Al粉在高燃速AP／CMDB推進劑中的應用

鄧重清，蔚紅建，張正中

（西安近代化學研究所，陜西西安710065）

引 言

在固體推進劑中加入鋁粉可提高其能量，并對推進劑的性能有重要影響［1］，通過添加不同粒度的Al粉可調節推進劑的燃燒性能，但Al粉對不同類型推進劑燃燒性能的影響有較大差異。在含硝胺的改性雙基推進劑中加入Al粉會降低其燃速，Al粉粒度越小，燃速降低越明顯［2］；將普通鋁粉與納米鋁粉復配后加入雙基推進劑中，能夠提高其燃速；在復合推進劑中加入納米鋁粉能夠提高其燃速［3］。

AP／CMDB推進劑是目前應用較多的固體推進劑，通過加入較高含量的超細AP 和一定含量的Al粉以大幅提高推進劑燃速和能量，使其具備燃速高、推力系數大的優點［4］。研究表明［5］，在采用配漿工藝制備的AP／CMDB 推進劑中加入質量分數10%的Al粉，燃速隨著Al粉粒度的減小而降低。而高燃速AP／CMDB 推進劑則采用溶劑擠出工藝制備，超細高氯酸銨的質量分數達到30%，燃速更高。目前關于Al粉在該類推進劑中應用的研究報道較少。

本實驗對高燃速AP／CMDB推進劑中的Al粉粒度和含量進行了調節，研究了其對推進劑能量和燃燒性能的影響，以期為該類推進劑綜合性能的調節提供技術參考。

1 實 驗

1．1 材 料

吸收藥（NG／NC，NG 質量分數為41%），西安近代化學研究所；超細高氯酸銨（AP），黎明化工研究院；Al粉（粒徑5μm 和14μm），鞍山鋼鐵廠；納米Al粉（粒徑150nm），北京德科島金公司；無水乙醇，分析純，西安化學試劑廠；丙酮，分析純，西安化學試劑廠。

1．2 樣品的制備

推進劑基礎配方（質量分數）為：吸收藥59%～62%，高氯酸銨29%～32%，Al粉0～8%，其他3%～4%。

采用10L臥式捏合機捏合2．5h，100T 油壓機擠出弧厚為1．5mm、長度170mm 的管狀樣品，剖切為寬約5mm 的長條，放置于50℃烘箱96h 后取出。

1．3 性能測試

采用GJB770B－2005方法706．1靶線法測試燃速，用質量分數為8%的聚乙烯醇縮丁醛溶液包覆10遍，燃速壓力指數按r＝apn進行指數回歸。

采 用GJB770B－2005 方 法701．2 恒 溫 法 測 試爆熱。

采用德國耐馳公司DSC204HP 型差示掃描量熱儀進行熱分解測試，氣氛為動態高純氮，升溫速率10℃／min。

2 結果與討論

2．1 Al粉含量對AP／CMDB推進劑性能的影響

研究Al粉含量對推進劑爆熱Qp和理論爆熱QT、理論比沖Isp的影響，結果見圖1。

圖1 Al粉含量對AP／CMDB推進劑爆熱和比沖的影響Fig．1 Effects of Al powder content on the heat of combustion and specific impulse of AP／CMDB propellant

從圖1可知，加入Al粉（D50為14μm）后AP／CMDB推進劑的能量明顯提高，加入質量分數3%的Al粉，推進劑爆熱、比沖提高近5%，爆熱與Al粉的含量成正比。

一般來說，雙基推進劑的爆熱越高，燃速也越高［6］，為了研究加入Al粉后推進劑燃燒性能的變化，測試了7～22MPa下推進劑的燃速，Al粉含量對推進劑燃燒性能的影響見表1。

表1 Al粉含量對AP／CMDB推進劑燃燒性能的影響Table 1 Influence of Al powder content on the combustion performance of AP／CMDB propellants

從表1可知，加入Al粉后，AP／CMDB推進劑的燃速和壓強指數基本無變化，該現象與Al粉加入CMDB推進劑后低壓下燃速降低、高壓下燃速提高的現象不同，這與AP／CMDB 推進劑的燃燒機理有關。AP／CMDB 推進劑燃速與AP 顆粒的燃燒速度密切相關，由于推進劑燃燒表層為低溫反應區，由NG／NC預混焰、AP分解焰及其混合擴散焰組成，而Al粉的燃燒需要在高溫發光火焰區才能實現，在低溫反應區球形Al顆粒處于固體熔脹的狀態，活性Al不與AP和雙基組分分解產物接觸，對推進劑燃燒表層的AP 分解反應無促進作用。

