唐巖輝,董可海,于向財(cái),賈臨生,張春龍
(海軍航空大學(xué),山東煙臺264001)
固體推進(jìn)劑作為含能復(fù)合材料,是很多導(dǎo)彈、空間飛行器固體發(fā)動機(jī)的動力源。其性能的優(yōu)劣直接影響到裝備的作戰(zhàn)和使用效能。分析武器裝備的效能和安全性首先要分析作為重要組分的固體推進(jìn)劑的熱穩(wěn)定性和安全性(自發(fā)火溫度)。
固體推進(jìn)劑在老化過程中,會發(fā)生一系列復(fù)雜反應(yīng),生成包括二氧化氮、一氧化氮、氯化氫等在內(nèi)的氣體,使推進(jìn)劑產(chǎn)生失重現(xiàn)象,同時推進(jìn)劑老化,影響性能(如熱穩(wěn)定性),因此,開展推進(jìn)劑失重特性和熱穩(wěn)定性研究具有很高的軍事和經(jīng)濟(jì)效益[1]。
推進(jìn)劑傳統(tǒng)老化性能參數(shù)包括推進(jìn)劑力學(xué)性能、基體細(xì)觀結(jié)構(gòu)、界面粘結(jié)性能和組分含量,這些性能參數(shù)研究較早,因此目前國內(nèi)外已經(jīng)積累了不少研究成果,常用的實(shí)驗(yàn)方法有拉伸力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)[2-3]、傅里葉紅外光譜實(shí)驗(yàn)、動態(tài)粘彈分析實(shí)驗(yàn)[4]、熱重實(shí)驗(yàn)[5-8]等。
李倩[9]總結(jié)了利用計(jì)算機(jī)建模并進(jìn)行模擬老化的方法,在微觀層面開展研究,與現(xiàn)有的理論知識以及宏觀實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象相結(jié)合,深入研究推進(jìn)劑老化機(jī)理。吳婉娥[10]開展了NEPE推進(jìn)劑熱老化釋放氣體的機(jī)理分析,采用紅外光譜法和色質(zhì)聯(lián)用,定性地確定熱老化過程主要?dú)怏w成分。Touki[11]對HTPB老化前后所作的紅外光譜分析表明,氧化物、氫過氧化物、酮老化前后峰的位置幾乎一致,老化后的HTPB除了固有吸收峰以外,在1 700 cm附近發(fā)現(xiàn)了很寬的吸收峰。Thomas L.Cost和 George E.Week[12]提出,推進(jìn)劑在長期貯存過程中會生成氣體,并通過檢測推進(jìn)劑內(nèi)部的壓力積聚來推測無煙推進(jìn)劑貯存老化過程中的化學(xué)變化,并建立了二者之間的關(guān)系,從而實(shí)現(xiàn)對發(fā)動機(jī)壽命的分析和預(yù)估。從目前的資料看,針對NEPE推進(jìn)劑老化機(jī)理和老化中釋放出的氣體,人們已經(jīng)從理論上進(jìn)行了研究,這些研究對NEPE推進(jìn)劑的老化降解有一定的指導(dǎo)意義。
硝化甘油NG是NEPE推進(jìn)劑及雙基固體推進(jìn)劑中的主要的增塑劑[8],圖1給出粘合劑NG的典型分子結(jié)構(gòu)。
圖1 粘合劑NG的分子結(jié)構(gòu)
推進(jìn)劑中的NG會隨貯存時間的增長而分解,并釋放出一些比較活潑的氮的氧化物如NO2,氮的氧化物化學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定,具有強(qiáng)的氧化性,會加速加速硝酸酯的分解,從而降低推進(jìn)劑的性能,減少推進(jìn)劑的貯存壽命[9]。
本文通過分析NEPE固體推進(jìn)劑主要組分的化學(xué)老化機(jī)理,通過實(shí)驗(yàn)測得推進(jìn)劑的熱失重情況和初始分解溫度以及不同升溫速率下得到的推進(jìn)劑的熱分解溫度,外推加熱速率趨于零時試樣的峰溫,作為推進(jìn)劑的自發(fā)火溫度。進(jìn)而研究推進(jìn)劑熱穩(wěn)定性和安全性,有利于武器裝備的貯存環(huán)境選擇和使用安全,避免危險(xiǎn)的發(fā)生。
實(shí)驗(yàn)中用到的設(shè)備和用途如表1所示。
表1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備列表
2.2.1高溫加速老化實(shí)驗(yàn)
將NEPE推進(jìn)劑制作成100 mm×80 mm×30 mm的方坯,裝入氣體采樣袋中,進(jìn)行加速老化實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)基于時溫等效原理,即通過測試高溫較短時間的推進(jìn)劑老化來獲得常溫較長時間老化的相關(guān)數(shù)據(jù)。加速老化試驗(yàn)采用GDJS-225L恒溫恒濕試驗(yàn)箱,試驗(yàn)溫度為70℃.
