潘新洲，陸志猛，王小英，張 林，汪 越

(1.航天化學(xué)動力技術(shù)重點實驗室，襄陽 441003；2.湖北航天化學(xué)技術(shù)研究所，襄陽 441003；3.湖北航鵬化學(xué)動力科技有限責任公司，襄陽 441003)

0 引言

復(fù)合固體推進劑藥漿作為一種高填充多相多組分的復(fù)雜流體，不同種類的固體填料和多尺度的粒度級配，使推進劑藥漿中的固-液界面和分散的固相流結(jié)構(gòu)具有多重性。由于推進劑組成中的各種固體和液體原材料密度相差很大，而且固體組分的顆粒大小不同，在混合過程既要防止分層和沉積，又要保證固體顆粒分散開來并被液體組分均勻包覆，同時還要確?；旌线^程的安全性。因此，復(fù)合固體推進劑的混合工藝是一個非常復(fù)雜的物理和化學(xué)過程。既不同于一般粉體材料的混合，也不同于一般液體和懸浮材料的簡單混合，它是一種高固體填充的復(fù)合材料，同時也是一種具有高危險性的含能材料。因此，混合工藝是復(fù)合固體推進劑最基本也是最危險的工序，大部分的安全事故均發(fā)生在混合過程。

固體推進劑混合過程不僅受配方組成影響，還與混合設(shè)備及混合工藝密切相關(guān)。混合機是固體推進劑生產(chǎn)的主要設(shè)備之一，也是安全生產(chǎn)的關(guān)鍵。在固體推進劑制造工藝技術(shù)領(lǐng)域，混合設(shè)備可分為有槳攪拌混合(如臥式混合機、立式混合機)、擠出式混合(如單螺桿擠出、雙螺桿連續(xù)混合)和無槳混合(如聲共振混合、離心混合)等。立式混合機是目前復(fù)合固體推進劑制造的主流通用裝備，RAM技術(shù)作為含能材料制備方法正引起越來越多的關(guān)注。RAM工藝不同于傳統(tǒng)混合工藝，是一種高效、低成本的新型混合技術(shù)，可實現(xiàn)工業(yè)規(guī)模的擴大化生產(chǎn)，還可避免傳統(tǒng)機械混合產(chǎn)生的高摩擦熱、高剪切應(yīng)力和混合時間長等問題，在共晶炸藥、納米鋁熱劑制備中及其在高聚物粘結(jié)炸藥(PBX)和固體推進劑加工中已具有一定的應(yīng)用基礎(chǔ)和發(fā)展?jié)摿ΑAM混合工藝可確?；旌暇鶆蛐院唾|(zhì)量一致性。李亞等采用有效容積在100～1000 ml的LabSEM型聲共振混合機混合高粘度的LN106襯層配方，研究了投料量、加料順序、混合加速度等工藝參數(shù)對膠片力學(xué)性能的影響規(guī)律，確定了該型聲共振混合機混合適用混合投料量范圍在100～1000 g，混合加速度80～90，混合時間為8～12 min；聲共振混合工藝可有效地混勻襯層料漿，膠片力學(xué)性能重現(xiàn)性較好。RAM混合工藝可有效提升混合效率，縮短混合工序時間，提高生產(chǎn)效率和安全性。馬寧等為解決高固含量火炸藥高粘態(tài)材料的高效混合問題，采用RAM方式對高粘態(tài)火炸藥模擬物Al/CaCO/HTPB進行混合研究，采用掃描電子顯微鏡(SEM)和光學(xué)顯微鏡(OM)測試了混合均勻度，高粘態(tài)物料在聲共振方式下混合效率高，100 g量級的均勻混合時間在180 s左右；而且在一定范圍內(nèi)，混合振幅越大，混合效率越高。ROSIE等對比了RAM混合和行星式攪拌混合工藝的差異，認為RAM混合完成LOVA推進劑混合所需的時間約為傳統(tǒng)混合方法所需時間的1/5，且RAM處理方法所需的溶劑量明顯降低。

利用RAM技術(shù)直接加工固體推進劑的研究國外早有相關(guān)研究，但國內(nèi)目前尚未見報道。本研究利用聲共振混合機對NEPE推進劑進行無槳混合，針對投料量、混合加速度和混合時間等工藝參數(shù)進行了研究，并與傳統(tǒng)有槳立式混合工藝的推進劑燃速、力學(xué)、安全等性能進行了比較，為后續(xù)RAM工藝在復(fù)合固體推進劑制備過程中的優(yōu)化應(yīng)用提供借鑒與參考。

