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。     

卡托辛对AP热分解影响的XPS研究

采用XPS方法研究了卡托辛对复合固体推进剂氧化剂AP热分解过程的作用机理。结果表明,热氧化后Fe原子的结合能向高位移动,再根据Fe2p3/2谱强度的变化,说明卡托辛在AP热分解过程中是逐渐氧化过程,Fe—C共轭键逐渐断裂;Cl原子的结合能向低位移动,且在200 eV左右出现低结合能的峰,同时其强度逐渐增大,Cl原子在200 eV处形成的低结合能态的可能途径是卡托辛的分解产物环戊二烯离子与HClO4的分解产物HCl发生反应,加速了HClO4的分解速度;卡托辛的二茂铁基夹心结构破坏后生成的Fe2O3具有较高的反应活性,亦加速AP离解产物HClO4的分解速度。     

T-Jump/FTIR联用技术研究CL-20的热分解机理

用T-Jump/FTIR联用技术,在高纯氮气气氛、不同压力、不同裂解温度和1 000 K/s的快速升温速率条件下,研究了CL-20的快速热裂解过程。用快速扫描傅立叶变换红外光谱实时跟踪分析分解产物的种类和浓度变化,考察了实验温度和压力对CL-20快速热裂解气相产物N2O/NO2和NO/NO2比值的影响。结果证实,CL-20的分解首先是从N—NO2键的断裂开始,生成NO和其他较稳定的气体产物(如CO、CO2和H2O等),这种N—N键断裂的反应因压力和温度增大而加速,气态NO2生成后又与凝聚相和其他活性还原性气体产物(如CH2O)发生二次反应,经中间产物而产生N2O。     

HTPE推进剂热分解特性研究

利用差示扫描量热法(DSC)得到端羟基聚醚(HTPE)推进剂(H01和H02)在不同升温速率下热分解曲线,用Kissinger公式和Ozawa公式计算了H01和H02热分解的表观活化能;利用绝热加速量热仪(ARC)对H01和H02进行绝热量热测试,得到H01和H02的热分解特性参数。结果表明:HTPE推进剂(基础配方为HTPE/A3/AP/Al/PSAN)中相稳定硝酸铵(PSAN)/高氯酸铵(AP)含量比值增加对推进剂的初始分解峰影响不大,HTPE推进剂的第一步分解是增塑剂A3的热分解,H01和H02的表观活化能分别为127.28kJ·mol~(-1)和123.43kJ·mol~(-1);在绝热条件下,H01的起始分解温度较高(147.78℃),高于H02的起始分解温度(136.44℃),反应结束后,两种物质系统的最大压力分别为0.709 MPa和0.531 MPa;H01的绝热温升(246.94℃)高于H02(184.47℃),发生热分解反应时,严重度更大,初始的热分解反应更为剧烈。因此,PSAN/AP含量比值增加有助于降低HTPE推进剂在热刺激下的响应程度。     

含1,3,3-三硝基氮杂环丁烷(TNAZ)推进剂能量特性计算研究

利用国军标方法及CAD系统软件,在标准条件(pc/po=70:1)下,计算了含1,3,3-三硝基氮杂环丁烷(TNAZ)的各类推进剂的能量特性.发现TNAZ单元推进刺的理论比冲为2 700.2 N·s/kg,与DNTF单元推进剂接近;用TNAZ取代丁羟复合固体推进剂中的AP,比冲可提高37.9 N·s/kg;用TNAz取代NEPE推进剂中的AP,推进剂最大理论比冲可达2 671.1 N·s/kg;NC/NG/TNAZ组成的无烟改性双基推进剂比冲可达2 573.6 N·s/kg;由GAP/TNAZ/BDX组成的无烟推进剂,在很宽的范围内都可得到2 600 N·s/kg以上较高的理论比冲值.研究结果表明,TNAZ在高能推进剂尤其在高能无烟推进剂中有着广阔的应用前景.     

NEPE推进剂/衬层界面研究进展

装药界面是固体火箭发动机故障高发部位。NEPE固体推进剂活性组分多,界面化学物理过程复杂,装药界面粘接问题更加突出。重点开展了界面结构表征、界面粘接与老化失效机理两个方面的研究,发现NEPE推进剂/衬层界面区域在微观尺度上存在多层次结构,推进剂一侧形成40~80μm的HMX及其键合剂富集区,衬层HTPB粘合剂向NEPE推进剂方向扩散,在物理分界衬层侧形成粘合剂基体富集层。系统分析了影响界面粘接的主要因素,确定了影响界面粘接的主反应,阐明了两个主反应的竞争关系。揭示了界面粘接的主要副反应,即工艺助剂YS与固化剂的反应。发现了NEPE推进剂/衬层粘接界面老化降解的关键化学过程,界面老化降解主要发生在PEG与N100反应形成的氨基甲酸酯结构的C—O键,氮氧化物的残余含量决定老化反应的速率。     

