的断裂过程分析。结果表明，固体颗粒的形状，粒径尺寸，粒度分布和级配变化，以及固体填料／粘合剂的界面性质等因素对推进剂力学性能有着重要的影响。     

固体推进剂的最新进展—NEPE推进剂

什么是NEPE推进剂NEPE是硝酸酯增塑聚醚的英文缩写,全称是Nitrate Ester Plasti cized Polyether。NEPE推进剂是美国为满足MX洲际导弹的需要,赫克力斯公司于70年代末研制成功,80年代初开始使用的一种新型固体推进剂。对于MX导弹的高能量、高性能的要求,目前的复合固体推进剂和改性双基推进剂都不能满足。但复合固体和改性双基各有所长,突破两者的界限,充分发挥双基中硝酸酯增塑剂的能量高、复合固体中高分子主链低温力学性能好的优点,再加入高性炸药HMX,就组成了NEPE推进剂。它不仅能量高、低温性能好、不脆变,而且其它性能也满足要求。除在MX第     

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。     

NEPE推进剂发动机振动安全性试验研究

为了评估NEPE推进剂全尺寸发动机在经受弹射和飞行振动载荷下的安全性,在不同试验条件下进行了NEPE推进剂165 mm发动机的振动试验。理论分析认为,NEPE推进剂全尺寸发动机在振动条件下因药柱温度升高及静电积聚而发生危险的可能性很小,通过相关试验验证了该结论,说明采用NEPE推进剂165 mm发动机进行全尺寸发动机振动安全性评估可行。     

NEPE推进剂／衬层粘接界面层厚度表征方法研究

采用纳米压痕分析法和超声波扫描显微镜分析法,研究了NEPE推进剂/衬层粘接界面层的厚度。纳米压痕分析结果表明,界面层与粘接物的细观力学性能有明显差异,差异区域的厚度约为80μm;超声波扫描显微镜分析结果表明,界面层是非均匀性的复杂实体,计算出未老化粘接界面的厚度为84.94μm。计算结果和测试值基本一致,认为NEPE推进剂/衬层粘接界面层的厚度为80~85μm。