1 RAM原理

RAM的工作原理明顯區(qū)別于傳統(tǒng)的槳葉混合和離心混合等物料混合方式。RAM基于機械共振原理，在共振條件下讓混合容器及物料在垂直方向上產(chǎn)生高加速度(高達100)振動，實現(xiàn)多種物料的高效混合?；旌线^程物料運動如圖1所示，在混合過程中，系統(tǒng)的電機旋轉(zhuǎn)運動或直線運動產(chǎn)生的機械能通過彈簧質(zhì)量塊系統(tǒng)轉(zhuǎn)化成振動平臺的低頻振動能；在混合物料內(nèi)產(chǎn)生無數(shù)微觀小漩渦，每個微混區(qū)的直徑約50 μm，這些漩渦在整個物料流體中均勻分散，產(chǎn)生的渦流使流體快速均質(zhì)化，實現(xiàn)預(yù)期的混合效果。

圖1 聲共振混合機工作原理示意圖[16-17]

2 實驗

2.1 推進劑基礎(chǔ)配方

以Al/AP/HMX/聚醚含能粘合劑作基礎(chǔ)配方，按配方設(shè)計比稱量各組分質(zhì)量，其中Al粉質(zhì)量分數(shù)為18%，AP質(zhì)量分數(shù)為15%，HMX質(zhì)量分數(shù)為40%，聚醚含能粘合劑為混合硝酸酯NG、BTTN增塑的聚乙二醇粘合劑。聚醚含能粘合劑、固化催化劑、中性鍵合劑、安定劑等組分總質(zhì)量分數(shù)為27%。

2.2 工藝

采用湖北航鵬化學(xué)科技動力有限公司制造的SEM3型聲共振混合機，最大負載能力為3 L。按設(shè)計工藝混合制得分散均勻的NEPE推進劑藥漿，混合工藝如表1所示。

表1 NEPE推進劑聲共振混合工藝

RAM混合的工藝參數(shù)加速度采用安裝在混合容器上的加速度信號傳感器自動采集，用表示，大小為9.8 m/s。按照表1中的混合工藝參數(shù)，分別對投料量在500、800、1000 g的藥漿進行混合，將混合后的藥漿制作成推進劑方坯，測試其燃燒、力學(xué)等性能，并與常規(guī)立式混合機VKM-5L混合的NEPE推進劑性能對比，具體見表2所示。

表2 不同配方的投料量與混合時間

2.3 推進劑性能測試

2.3.1 安全性能測試

感度測試依據(jù)QJ 20019—2018《復(fù)合固體推進劑安全性能試驗方法》測試推進劑的落錘撞擊感度、摩擦感度和靜電火花感度。

2.3.2 燃速測試

將固化成型的固體推進劑藥塊切成樣品規(guī)格為5 mm×5 mm×100 mm的藥條，測試溫度為20 ℃。按GJB 770B—2005 方法706.2《燃速水下聲發(fā)射》規(guī)定測試藥條的燃速。

2.3.3 力學(xué)性能測試

按GJB 770B—2005 方法413.1《最大抗拉強度、斷裂強度、最大伸長率和斷裂伸長率單向拉伸法》切成啞鈴狀B型試樣。試樣的單軸拉伸在電子萬能材料試驗機(型號Instron 5567)上進行測試。

2.3.4 工藝性能測試

固體推進劑藥漿表觀粘度和屈服應(yīng)力采用HAAKE RV20旋轉(zhuǎn)粘度計測定，測試溫度為50 ℃。

3 實驗結(jié)果與討論

3.1 混合工藝對推進劑安全與工藝性能的影響

按工藝要求完成混合后測試推進劑出料藥漿的安全性能和工藝性能，試驗結(jié)果見表3和表4。

表3 NEPE推進劑出料藥漿安全性能

表4 NEPE推進劑出料藥漿工藝性能

從表3可知，RAM投料量分別在500 g和1000 g時，NEPE推進劑出料藥漿的撞擊感度、摩擦感度和靜電火花感度與立式混合機制備的推進劑藥漿安全性能基本相當。

由表4可知，在相同混合時間時投料量分別在500、800、1000 g的推進劑藥漿初始粘度和屈服應(yīng)力基本相當。投料量在800 g時，混合時間從26 min延長至31 min，出料藥漿工藝性能略有改善；但混合時間從31 min增加至36 min對工藝性能影響不明顯。與立式混合機制備的推進劑藥漿工藝性能相比，RAM工藝制備的藥漿出料表觀粘度和屈服應(yīng)力雖偏高，但藥漿的可澆注性較好，固化的推進劑方坯內(nèi)部致密無氣孔。RAM工藝制備藥漿粘度偏高的原因可能與填料的“潤濕”狀態(tài)有關(guān)，固體填料與粘合劑體系的混合過程是液相粘合劑體系在固體顆粒表面的涂布、潤濕過程，由于物理化學(xué)吸附作用使填料表面處于一種“潤濕”狀態(tài)。與槳葉混合過程中的剪切、擠壓等作用力相比，RAM通過有效載荷中的聲壓波傳播，將系統(tǒng)的機械能傳遞到混合容器的物料中，填料的“潤濕”狀態(tài)偏弱，導(dǎo)致藥漿粘度偏高。

