2,4-二羟基苯甲酸铅铜盐对Al/RDX-CMDB推进剂燃烧性能的影响

袁志锋，赵凤起，焦建设，张教强，杨立波，郑晓东,张 超，谢 波



2,4-二羟基苯甲酸铅铜盐对Al/RDX-CMDB推进剂燃烧性能的影响

袁志锋1，赵凤起1，焦建设2，张教强3，杨立波1，郑晓东1,张 超1，谢 波1

(1 .西安近代化学研究所 燃烧与爆炸技术重点实验室，陕西 西安，710065；2. 炮兵防空兵装备技术研究所，北京，100012；3. 西北工业大学，陕西 西安，710072）

为了研究2,4-二羟基苯甲酸铅铜盐（Pb/Cu-SDHB）单独或与其它催化剂复合后对含Al粉和黑索今（RDX）改性双基（Al/RDX-CMDB）推进剂燃烧性能的影响，采用吸收-压延方法制备了推进剂样品，用靶线法测试了推进剂燃速。结果表明：Pb/Cu-SDHB能有效调节推进剂燃烧性能，显著提高了Al/RDX-CMDB推进剂的燃速，并明显降低了压强指数；3.0% Pb/Cu-SDHB与0.65%炭黑复合后使Al/RDX-CMDB推进剂在10~15MPa的压强指数降低至-0.1，10MPa下燃速超过20mm/s。

固体推进剂；2,4-二羟基苯甲酸铅铜盐(Pb/Cu-SDHB)；燃烧性能；麦撒；平台

含Al粉(质量分数不超过2%)和黑索今（RDX）的CMDB推进剂由于能量高、特征信号低、质量一致性好等总体性能优异而得到了广泛应用，但是由于Al粉和RDX的加入使得推进剂的燃速和压强指数难以调节，限制了Al/RDX-CMDB推进剂的应用。

催化剂是改善、调节固体推进剂燃烧性能以及弹道性能不可缺少的组分之一，CMDB推进剂一般采用无机或有机铅盐，或铜盐、炭黑作为燃烧催化剂[1-6]，双金属盐是一种有价值的催化剂，该化合物同时含有铅和铜两种催化元素，提高了催化效率，减少了催化剂的加入量，从而有利于提高推进剂整体的能量。目前，双金属盐在改性双基推进剂应用未见报道。

本文采用2,4-二羟基苯甲酸铅铜（Pb/Cu- SDHB）作为燃烧催化剂，通过少量单独添加或与其它催化剂复合后，研究其对Al/RDX-CMDB推进剂燃烧性能的影响，以期为此类材料在改性双基推进剂中的应用提供技术支撑。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

硝化棉（NC，含氮量12.0%），工业纯，四川北方硝化棉股份有限公司制备；硝化甘油（NG），西安近代化学研究所制备；黑索今（RDX），工业纯，兰州白银银光化学材料厂；普通Al粉（Al），哈尔滨东轻金属粉业有限责任公司；炭黑(CB)，上海焦化化工发展商社；苯二甲酸铜（φ-Cu），山西博奥化工有限公司；2,4-二羟基苯甲酸铜（β-Cu），山西博奥化工有限公司；镍粉分3种粒度，粒度为1μm（Ni-1），粒度为3μm（Ni-3），粒度为1μm（Ni-5），中国科学院过程工程研究所；2,4-二羟基苯甲酸铅铜(Pb/Cu-SDHB)，西安近代化学研究所研制，分子结构见图1。

图1 Pb/Cu-SDHB分子结构

1.2 配方设计及样品的制备

设计了目前得到广泛应用的含25%(质量分数)RDX/2%(质量分数)Al的改性双基推进剂配方，设计了Pb/Cu-SDHB不同含量，以及和不同种类及含量的铜盐、不同种类及含量的镍粉、不同含量的炭黑复合的配方，贴近于实际应用。推进剂的配方见表1。

