鎳粉對(duì)RDX-CMDB推進(jìn)劑燃燒性能的影響

馬 亮，陳俊波，鄭 偉，張 超

（西安近代化學(xué)研究所，陜西 西安，710065）

推進(jìn)劑燃燒過程是一個(gè)復(fù)雜的高溫、瞬時(shí)、高壓的放熱化學(xué)反應(yīng)，熱傳質(zhì)速度與化學(xué)反應(yīng)速度決定了推進(jìn)劑的燃燒速度[1]。鎳粉可以通過改善推進(jìn)劑組分的熱分解特性，降低含能成分的表觀活化能，調(diào)節(jié)推進(jìn)劑的燃燒性能，從而實(shí)現(xiàn)提高燃速與降低推進(jìn)劑的可燃?jí)毫O限等目標(biāo)[2-3]。但是由于昂貴的造價(jià)與復(fù)雜的制備工藝，實(shí)現(xiàn)納米級(jí)鎳粉的應(yīng)用困難重重[4-6]。相比于納米級(jí)鎳粉，微米級(jí)的鎳粉來源豐富，廉價(jià)易得，工程應(yīng)用廣泛，因而對(duì)微米級(jí)鎳粉的研究更加具有實(shí)際價(jià)值。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原材料

硝化棉（12.6% N）和硝化甘油由四川川安化工廠生產(chǎn)，Ⅱ號(hào)中定劑、凡士林、吉納、黑索今、2,4-二羥基苯甲酸鉛、水楊酸銅、炭黑、鎳粉（1μm、3μm、5μm），均為工業(yè)品。

1.2 樣品制備

基礎(chǔ)配方組成（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）：NC+NG 63%，Ⅱ號(hào)中定劑1.5%，凡士林0.5%，RDX24%，催化劑5%，其他5%。實(shí)驗(yàn)樣品采用無溶劑壓伸工藝（吸收、熟化、光棍壓延）制備。推進(jìn)劑配方中鎳粉粒徑及含量如表1所示。

表1 推進(jìn)劑鎳粉含量Tab.1 The Ni content of propellants

1.3 性能測(cè)試方法

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(cè)試燃速。將5mm×5mm×150mm的燃速藥條側(cè)面用聚乙烯醇溶液浸漬包覆6次并晾干，在充氮緩動(dòng)式燃速儀中進(jìn)行燃速測(cè)試。溫度為20℃，壓力范圍為1～12MPa。

采用單幅放大彩色攝影法測(cè)試推進(jìn)劑樣品的火焰結(jié)構(gòu)照片。把未經(jīng)過包覆、尺寸為1.5mm×4.0mm×25.0mm樣品垂直裝在點(diǎn)火架上，然后把點(diǎn)火架放入四視窗燃燒室內(nèi)，充氮?dú)馐谷紵覂?nèi)達(dá)到預(yù)定壓力，并形成自下而上的流動(dòng)氮?dú)鈿夥?，且及時(shí)排除燃?xì)獗ＷC照片質(zhì)量。采用20V直流電源作點(diǎn)火源，通過程序控制器用Φ0.15mm鎳鉻合金絲從樣品上端點(diǎn)燃試樣，燃燒正常后啟動(dòng)照相機(jī)拍照，即可得到推進(jìn)劑穩(wěn)態(tài)燃燒時(shí)的火焰結(jié)構(gòu)照片。

采用“Π”型微型熱電偶測(cè)試推進(jìn)劑樣品的燃燒波溫度分布曲線。采用JSE-5800型掃描電子顯微鏡（日本電子公司）采集Ni粉的表面形貌信息。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 Ni粉的表征

圖1為鎳粉的掃描電鏡照片。從圖1可以看到，3種鎳粉都呈現(xiàn)出團(tuán)聚狀態(tài)。5μm鎳粉團(tuán)聚顆粒尺寸最大，1μm顆粒最小。

2.2 Ni粉粒徑對(duì)燃燒性能的影響

含不同粒徑及含量鎳粉的RDX-CMDB推進(jìn)劑燃速測(cè)試結(jié)果見表2、圖2。從表2和圖2可以看出不同粒徑（1μm、3μm、5μm）與含量的鎳粉對(duì)RDX-CMDB推進(jìn)劑的燃速性能均有影響。比較1#、2#、3#、5#樣品的燃速可以發(fā)現(xiàn)，粒徑減小不利于提高推進(jìn)劑的燃速。2#樣品中1μm 的鎳粉對(duì)推進(jìn)劑的燃速性能影響較小，6MPa時(shí)，燃速為11.40mm/s，同1#樣品燃速相比，提高了6%；5#樣品6MPa時(shí)，燃速為13.27mm/s，增加了23%。2～10MPa下，1.5%的3μm鎳粉對(duì)推進(jìn)劑的燃速提高效應(yīng)最明顯，說明鎳粉含量的增加促進(jìn)了RDX的熱分解，進(jìn)而提高了推進(jìn)劑的燃速；6MPa時(shí)，燃速為13.91mm/s，增加了29%。低壓下（1MPa），鎳粉對(duì)RDX-CMDB推進(jìn)劑的燃速無較大影響，高壓下（12MPa）5#樣品的燃速最大，達(dá)到了14.58mm/s。