复合燃速调节剂对NEPE推进剂高压燃烧性能的影响

利用DSC-TG联用和燃速测试等方法,从降低CMDB推进剂和AP类复合推进剂压强指数的燃速调节剂中,筛选出了纳米PbO、QC、C及SEA、Fe2O3、Co3O4等燃速调节剂,并考察了这些燃速调节剂对NEPE推进剂燃烧性能的影响。通过分析两类燃速调节剂发挥作用的主要压强区间及其对推进剂燃速的影响趋势,对两类燃速调节剂进行了复配研究。试验结果表明,复合调节剂ZH-2(由纳米过渡金属氧化物、铅/铜盐等复配而成)使NEPE推进剂高压(10~25 MPa)燃速压强指数由0.78降低至0.62,而且在宽压强范围内消除了压强指数的拐点。     

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。     

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。     

GAP推进剂的燃烧

为了解高能叠氮聚合物的燃烧速率机理,对GAP(聚叠氮缩水甘油醚)推进剂的燃烧和分解过程作了研究.GAP推进剂的特点是在分子结构中附有-N_3官能团,燃烧试验结果表明:即使单位质量GAP推进剂所含的能量相对较低,GAP推进剂的燃速也较高;而且其燃速很大程度上依赖于初始温度和GAP推进剂中的混合浓度.AGP推进剂的燃速随着单位质量的GAP推进剂中-N_3官能团浓度的增加而增加.从GAP燃烧火焰结构的热分布试验和热化学试验中可发现,燃烧表面放出的热量比由热气流反馈到燃烧表面的热量大得多,GAP的初始分解是由-GH_2-N=N_2分子结构中键断裂生成-C≡N N_2引起的.该分解反应具有高达685kJ/mol的放出热,由此可得,所观察到的高燃速是由燃烧表面的热分解反应引起的.     

氮掺杂氧化锌的制备及其催化高氯酸铵热分解性能研究

为提高Zn O对高氯酸铵(AP)热分解反应的催化活性,采用溶剂热法,在甲醇-水混合溶液中以2-甲基咪唑为氮源和碱源一步制备了N掺杂Zn O(N-ZnO)催化剂。利用X射线衍射仪、场发射扫描电子显微镜、高倍透射电子显微镜、X射线光电子能谱仪、傅里叶红外光谱以及紫外可见漫反射光谱等表征了N-ZnO催化剂的形貌、结构及组成,并通过热重-差示扫描量热联用技术研究了N-ZnO对AP热分解的催化性能。结果表明,在N-ZnO的催化作用下,AP热分解温度由432℃降低至292℃和放热量由376 J/g提高至为1253 J/g,其催化性能优于纯Zn O,这是由于N原子成功掺入Zn O晶格后,禁带宽度的窄化和氧空位缺陷的增多有利于AP热分解产物HCl O4中Cl—O键的断裂,并容易获得更多电子,得到的活性O-加剧了NH3的氧化反应,从而提高催化性能。     

2,4-二硝基咪唑含能锂盐的热分解行为及其对AP热分解的催化作用

为寻求2,4-二硝基咪唑为配体的新型含能催化剂,以2,4-二硝基咪唑和碳酸锂为原料,丙酮为反应溶剂,合成了2,4-二硝基咪唑含能锂盐(Li-DNI)。采用元素分析,1HNMR,13CNMR和XPS表征其结构。采用TG-DTG和DSC分析了Li-DNI的热分解行为及Li-DNI与高氯酸铵(AP)热分解反应过程中的互为催化反应。用Kissinger公式和Ozawa公式计算了Li-DNI热分解反应的表观活化能及Li-DNI/AP混合物在低温分解阶段(LTD)和高温分解阶段(HTD)的非等温反应动力学参数。结果表明,Li-DNI分子式为Li C3HN4O4·H2O。Li-DNI热分解过程主要由一个吸热熔融峰和分解放热峰组成,相应峰温分别为84.5℃和310.7℃,放热分解反应表观活化能为153.3 k J/mol。Li-DNI与AP热分解反应过程中产生互为催化作用:Li-DNI可加快AP热分解,使AP在LTD和HTD阶段的峰温和表观活化能分别降低41.8℃和75.6℃,56.0 k J/mol和10.8 k J/mol,表观放热量增加432.3 J/g,显示Li-DNI对AP热分解具有较好的催化作用。AP也可加速Li-DNI热分解,可使Li-DNI剧烈分解阶段的峰温提前19.9℃。     

