袁志鋒，趙鳳起，焦建設(shè)，張教強(qiáng)，楊立波，鄭曉東,張 超，謝 波

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2,4-二羥基苯甲酸鉛銅鹽對(duì)Al/RDX-CMDB推進(jìn)劑燃燒性能的影響

袁志鋒1，趙鳳起1，焦建設(shè)2，張教強(qiáng)3，楊立波1，鄭曉東1,張 超1，謝 波1

(1 .西安近代化學(xué)研究所 燃燒與爆炸技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安，710065；2. 炮兵防空兵裝備技術(shù)研究所，北京，100012；3. 西北工業(yè)大學(xué)，陜西 西安，710072）

為了研究2,4-二羥基苯甲酸鉛銅鹽（Pb/Cu-SDHB）單獨(dú)或與其它催化劑復(fù)合后對(duì)含Al粉和黑索今（RDX）改性雙基（Al/RDX-CMDB）推進(jìn)劑燃燒性能的影響，采用吸收-壓延方法制備了推進(jìn)劑樣品，用靶線法測(cè)試了推進(jìn)劑燃速。結(jié)果表明：Pb/Cu-SDHB能有效調(diào)節(jié)推進(jìn)劑燃燒性能，顯著提高了Al/RDX-CMDB推進(jìn)劑的燃速，并明顯降低了壓強(qiáng)指數(shù)；3.0% Pb/Cu-SDHB與0.65%炭黑復(fù)合后使Al/RDX-CMDB推進(jìn)劑在10~15MPa的壓強(qiáng)指數(shù)降低至-0.1，10MPa下燃速超過20mm/s。

固體推進(jìn)劑；2,4-二羥基苯甲酸鉛銅鹽(Pb/Cu-SDHB)；燃燒性能；麥撒；平臺(tái)

含Al粉(質(zhì)量分?jǐn)?shù)不超過2%)和黑索今（RDX）的CMDB推進(jìn)劑由于能量高、特征信號(hào)低、質(zhì)量一致性好等總體性能優(yōu)異而得到了廣泛應(yīng)用，但是由于Al粉和RDX的加入使得推進(jìn)劑的燃速和壓強(qiáng)指數(shù)難以調(diào)節(jié)，限制了Al/RDX-CMDB推進(jìn)劑的應(yīng)用。

催化劑是改善、調(diào)節(jié)固體推進(jìn)劑燃燒性能以及彈道性能不可缺少的組分之一，CMDB推進(jìn)劑一般采用無機(jī)或有機(jī)鉛鹽，或銅鹽、炭黑作為燃燒催化劑[1-6]，雙金屬鹽是一種有價(jià)值的催化劑，該化合物同時(shí)含有鉛和銅兩種催化元素，提高了催化效率，減少了催化劑的加入量，從而有利于提高推進(jìn)劑整體的能量。目前，雙金屬鹽在改性雙基推進(jìn)劑應(yīng)用未見報(bào)道。

本文采用2,4-二羥基苯甲酸鉛銅（Pb/Cu- SDHB）作為燃燒催化劑，通過少量單獨(dú)添加或與其它催化劑復(fù)合后，研究其對(duì)Al/RDX-CMDB推進(jìn)劑燃燒性能的影響，以期為此類材料在改性雙基推進(jìn)劑中的應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

硝化棉（NC，含氮量12.0%），工業(yè)純，四川北方硝化棉股份有限公司制備；硝化甘油（NG），西安近代化學(xué)研究所制備；黑索今（RDX），工業(yè)純，蘭州白銀銀光化學(xué)材料廠；普通Al粉（Al），哈爾濱東輕金屬粉業(yè)有限責(zé)任公司；炭黑(CB)，上海焦化化工發(fā)展商社；苯二甲酸銅（φ-Cu），山西博奧化工有限公司；2,4-二羥基苯甲酸銅（β-Cu），山西博奧化工有限公司；鎳粉分3種粒度，粒度為1μm（Ni-1），粒度為3μm（Ni-3），粒度為1μm（Ni-5），中國科學(xué)院過程工程研究所；2,4-二羥基苯甲酸鉛銅(Pb/Cu-SDHB)，西安近代化學(xué)研究所研制，分子結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 Pb/Cu-SDHB分子結(jié)構(gòu)

