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      納米TiO2對RDX-CMDB推進(jìn)劑燃燒性能的影響

      2015-03-23 03:02:58陳俊波裴江峰袁志鋒宋秀鐸王江寧
      火工品 2015年4期
      關(guān)鍵詞:燃速金紅石銳鈦礦

      陳俊波,鄭 偉,裴江峰,曹 鵬,袁志鋒,宋秀鐸,王江寧

      (西安近代化學(xué)研究所,陜西 西安,710065)

      納米材料因其比表面積大、催化活性位點多,具有比宏觀材料更優(yōu)異的催化性能。目前,納米金屬粉、納米燃燒催化劑、石墨烯和納米復(fù)合含能材料的制備及其在固體推進(jìn)劑的應(yīng)用已有大量文獻(xiàn)報道[1-5]。其中,研究較多的是納米燃燒催化劑。趙鳳起等[6-8]研究了納米 PbO、Bi2O3和 CuO對雙基推進(jìn)劑及RDX-CMDB推進(jìn)劑燃燒性能的影響,發(fā)現(xiàn)納米PbO、Bi2O3和CuO有助于提高雙基及RDX-CMDB推進(jìn)劑的燃速,降低壓力指數(shù)。

      納米 TiO2具有優(yōu)異的光催化活性,對大氣和水體中有機(jī)污染物的降解具有廣闊的前景[9]。但是,納米 TiO2在固體推進(jìn)劑中的應(yīng)用研究開展的比較少。Eric Petersen[10]等研究了納米TiO2對AP/HTPB/Al推進(jìn)劑燃燒性能的影響。結(jié)果表明,與基礎(chǔ)配方相比,添加了納米 TiO2的推進(jìn)劑燃速得到大幅提高。但納米 TiO2對改性雙基推進(jìn)劑體系燃燒性能的影響還未見報道。本文選用3種商業(yè)化TiO2納米粒子,研究其對RDX-CMDB推進(jìn)劑燃燒性能的影響,以期對高能改性雙基推進(jìn)劑燃燒性能調(diào)節(jié)有所參考。

      1 實驗

      1.1 主要原材料

      硝化棉(NC,含氮量12.0%),四川北方硝化棉股份有限公司;硝化甘油(NG),四川北方硝化棉股份有限公司;黑索今(RDX),蘭州白銀銀光化學(xué)材料廠;吉納(DINA),山西北化關(guān)鋁化工有限公司;二號中定劑(C2),重慶長風(fēng)化學(xué)工業(yè)有限公司;凡士林(V),南京長江江宇石化公司;銳鈦礦型 TiO2(d50=5nm、25nm,簡稱5A、25A),金紅石型TiO2(d50=25nm,簡稱 25R),北京德科島津公司;鉛鹽(Pb)、銅鹽(Cu)、炭黑(C),西安近代化學(xué)研究所;原材料均為工業(yè)級。

      1.2 配方及制備方法

      推進(jìn)劑樣品采用無溶劑壓伸工藝(吸收-熟化-驅(qū)水-壓延)制備,TiO2在壓延過程中外加。推進(jìn)劑配方如表1所示。

      表1 RDX-CMDB推進(jìn)劑配方Tab.1 The formulation of propellants

      1.3 測試儀器與方法

      采用恒壓靜態(tài)燃速儀,按照GJB 770B-2005方法706.1“燃速-靶線法”測定燃速,測試條件:溫度20℃,壓力范圍1~18MPa,燃速測試結(jié)果如表2所示。采用燃速方程r=apn,計算壓力指數(shù)n。

      2 實驗結(jié)果與討論

      2.1 TiO2含量對RDX-CMDB推進(jìn)劑燃燒性能的影響

      5nm銳鈦礦型TiO2的含量對RDX-CMDB推進(jìn)劑燃速的影響見圖1。

      圖1 含5nm銳鈦礦型TiO2的RDX-CMDB推進(jìn)劑的燃速——壓力曲線Fig.1 The characteristic r——p curves of RDX-CMDB propellants containing 5nm TiO2 with anatase phase

      由圖1可知,基礎(chǔ)配方的燃速較低,添加1% 5A,RDX-CMDB推進(jìn)劑燃速得到提高。其中,6MPa、8MPa、10MPa、12MPa燃速提高幅度最大,分別是84%、88%、67%、68%。與 A0相比,A1中高壓(12~18MPa)燃速壓力指數(shù)從0.872降至0.197,推進(jìn)劑實現(xiàn)平臺燃燒。5A含量增大到2%時,1~14MPa燃速明顯降低,16MPa和18MPa燃速相近,中高壓燃燒平臺消失。

      25nm銳鈦礦型TiO2含量對RDX-CMDB推進(jìn)劑燃速的影響見圖2。

      圖2 含25nm銳鈦礦型TiO2的RDX-CMDB推進(jìn)劑的燃速——壓力曲線Fig.2 The characteristic r——p curves of RDX-CMDB propellants containing 25nm TiO2 with anatase phase

      從圖2可以看出,添加1% 25A,與A0相比,1MPa下A3燃速變化不明顯,2~18MPa燃速顯著增大,燃速最大提高幅度87%,對應(yīng)壓力點是6MPa。25A含量2%時,與A3相比,1~10MPa燃速降低,1MPa和2MPa燃速低于基礎(chǔ)配方A0,12~18MPa燃速升高并實現(xiàn)平臺燃燒(n=0.236)。

      25nm金紅石型TiO2含量對RDX-CMDB推進(jìn)劑燃速的影響見圖3。

      圖3 含25nm金紅石型TiO2的RDX-CMDB推進(jìn)劑的燃速——壓力曲線Fig.3 The characteristic r——p curves of RDX-CMDB propellants containing 25nm TiO2 with rutile phase