3.2 混合工藝對推進劑密度的影響

在固體推進劑組分混合均勻性評價方面，國內(nèi)外學(xué)者雖做了一些研究工作，但目前尚未形成一個公認統(tǒng)一的定量評價體系。在微觀分析上主要采用電子顯微鏡和光學(xué)顯微鏡下對推進劑形貌的直接觀測，宏觀是采用目視法或?qū)ν七M劑性能的對比分析，如推進劑燃速、密度等。RAM工藝對NEPE推進劑密度的影響如圖2所示。從圖2可知，RAM制備的推進劑密度在1.838～1.840 g/cm之間，與立式混合機制備的推進劑密度1.840 g/cm相當，表明RAM制備的推進劑均勻性較好，混合效果與立式混合相當。

圖2 混合工藝對NEPE推進劑密度的影響

3.3 混合工藝對燃燒性能的影響

RAM工藝對NEPE推進劑燃速的影響如表5所示。在相同混合時間時投料量分別在500、800、1000 g的推進劑7 MPa下藥條燃速基本相當，在9.67～9.74 mm/s之間；投料量均在800 g時，延長混合時間對推進劑燃速影響不明顯。采用RAM制備的推進劑燃速較立式混合機燃速偏低，7 MPa下藥條燃速低約0.14～0.22 mm/s。這主要是由于在立式混合機中物料受到槳葉的剪切、摩擦和擠壓等作用力，混合過程中粗顆粒的氧化劑更易破脆，粒徑變小，導(dǎo)致燃速相對增加。

3.4 混合工藝對力學(xué)性能的影響

將固化成型的方坯制樣分別測試推進劑在20、70、-30 ℃時的力學(xué)性能，試驗結(jié)果如表6所示。從表6可知，在相同混合時間時投料量在500 g時的推進劑常溫抗拉強度要高于800 g和1000 g投料量的推進劑，但常溫、高溫和低溫的伸長率要偏低；投料量在800 g和1000 g推進劑的力學(xué)性能基本相當。800 g投料量時延長聲共振混合時間，推進劑常溫抗拉強度略有提高。與立式混合機制備的推進劑力學(xué)性能相比，RAM工藝制備的推進劑常溫抗拉強度偏低，且在常溫和高溫力學(xué)性能的最大伸長率與斷裂伸長率相差較大，存在“脫濕”現(xiàn)象。分析認為，導(dǎo)致“脫濕”的原因主要有兩方面：一是由于填料的“潤濕”狀態(tài)偏弱，在一定載荷作用下粘合劑與填料表面之間易分離，吸附作用力在外界載荷時易破壞；另一方面，在NEPE推進劑組成中的中性鍵合劑NPBA是改善HMX與聚醚含能粘合劑體系界面粘接性能的關(guān)鍵，混合過程中提升鍵合作用效果可抑制“脫濕”現(xiàn)象。與RAM相比，槳葉混合中熱-力-時的耦合作用可能更有利于提升NPBA鍵合效果，提高推進劑粘合劑基體/填料的界面粘接，改善推進劑力學(xué)性能；后續(xù)亦可從優(yōu)化混合溫度和加速度等工藝參數(shù)來改善力學(xué)性能。

表5 混合工藝對NEPE推進劑燃速的影響

表6 混合工藝對NEPE推進劑力學(xué)性能的影響

4 結(jié)論

(1)采用SEM3型聲共振混合工藝制備的NEPE推進劑藥漿安全性能與立式混合機制備的推進劑藥漿安全性能相當；在500～1000 g投料量下聲共振混合推進劑的密度基本相當，物料混合的均勻性較好。

(2)RAM制備的NEPE推進劑藥條燃速較立式混合機制備的推進劑燃速低0.14～0.22 mm/s；在20、70、-30 ℃時的抗拉強度均低于立式混合機制備的推進劑，這主要與混合過程中填料的“潤濕”狀態(tài)及鍵合劑作用效果偏弱有關(guān)。

RAM技術(shù)可以極大程度簡化工藝，提高混合工序的本質(zhì)安全度，有利于降低成本，提高生產(chǎn)效率。本研究只初步開展了RAM技術(shù)在NEPE推進劑制備中的應(yīng)用研究，后續(xù)還可深入研究混合時間、加速度、混合溫度、真空度、加料方式及混合機尺寸等對推進劑性能的影響，為RAM技術(shù)在固體推進劑中的推廣應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。