为了降低含超细AP的AP-CMDB推进剂的机械感度,将类球形超细AP加至CMDB推进剂中,通过扫描电子显微镜获得了推进剂的断面微观形貌; 分别研究了类球形超细AP对推进剂密度、力学性能、燃烧性能和机械感度的影响。结果 表明,类球形AP表面较光滑,在推进剂中分散较均匀,但与双基组分间存在部分界面脱粘现象; 添加类球形超细AP对AP-CMDB推进剂的密度没有影响; 可以有效提高推进剂的燃速,含类球形AP的AP-CMDB推进剂在10MPa时燃速从60.12mm/s提高至63.03mm/s; 大幅降低推进剂的机械感度,特性落高(H50)提高了15.7cm,摩擦感度(P)降低了32%; 但同时降低了推进剂的抗冲强度,-40℃时抗冲强度从5.22kJ/m2降至4.12kJ/m2,其原因与类球形AP的热分解性能、表面形貌、分散均匀性及与双基组分间的界面情况有关。

To reduce the mechanical sensitivity of AP-CMDB propellant with ultrafine AP, the spheroidal ultrafine AP was added into CMDB propellant. The microstructure of the propellants were obtained by scanning electronic microscope. The effects of spheroidal ultrafine AP on the densities, mechanical properties, combustion performance and mechanical sensitivities of the propellant were investigated. The results show that the surface of spheroidal ultrafine AP is more smooth and it has a better dispersion uniformity in the propellant. However, there are interface debonding between spheroidal ultrafine AP and double base matrix. The density is not changed while the burning rate of AP-CMDB propellant with spheroidal ultrafine AP at 10MPa is increased from 60.12mm/s to 63.03mm/s. The mechanical sensitivities of AP-CMDB propellants with spheroidal ultrafine AP are reduced greatly. The characteristic drop height H50 is increased by 15.7cm and the friction sensitivity P is reduced by 32%. However, the impact strength of the propellant is reduced from 5.22kJ/m2 to 4.12 kJ/m2 at -40℃.The reasons maybe attributed to the thermal decomposition, microstructure, dispersion uniformity of spheroidal ultrafine AP, and the interface bonding between AP and double base matrix.

含高氯酸铵(AP)的复合改性双基(AP-CMDB)推进剂具有能量水平高、燃速高且易于调节及性能稳定等优点,可以有效满足发动机获取瞬时大推力的要求,广泛应用于单兵火箭和反坦克导弹发动机中^[1-2]。近年来,随着战术武器向提高射程的方向快速发展,要求导弹发动机能够提供更大的瞬时推力,相应要求推进剂具有高的燃速。AP的性能对推进剂的性能具有重要影响,减小AP粒度可有效提高推进剂燃速,特别是在推进剂中引入超细AP可大幅提高推进剂的燃速,目前已广泛使用超细AP来提高AP-CMDB推进剂的燃速,但超细AP的引入会导致推进剂机械感度急剧升高^[3-7]。

相关研究表明^[8-13],球形化是降低含能材料固体颗粒机械感度的有效途径之一,可以使含能材料粒子表面形态得到改善,同时减少其晶体缺陷,从而有效降低含能材料的机械感度,同时改善其热分解性能、热安定性及分散均匀性等。荆肖凡等^[8]采用重结晶法制备了球形化RDX,和原料RDX相比,重结晶RDX的颗粒分散均匀、热分解峰温降低、热安定性提升、撞击感度降低,特性落高H₅₀由21.5cm提高至36.4cm。宋娟等^[13]采用气流粉碎法和球磨法相结合制备了球形化超细AP,所制备的超细球形AP表面光滑、缺陷少,且粒度均匀,其热分解性能和机械感度同时得到改善,与同粒度的非球形AP相比,球形化AP的低温热分解温度和高温热分解温度分别降低了13.4℃,撞击感度和摩擦感度分别降低了32%和45%,原因是类球形AP在热分解过程中的“去活作用”减小,且类球形AP受到外界刺激作用时形成热点的几率降低。因此,在CMDB推进剂中添加类球形超细AP有望同时改善推进剂的燃烧性能和机械感度。

本研究采用溶剂压伸工艺分别制备了含相同粒度的普通AP和类球形AP的AP-CMDB推进剂,探讨了类球形AP对推进剂密度、力学性能、燃烧性能及机械感度等性能的影响,并对其影响机理进行了分析,以期为AP-CMDB推进剂的性能优化提供技术参考。

• 1.1 材料及仪器

  NC(含氮量12.6%)、NG(工业品),西安近代化学研究所; 普通AP,d₅₀=1～3μm,洛阳黎明化工研究院; 类球形AP,d₅₀=1～3μm,采用气流粉碎和球磨相结合的方法制备,制备过程无杂质引入,纯度与原料AP一致,山西北方兴安化学有限公司; Al粉,d₅₀=5μm,鞍钢实业微细有限公司; 无水乙醇及丙酮,分析纯,西安化学试剂厂。

