袁志鋒,趙鳳起,楊立波,鄭曉東,張 超,田 軍
(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)
PNI對(duì)RDX/Al-CMDB推進(jìn)劑燃燒性能的影響
袁志鋒,趙鳳起,楊立波,鄭曉東,張 超,田 軍
(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)
采用吸收-壓延方法制備了含4-硝基咪唑鉛鹽(PNI)的RDX/Al-CMDB推進(jìn)劑樣品,用靶線法測(cè)試了其燃速,研究了PNI與炭黑組成的二組元催化劑,PNI、炭黑和安定劑組成的三組元催化劑,PNI與不同種類鉛鹽組成的多組元催化劑對(duì)RDX/Al-CMDB推進(jìn)劑燃燒性能的影響。結(jié)果表明,PNI是一種有效的含能燃燒催化劑;PNI與炭黑或β鉛鹽的混合物可使推進(jìn)劑出現(xiàn)平臺(tái)或麥撒燃燒;當(dāng)PNI的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.0%時(shí),推進(jìn)劑的壓強(qiáng)指數(shù)降至0.07;1.0%PNI和2.5%β-Pb的混合物使推進(jìn)劑的壓強(qiáng)指數(shù)降至-0.13。含PNI改性雙基推進(jìn)劑的燃速可調(diào),出現(xiàn)平臺(tái)或麥撒區(qū)間。
物理化學(xué);PNI;固體推進(jìn)劑;燃燒性能;壓強(qiáng)指數(shù);麥撒效應(yīng);平臺(tái)效應(yīng)
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,是固體推進(jìn)劑配方中十分重要的功能材料。改性雙基固體推進(jìn)劑一般采用無(wú)機(jī)或有機(jī)鉛鹽或銅鹽、炭黑作燃燒催化劑[1-3],但是它們多為惰性催化劑,對(duì)推進(jìn)劑的能量沒(méi)有貢獻(xiàn)。目前,含能催化劑在國(guó)內(nèi)外已得到廣泛應(yīng)用[4-6],是固體推進(jìn)劑燃燒催化劑的一個(gè)主要發(fā)展方向。
目前,國(guó)內(nèi)外研究的含能催化劑主要是多硝基苯含能催化劑、NTO鹽類、含能金屬絡(luò)合物和含疊氮基團(tuán)的有機(jī)酸鹽類等。鄭曉東[7]等合成了2,4-DNI鉛鹽,研究了該材料對(duì)雙基和改性雙基推進(jìn)劑燃燒性能的影響,發(fā)現(xiàn)含2,4-DNI鉛鹽改性雙基推進(jìn)劑的燃燒性能不夠理想。4-硝基咪唑鉛鹽(PNI)是一種新型含能催化劑,其中的硝基可提供能量,因此比惰性催化劑的能量性能好。本實(shí)驗(yàn)研究了PDI對(duì)RDX/Al-CMDB推進(jìn)劑燃燒性能的影響,發(fā)現(xiàn)催化燃燒效果十分明顯,使推進(jìn)劑出現(xiàn)平臺(tái)或麥撒效應(yīng),以期為推進(jìn)劑用催化劑的選擇提供參考。
1.1 材料與儀器
PNI,西安近代化學(xué)研究所;RDX,遼寧慶陽(yáng)特種化工有限公司;Al,中國(guó)科學(xué)院過(guò)程工程研究所;炭黑1,山東省章丘市永振炭黑設(shè)備廠,粒徑30~50μm;炭黑2,上海焦化特種炭黑廠,粒徑10~ 15μm;二元β-Pb,山西博奧化工有限公司,鉛含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))36%;三元β-Pb,山西博奧化工有限公司,鉛含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))57%;二號(hào)中定劑(C2),重慶長(zhǎng)風(fēng)化學(xué)工業(yè)有限公司。
1.2 樣品的制備
RDX/Al-CMDB推進(jìn)劑配方見(jiàn)表1。樣品采用吸收、離心驅(qū)水、光輥壓延、切成藥條工藝制備成Φ5 mm×160 mm的藥條,用聚乙烯醇包覆。
表1 含PNI改性雙基推進(jìn)劑配方Table 1 Formulations of CMDB propellants containing PNI
1.3 燃速測(cè)試
采用靶線法測(cè)試樣品的燃速;根據(jù)Vieille燃速與壓強(qiáng)關(guān)系式r=apn,計(jì)算壓強(qiáng)指數(shù)n。
2.1 PNI含量對(duì)含炭黑1的RDX/Al-CMDB推進(jìn)劑燃燒性能的影響
研究了PNI含量對(duì)含炭黑1的RDX/Al-CMDB推進(jìn)劑燃燒性能的影響,結(jié)果見(jiàn)表2。
從表2可以看出,在5~20 MPa,配方2~4比配方1的壓強(qiáng)指數(shù)大幅度降低;燃速在中低壓區(qū)大幅度提高,說(shuō)明PNI能夠大幅提高推進(jìn)劑的燃速。配方2的壓強(qiáng)指數(shù)下降幅度最大,在相同壓強(qiáng)下燃速提高最大;而配方4比配方3的壓強(qiáng)指數(shù)增加,相同壓強(qiáng)下的燃速卻降低,這說(shuō)明隨著PNI含量的增加,推進(jìn)劑的燃速呈先增加后下降趨勢(shì),壓強(qiáng)指數(shù)呈先降低后增大趨勢(shì),因此在該推進(jìn)劑體系中,PNI含量并不是越大對(duì)改善推進(jìn)劑燃燒性能越有利。
例12.Temple fair stages cultural activities,serves tasty food.(China Daily,2018-03-05)(廟會(huì))
