鄧重清，蔚紅建，張正中

（西安近代化學(xué)研究所，陜西西安710065）

引 言

在固體推進(jìn)劑中加入鋁粉可提高其能量，并對推進(jìn)劑的性能有重要影響［1］，通過添加不同粒度的Al粉可調(diào)節(jié)推進(jìn)劑的燃燒性能，但Al粉對不同類型推進(jìn)劑燃燒性能的影響有較大差異。在含硝胺的改性雙基推進(jìn)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(fù)配后加入雙基推進(jìn)劑中，能夠提高其燃速；在復(fù)合推進(jìn)劑中加入納米鋁粉能夠提高其燃速［3］。

AP／CMDB推進(jìn)劑是目前應(yīng)用較多的固體推進(jìn)劑，通過加入較高含量的超細(xì)AP 和一定含量的Al粉以大幅提高推進(jìn)劑燃速和能量，使其具備燃速高、推力系數(shù)大的優(yōu)點(diǎn)［4］。研究表明［5］，在采用配漿工藝制備的AP／CMDB 推進(jìn)劑中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(jìn)劑則采用溶劑擠出工藝制備，超細(xì)高氯酸銨的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到30%，燃速更高。目前關(guān)于Al粉在該類推進(jìn)劑中應(yīng)用的研究報道較少。

本實(shí)驗(yàn)對高燃速AP／CMDB推進(jìn)劑中的Al粉粒度和含量進(jìn)行了調(diào)節(jié)，研究了其對推進(jìn)劑能量和燃燒性能的影響，以期為該類推進(jìn)劑綜合性能的調(diào)節(jié)提供技術(shù)參考。

1 實(shí) 驗(yàn)

1．1 材 料

吸收藥（NG／NC，NG 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為41%），西安近代化學(xué)研究所；超細(xì)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(xué)試劑廠；丙酮，分析純，西安化學(xué)試劑廠。

1．2 樣品的制備

推進(jìn)劑基礎(chǔ)配方（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）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(jī)捏合2．5h，100T 油壓機(jī)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(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%的聚乙烯醇縮丁醛溶液包覆10遍，燃速壓力指數(shù)按r＝apn進(jìn)行指數(shù)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(jìn)行熱分解測試，氣氛為動態(tài)高純氮，升溫速率10℃／min。

2 結(jié)果與討論

2．1 Al粉含量對AP／CMDB推進(jìn)劑性能的影響

研究Al粉含量對推進(jìn)劑爆熱Qp和理論爆熱QT、理論比沖Isp的影響，結(jié)果見圖1。

圖1 Al粉含量對AP／CMDB推進(jìn)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(jìn)劑的能量明顯提高，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)3%的Al粉，推進(jìn)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(jìn)劑的爆熱越高，燃速也越高［6］，為了研究加入Al粉后推進(jìn)劑燃燒性能的變化，測試了7～22MPa下推進(jìn)劑的燃速，Al粉含量對推進(jìn)劑燃燒性能的影響見表1。

表1 Al粉含量對AP／CMDB推進(jìn)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(jìn)劑的燃速和壓強(qiáng)指數(shù)基本無變化，該現(xiàn)象與Al粉加入CMDB推進(jìn)劑后低壓下燃速降低、高壓下燃速提高的現(xiàn)象不同，這與AP／CMDB 推進(jìn)劑的燃燒機(jī)理有關(guān)。AP／CMDB 推進(jìn)劑燃速與AP 顆粒的燃燒速度密切相關(guān)，由于推進(jìn)劑燃燒表層為低溫反應(yīng)區(qū)，由NG／NC預(yù)混焰、AP分解焰及其混合擴(kuò)散焰組成，而Al粉的燃燒需要在高溫發(fā)光火焰區(qū)才能實(shí)現(xiàn)，在低溫反應(yīng)區(qū)球形Al顆粒處于固體熔脹的狀態(tài)，活性Al不與AP和雙基組分分解產(chǎn)物接觸，對推進(jìn)劑燃燒表層的AP 分解反應(yīng)無促進(jìn)作用。

2．2 Al粉粒度對AP／CMDB推進(jìn)劑性能的影響

在推進(jìn)劑中加入3種不同粒度的Al粉（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%），測試了3種Al粉的活性和推進(jìn)劑的爆熱，結(jié)果見表2和表3，推進(jìn)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(jìn)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(jìn)劑爆熱降低，但降幅較小，說明納米Al粉在AP／CMDB推進(jìn)劑中的燃燒效率很高，反應(yīng)較完全。分析認(rèn)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(yuǎn)大于微米級Al顆粒，能更大程度參與反應(yīng)，在短時間內(nèi)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(jìn)一步提高推進(jìn)劑的爆熱。

表4 Al粉粒度對AP／CMDB推進(jìn)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(qiáng)區(qū)間，Al粉粒度對AP／CMDB推進(jìn)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(jìn)劑的燃速提高，15～18MPa下推進(jìn)劑的燃速降低，22MPa下燃速變化不明顯，燃速壓強(qiáng)指數(shù)明顯降低；加入粒徑150nm Al粉后（樣品3），7～15MPa下推進(jìn)劑燃速的變化不明顯，18～22MPa下燃速提高2～3mm／s。該結(jié)果與文獻(xiàn)［6］研究存在一定的差異，這可能與Al粉的加入量有關(guān)，鋁粉含量越高，在推進(jìn)劑燃燒表層易發(fā)生熔融團(tuán)聚，燃燒效率降低，同時阻礙低溫反應(yīng)區(qū)AP分解產(chǎn)物和雙基組分分解產(chǎn)物的擴(kuò)散反應(yīng)，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(jìn)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(jìn)劑熱分解行為，結(jié)果見圖3和表5。

圖3 含不同粒度Al粉推進(jìn)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(jìn)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(jìn)劑熱分解特性發(fā)生了變化，在分解前有吸熱現(xiàn)象。加入150nm（樣品3）和5μm（樣品2）的Al粉，對推進(jìn)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(zhì)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(xiàn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(nèi)的反應(yīng)量，使放熱量增加。

推進(jìn)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(jìn)行擴(kuò)散，擴(kuò)散速率取決于壓強(qiáng)，壓強(qiáng)越高，團(tuán)聚程度降低［8］，擴(kuò)散速率越高。在相對低壓區(qū)（小于15MPa），Al顆粒燃燒距離燃燒表面距離相近，參與反應(yīng)的溫度相對較低，5μm 的Al粉熔融團(tuán)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(yīng)明顯強(qiáng)于微米級Al粉，反饋熱量減少，推進(jìn)劑燃速降低；反之，在大于15MPa的相對高壓區(qū)，反應(yīng)區(qū)距離燃燒表面相對較遠(yuǎn)，反應(yīng)溫度較高，微米級Al粉團(tuán)聚程度相近，燃燒產(chǎn)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(tuán)聚程度相對較小，同時參與的反應(yīng)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(jìn)劑燃速更高。

3 結(jié) 論

（1）AP／CMDB 推進(jìn)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(jìn)劑的爆熱降低，但降幅較小。

（2）Al粉含量對AP／CMDB 推進(jìn)劑燃燒性能的影響較?。籄l粉粒徑由14μm 減小至5μm時，推進(jìn)劑的表觀分解熱增加107J／g，7～10MPa下燃速提高，10～22MPa下壓強(qiáng)指數(shù)由0．56 降低至0．50；當(dāng)Al粉（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%）粒徑減小至150nm，表觀分解熱增加343J／g，18～22MPa下推進(jìn)劑燃速提高。

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