2．2 Al粉粒度對AP／CMDB推進劑性能的影響

在推進劑中加入3種不同粒度的Al粉（質量分數為5%），測試了3種Al粉的活性和推進劑的爆熱，結果見表2和表3，推進劑的燃燒性能見表4。

表2 不同粒度Al粉的活性Table 2 The activity of aluminum with various granularity

表3 含不同粒度Al粉的AP／CMDB推進劑的爆熱Table 3 The heat of combustion of AP／CMDB propllants with various Al powder granularity

從表2和表3可知，隨著Al粉粒度的減小，Al粉活性降低，AP／CMDB推進劑爆熱降低，但降幅較小，說明納米Al粉在AP／CMDB推進劑中的燃燒效率很高，反應較完全。分析認為，由于納米Al顆粒尺寸小，與氧化劑AP顆粒的直接接觸面積遠大于微米級Al顆粒，能更大程度參與反應，在短時間內燃燒完全，使爆熱增加。因此，減小Al粉粒度提高納米Al粉的活性有利于進一步提高推進劑的爆熱。

表4 Al粉粒度對AP／CMDB推進劑燃燒性能的影響Table 4 Effects of Al powder granularity on the combustion performance of AP／CMDB propellants

從表4可知，在不同的壓強區間，Al粉粒度對AP／CMDB推進劑燃燒性能的影響存在差異。Al粉粒徑由14μm（樣品1）減小至5μm（樣品2）后，7～10MPa下推進劑的燃速提高，15～18MPa下推進劑的燃速降低，22MPa下燃速變化不明顯，燃速壓強指數明顯降低；加入粒徑150nm Al粉后（樣品3），7～15MPa下推進劑燃速的變化不明顯，18～22MPa下燃速提高2～3mm／s。該結果與文獻［6］研究存在一定的差異，這可能與Al粉的加入量有關，鋁粉含量越高，在推進劑燃燒表層易發生熔融團聚，燃燒效率降低，同時阻礙低溫反應區AP分解產物和雙基組分分解產物的擴散反應，降低燃燒表層得到的熱輻射，燃速下降。

2．3 鋁粉粒度對推進劑熱分解性能的影響

采用DSC研究10MPa下、含不同粒度Al粉的推進劑熱分解行為，結果見圖3和表5。

圖3 含不同粒度Al粉推進劑的DSC曲線Fig．3 DSC curves of propellants containing Al powder with different granularity

表5 Al粉粒度對推進劑分解峰溫和表觀分解熱的影響Table 5 Effects of Al powder granularity on decomposition peak temperature and apparent heat of decomposition of propellants

從圖3 可以看出，Al粉粒度減小后，AP／CMDB推進劑熱分解特性發生了變化，在分解前有吸熱現象。加入150nm（樣品3）和5μm（樣品2）的Al粉，對推進劑的分解峰值無明顯影響，但放熱量比樣品1分別提高了343和107J／g。Al粉粒徑越小，單位質量的Al粉表面氧化增重越明顯，熔化破裂需要吸收的熱量越大，粒徑14μm 的Al顆粒未出現吸熱峰，可能是表面氧化膜厚度與粒徑比值很小，輕微的受熱膨脹即可使表層氧化膜破壞。研究表明，AP與Al的接觸方式對AP的熱分解和推進劑的熱分解性能影響明顯，AP 和Al粉以物理混合方式加入推進劑中，Al顆粒表面Al2O3氧化膜阻隔了其對AP分解的直接催化作用，因此推進劑分解峰溫基本不受Al粉粒度影響，但粒徑減小有利于提高Al粉短時間內的反應量，使放熱量增加。

推進劑燃燒時，Al粉在燃燒表層隨雙基組分火焰和AP分解火焰進行擴散，擴散速率取決于壓強，壓強越高，團聚程度降低［8］，擴散速率越高。在相對低壓區（小于15MPa），Al顆粒燃燒距離燃燒表面距離相近，參與反應的溫度相對較低，5μm 的Al粉熔融團聚程度較14μm Al粉的小，燃燒效率相對較高，向燃燒表層的熱量反饋能夠維持較高的燃速，納米Al粉由于熔融吸熱效應明顯強于微米級Al粉，反饋熱量減少，推進劑燃速降低；反之，在大于15MPa的相對高壓區，反應區距離燃燒表面相對較遠，反應溫度較高，微米級Al粉團聚程度相近，燃燒產生的反饋熱量相近，燃速相近，而納米級Al粉在高壓下的熔脹團聚程度相對較小，同時參與的反應量較大，燃燒更為充分，反饋熱量明顯高于微米級Al顆粒，推進劑燃速更高。