表2 PNI含量對(duì)含炭黑1的RDX/Al-CMDB推進(jìn)劑燃燒性能的影響Table 2 Effect of PNI content on combustion properties of RDX/Al-CMDB propellants containing carbon black 1
在空白配方中加入PNI后,推進(jìn)劑的壓強(qiáng)指數(shù)明顯減低,燃速尤其是中低壓下的燃速大幅度提高,這也是壓強(qiáng)指數(shù)降低的原因;但隨著PNI含量的增加,推進(jìn)劑出現(xiàn)燃速下降、壓強(qiáng)指數(shù)反而升高的現(xiàn)象。這可能是因?yàn)楫?dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)在一定范圍時(shí),PNI起到催化作用;但隨著含量的增加,PNI與炭黑1組成的二組元催化體系超出了最佳比例范圍,因此推進(jìn)劑的燃燒性能變差。
2.2 PNI含量對(duì)含炭黑2的RDX/Al-CMDB推進(jìn)劑燃燒性能的影響
研究了PNI含量對(duì)含炭黑2的RDX/Al-CMDB推進(jìn)劑燃燒性能的影響,結(jié)果見(jiàn)表3。
表3 PNI含量對(duì)含炭黑2的RDX/Al-CMDB改性推進(jìn)劑燃燒性能的影響Table 3 Effect of PNI content on combustion properties of RDX/Al-CMDB propellants containing carbon black 2
從表3可以看出,10~20 MPa下配方6~9比配方5的壓強(qiáng)指數(shù)都有所降低,尤其是當(dāng)PNI質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到4.0%時(shí),壓強(qiáng)指數(shù)降低至0.07;燃速均有所提高,當(dāng)PNI質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到4.0%時(shí),燃速提高至22.95 mm/s,這說(shuō)明PNI能夠改善推進(jìn)劑的燃燒性能。
當(dāng)PNI的質(zhì)量分?jǐn)?shù)從1.5%增加到2.0%時(shí),推進(jìn)劑的燃速增大,壓強(qiáng)指數(shù)降低。當(dāng)PNI的質(zhì)量分?jǐn)?shù)從2.0%增加到3.0%,推進(jìn)劑的燃速反而有所降低(除10 MPa外),壓強(qiáng)指數(shù)也有所減小。當(dāng)PNI的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.0%時(shí),推進(jìn)劑的燃速在低壓區(qū)得到大幅提高,而高壓區(qū)提高幅度較小,因此降低了整個(gè)區(qū)間的壓強(qiáng)指數(shù),10~20 MPa下推進(jìn)劑的壓強(qiáng)指數(shù)接近于0,取得平臺(tái)效應(yīng)。
出現(xiàn)上述變化的原因可能因?yàn)镻NI是一種含能鉛鹽,隨著其含量的增加,催化作用逐漸增加,總體上看推進(jìn)劑的燃速越來(lái)越高,壓強(qiáng)指數(shù)越來(lái)越低。此外,PNI比惰性催化劑的能量性能好,因此在推進(jìn)劑中引入PNI是調(diào)節(jié)推進(jìn)劑能量及燃燒性能有效的途徑。
2.3 PNI與兩種安定劑組成的二組元催化劑對(duì)RDX/Al-CMDB推進(jìn)劑燃燒性能的影響
研究了PNI與二硝基二苯胺、間苯二酚組成的二組元催化劑對(duì)推進(jìn)劑燃燒性能的影響,結(jié)果見(jiàn)表4。
表4 PNI與兩種安定劑組成的二組元催化劑對(duì)RDX/Al-CMDB推進(jìn)劑燃燒性能的影響Table 4 Effect of PNI and binary catalyst composed of two kinds of stabilizers on combustion properties of RDX/Al-CMDB propellants
從表4可以看出,隨著二硝基二苯胺含量的增加,8~15 MPa下推進(jìn)劑的燃速提高約1 mm/s,壓強(qiáng)指數(shù)略微下降。隨著間苯二酚含量的增加,推進(jìn)劑的燃速在8~15 MPa時(shí)提高,且隨著壓強(qiáng)的增加,燃速增幅變大,壓強(qiáng)指數(shù)也增大。加入相同含量的間苯二酚比二硝基二苯胺在10 MPa下燃速提高約3.5mm/s??梢缘贸觯琍NI與不同的安定劑復(fù)合也影響推進(jìn)劑的燃速和壓強(qiáng)指數(shù),但影響的程度不同。
2.4 PNI與不同種類鉛鹽組成的多組元催化劑對(duì)RDX/Al-CMDB推進(jìn)劑燃燒性能的影響
探索了PNI與不同種類鉛鹽組成的多組元催化劑對(duì)RDX/Al-CMDB推進(jìn)劑燃燒性能的影響,結(jié)果見(jiàn)表5。
表5 PNI與不同種類鉛鹽組成的多組元催化劑對(duì)RDX/Al-CMDB推進(jìn)劑燃燒性能的影響Table 5 Effect of PNI and multiple catalyst composed of different lead salts on combustion properties of RDX/Al-CMDB propellants