样品制备：固体推进剂样品采用吸收-离心驱水-光辊压延-切成药条的工艺制备。

1.3 仪器及试验条件

采用GJB 770B-2005方法706.1“燃速 靶线法”测试样品燃速。将已处理的φ5mm×160mm的药柱包覆后，在氮气气氛中测量燃速；再根据Vieille燃速与压强关系式=ap，计算压强指数，式中为燃速，为压强，a为常数。

表1 推进剂配方

Tab.1 The formulation of propellants

2 结果与讨论

2.1 Pb/Cu-SDHB含量对Al/RDX-CMDB推进剂燃烧性能的影响

Al/RDX-CMDB推进剂能量比双基推进剂高，质量一致性好，在战术导弹发动机装药上得到了广泛应用，因此研究了Pb/Cu-SDHB含量对Al/RDX-CMDB推进剂燃烧性能的影响，结果见表2。

表2 Pb/Cu-SDHB含量对Al/RDX-CMDB推进剂燃烧性能的影响

Tab.2 Effects of Pb/Cu-SDHB content on combustion property of Al/RDX-CMDB propellant

从表2可以看出，在没有Pb-Cu-C三组元催化剂的空白配方中加入1.0%的Pb/Cu-SDHB，推进剂在10～15MPa的压强指数以较大幅度下降，同时燃速有所增加。随着Pb/Cu-SDHB含量的增大（从0%增加至3.0%），推进剂压强指数大幅度下降，推进剂的燃速小幅度增加，尤其是低压下的燃速增加得多，高压下的燃速增加少，因此推进剂的燃速压强指数下降；说明随着Pb/Cu-SDHB含量的增加，其催化作用逐渐得到体现；但当含量增加至4.0%时，推进剂的燃速进一步增加，但压强指数也大幅度增加，主要原因是高压区比低压区的燃速增加迅速。

以上结果初步说明Pb/Cu-SDHB是一种有效的催化剂，能大幅度提高中压下的燃速，从而降低压强指数；但达到一定含量后推进剂高压区的燃速提高迅速，因此带来了压强指数的增大。

2.2 Pb/Cu-SDHB与不同含量CB复合对Al/RDX-CMDB推进剂燃烧性能的影响

CB是推进剂配方中常用的催化剂，有提高燃速、调节压强指数的作用，因此探索了Pb/Cu-SDHB与不同含量CB复合对Al/RDX-CMDB推进剂燃烧性能的影响，结果见表3。

表3 Pb/Cu-SDHB与不同含量CB复合对Al/RDX-CMDB推进剂燃烧性能的影响

Tab.3 Effect of Pb/Cu-SDHB composite with carbon on combustion property of Al/RDX-CMDB propellant

从表3可以看出，在含有3.0%Pb/Cu-SDHB的推进剂配方中加入0.5%CB，推进剂的压强指数小幅度降低，燃速有所提高。随着CB含量的增加，推进剂的燃速显著提高，压强指数先降低然后增大，但即使CB含量达到0.8%时推进剂依然能产生麦撒效应，达到0.95%时推进剂压强指数虽然有所增加，但依然能产生平台燃烧。说明随着CB的增加，其与Pb/Cu- SDHB组成的复合催化体系作用越来越明显，推进剂的燃速越来越高，10MPa燃速最多增加12.42mm/s；压强指数先大幅下降至-0.10，然后缓慢增加，但最高不超过0.11。

产生上述效果的原因可能是由于CB的加入，在推进剂燃烧表面形成了更多的碳骨架，使催化剂在燃烧表面上停留时间更长，产生的催化效果更好，因此提高了燃烧，降低了压强指数。

2.3 Pb/Cu-SDHB和不同含量的β-Cu复合对Al/RDX -CMDB推进剂燃烧性能的影响

β-Cu是推进剂配方中常用的催化剂，能提高推进剂的燃速，因而初步研究了Pb/Cu-SDHB和不同含量的β-Cu复合对Al/RDX -CMDB燃烧性能的影响，结果见表4。