      從圖3可以看見,添加1% 25R,1MPa下推進(jìn)劑燃速變化不明顯,2~18MPa壓力區(qū)間的燃速明顯高于基礎(chǔ)配方。其中,6MPa、8MPa、10MPa、12MPa燃速提高幅度最大,分別是85%、83%、66%、55%。10~18MPa實現(xiàn)平臺燃燒,壓力指數(shù)是0.195。25R含量增至2%時,與A5相比,1~14MPa燃速明顯降低,1MPa和2MPa燃速低于基礎(chǔ)配方A0,16~18MPa燃速升高,并導(dǎo)致燃燒平臺消失。

      添加 3種納米 TiO2后,推進(jìn)劑燃速(特別是4~18MPa)得到提高。分析認(rèn)為,RDX-CMDB推進(jìn)劑低壓燃燒以凝聚相反應(yīng)為主,壓力升高氣相反應(yīng)占主導(dǎo)[11],納米 TiO2有利于促進(jìn)推進(jìn)劑的氣相反應(yīng),提高熱量釋放速率。TiO2含量從1%增加到2%時,推進(jìn)劑壓力指數(shù)增大,分析認(rèn)為過量納米 TiO2導(dǎo)致了平臺催化劑(鉛-銅-炭黑)體系部分失效。

      2.2 TiO2晶型對RDX-CMDB推進(jìn)劑燃燒性能的影響

      TiO2晶型對推進(jìn)劑燃速的影響見圖4。由圖4(a)可知,對于25nm TiO2,其含量為1%時,低壓(1~8MPa)下銳鈦礦和金紅石型都能提高 RDX-CMDB推進(jìn)劑的燃速,提升幅度接近;中高壓(10~18MPa)下兩種晶型納米 TiO2均提高推進(jìn)劑的燃速,壓力升高,燃速的增幅降低。與金紅石型相比,含銳鈦礦型TiO2的推進(jìn)劑燃速較高,并且壓力越高燃速差值越大,10MPa、12MPa、14MPa、16MPa、18MPa燃速分別提高 0.57mm/s、1.36mm/s、1.69mm/s、1.66mm/s、2mm/s。由圖4(b)可知,25nm TiO2的含量為2%時,1~8MPa下金紅石和銳鈦礦型對推進(jìn)劑燃速的影響差異不大,10~18MPa下含有后者的推進(jìn)劑燃速更高。

      圖4 含兩種晶型TiO2的RDX-CMDB推進(jìn)劑燃速——壓力曲線Fig.4 The characteristic r——p curves of RDX-CMDB propellants containing rutile and anatase phase TiO2

      TiO2的晶型對推進(jìn)劑中高壓燃速的影響差異可能與活性有關(guān)。壓力升高,推進(jìn)劑氣相反應(yīng)區(qū)縮短,導(dǎo)致燃燒中間產(chǎn)物之間(如CO、NOx等)在TiO2表面富集。由于銳鈦礦型晶格氧空位多,容易俘獲電子[12],促進(jìn)了燃燒中間產(chǎn)物之間的氧化還原化學(xué)反應(yīng),加快能量釋放速率,表現(xiàn)在推進(jìn)劑的燃速高于含金紅石型TiO2的推進(jìn)劑燃速。

      2.3 TiO2粒度對RDX-CMDB推進(jìn)劑燃燒性能的影響

      銳鈦礦型TiO2的粒度對RDX-CMDB推進(jìn)劑燃速的影響見圖5。

      圖5 含兩種粒徑TiO2的RDX-CMDB推進(jìn)劑燃速——壓力曲線Fig.5 The characteristic r——p curves of RDX-CMDB propellants containing 5nm and 25nm TiO2 with anatase phase

      從圖5(a)可知,對于含1% TiO2的RDX-CMDB推進(jìn)劑,1~4MPa含 5A的燃速比含 25A的高。6~12MPa燃速相近,高壓(14~18MPa)下含25A的推進(jìn)劑燃速更高。由圖 5(b)可知,TiO2含量增大到2%時,燃速差異更加顯著。

      分析認(rèn)為,粒度減小,納米TiO2的比表面積增大,其吸附和催化活性增加[13],有利于促進(jìn)推進(jìn)劑分解及能量釋放速率,進(jìn)而提高燃速。值得一提的是,高壓下含 5nm TiO2的推進(jìn)劑燃速反而低于含 25nm TiO2的推進(jìn)劑,這可能是小粒徑 TiO2在推進(jìn)劑燃燒過程中(特別是高壓下)更容易發(fā)生晶型轉(zhuǎn)變[14]以及融化凝聚,降低了吸附和催化活性降低,這一點在后續(xù)工作中值得深入研究。

      3 結(jié)論

      (1)納米TiO2可以大幅提高RDX-CMDB推進(jìn)劑燃速,降低高壓燃速壓力指數(shù),實現(xiàn)在高壓下推進(jìn)劑的平臺燃燒。

      (2)含量為1wt%時,5nm銳鈦礦型和25nm金紅石型TiO2使RDX-CMDB推進(jìn)劑分別在1~18MPa和2~18MPa實現(xiàn)平臺燃燒。含量增大到2%,推進(jìn)中低壓燃速降低,高壓燃速升高。

      (3) 銳鈦礦型納米 TiO2有利于提高 RDXCMDB推進(jìn)劑高壓燃速,金紅石型納米TiO2有助于促成高壓燃燒平臺。

      (4)銳鈦礦型納米 TiO2的粒徑增大,RDXCMDB推進(jìn)劑壓力指數(shù)升高。

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