1.2 配方設(shè)計(jì)及樣品的制備

設(shè)計(jì)了目前得到廣泛應(yīng)用的含25%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))RDX/2%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Al的改性雙基推進(jìn)劑配方，設(shè)計(jì)了Pb/Cu-SDHB不同含量，以及和不同種類及含量的銅鹽、不同種類及含量的鎳粉、不同含量的炭黑復(fù)合的配方，貼近于實(shí)際應(yīng)用。推進(jìn)劑的配方見表1。

樣品制備：固體推進(jìn)劑樣品采用吸收-離心驅(qū)水-光輥壓延-切成藥條的工藝制備。

1.3 儀器及試驗(yàn)條件

采用GJB 770B-2005方法706.1“燃速 靶線法”測(cè)試樣品燃速。將已處理的φ5mm×160mm的藥柱包覆后，在氮?dú)鈿夥罩袦y(cè)量燃速；再根據(jù)Vieille燃速與壓強(qiáng)關(guān)系式=ap，計(jì)算壓強(qiáng)指數(shù)，式中為燃速，為壓強(qiáng)，a為常數(shù)。

表1 推進(jìn)劑配方

Tab.1 The formulation of propellants

2 結(jié)果與討論

2.1 Pb/Cu-SDHB含量對(duì)Al/RDX-CMDB推進(jìn)劑燃燒性能的影響

Al/RDX-CMDB推進(jìn)劑能量比雙基推進(jìn)劑高，質(zhì)量一致性好，在戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)裝藥上得到了廣泛應(yīng)用，因此研究了Pb/Cu-SDHB含量對(duì)Al/RDX-CMDB推進(jìn)劑燃燒性能的影響，結(jié)果見表2。

表2 Pb/Cu-SDHB含量對(duì)Al/RDX-CMDB推進(jìn)劑燃燒性能的影響

Tab.2 Effects of Pb/Cu-SDHB content on combustion property of Al/RDX-CMDB propellant

從表2可以看出，在沒有Pb-Cu-C三組元催化劑的空白配方中加入1.0%的Pb/Cu-SDHB，推進(jìn)劑在10～15MPa的壓強(qiáng)指數(shù)以較大幅度下降，同時(shí)燃速有所增加。隨著Pb/Cu-SDHB含量的增大（從0%增加至3.0%），推進(jìn)劑壓強(qiáng)指數(shù)大幅度下降，推進(jìn)劑的燃速小幅度增加，尤其是低壓下的燃速增加得多，高壓下的燃速增加少，因此推進(jìn)劑的燃速壓強(qiáng)指數(shù)下降；說明隨著Pb/Cu-SDHB含量的增加，其催化作用逐漸得到體現(xiàn)；但當(dāng)含量增加至4.0%時(shí)，推進(jìn)劑的燃速進(jìn)一步增加，但壓強(qiáng)指數(shù)也大幅度增加，主要原因是高壓區(qū)比低壓區(qū)的燃速增加迅速。

以上結(jié)果初步說明Pb/Cu-SDHB是一種有效的催化劑，能大幅度提高中壓下的燃速，從而降低壓強(qiáng)指數(shù)；但達(dá)到一定含量后推進(jìn)劑高壓區(qū)的燃速提高迅速，因此帶來了壓強(qiáng)指數(shù)的增大。

2.2 Pb/Cu-SDHB與不同含量CB復(fù)合對(duì)Al/RDX-CMDB推進(jìn)劑燃燒性能的影響

CB是推進(jìn)劑配方中常用的催化劑，有提高燃速、調(diào)節(jié)壓強(qiáng)指數(shù)的作用，因此探索了Pb/Cu-SDHB與不同含量CB復(fù)合對(duì)Al/RDX-CMDB推進(jìn)劑燃燒性能的影響，結(jié)果見表3。