表4 Pb/Cu-SDHB和不同含量的β-Cu复合对Al/RDX-CMDB推进剂燃烧性能的影响

Tab.4 Effect of Pb/Cu-SDHB composite with β-Cu on combustion property of Al/RDX-CMDB propellant

从表4可以看出，在含有3.0%Pb/Cu-SDHB的推进剂配方中加入0.4%β-Cu，压强指数大幅度降低；燃速在10～12MPa提高较多，在12～15MPa提高较少。随着β-Cu含量的增大，推进剂的燃速以较大幅度提高；压强指数先降低，出现麦撒燃烧，然后有所增加，但最大只增加至0。

由以上可以看出，加入β-Cu能大幅度降低推进剂的压强指数（最多降低0.37），在加入量0.4%～1.2%的范围内，推进剂的压强指数范围为0.06～-0.12； 加入β-Cu能大幅度提高推进剂燃速，10MPa下燃速最多提高7.22mm/s。产生这些效果的原因可能是由于β-Cu的加入，推进剂燃烧表面的催化中心变得更多、更为细密，因此燃烧性能得到了较大幅度的提升。

2.4 Pb/Cu-SDHB和不同含量φ-Cu复合对Al/RDX -CMDB推进剂燃烧性能的影响

φ-Cu是推进剂配方中常用的催化剂，具有调节推进剂压强指数的作用，因此探索了Pb/Cu-SDHB和不同含量φ-Cu对Al/RDX-CMDB推进剂燃烧性能的影响，结果见表5。

表5 Pb/Cu-SDHB和不同含量φ-Cu复合对Al/RDX-CMDB推进剂燃烧性能的影响

Tab.5 Effect of Pb/Cu-SDHB composite with φ-Cu on combustion property of Al/RDX-CMDB propellant

从表5可以看出，在含有3.0%Pb/Cu-SDHB的推进剂配方中加入0.4%φ-Cu，压强指数以较大幅度增加；燃速有所下降。随着φ-Cu含量的增大，推进剂的燃速呈下降趋势，压强指数呈增大趋势，且幅度相当大（当φ-Cu含量为1.2%时，压强指数增大为0.80）。

可以看出，φ-Cu在本配方体系里是负催化剂，降低推进剂燃速，提高压强指数，且加入量越大，影响越严重。

2.5 Pb/Cu-SDHB和不同粒度、含量的镍粉复合对Al/ RDX-CMDB推进剂燃烧性能的影响

镍粉是推进剂配方中常用的催化剂，具有调节推进剂燃速和压强指数的作用，Pb/Cu-SDHB与镍粉复合形成催化体系可能对燃烧性能起到较好的调节作用，因此初步研究了Pb/Cu-SDHB和不同粒度、含量镍粉对Al/RDX-CMDB燃烧性能的影响，结果见表6。

表6 Pb/Cu-SDHB和不同粒度、含量镍粉对Al/RDX-CMDB推进剂燃烧性能的影响

Tab.6 Effects of Pb/Cu-SDHB composite with different granularity and content of Ni on combustion property of Al/RDX- CMDB propellant

从表6可以看出，在含有0.5%Ni-1的推进剂配方中加入1.0%Ni-1，推进剂的压强指数大幅度增加，燃速有所下降。随着增加的镍粉粒度由1μm分别替换为3μm或5μm，推进剂的燃速在10～15MPa先减小然后增加，压强指数以较大幅度下降。当在已经加入0.5%Ni-1的推进剂中加入1.0%的1μm、3μm或5μm的镍粉，推进剂的燃速都会下降；压强指数在加入1.0%的1μm、3μm镍粉的情况下大幅度提高，在含量加入1.0%的Ni-5时有所降低。由以上可知，在已经含有0.5% 1μm镍粉的推进剂中再加入粒径为1～5μm的镍粉对推进剂燃烧性能的改善基本不起作用，甚至有变差的可能性。

3 结论

（1）Pb/Cu-SDHB是一种有效的燃烧催化剂，作为唯一的催化剂，加入较少含量（3.0%质量分数）可以大幅度降低Al/RDX-CMDB推进剂的压强指数(小于0.3)，同时提高推进剂的燃速。