  Quanta FEG 600扫描电子显微镜(SEM),美国FEI公司; 10L卧式捏合机、100T油压机,西安近代化学研究所。

• 1.2 样品的制备

  推进剂基础配方(质量分数)为:NC/NG,55%～65%; AP,28%～35%; Al粉,3%～8%; 其他,3%～5%。

  推进剂样品制备:NC/NG经压延驱水切成片状,外加乙醇和丙酮混合溶剂,将物料加入10L卧式捏合机,倒入混合溶剂,捏合均匀后用100T油压机压伸成管状药柱。

• 1.3 性能测试

  采用扫描电子显微镜研究推进剂样品的微观结构; 按照GJB770B-2005方法401.2液体静力称量法测试密度; 按照GJB770B-2005方法417.1简支梁法测试抗冲强度; 按照GJB770B-2005方法706.1靶线法测试燃速,采用Vieille方程r=apⁿ计算燃速压强指数; 撞击感度采用GJB 772A-97方法601.2特性落高法进行测试,落锤质量2kg,药量30mg,用50%爆炸率的特性落高值H₅₀表示; 摩擦感度采用GJB 772A-97方法602.1爆炸概率法进行测试,表压2.45MPa,摆角66°,药量20mg,用爆炸百分数P表示。

• 2.1 密度分析

  含相同粒度普通AP和类球形AP的AP-CMDB推进剂密度测试结果一致,均为1.77g/cm³,表明类球形化处理对AP在推进剂中的分散均匀情况影响不大,从而推进剂密度保持不变。

• 2.2 力学性能分析

  含相同粒度普通AP和类球形AP的AP-CMDB推进剂在不同温度下的抗冲强度结果如表1所示。

  

  表1 AP-CMDB推进剂的抗冲强度
  Table 1 Impact strength results of AP-CMDB propellants

  从表1可以看出,添加类球形AP后,AP-CMDB推进剂在-40、20和50℃下的抗冲强度均明显降低,为了分析类球形AP对推进剂力学性能的影响,采用扫描电子显微镜对含普通AP和类球形AP的推进剂断面微观结构进行表征,结果如图1所示。

  

  图1 含普通AP及类球形AP的AP-CMDB推进剂SEM图
  Fig.1 SEM images of AP-CMDB propellants with ordinary AP and spheroidal AP

  从图1可以看出,普通AP呈片状结构、表面棱角明显,局部存在颗粒团聚现象,而类球形AP呈类球状、表面较光滑,分散均匀性相对较好; 但普通AP与推进剂中的双基组分间结合较为紧密,而类球形AP与双基组分间则存在部分界面脱粘现象,原因可能是与同粒度的普通AP相比,类球形AP球形度高、表面光滑,从而与双基组分之间界面张力增大,使得AP与双基组分间的界面结合力下降; 同时,由于与同粒度的普通AP相比,类球形AP相对分散均匀,从而与双基组分之间接触面增多,在受到外力冲击作用时内部应力产生点较多,从而推进剂药柱易被冲断,造成含类球形AP的AP-CMDB推进剂抗冲强度下降。

• 2.3 燃烧性能分析

  含相同粒度普通AP和类球形AP的AP-CMDB推进剂的燃速曲线如图2所示。

  

  图2 AP-CMDB推进剂的燃速曲线
  Fig.2 Burning rate curves of AP-CMDB propellants

  从图2可以看出,与同粒度的普通AP相比,含类球形AP的AP-CMDB推进剂在不同压强下的燃速均提高,压强指数基本保持不变,推进剂在10MPa下燃速从60.12mm/s提高至63.03mm/s。原因包括两个方面:一是球形化处理有利于AP的热分解,类球形AP的低温分解峰和高温分解峰均提前,分解温度向低温区移动^[13],同时由于类球形AP分散均匀,从而与催化剂接触面增大,有利于提高催化效率; 二是粒度较小的普通AP在推进剂中容易团聚,而类球形超细AP由于相对分散均匀,从而比表面积较大,有利于凝聚相放热反应,AP在推进剂的燃烧表面附近放热增加,传给表面的热量也增加,故推进剂的燃速提高^[14]。

• 2.4 机械感度分析

  含相同粒度普通AP和类球形AP的AP-CMDB推进剂的机械感度结果如表2所示。

  

  表2 AP-CMDB推进剂的机械感度
  Table 2 Mechanical sensitivities of AP-CMDB propellants

  从表2可以看出,含类球形AP的AP-CMDB推进剂撞击感度和摩擦感度均明显降低,特性落高H₅₀提高了15.7cm,摩擦感度P降低了32%。根据热点理论^[15],非均质炸药在受到撞击和摩擦等机械刺激作用时,其内部形成的热点数量越多,炸药越易点火,机械感度越高。本实验所用的普通AP棱角较多,且分散性较差,在受到外界机械刺激作用时颗粒之间更容易产生相互摩擦作用,从而产生热点的几率也较大,导致机械感度相对较高; 而类球形AP由于表面相对较圆滑、棱角较少,且颗粒之间较为分散,根据热点理论,晶体在受到撞击、摩擦等外界作用力时形成热点的几率减小,从而机械感度降低。

(1)含普通AP和类球形AP的AP-CMDB推进剂密度一致,均为1.77g/cm³。

(2)含类球形AP的AP-CMDB推进剂力学性能下降,含普通AP和类球形AP的推进剂-40℃抗冲强度分别为5.22和4.12kJ/m²。

(3)含类球形AP的AP-CMDB推进剂燃速提高,压强指数基本不变,含普通AP和类球形AP的推进剂在10MPa下的燃速分别为60.12和63.03mm/s。

(4)含类球形AP的AP-CMDB推进剂的机械感度大幅降低,特性落高H₅₀提高了15.7cm,摩擦感度P降低了32%。