表3 Pb/Cu-SDHB與不同含量CB復(fù)合對(duì)Al/RDX-CMDB推進(jìn)劑燃燒性能的影響

Tab.3 Effect of Pb/Cu-SDHB composite with carbon on combustion property of Al/RDX-CMDB propellant

從表3可以看出，在含有3.0%Pb/Cu-SDHB的推進(jìn)劑配方中加入0.5%CB，推進(jìn)劑的壓強(qiáng)指數(shù)小幅度降低，燃速有所提高。隨著CB含量的增加，推進(jìn)劑的燃速顯著提高，壓強(qiáng)指數(shù)先降低然后增大，但即使CB含量達(dá)到0.8%時(shí)推進(jìn)劑依然能產(chǎn)生麥撒效應(yīng)，達(dá)到0.95%時(shí)推進(jìn)劑壓強(qiáng)指數(shù)雖然有所增加，但依然能產(chǎn)生平臺(tái)燃燒。說明隨著CB的增加，其與Pb/Cu- SDHB組成的復(fù)合催化體系作用越來越明顯，推進(jìn)劑的燃速越來越高，10MPa燃速最多增加12.42mm/s；壓強(qiáng)指數(shù)先大幅下降至-0.10，然后緩慢增加，但最高不超過0.11。

產(chǎn)生上述效果的原因可能是由于CB的加入，在推進(jìn)劑燃燒表面形成了更多的碳骨架，使催化劑在燃燒表面上停留時(shí)間更長，產(chǎn)生的催化效果更好，因此提高了燃燒，降低了壓強(qiáng)指數(shù)。

2.3 Pb/Cu-SDHB和不同含量的β-Cu復(fù)合對(duì)Al/RDX -CMDB推進(jìn)劑燃燒性能的影響

β-Cu是推進(jìn)劑配方中常用的催化劑，能提高推進(jìn)劑的燃速，因而初步研究了Pb/Cu-SDHB和不同含量的β-Cu復(fù)合對(duì)Al/RDX -CMDB燃燒性能的影響，結(jié)果見表4。

表4 Pb/Cu-SDHB和不同含量的β-Cu復(fù)合對(duì)Al/RDX-CMDB推進(jìn)劑燃燒性能的影響

Tab.4 Effect of Pb/Cu-SDHB composite with β-Cu on combustion property of Al/RDX-CMDB propellant

從表4可以看出，在含有3.0%Pb/Cu-SDHB的推進(jìn)劑配方中加入0.4%β-Cu，壓強(qiáng)指數(shù)大幅度降低；燃速在10～12MPa提高較多，在12～15MPa提高較少。隨著β-Cu含量的增大，推進(jìn)劑的燃速以較大幅度提高；壓強(qiáng)指數(shù)先降低，出現(xiàn)麥撒燃燒，然后有所增加，但最大只增加至0。

由以上可以看出，加入β-Cu能大幅度降低推進(jìn)劑的壓強(qiáng)指數(shù)（最多降低0.37），在加入量0.4%～1.2%的范圍內(nèi)，推進(jìn)劑的壓強(qiáng)指數(shù)范圍為0.06～-0.12； 加入β-Cu能大幅度提高推進(jìn)劑燃速，10MPa下燃速最多提高7.22mm/s。產(chǎn)生這些效果的原因可能是由于β-Cu的加入，推進(jìn)劑燃燒表面的催化中心變得更多、更為細(xì)密，因此燃燒性能得到了較大幅度的提升。

2.4 Pb/Cu-SDHB和不同含量φ-Cu復(fù)合對(duì)Al/RDX -CMDB推進(jìn)劑燃燒性能的影響

φ-Cu是推進(jìn)劑配方中常用的催化劑，具有調(diào)節(jié)推進(jìn)劑壓強(qiáng)指數(shù)的作用，因此探索了Pb/Cu-SDHB和不同含量φ-Cu對(duì)Al/RDX-CMDB推進(jìn)劑燃燒性能的影響，結(jié)果見表5。