2.2.2熱重實(shí)驗(yàn)
熱重實(shí)驗(yàn)采用Thermoflex型熱分析儀。N2氣氛中流量為20 ml/min,以5 K/min的速率升溫,樣品量為3 mg.
2.2.3熱分析
DSC實(shí)驗(yàn)采用CDR-34P型差動掃描量熱儀。N2氣氛中流量為40 ml/min,升溫區(qū)間30~600℃,樣品量為1.0 mg.
由圖2可以看出:
(1)在貯存時間相同的條件下,貯存溫度越高,NEPE推進(jìn)劑失重越多;
(2)90℃下貯存,NEPE推進(jìn)劑在經(jīng)過兩個月的貯存后失重量約為15%,而推進(jìn)劑中硝酸酯的含量為15%,推測NEPE推進(jìn)劑的失重主要是由硝酸酯的分解造成的;
(3)NEPE推進(jìn)劑在70℃下貯存,推進(jìn)劑失重達(dá)10%.這構(gòu)成了NEPE推進(jìn)劑的貯存中的一個特點(diǎn),即高能增塑劑的分解對老化造成的影響突出,或者說老化中性能變化與推進(jìn)劑失重同時發(fā)生。
圖290 ℃下NEPE推進(jìn)劑熱失重曲線
為了考核NEPE推進(jìn)劑的熱穩(wěn)定性,利用熱失重TG實(shí)驗(yàn)對NEPE和丁羥推進(jìn)劑進(jìn)行溫度掃描,試驗(yàn)結(jié)果見圖2.試驗(yàn)條件為:N2氣氛中流量為20 ml/min,以5 K/min的速率升溫,樣品量為3 mg.
由圖3可以看出,NEPE推進(jìn)劑初始熱分解溫度為132℃,在第一個TG曲線的下降區(qū)151℃失重率(DTG)達(dá)到最大,比丁羥推進(jìn)劑的失重DTG峰溫343℃低很多,這是由于NEPE推進(jìn)劑中含有大量的硝酸酯,使其熱穩(wěn)定性比丁羥推進(jìn)劑差。
圖3 NEPE推進(jìn)劑的TG-DTG曲線
從NEPE推進(jìn)劑的第一個TG曲線的下降區(qū)可以看出,TG曲線給出的失重量約為15%,和NEPE推進(jìn)劑中的硝酸酯含量相當(dāng),由此認(rèn)為NEPE推進(jìn)劑的第一個DTG峰是由NEPE推進(jìn)劑中的硝酸酯分解造成的。在推進(jìn)劑失重特性研究中,推進(jìn)劑在經(jīng)過兩個月的貯存后失重量約為15%,而推進(jìn)劑中硝酸酯的含量為16%,這也從另一方面表明TG的第一次失重主要是硝酸酯的分解。
按GJB772A-97方法502.1中規(guī)定:利用不同升溫速率下得到的推進(jìn)劑的熱分解溫度,按Kissinger法求得加熱速率趨于零時試樣的外推峰溫,作為推進(jìn)劑的自發(fā)火溫度(自加熱著火的最低溫度)。為獲得NEPE推進(jìn)劑的自發(fā)火溫度,利用微熱量熱儀進(jìn)行推進(jìn)劑 2.0 K/min,1.0 K/min,0.1 K/min,0.05 K/min4 個升溫速率下的溫度掃描,得到不同升溫速率下,NEPE推進(jìn)劑的熱分解溫度(峰尖溫度),按照標(biāo)準(zhǔn),外推獲得NEPE自發(fā)火溫度(見圖4),由此獲得NEPE推進(jìn)劑的自發(fā)火溫度為120℃.早期的研究中,利用DSC進(jìn)行 1 K/min、2 K/min1、5 K/min、10 K/min、15 K/min、20 K/min的試驗(yàn),外推NEPE自發(fā)火溫度見圖5.
