Al粉在高燃速AP／CMDB推进剂中的应用

邓重清，蔚红建，张正中

（西安近代化学研究所，陕西西安710065）

引 言

在固体推进剂中加入铝粉可提高其能量，并对推进剂的性能有重要影响［1］，通过添加不同粒度的Al粉可调节推进剂的燃烧性能，但Al粉对不同类型推进剂燃烧性能的影响有较大差异。在含硝胺的改性双基推进剂中加入Al粉会降低其燃速，Al粉粒度越小，燃速降低越明显［2］；将普通铝粉与纳米铝粉复配后加入双基推进剂中，能够提高其燃速；在复合推进剂中加入纳米铝粉能够提高其燃速［3］。

AP／CMDB推进剂是目前应用较多的固体推进剂，通过加入较高含量的超细AP 和一定含量的Al粉以大幅提高推进剂燃速和能量，使其具备燃速高、推力系数大的优点［4］。研究表明［5］，在采用配浆工艺制备的AP／CMDB 推进剂中加入质量分数10%的Al粉，燃速随着Al粉粒度的减小而降低。而高燃速AP／CMDB 推进剂则采用溶剂挤出工艺制备，超细高氯酸铵的质量分数达到30%，燃速更高。目前关于Al粉在该类推进剂中应用的研究报道较少。

本实验对高燃速AP／CMDB推进剂中的Al粉粒度和含量进行了调节，研究了其对推进剂能量和燃烧性能的影响，以期为该类推进剂综合性能的调节提供技术参考。

1 实 验

1．1 材 料

吸收药（NG／NC，NG 质量分数为41%），西安近代化学研究所；超细高氯酸铵（AP），黎明化工研究院；Al粉（粒径5μm 和14μm），鞍山钢铁厂；纳米Al粉（粒径150nm），北京德科岛金公司；无水乙醇，分析纯，西安化学试剂厂；丙酮，分析纯，西安化学试剂厂。

1．2 样品的制备

推进剂基础配方（质量分数）为：吸收药59%～62%，高氯酸铵29%～32%，Al粉0～8%，其他3%～4%。

采用10L卧式捏合机捏合2．5h，100T 油压机挤出弧厚为1．5mm、长度170mm 的管状样品，剖切为宽约5mm 的长条，放置于50℃烘箱96h 后取出。

1．3 性能测试

采用GJB770B－2005方法706．1靶线法测试燃速，用质量分数为8%的聚乙烯醇缩丁醛溶液包覆10遍，燃速压力指数按r＝apn进行指数回归。

采 用GJB770B－2005 方 法701．2 恒 温 法 测 试爆热。

采用德国耐驰公司DSC204HP 型差示扫描量热仪进行热分解测试，气氛为动态高纯氮，升温速率10℃／min。

2 结果与讨论

2．1 Al粉含量对AP／CMDB推进剂性能的影响

研究Al粉含量对推进剂爆热Qp和理论爆热QT、理论比冲Isp的影响，结果见图1。

图1 Al粉含量对AP／CMDB推进剂爆热和比冲的影响Fig．1 Effects of Al powder content on the heat of combustion and specific impulse of AP／CMDB propellant

从图1可知，加入Al粉（D50为14μm）后AP／CMDB推进剂的能量明显提高，加入质量分数3%的Al粉，推进剂爆热、比冲提高近5%，爆热与Al粉的含量成正比。

一般来说，双基推进剂的爆热越高，燃速也越高［6］，为了研究加入Al粉后推进剂燃烧性能的变化，测试了7～22MPa下推进剂的燃速，Al粉含量对推进剂燃烧性能的影响见表1。

表1 Al粉含量对AP／CMDB推进剂燃烧性能的影响Table 1 Influence of Al powder content on the combustion performance of AP／CMDB propellants

从表1可知，加入Al粉后，AP／CMDB推进剂的燃速和压强指数基本无变化，该现象与Al粉加入CMDB推进剂后低压下燃速降低、高压下燃速提高的现象不同，这与AP／CMDB 推进剂的燃烧机理有关。AP／CMDB 推进剂燃速与AP 颗粒的燃烧速度密切相关，由于推进剂燃烧表层为低温反应区，由NG／NC预混焰、AP分解焰及其混合扩散焰组成，而Al粉的燃烧需要在高温发光火焰区才能实现，在低温反应区球形Al颗粒处于固体熔胀的状态，活性Al不与AP和双基组分分解产物接触，对推进剂燃烧表层的AP 分解反应无促进作用。

2．2 Al粉粒度对AP／CMDB推进剂性能的影响

在推进剂中加入3种不同粒度的Al粉（质量分数为5%），测试了3种Al粉的活性和推进剂的爆热，结果见表2和表3，推进剂的燃烧性能见表4。

表2 不同粒度Al粉的活性Table 2 The activity of aluminum with various granularity

表3 含不同粒度Al粉的AP／CMDB推进剂的爆热Table 3 The heat of combustion of AP／CMDB propllants with various Al powder granularity