表5 Pb/Cu-SDHB和不同含量φ-Cu復(fù)合對(duì)Al/RDX-CMDB推進(jìn)劑燃燒性能的影響

Tab.5 Effect of Pb/Cu-SDHB composite with φ-Cu on combustion property of Al/RDX-CMDB propellant

從表5可以看出，在含有3.0%Pb/Cu-SDHB的推進(jìn)劑配方中加入0.4%φ-Cu，壓強(qiáng)指數(shù)以較大幅度增加；燃速有所下降。隨著φ-Cu含量的增大，推進(jìn)劑的燃速呈下降趨勢(shì)，壓強(qiáng)指數(shù)呈增大趨勢(shì)，且幅度相當(dāng)大（當(dāng)φ-Cu含量為1.2%時(shí)，壓強(qiáng)指數(shù)增大為0.80）。

可以看出，φ-Cu在本配方體系里是負(fù)催化劑，降低推進(jìn)劑燃速，提高壓強(qiáng)指數(shù)，且加入量越大，影響越嚴(yán)重。

2.5 Pb/Cu-SDHB和不同粒度、含量的鎳粉復(fù)合對(duì)Al/ RDX-CMDB推進(jìn)劑燃燒性能的影響

鎳粉是推進(jìn)劑配方中常用的催化劑，具有調(diào)節(jié)推進(jìn)劑燃速和壓強(qiáng)指數(shù)的作用，Pb/Cu-SDHB與鎳粉復(fù)合形成催化體系可能對(duì)燃燒性能起到較好的調(diào)節(jié)作用，因此初步研究了Pb/Cu-SDHB和不同粒度、含量鎳粉對(duì)Al/RDX-CMDB燃燒性能的影響，結(jié)果見表6。

表6 Pb/Cu-SDHB和不同粒度、含量鎳粉對(duì)Al/RDX-CMDB推進(jìn)劑燃燒性能的影響

Tab.6 Effects of Pb/Cu-SDHB composite with different granularity and content of Ni on combustion property of Al/RDX- CMDB propellant

從表6可以看出，在含有0.5%Ni-1的推進(jìn)劑配方中加入1.0%Ni-1，推進(jìn)劑的壓強(qiáng)指數(shù)大幅度增加，燃速有所下降。隨著增加的鎳粉粒度由1μm分別替換為3μm或5μm，推進(jìn)劑的燃速在10～15MPa先減小然后增加，壓強(qiáng)指數(shù)以較大幅度下降。當(dāng)在已經(jīng)加入0.5%Ni-1的推進(jìn)劑中加入1.0%的1μm、3μm或5μm的鎳粉，推進(jìn)劑的燃速都會(huì)下降；壓強(qiáng)指數(shù)在加入1.0%的1μm、3μm鎳粉的情況下大幅度提高，在含量加入1.0%的Ni-5時(shí)有所降低。由以上可知，在已經(jīng)含有0.5% 1μm鎳粉的推進(jìn)劑中再加入粒徑為1～5μm的鎳粉對(duì)推進(jìn)劑燃燒性能的改善基本不起作用，甚至有變差的可能性。

3 結(jié)論

（1）Pb/Cu-SDHB是一種有效的燃燒催化劑，作為唯一的催化劑，加入較少含量（3.0%質(zhì)量分?jǐn)?shù)）可以大幅度降低Al/RDX-CMDB推進(jìn)劑的壓強(qiáng)指數(shù)(小于0.3)，同時(shí)提高推進(jìn)劑的燃速。

（2）Pb/Cu-SDHB質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.0%時(shí)，通過與一定含量炭黑復(fù)合，可使Al/RDX-CMDB推進(jìn)劑的壓強(qiáng)指數(shù)繼續(xù)降低，達(dá)到-0.10（10～15MPa）；燃速進(jìn)一步提高，10MPa下超過25mm/s。