圖4 NEPE推進(jìn)劑微熱量熱試驗(yàn)峰溫隨升溫速率變化曲線
圖5 NEPE推進(jìn)劑DSC試驗(yàn)第一峰峰值隨升溫速率變化曲線
含硝酸酯的NEPE推進(jìn)劑,即使在正常的貯存溫度下也會發(fā)生緩慢的分解,這種分解是放熱的,當(dāng)然釋放的熱量很小,釋放的速率也很低,遠(yuǎn)小于推進(jìn)劑的傳熱速率,因此不會使推進(jìn)劑有明顯升溫。由上述的研究結(jié)果可以看出,NEPE推進(jìn)劑的反應(yīng)峰,即硝酸酯的分解峰,明顯地受升溫速率(或作用時間)及貯存時間影響,升溫速率低(或作用時間長),反應(yīng)峰提前;貯存(特別是高溫貯存)時間長,反應(yīng)峰也提前,若升溫速率降低至0.1 K/min,反應(yīng)峰甚至在120℃下出現(xiàn)(由微熱量熱計(jì)試驗(yàn)得到),若再考慮貯存的影響,出峰的溫度還要低,這就使推進(jìn)劑存在著一種潛在的危險(xiǎn),即因某個偶然的因素使推進(jìn)劑內(nèi)部的溫度升高,達(dá)到推進(jìn)劑的反應(yīng)峰的溫度,硝酸酯以較快的速率分解,同時放熱,對于尺寸較大的藥柱,熱量難于很快散開,使溫度進(jìn)一步升高,就可能引起推進(jìn)劑的自燃,這一現(xiàn)象對推進(jìn)劑的安全是十分不利的,因此,NEPE推進(jìn)劑貯存中危險(xiǎn)性也較大,在研究NEPE推進(jìn)劑的老化或發(fā)動機(jī)的壽命問題、性能監(jiān)測時,要對推進(jìn)劑的穩(wěn)定性或危險(xiǎn)性有足夠的關(guān)注。
(1)從NEPE推進(jìn)劑的第一個TG曲線給出的失重量約為15%,在推進(jìn)劑失重特性研究中,推進(jìn)劑在經(jīng)過兩個月的貯存后失重量15%左右,而推進(jìn)劑中硝酸酯的含量為16%,這表明TG的第一次失重主要是硝酸酯的分解。
(2)若升溫速率降低至0.1 K/min,反應(yīng)峰在120℃下出現(xiàn),考慮貯存的影響,出峰的溫度還要低,若因某個因素使推進(jìn)劑內(nèi)部的溫度升高,達(dá)到推進(jìn)劑的反應(yīng)峰的溫度,硝酸酯會快速分解,同時放熱,熱量難于很快散開,使溫度進(jìn)一步升高,就可能引起推進(jìn)劑的自燃,這一現(xiàn)象是十分危險(xiǎn)的,應(yīng)該采取措施避免這種情況發(fā)生。
參考文獻(xiàn):
[1]邢耀國,董可海.固體火箭發(fā)動機(jī)壽命預(yù)估研究的發(fā)展和展望[J].固體火箭技術(shù),2001,24(3):30-33.
[2]X Qiu,GC Li,B Ding,MC Cao.Study on propellant/liner interface mechanical property using in-situ tensile method[J].Journal of Propulsion Technology,2014,35(1):115-122.
[3]Z Wang,H Qiang,G Wang,Q Huang.Tensile mechani cal properties and constitutive model for HTPB propellant at low temperature and high strainrate[J].Journal of Applied Polymer Science,2015,132(24).
[4]Y Liu,L Wang,X Tuo,LI Songnian.An SEM and EDS study of the microstructure of nitrate ester plasticized polyether propellants[J].Journal of theSerbian Chemical Society,2010,75(3):369-376.
[5]A Thorin,A Azoug,A Constantinescu.Influence of prestrain on mechanical properties of highly-filled elastomers:measure ments and modeling[J].Polymer Testing ,2012,31(8):978-986.
[6]QJ Jiao,YL Zhu,JC Xing,H Ren,H Huang.Thermal decompo sition of RDX/AP by TG-DSC-MS-FTIR[J].Journal of Thermal Analysis&Calorimetry,2014,116(3):1125-1131.
[7]Y Li,C Kou,C Huang,Y Cheng.Effect of MnC2O4nanoparticles on the thermal decomposition of TEGDN/NC propellant[J].Journal of Thermal Analysis&Calorimetry,2012,109(1) :171-176.
[8]LL Liu,GQ He,YH Wang.Thermal reaction characteristics of the boron used in the fuel-rich propellant[J].Journal of Thermal Analysis&Calorimetry,2013,114(3):1057-1068.
[9]李 倩,強(qiáng)洪夫,武文明.計(jì)算機(jī)模擬固體推進(jìn)劑貯存老化的研究進(jìn)展[J].含能材料,2010,18(4):453-459.
[10]吳婉娥,付 瀟,任雷濤,等.高效液相色譜法測定NEPE推進(jìn)劑中的安定劑[J].化學(xué)推進(jìn)劑與高分子材料,2015,13(6):8-90.
[11]Tokui H,Iwama A.Aging Characteristics of Hydroxy-Ter minated Polybutadiene Propellant[J].Kayaku Gakkaishi,1991,52(2):100-107.
[12]GE Weeks,TL Cost.Dynamic response of a pressurized plane strain cylinder under impulsive distributed loading using finite elements[J].Mechanics Research Communications,1978,5(2).
[13]趙永俊,張 煒,張興高,等.NEPE推進(jìn)劑貯存老化性能研究[J].含能材料,2007,15(4):332-335.