圖1 鎳粉樣品的掃描電鏡圖Fig.1 The SEM pictures of nickel powder samples

表2 含鎳粉RDX-CMDB推進(jìn)劑的燃速Tab.2 The burning rate of RDX-CMDB propellant containing nickel powder

圖2 含鎳粉RDX-CMDB推進(jìn)劑的燃速Fig.2 The burning rate of RDX-CMDB propellant containing nickel powder

2.3 燃燒火焰結(jié)構(gòu)照片

圖3為RDX-CMDB推進(jìn)劑在1MPa、2MPa和4MPa下的火焰結(jié)構(gòu)照片。由圖3可見，鎳粉對(duì)RDX-CMDB推進(jìn)劑的火焰基本結(jié)構(gòu)均沒有產(chǎn)生較大影響，但是燃燒表面的規(guī)則性、燃面的幾何形狀與尺寸、暗區(qū)與明亮區(qū)的幾何形狀與尺寸產(chǎn)生一系列的變化。RDXCMDB推進(jìn)劑的燃燒火焰結(jié)構(gòu)與雙基推進(jìn)劑類似，分為燃燒表面區(qū)、嘶嘶區(qū)、暗區(qū)以及明亮火焰區(qū)。1MPa下，鎳粉的加入使得火焰區(qū)幾何尺寸增加，火焰與燃面之間的暗區(qū)厚度降低，意味著鎳粉促進(jìn)了推進(jìn)劑的燃燒，此現(xiàn)象與推進(jìn)劑燃速的提高相印證。2#、3#、4#、5#樣品的燃燒火焰色澤并不均勻，說明了火焰氣相區(qū)組成或者溫度分布不規(guī)則。壓力增大，火焰結(jié)構(gòu)發(fā)生了較大的變化，表面反應(yīng)劇烈，暗區(qū)厚度大大減小，燃燒終焰向外噴射，形成不規(guī)則的燃面。

圖3 RDX-CMDB推進(jìn)劑在1MPa、2MPa和4MPa下的火焰Fig.3 The flame pictures of RDX-CMDB propellant under 1MPa、2MPa and 4MPa

2.4 燃燒波溫度分布曲線

圖4為1MPa下RDX-CMDB推進(jìn)劑的燃燒波溫度分布。

圖4 1MPa下RDX-CMDB推進(jìn)劑樣品的燃燒波溫度分布曲線圖Fig.4 The combustion wave temperature distribution of RDX-CMDB propellant samples under 1MPa

由圖4可見，燃燒波溫度分布曲線大致可以分為2個(gè)階段，第1階段是溫度上升到1400℃左右，此為燃面溫度Ts，可以看出鎳粉的加入并未影響此階段，5個(gè)被測(cè)樣品在此階段的燃燒波溫度分布曲線幾乎相同。第2個(gè)階段為最終的絕熱火焰溫度Tf，意味著最終火焰區(qū)的溫度。1#樣品的Tf略小于1500℃，但是鎳粉的加入大大地提高了Tf的溫度，均遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于1500℃。同時(shí)可以看出，2#、3#、4#、5#被測(cè)樣品的最終火焰區(qū)溫度發(fā)生了較大波動(dòng)，也解釋了圖3中低壓下2#、3#、4#、5#樣品火焰顏色不均勻的現(xiàn)象。

3 結(jié)論

（1）不同粒徑的微米級(jí)鎳粉對(duì)RDX-CMDB推進(jìn)劑的燃燒性能有不同影響。減小粒徑，不利于燃速的提高。

（2）鎳粉的加入增加了火焰區(qū)的尺寸，并減小了火焰區(qū)與燃面的暗區(qū)厚度，促進(jìn)了推進(jìn)劑的燃燒，提高了推進(jìn)劑的燃速。

（3）低壓下，鎳粉幾乎不改變RDX-CMDB推進(jìn)劑的燃面溫度Ts，卻大大地提高了絕熱火焰溫度Tf。

[1] 王伯羲,馮增國,楊榮杰.火藥燃燒理論[M].北京:北京理工大學(xué)出版社,1994.

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