偶氮二甲酰胺对PET推进剂药-药级间界面粘接的影响

针对PET(环氧乙烷-四氢呋喃共聚醚)推进剂药-药级间界面的脱粘现象,研究了ADC(偶氮二甲酰胺)含量对PET推进剂药-药级间界面粘接性能的影响,并研究了PET推进剂原始表面和新切面粘接性能的差异性;利用XPS表征了不同ADC含量的PET推进剂原始表面和新切面化学元素相对含量及主要元素C、O结合能分布。结果表明,含有15%ADC的PET推进剂原始表面与新切面相比,C—C(C—H)键明显减少,同时C—O键明显增多。分析认为,机理为ADC促进了PET的热氧降解,使推进剂表面性质发生变化,导致PET推进剂药-药级间界面粘接性能下降。     

N2O/丙烷火箭发动机研制

为进行N2O/丙烷(C3H8)火箭发动机(NOP)试验,在亚拉巴马大学(UAH)新建了一座发动机试车台,装备了台架式推进剂供应系统、10001bsf(4448.22N)的推力架和数据采集系统.研究了N2O催化分解点火方案,对几种催化剂材料进行了评估.Shel1-405和钴基的ZSM-5性能良好,可使N2O充分分解,并点燃碳氢燃料,如丙烷.试验表明,纯N2O通过Shel1-405时,催化分解反应在400°F(204℃)时进行,如果加入少许碳氢燃料(例如丙烷或丙烯),此温度将下降到大约200°F(93℃).NOP发动机在L*=3m时,在混合比4.89到8.68之间进行了试验.在合适的热损失模型下,试验数据与理论计算结果相吻合.使NOP发动机稳定工作的范围基本确定为N2O流量＜0.270 1bm/sec(0.122kg/s),混合比在5～6之间.用辐射测量仪来测量发动机排气温度和羽流成分,用羽流皮托管校验推力数据.     

基于红外光谱的HTPB推进剂老化机理

为从红外光谱角度研究HTPB推进剂贮存过程中老化机理,开展了70℃下推进剂试样的加速老化试验,并测得加速老化过程中15个时间节点的试样红外吸收光谱及最大延伸率数据,通过对二者变化规律的相关性分析,找到了与最大延伸率变化相关度较高的红外特征波数及其对应的特征官能团—OH、C=O、NH_4~+,且这些官能团特征吸收峰强度与最大延伸率均呈总体下降趋势。研究结果表明在加速老化过程中,推进剂试样中存在的主要老化机理是消耗—OH与C=O的后固化反应以及会导致NH_4~+含量降低的氧化交联反应。同时,红外光谱分析的实验结果,与以往传统研究方法所揭示的HTPB推进剂主要老化机理一致,印证了红外光谱法的正确性,也说明它具备进一步发展为定量反映推进剂老化性能工具的潜力。     

用于高燃速固体推进剂的新官能团预聚物

二茂铁、烷基二茂铁和其他二茂铁衍生物广泛用作复合固体推近剂的燃速催化剂。在推进剂贮存期间,这些化合物有向推进剂表面迁移的倾向,因此会严重降低火箭发动机的弹道性能。有机硅二茂铁衍生物FC—R—SiH(CH_3)_2(R为烷基或苯基)通过硅氢烷化反应把二茂铁基接枝到低分子量端羟基聚丁二烯(HTPB,20% 1,2—双键,80% 1,4—双键)的C=C双键上,合成出新官能团预聚物(取名为Butacene)。这些化合物对燃速的催化能力,至少等于通常的二茂铁衍生物。这项工作开始时,用一些分子模拟化合物和二甲基苯基硅烷做了大量试验研究,前者模拟HTPB中的C=C双键(1,2—,顺—1,4—和反—1,4—双键),后者模拟二茂铁硅烷。用六水合氯铂酸(H_2PtCl_6·6H_2O)的异丙醇溶液作催化剂。这些化合物的硅氢烷化反应动力学的研究,证明了1,2—双键的反应活性比1,4—双键大得多。这个结论与二甲基苯基硅烷和HTPB的加成反应得出的结果相同,硅氢烷化反应并不改变端羟基的功能。此后,合成了多种含Si—H键的有机硅二茂铁衍生物。研究了温度、溶剂性质、催化剂性质和反应条件等各种参数对硅氢烷化反应速率和产率的影响。用红外光谱检验了反应动力学,用~1H核磁共振和火焰光谱法测量了预聚物中的铁含量。预聚物的结构用~1H和~(13)C核磁共振法进行鉴定。从这项研究中可以清楚地看出,Fc(CH_2)_4SiH(CH_3)_2的试验结果最好,它能与全部的1,2—双键反应,从而制得铁含量为10%的预聚物。此外,它的玻璃化温度能满足固体推进剂使用要求。用Butacene预聚物制备的复合推进剂,其燃速特性与使用一般的二茂铁增塑剂的推进剂相同。因为二茂铁基联在预聚物上,不能迁移,这是一个很大的优点,因此,这种推进剂具有良好的老化性能。     

