金屬粉對NC/TMETN/FOX-7低敏感改性雙基推進劑燃燒性能的影響

李軍強，何俊武，張 超，王江寧，楊立波

(西安近代化學研究所, 陜西 西安 710065)

引 言

傳統改性雙基推進劑以高感度的硝化甘油(NG)為增塑劑，導致該類推進劑具有較高的機械感度和沖擊波感度[1-3]，給裝配該類推進劑的機載、艦載等高價值武器平臺的安全帶來威脅[4]。采用低敏感含能增塑劑代替NG是降低其敏感性的主要技術途徑[5]，國內外學者對此開展了大量研究[6-11]。三羥甲基乙烷三硝酸酯(TMETN)被認為是最有可能替代NG的低感度含能增塑劑，法國火炸藥公司成功研制了以TMETN為增塑劑的SDll75和SD1178推進劑，其危險級別達1.3級[12]。為了彌補低感度增塑劑對推進劑能量性能的影響，通常通過添加少量鋁粉(Al)、鎂鋁合金粉(Mg-Al)和硼粉(B)等來提高推進劑的能量[13-15]，其中B粉雖然屬于非金屬粉，但因其具有一些金屬的特性[16]，一般將其和鋁粉、鎂粉等金屬粉一起當作能量添加劑在固體推進劑中應用,Al粉不僅能提高推進劑的比沖，還可以提高推進劑的密度。由于這些能量添加劑具有金屬特性，必然會對推進劑的燃燒性能產生影響，關于這些能量添加劑對NEPE推進劑、丁羥復合推進劑及以NG為增塑劑的改性雙基推進劑燃燒性能影響的報道較多[17-19]，但有關其對低感度改性雙基推進劑燃燒性能的影響未見報道。

本實驗研究了Mg-Al、Al粉、B粉及Al粉含量和粒度對以硝化棉為黏合劑、TMETN為增塑劑、1,1-二氨基-2,2-二硝基乙烯(FOX-7)為能量添加劑的改性雙基推進劑燃燒性能的影響，以期為低敏感改性雙基推進劑燃燒性能調節提供技術基礎。

1 實 驗

1.1 材料及儀器

硝化棉(NC),瀘州北方硝化棉公司，氮含量12.0%；三羥甲基乙烷三硝酸酯(TMETN)，純度>99.4%；西安近代化學研究所，1,1-二氨基-2,2-二硝基乙烯(FOX-7)，西安近代化學研究所，純度>99.5%;鋁粉(Al)，粒徑分別為12.5、24、30、45μm，哈爾濱東輕金屬粉業有限責任公司，純度>99.9%;硼粉(B)，營口市精細化工廠，純度>99.5%;鎂鋁合金粉(Mg-Al)，西北鋁廠，純度>99.5%;二號中定劑(C2),重慶長風化學工業有限公司;催化劑(鉛銅碳催化劑)、凡士林(V,醫用)及其他功能助劑等均為工業品。

2kg吸收器、靜態恒壓燃速儀和火焰結構分析系統均為西安近代化學研究所自研。

1.2 樣品的制備

NC/TMETN/FOX-7改性雙基推進劑基礎配方(質量分數)為：NC+TMETN，60%；FOX-7，25%；金屬粉，5%；B-Pb/F-Cu/CB(B-Pb芳香酸鉛鹽，F-Cu為脂肪酸銅鹽)，3.5%；V,0.5%；C2，1.0%；其他，5.0%。

采用吸收、驅水、放熟和壓片切成藥條的常規工藝制備5mm×5mm×150mm測試樣品，藥料按2000g配料，吸收系數取6。

1.3 燃速測定

燃速按GJB-770B-2005方法706.1“燃速-靶線法”測試。根據Vieille燃速與壓強指數關系式r=aPn,采用最小二乘法計算壓強指數n。式中：r為燃速，P為壓強，a為常數。將藥條側面用聚乙烯醇溶液浸漬包覆6次并晾干,然后在充氮緩動式燃速儀中進行燃速測試。溫度為20℃,壓強范圍為6～16MPa。