3 結 論

（1）AP／CMDB 推進劑的爆熱與Al粉含量成正比；Al粉粒徑由14μm 減小至5μm 或150nm時，活性降低，推進劑的爆熱降低，但降幅較小。

（2）Al粉含量對AP／CMDB 推進劑燃燒性能的影響較小；Al粉粒徑由14μm 減小至5μm時，推進劑的表觀分解熱增加107J／g，7～10MPa下燃速提高，10～22MPa下壓強指數由0．56 降低至0．50；當Al粉（質量分數為3%）粒徑減小至150nm，表觀分解熱增加343J／g，18～22MPa下推進劑燃速提高。

［1］ 李 偉，包 璽，唐 根，等．納米鋁粉在高能固體推進劑中的應用［J］．火炸藥學報，2011，34（5）：67－70．LI Wei，BAO Xi，TANG Gen，et al．Application of nano—aluminum powder in high energy solid propellant［J］．Chinese Journal of Explosives and Propellants，2011，34（5）：67－70．

［2］ 吳雄崗，李笑江，宋桂賢，等．鋁粉粒徑對改性雙基推進劑燃燒性能的影響［J］．火炸藥學報，2010，33（3）：80－82．WU Xiong－gang，LI Xiao－jiang，SONG Gui－xian，et al．Effects of aluminum powder diameters on the combustion performance of CMDB propellant［J］．Chinese Journal of Explosives and Propellants，2010，33（3）：80－82．

［3］ 高東磊，朱慧，張煒，等．納米鋁粉在固體推進劑中的應用研究［J］．含能材料，2004，12（Z1）：154－156．GAO Dong－lei，ZHU Hui，ZHANG Wei，et al．Study on the application of nano－aluminum in the solid propellant［J］．Chinese Journal of Energetic Materials，2004，12（Z1）：154－156．

［4］ 李吉禎，樊學忠，劉小剛．AP和鋁粉對AP－CMDB推進劑燃燒性能的影響［J］．火炸藥學報，2008，31（4）：61－63．LI Ji－zhen，FAN Xue－zhong，LIU Xiao－gang．Influence of ammonium perchlorate and aluminum powder on the combustion characteristics of AP－CMDB propellant［J］．Chinese Journal of Explosives and Propellants，2008，31（4）：61－63．

［5］ 張煒，朱慧，王啟燕．AP－CMDB 推進劑穩態燃燒性能計算研究［J］．兵工學報，1997，19（1）：9－12．ZHANG Wei，ZHU Hui，WANG Qi－yan．Calculation study in steady combustion properties of AP－CMDB propellants［J］．Acta Armamentarii，1997，19（1）：9－12．

［6］ 周海清，張平．AP－CMDB推進劑燃速壓強指數的變化分析與辨識［J］．固體火箭技術，2004，27（2）：130－132．ZHOU Hai－qing，ZHANG Ping．Analysis and discrimination of the burning rate pressure exponent of APCMDB propellants［J］．Journal of Solid Rocket Technology，2004，27（2）：130－132．

［7］ 馬振葉，李鳳生，陳愛四，等．Al／高氯酸銨復合粒子的制備 及 其 性 能 表 征［J］．推 進 技 術，2004，25（4）：373－376．MA Zhen－Ye，LI Feng－Sheng，CHEN Ai－si，et al．Preparation and characterization of composite particles of Al／ammonium perchlorate［J］．Journal of Propulsion Technology，2004，25（4）：373－376．

［8］ 嚴啟龍，張曉宏，李宏巖，等．固體推進劑中鋁粉氧化過程及其燃燒效率影響因素［J］．化學推進劑與高分子材料，2011，9（4）：20－26．YAN Qi－long，ZHANG Xiao－hong，LI Hong－yan，et al．Oxidation process of aluminum powder in solid propellant and influence factors on its combustion efficiency［J］．Chemical Propellants and Polymeric Materials，2011，9（4）：20－26．