从表2和表3可知，随着Al粉粒度的减小，Al粉活性降低，AP／CMDB推进剂爆热降低，但降幅较小，说明纳米Al粉在AP／CMDB推进剂中的燃烧效率很高，反应较完全。分析认为，由于纳米Al颗粒尺寸小，与氧化剂AP颗粒的直接接触面积远大于微米级Al颗粒，能更大程度参与反应，在短时间内燃烧完全，使爆热增加。因此，减小Al粉粒度提高纳米Al粉的活性有利于进一步提高推进剂的爆热。

表4 Al粉粒度对AP／CMDB推进剂燃烧性能的影响Table 4 Effects of Al powder granularity on the combustion performance of AP／CMDB propellants

从表4可知，在不同的压强区间，Al粉粒度对AP／CMDB推进剂燃烧性能的影响存在差异。Al粉粒径由14μm（样品1）减小至5μm（样品2）后，7～10MPa下推进剂的燃速提高，15～18MPa下推进剂的燃速降低，22MPa下燃速变化不明显，燃速压强指数明显降低；加入粒径150nm Al粉后（样品3），7～15MPa下推进剂燃速的变化不明显，18～22MPa下燃速提高2～3mm／s。该结果与文献［6］研究存在一定的差异，这可能与Al粉的加入量有关，铝粉含量越高，在推进剂燃烧表层易发生熔融团聚，燃烧效率降低，同时阻碍低温反应区AP分解产物和双基组分分解产物的扩散反应，降低燃烧表层得到的热辐射，燃速下降。

2．3 铝粉粒度对推进剂热分解性能的影响

采用DSC研究10MPa下、含不同粒度Al粉的推进剂热分解行为，结果见图3和表5。

图3 含不同粒度Al粉推进剂的DSC曲线Fig．3 DSC curves of propellants containing Al powder with different granularity

表5 Al粉粒度对推进剂分解峰温和表观分解热的影响Table 5 Effects of Al powder granularity on decomposition peak temperature and apparent heat of decomposition of propellants

从图3 可以看出，Al粉粒度减小后，AP／CMDB推进剂热分解特性发生了变化，在分解前有吸热现象。加入150nm（样品3）和5μm（样品2）的Al粉，对推进剂的分解峰值无明显影响，但放热量比样品1分别提高了343和107J／g。Al粉粒径越小，单位质量的Al粉表面氧化增重越明显，熔化破裂需要吸收的热量越大，粒径14μm 的Al颗粒未出现吸热峰，可能是表面氧化膜厚度与粒径比值很小，轻微的受热膨胀即可使表层氧化膜破坏。研究表明，AP与Al的接触方式对AP的热分解和推进剂的热分解性能影响明显，AP 和Al粉以物理混合方式加入推进剂中，Al颗粒表面Al2O3氧化膜阻隔了其对AP分解的直接催化作用，因此推进剂分解峰温基本不受Al粉粒度影响，但粒径减小有利于提高Al粉短时间内的反应量，使放热量增加。

推进剂燃烧时，Al粉在燃烧表层随双基组分火焰和AP分解火焰进行扩散，扩散速率取决于压强，压强越高，团聚程度降低［8］，扩散速率越高。在相对低压区（小于15MPa），Al颗粒燃烧距离燃烧表面距离相近，参与反应的温度相对较低，5μm 的Al粉熔融团聚程度较14μm Al粉的小，燃烧效率相对较高，向燃烧表层的热量反馈能够维持较高的燃速，纳米Al粉由于熔融吸热效应明显强于微米级Al粉，反馈热量减少，推进剂燃速降低；反之，在大于15MPa的相对高压区，反应区距离燃烧表面相对较远，反应温度较高，微米级Al粉团聚程度相近，燃烧产生的反馈热量相近，燃速相近，而纳米级Al粉在高压下的熔胀团聚程度相对较小，同时参与的反应量较大，燃烧更为充分，反馈热量明显高于微米级Al颗粒，推进剂燃速更高。

3 结 论

（1）AP／CMDB 推进剂的爆热与Al粉含量成正比；Al粉粒径由14μm 减小至5μm 或150nm时，活性降低，推进剂的爆热降低，但降幅较小。

（2）Al粉含量对AP／CMDB 推进剂燃烧性能的影响较小；Al粉粒径由14μm 减小至5μm时，推进剂的表观分解热增加107J／g，7～10MPa下燃速提高，10～22MPa下压强指数由0．56 降低至0．50；当Al粉（质量分数为3%）粒径减小至150nm，表观分解热增加343J／g，18～22MPa下推进剂燃速提高。

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