ANPyO Bi(III)含能配合物的合成、表征、热分解行为及其对高氯酸铵热分解的催化作用

合成了2,6-二氨基-3,5-二硝基吡啶-1-氧化物(ANPyO) Bi(III)含能配合物,采用FTIR、元素分析和XPS光电子能谱表征了含能配合物的结构.根据结构表征结果推测,ANPyO Bi(III)含能配合物的分子式为Bi(C5H4N5O5)3,金属离子与配体的配比为1∶3.其中,可能的配位方式为:每个配体ANPyO 2-位的氨基脱去一个氢原子,分别以NH和N→O结构单元中N原子和O原子与Bi(III)形成配位键.ANPyO Bi(III)含能配合物的撞击感度、摩擦感度和冲击波感分别为220 cm、36 kg和5.8 mm.采用TG-DTG和DSC测试考察了ANPyO Bi(III)含能配合物的热分解行为,配合物在50～450 ℃范围内热分解过程由一个吸热熔融峰和分解放热峰组成,相应的峰温分别为320.6 ℃和346.5 ℃,配合物热分解剩余残渣量为31.2％.同时,考察了配合物对高氯酸铵热分解的催化作用,并采用Kissinger法对纯AP和AP混合物热分解过程低温分解阶段和高温分解阶段的表观活化能和指前因子进行了计算.结果表明,ANPyO Bi(III)含能配合物可使高氯酸铵高温分解阶段和低温分解阶段的峰温提前63.6 ℃和63.1 ℃,表观活化能降低23.1 kJ/mol和61.5 kJ/mol,表观分解热增加339.3 J/g.可发现,ANPyO Bi(III)含能配合物对AP的热分解具有显著的催化作用.     

ANPyO Bi(Ⅲ)含能配合物的合成、表征、热分解行为及其对高氯酸铵热分解的催化作用（英文）

合成了2,6-二氨基-3,5-二硝基吡啶-1-氧化物(ANPyO)Bi(Ⅲ)含能配合物,采用FTIR、元素分析和XPS光电子能谱表征了含能配合物的结构。根据结构表征结果推测,ANPyOBi(Ⅲ)含能配合物的分子式为Bi(C5H4N5O5)3,金属离子与配体的配比为1∶3。其中,可能的配位方式为:每个配体ANPyO 2-位的氨基脱去一个氢原子,分别以NH和N→O结构单元中N原子和O原子与Bi(Ⅲ)形成配位键。ANPyOBi(Ⅲ)含能配合物的撞击感度、摩擦感度和冲击波感分别为220cm、36 kg和5.8 mm。采用TG-DTG和DSC测试考察了ANPyOBi(Ⅲ)含能配合物的热分解行为,配合物在50~450℃范围内热分解过程由一个吸热熔融峰和分解放热峰组成,相应的峰温分别为320.6℃和346.5℃,配合物热分解剩余残渣量为31.2%。同时,考察了配合物对高氯酸铵热分解的催化作用,并采用Kissinger法对纯AP和AP混合物热分解过程低温分解阶段和高温分解阶段的表观活化能和指前因子进行了计算。结果表明,ANPyOBi(Ⅲ)含能配合物可使高氯酸铵高温分解阶段和低温分解阶段的峰温提前63.6℃和63.1℃,表观活化能降低23.1 kJ/mol和61.5 kJ/mol,表观分解热增加339.3 J/g。可发现,ANPyOBi(Ⅲ)含能配合物对AP的热分解具有显著的催化作用。     

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。     

DNTF/CL-20双组元体系热分解特性及机理研究

六硝基六氮杂异伍兹烷(CL-20)在3,4-二硝基呋咱基氧化呋咱(DNTF)基熔铸炸药中应用前景广阔,从实验分析和动力学模拟两方面入手,研究了DNTF/CL-20双组元体系(1∶1,质量比)热分解特性及机理。采用高压差示扫描量热(PDSC)技术考察了双组元体系的热分解特性,并通过Kissinger方程得到了其热分解动力学参数;采用同步热分析-红外-质谱(TG/DSC-FTIR-MS)联用技术研究了双组元体系热分解产物的组成及种类,推测了其热分解机理;采用耐驰热动力学软件获得了1.0 MPa下双组元体系的热分解动力学参数。结果表明：DNTF/CL-20双组元体系在1.0 MPa下的热分解过程中,CL-20会因低共熔导致分解峰温降低,产生的气相产物会促进DNTF的分解,进而引起其峰温前移;DNTF/CL-20双组元体系热分解的初始步骤为CL-20中的N—NO₂断裂,产生具有催化作用的气相分子,致使其笼状结构裂解,并引起DNTF的呋咱环和氧化呋咱环于N—O键处断裂,最终生成后续生成NO、CO、CO₂、N₂O、H₂