1.4 火焰結構照片采集

火焰結構照片采用單幅放大彩色攝影法，把未包覆的尺寸為1.5mm×4.0mm×25.0mm的樣品垂直裝在點火架上，然后把點火架放入四視窗燃燒室內，充氮氣使燃燒室內達到預定壓強，并形成自下而上的流動氮氣氣氛，及時排除燃氣保證照片質量。采用20V直流電源作點火源，通過程序控制器用Φ0.15mm鎳鉻合金絲從樣品上端點燃試樣，燃燒正常后啟動照相機拍照，即可得到推進劑穩態燃燒時的火焰結構照片。

2 結果與討論

2.1 金屬粉對推進劑燃燒性能的影響

Al粉(粒徑12.5μm)、Al-Mg粉和B粉對NC/TMETN/FOX-7改性雙基推進劑燃燒性能的影響規律見表1。

表1 金屬粉對NC/TMETN/FOX-7改性雙基推進劑燃燒性能的影響Table 1 Effect of metal powder on the combustion performances of NC/TMETN/FOX-7 CMDB propellant

由表1可知，添加金屬粉使NC/TMETN/FOX-7改性雙基推進劑的燃速升高，燃速增大幅度由大到小依次為：Al-Mg>Al>B。10MPa下，Al-Mg使推進劑的燃速提高了3.8mm/s,增幅達21.4%，鋁粉和硼粉分別使推進劑燃速提高了2.54mm/s和1.07mm/s。B粉和Al-Mg粉使推進劑各壓強區間的壓強指數均升高，Al-Mg對推進劑壓強指數影響最大，使推進劑6～8MPa下的燃速壓強指數由0.45升至0.78，Al粉對推進劑8MPa以上壓強指數影響較小，添加鋁粉后，NC/TMETN/FOX-7改性雙基推進劑8～16MPa下的壓強指數在0.4以下。

金屬粉能提高推進劑的燃速除了其自身燃燒有較高的熱值能提高燃面的溫度外，還與其良好的導熱性有關，能夠使反應熱快速向固相傳遞而加快推進劑表面的分解速度。Al-Mg的增速效果優于鋁粉，這是因為與單質鋁相比，合金有著更低的點火溫度和更短的燃燒時間，且不易結團、燃燒更充分[20]。硼粉提高推進劑燃速幅度較小，這可能是由于硼粉表面存在的B2O3和H3BO3等酸性雜質影響了硼粉的點火燃燒及能量釋放等；而且硼粉的形貌不規則，粒徑也較小(約為1～3μm)，硼粉顆粒與空氣接觸會后造成部分團聚所致。

2.2 鋁粉含量對推進劑燃燒性能的影響

在推進劑基礎配方的基礎上，將Al粉質量分數由0逐漸增至10%(配方中FOX-7含量對應減少)，研究了Al粉含量對NC/TMETN/FOX-7改性雙基推進劑燃燒性能的影響，結果見表2。

表2 鋁粉含量對NC/TMETN/FOX-7改性雙基推進劑燃燒性能的影響Table 2 Effect of Al powder content on the combustion performances of NC/TMETN/FOX-7 CMDB propellant

從表2可知，鋁粉含量對NC/TMETN/FOX-7推進劑燃燒性能的影響差異較大，同一壓強下燃速隨鋁粉含量的增加先升高后降低，在Al粉質量分數小于5%時，NC/TMETN/FOX-7推進劑燃速隨著Al粉含量的增加而增大；當鋁粉質量分數大于5%后，推進劑燃速隨Al粉含量增加而降低，鋁粉質量分數在5%時推進劑燃燒性能最佳，10MPa下燃速達到21.19mm/s，采用最小二乘法計算其6～16MPa壓強指數為0.38；當鋁粉質量分數由5%增加到10%時，10MPa下燃速降至16.50mm/s，各壓強區間的壓強指數也不同程度增大。原因可能是在本研究的NC/TMETN/FOX-7/Al配方中，當鋁粉質量分數增加到5%以上后，配方的氧系數使推進劑的燃燒效率降低，從而使推進劑的燃速降低。

2.3 鋁粉粒度對推進劑燃燒性能的影響

在推進劑基礎配方的基礎上，保持Al粉質量分數5%，鋁粉粒徑由12.5μm逐步增至45μm，研究了其對推進劑燃燒性能的影響，結果見表3。

表3 鋁粉粒度對NC/TMETN/FOX-7改性雙基推進劑燃燒性能的影響Table 3 Effect of particle size of Al powder on the combustion performances of NC/TMETN/FOX-7 CMDB propellant