（2）Pb/Cu-SDHB质量分数为3.0%时，通过与一定含量炭黑复合，可使Al/RDX-CMDB推进剂的压强指数继续降低，达到-0.10（10～15MPa）；燃速进一步提高，10MPa下超过25mm/s。

（3）在含有Pb/Cu-SDHB的Al/RDX-CMDB推进剂中加入β-Cu能降低推进剂的压强指数，当β-Cu含量为0.8%（质量分数）时，推进剂的压强指数由0.25降低至-0.12；燃速以相当幅度增加，尤其当β-Cu含量达到1.2%（质量分数）时燃速增加7.22mm/s (10 MPa)。但加入φ-Cu反而会显著增大推进剂的压强指数，燃速小幅度下降。

（4）在含有Pb/Cu-SDHB、0.5%1μm镍粉的Al/ RDX-CMDB推进剂中，加入粒度为1μm、3μm的镍粉时，推进剂的压强指数增加，加入5μm的镍粉时推进剂的压强指数略微增加，但燃速变化不明显。

[1] 赵凤起,李上文.RDX-CMDB推进剂中组合催化剂的研究[J].推进技术,1992,13(2):57-64.

[2] 李上文,孟燮铨,张蕊娥,等.螺压硝胺无烟改性双基推进剂燃烧性能调节和控制规律[J].推进技术,1995,16(3): 63-69.

[3] 李上文,赵凤起,刘所恩,等.惰性与含能催化剂对Al-RDX- CMDB推进剂燃烧性能的影响[J].含能材料,1976(2):49-54.

[4] 刘所恩,杜宝生,张建,等.新型含能催化剂在低特征信号推进剂中的应用研究[J].含能材料,2001,9(3):130-132.

[5] Klapotke,Thomas M ,Rinacker,Claudia M.Drop hammer test investigation on some inorganic and organic azides[J]. Propellants Explosive Pyrotechnics,2001,26(1):43-47.

[6] ZHAO Feng-qi,LI Shang-wen, SHAN Wen-gang,et al. Effects on carbon substances on combustion properties, of Catalyzed RDX-CMDB propellants[C]//Solid Propellant Chemistry, Combustion, and Motor Interior Ballistics, 2000.

Effect of 2,4-Dihydroxybenzoate Lead/Cupric on Combustion Properties of Al/RDX-CMDB Propellants

YUAN Zhi-feng1, ZHAO Feng-qi1,JIAO Jian-she2, ZHANG Jiao-qiang3,YANG Li-bo1, ZHENG Xiao-dong1, ZHANG Chao1,XIE Bo1

(1. Xi’an Modern Chemistry Research Institute, Xi’an, 710065；2.Equipment and Technologies Research Institute of FA and ADA, Beijing,100012；3. Northwestern Polytechnical University, Xi’an ,710072)

In order to investigate the effects of lead/cupric salt of 2,4-dihydroxybenzoate（Pb/Cu-SDHB）itself, or composite with other catalysts on the combustion properties of Al/RDX-CMDB propellant, the propellant samples were prepared through a solventless extrusion technique, as well as the burning rate of propellants were measured by stand burner method .The results showed that Pb/Cu-SDHB could increase the burning rate and reduce the pressure exponent of Al/RDX-CMDB propellant notably. When 3.0% Pb/Cu-SDHB composited with 0.65% carbon, the pressure exponent of Al/RDX-CMDB propellant reduced to -0.1 under 10~15MPa, and the burning rate at 10MPa would exceed 20mm/s.

Solid propellant；2,4-dihydroxybenzoate lead/cupric（Pb/Cu-SDHB）；Combustion property；Mesa；Plateau

TQ560.71

A

1003-1480（2014）04-0020-04

2014-05-20

袁志锋（1980-），男，硕士研究生，从事固体推进剂配方与工艺研究。

国家自然科学基金（21173163）；燃烧与爆炸技术重点实验室基金（9140C350341006）。