從表5可看出,1.0%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))PNI和2.5%三元β-Pb組成二組元催化劑時(shí),推進(jìn)劑的壓強(qiáng)指數(shù)最低達(dá)-0.13,出現(xiàn)麥撒燃燒,將兩種鉛鹽級(jí)配時(shí),隨著三元β-Pb含量的增加,推進(jìn)劑的壓強(qiáng)指數(shù)增大,燃速增加。
1.0 %二元β-Pb與3.0%三元β-Pb組合使用,推進(jìn)劑的燃速最高,15 MPa時(shí)推進(jìn)劑的燃速超過(guò)30 mm/s;當(dāng)用1.0%PNI替代1.0%三元β-Pb時(shí),燃速下降約2 mm/s(10 MPa),壓強(qiáng)指數(shù)降低0.16,出現(xiàn)平臺(tái)燃燒效應(yīng)??傊?,在PNI、二元β-Pb和三元β-Pb三種鉛鹽中,二元β-Pb使推進(jìn)劑燃速提高幅度最大,但是會(huì)增大推進(jìn)劑的壓強(qiáng)指數(shù);PNI能有效降低推進(jìn)劑的壓強(qiáng)指數(shù),尤其與三元β-Pb組合使用能使推進(jìn)劑出現(xiàn)麥撒效應(yīng)。
由上可見(jiàn),PNI與二元β-Pb或三元β-Pb組成二元或三元催化體系時(shí),比單獨(dú)加入二元β-Pb或三元β-Pb催化劑效果要好,因此可以嘗試雙鉛催化劑或三鉛催化劑體系共同作用,來(lái)調(diào)節(jié)推進(jìn)劑的燃燒性能。
(1)PNI是一種有效的燃燒催化劑,與炭黑2組成的二組元催化劑可使推進(jìn)劑在10~20 MPa出現(xiàn)平臺(tái)區(qū)間;PNI與三元β-Pb以及炭黑2組成的三組員催化劑可使推進(jìn)劑在8~15 MPa出現(xiàn)平臺(tái)區(qū)間或麥撒區(qū)間。
(2)含PNI的RDX/Al-CMDB推進(jìn)劑在10 MPa時(shí)燃速在14.30~27.10 mm/s可調(diào),出現(xiàn)平臺(tái)或麥撒區(qū)間。
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Effect of PNI on the Combustion Properties of RDX/Al-CMDB Propellant
YUAN Zhi-feng,ZHAO Feng-qi,YANG Li-bo,ZHENG Xiao-dong,ZHANG Chao,TIAN Jun
(Science and Technology on Combustion and Explosion Laboratory,Xi′an Modern Chemistry Research Institute,Xi′an 710065,China)
The RDX/Al-CMDB propellants containing 4-initroimidazole lead salt(PNI)were prepared by an absorption/rolling method.The burning rates of propellants were measured by a target line method.The effect of PNI/carbon,PNI/carbon/stabilizer,PNI/Pb salts on the combustion properties of RDX/Al-CMDB propellants were studied.The results show that PNI is an effective energetic burning catalyst.The combination of PNI with carbon black orβ-Pb salt makes the mesa effect or plateau of CMDB propellant appear.When the mass fraction of PNIis 4. 0%,it makes the pressure exponent of propellant decrease to 0.07.The combination of 1.0%PNI and 2.5%β-Pb salt makes the pressure exponent of propellant decrease to-0.13.The burning rate of RDX/Al-CMDB propellants containing PNI is adjustable and can appear the plateau or mesa effect.
physical chemistry;PNI;solid propellant;combustion property;pressure exponent;mesa effect; plateau effect
TJ55;X93
A
1007-7812(2014)04-0070-04
2013-10-23;< class="emphasis_bold">修回日期:2
2014-01-02
國(guó)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(9140C3503141006)
: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。
趙鳳起(1963-),男,研究員,博士生導(dǎo)師,從事固體推進(jìn)劑配方與性能研究。