由表3可知，同一壓強下隨著鋁粉粒度的增大，NC/TMETN/FOX-7推進劑的燃速不斷升高，鋁粉粒徑由12.5μm增至45μm時，10MPa下的燃速由21.19mm/s增至24.47mm/s。6～8MPa和12～14MPa下的壓強指數隨著鋁粉粒度的增加而變小；含粒徑45μm鋁粉的推進劑在6～14MPa的壓強指數小于0.2，說明在本研究配方體系中，大顆粒鋁粉對推進劑的催化效果更好。認為這可能與本研究鋁粉尺寸范圍下，粗、細鋁粉顆粒中含有的單質純鋁量有關，金屬鋁粉顆粒表面極易被空氣中的氧氧化形成Al2O3，大顆粒鋁球雖然表面被氧化，但單個顆粒中純鋁含量高，細顆粒鋁球表面被氧化后，單個顆粒中的純鋁含量少，因此，在本研究的NC/TMETN/FOX-7推進劑配方體系中,大粒度鋁粉提高推進劑燃速、降低壓強指數的效果優于細顆粒鋁粉。

2.4 火焰結構

圖1為加入不同Al含量、不同粒度Al粉的NC/TMETN/FOX-7推進劑在4MPa下的火焰結構照片。其中圖1(a)～(d)鋁粉粒徑為12.5μm，圖1(e)～(g)中鋁粉質量分數為5%。

圖1 4MPa下NC/TMETN/FOX-7推進劑燃燒火焰結構照片Fig.1 Combustion flame structure photos of NC/TMETN/FOX-7 propellant at 4MPa

由于低敏感改性雙基推進劑與傳統改性雙基推進劑有著相同的黏合劑NC,且TMETN與NG有相似的化學結構，含有氧化性基團[NO2]和可裂解自由基[CHO][10],因而NC/NG基推進劑與NC/TMETN基推進劑有著相似的火焰結構。由圖1(a)可以看出，NC/TMETN/FOX-7推進劑火焰結構由預熱區、亞表面及表面區、暗區和火焰區組成，各區之間的界限不明顯。由于配方中含有B-Pb/F-Cu/CB-2催化劑，燃燒表面上有較厚的紅熱碳層和發亮的顆粒狀物質存在。推進劑亞表面區燃燒表面均較為規則，火焰區較為明亮。

比較圖1(a)和圖1(b)可知，加入鋁粉后推進劑火焰結構發生了明顯變化，火焰中有明亮的發光顆粒飛出。當配方中鋁粉質量分數大于8%后，火焰的亮度明顯變暗，火焰中的明亮發光顆粒也減少，焰束變小。比較圖1(e)～(g)可知，隨著鋁粉粒度的增加，推進劑燃燒火焰向上呈噴射狀，鋁粉燃燒形成的發光顆粒也呈濺射狀，說明燃燒更加劇烈，鋁粉質量分數為5%時，火焰最為明亮，火焰中的明亮發光顆粒也最多，燃燒表面的碳網更密實，也更靠近燃燒表面，說明此時鋁粉燃燒更快、更完全,故推進劑的燃速也最高。

3 結 論

(1)金屬粉的加入可以提高NC/TMETN/FOX-7改性雙基推進劑的燃速，燃速增大幅度由大到小依次為Al-Mg>Al>B。Al-Mg將推進劑10MPa下的燃速由18.65mm/s提高至22.45mm/s；B粉和Al-Mg粉使推進劑的壓強指數升高，Al-Mg對推進劑壓強指數影響最大，使6～8MPa下的壓強指數由0.45升至0.78；鋁粉對NC/TMETN/FOX-7改性雙基推進劑8MPa以上壓強指數影響較小，8～16MPa的壓強指數小于0.4。

(2)在Al粉質量分數小于5%時，NC/TMETN/FOX-7推進劑燃速隨著Al粉含量的增加而增大；鋁粉質量分數大于5%后，推進劑燃速隨Al粉含量的增加而降低，鋁粉質量分數在5%時推進劑燃速最高，10MPa下燃速達到21.19mm/s;隨著鋁粉粒度的增大，NC/TMETN/FOX-7改性雙基推進劑的燃速升高，壓強指數降低，鋁粉粒徑由12.5μm增至45μm時，10MPa下的燃速由21.19mm/s增至24.47mm/s，8～14MPa的壓強指數降至0.20以下。