（3）在含有Pb/Cu-SDHB的Al/RDX-CMDB推進(jìn)劑中加入β-Cu能降低推進(jìn)劑的壓強(qiáng)指數(shù)，當(dāng)β-Cu含量為0.8%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）時(shí)，推進(jìn)劑的壓強(qiáng)指數(shù)由0.25降低至-0.12；燃速以相當(dāng)幅度增加，尤其當(dāng)β-Cu含量達(dá)到1.2%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）時(shí)燃速增加7.22mm/s (10 MPa)。但加入φ-Cu反而會(huì)顯著增大推進(jìn)劑的壓強(qiáng)指數(shù)，燃速小幅度下降。

（4）在含有Pb/Cu-SDHB、0.5%1μm鎳粉的Al/ RDX-CMDB推進(jìn)劑中，加入粒度為1μm、3μm的鎳粉時(shí)，推進(jìn)劑的壓強(qiáng)指數(shù)增加，加入5μm的鎳粉時(shí)推進(jìn)劑的壓強(qiáng)指數(shù)略微增加，但燃速變化不明顯。

[1] 趙鳳起,李上文.RDX-CMDB推進(jìn)劑中組合催化劑的研究[J].推進(jìn)技術(shù),1992,13(2):57-64.

[2] 李上文,孟燮銓,張蕊娥,等.螺壓硝胺無煙改性雙基推進(jìn)劑燃燒性能調(diào)節(jié)和控制規(guī)律[J].推進(jìn)技術(shù),1995,16(3): 63-69.

[3] 李上文,趙鳳起,劉所恩,等.惰性與含能催化劑對(duì)Al-RDX- CMDB推進(jìn)劑燃燒性能的影響[J].含能材料,1976(2):49-54.

[4] 劉所恩,杜寶生,張建,等.新型含能催化劑在低特征信號(hào)推進(jìn)劑中的應(yīng)用研究[J].含能材料,2001,9(3):130-132.

[5] Klapotke,Thomas M ,Rinacker,Claudia M.Drop hammer test investigation on some inorganic and organic azides[J]. Propellants Explosive Pyrotechnics,2001,26(1):43-47.

[6] ZHAO Feng-qi,LI Shang-wen, SHAN Wen-gang,et al. Effects on carbon substances on combustion properties, of Catalyzed RDX-CMDB propellants[C]//Solid Propellant Chemistry, Combustion, and Motor Interior Ballistics, 2000.

Effect of 2,4-Dihydroxybenzoate Lead/Cupric on Combustion Properties of Al/RDX-CMDB Propellants

YUAN Zhi-feng1, ZHAO Feng-qi1,JIAO Jian-she2, ZHANG Jiao-qiang3,YANG Li-bo1, ZHENG Xiao-dong1, ZHANG Chao1,XIE Bo1

(1. Xi’an Modern Chemistry Research Institute, Xi’an, 710065；2.Equipment and Technologies Research Institute of FA and ADA, Beijing,100012；3. Northwestern Polytechnical University, Xi’an ,710072)

In order to investigate the effects of lead/cupric salt of 2,4-dihydroxybenzoate（Pb/Cu-SDHB）itself, or composite with other catalysts on the combustion properties of Al/RDX-CMDB propellant, the propellant samples were prepared through a solventless extrusion technique, as well as the burning rate of propellants were measured by stand burner method .The results showed that Pb/Cu-SDHB could increase the burning rate and reduce the pressure exponent of Al/RDX-CMDB propellant notably. When 3.0% Pb/Cu-SDHB composited with 0.65% carbon, the pressure exponent of Al/RDX-CMDB propellant reduced to -0.1 under 10~15MPa, and the burning rate at 10MPa would exceed 20mm/s.

Solid propellant；2,4-dihydroxybenzoate lead/cupric（Pb/Cu-SDHB）；Combustion property；Mesa；Plateau

TQ560.71

A

1003-1480（2014）04-0020-04

2014-05-20

袁志鋒（1980-），男，碩士研究生，從事固體推進(jìn)劑配方與工藝研究。

國家自然科學(xué)基金（21173163）；燃燒與爆炸技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金（9140C350341006）。