刘 佳，程 山，孙丽娜，王晓倩，甘 露

(湖北三江航天江河化工科技有限公司，湖北 宜昌 444200)

0 引 言

高能、高燃速一直是推进剂发展中的主要要求，而未来的武器系统不仅要求固体推进剂具有高的能量，节能增效，降低成本也是其发展方向之一[1].目前，推进剂配方体系中较为成熟的是丁羟推进剂体系.端羟基聚丁二烯价格低廉，且其特有的分子结构及性能使制得的推进剂具有优异的力学性能，但其属于惰性粘结剂且生成焓较低，与大多数含能增塑剂相容性差，搭配使用惰性增塑剂会导致推进剂能量性能降低.提高丁羟推进剂能量性能主要有以下几个途径[2-6]：① 增加固含量；② 改用高能量密度固体填料；③ 合成与丁羟胶相容性较好的含能增塑剂，或对丁羟胶改性使其与现有含能增塑剂相容，即使用含能粘结体系.

目前大部分新开发的高能量密度材料工程化应用受限，若丁羟推进剂仅靠增加固含量提高比冲和燃速，易导致工艺性能恶化[7].国内外研究学者将目光集中于含能粘合剂或增塑剂的开发与应用[8-11]，使粘结体系具有一定能量.按使用的粘合剂特性可分为两大类，非含能粘结剂/含能增塑剂体系和含能粘结剂/含能增塑剂体系，这种体系提高了推进剂的能量但极大增加了制药原材料成本.

因此可将价格低廉的端羟基聚丁二烯改性，制备新型粘结剂，使其与含能增塑剂具有良好的相容性，获得新型含能粘结体系推进剂，可增加中高能推进剂品种，有望降低含能粘结体系推进剂成本.

1 试验部分

1.1 主要设备与原材料

主要设备：立式混合机；燃速仪；万能试验机.

主要原材料：新型粘合剂(GD)，奥克托金(HMX)，含能增塑剂(ZSB)，高氯酸按(AP)，其他功能助剂.

1.2 实验方法

推进剂样品制备：采用配浆浇注工艺，在5 L立式混合机捏合1 h左右，70 ℃固化3 d，退模.

能量性能测试：使用Ф165标准试验发动机，采用GJB 770B发动机静止试验法测试.

燃烧性能测试：固体推进剂药条测定采用水下声发射法，按照GJB 770B进行.

力学性能测试：将样品制成哑铃状，使用万能试验机进行推进剂常高低力学性能测试，按照 GJB 770B 进行.

2 结果与讨论

2.1 能量特性研究

采用最小自由能法对新型粘结剂配方(1#～18#)能量特性进行理论计算，并与聚醚体系推进剂配方(19#)进行对比，结果见表 1.其中RDX表示黑索金，Isp为推进剂能量，OB为推进剂氧平衡.

表 1 能量性能理论计算结果

采用Ф165发动机对7#配方及19#配方能量进行实测，结果见表 2.

表 2 Ф165能量测试结果

由图 1～4 可见，随增塑剂含量增加，推进剂比冲及密度均呈现增加趋势，但上升趋势逐渐降低，由于含能增塑剂的密度及氧平衡均高于粘合剂，因此其含量增加对推进剂各能量性能参数均产生积极影响；随固含量增加，推进剂比冲呈现下降趋势，密度呈上升趋势，固含量为80%左右时，推进剂比冲及密度出现交汇，密度比冲达到最大值；随着铝粉含量增加，推进剂比冲呈现先增加后降低的趋势，当铝粉含量为18%～22%时，比冲达到最大值，推进剂密度呈现上升趋势，同时铝粉含量增加，推进剂残渣较多，应适量控制铝粉含量；随着RDX含量增加，推进剂能量呈现先增加后降低的趋势，RDX含量在20%～30%时，推进剂比冲达到最大值，密度呈现下降趋势.当配方固含量为83%时，实测能量与聚醚体系推进剂能量相当，但能量效率低于聚醚体系.

图 1 能量示性数与增塑比关系图Fig.1 The relationship between the energy signature and the plasticization ratio

图 2 能量示性数与固含量关系图Fig.2 The relationship between the energy signature and the solid content

图 3 能量示性数与Al含量关系图Fig.3 The relationship between the energy signature and the Al content

图 4 能量示性数与RDX含量关系图Fig.4 The relationship between the energy signature and the Al content

2.2 力学性能研究

经筛选预聚物分子结构及分子量、固化剂种类、键合剂种类及用量等调节配方力学性能，结果如表 3 所示.其中σm为推进剂抗伸强度，εm为推进剂最大延伸率.

表 3 推进剂力学性能结果

由表 3 可以看出：推进剂配方力学强度达到0.8 MPa左右时，常温延伸率达50.8%；高温强度达0.47 MPa，延伸率为50%左右；低温延伸率达40%左右，满足真空贴壁式浇注工艺.

推进剂使用粘合剂体系虽为改性丁羟粘合剂，但分子中增加硬段成分(酯基基团)，具有较强极性，使得粘合剂链段柔顺性变差，制得的推进剂延伸率较丁羟体系差.使用传统键合剂难以提高推进剂的力学性能，配方体系中键合剂选用两种硼胺类键合剂复配，硝铵炸药中氮原子与键合剂中硼原子形成σ共价键，同时键合剂中氨基、羟基等活性基团参与粘合剂基体发生固化反应，进入交联网络，防止固体填料与粘合剂发生“脱湿”现象，从而提高了推进剂强度并对延伸率具有增强作用.预聚物结构及分子量主要对交联网络及交联密度产生影响，交联密度越大，推进剂抗拉强度越高，但延伸率相对较低.由于改性丁羟胶含有硬段及软段组分，硬段组分对推进剂强度具有增强作用，但硬段含量较高，不利于推进剂延伸率的提高，而硬段含量过低，预聚物与含能增塑剂的相容性较差，因此应综合考虑两种因素，选用合适的预聚物作粘合剂.固化剂种类对推进剂力学性能影响较为显著，多官能度固化剂主要对推进剂强度具有一定增强作用，但推进剂延伸率较差，使用二官能度固化剂对提高推进剂延伸率具有显著积极作用.

2.3 燃烧性能研究

对83%固含量推进剂进行燃烧性能研究，采用水下声发射法测试其基础燃速、压强指数(nP)及温度敏感系数(aT)，结果见表 4.

表 4 燃烧性能结果

由表 4 可知：推进剂配方在6.86 MPa下基础燃速、压强指数均略高于相同配比、相同压力范围内的丁羟推进剂.由于使用含能增塑剂，燃烧表面区与加热区厚度变薄，表面反应区放热量增加，对燃烧面热反馈较多，使燃烧剧烈，基础燃速提高.同时配方为四组元推进剂，硝铵炸药的反应在火焰区进行，压力提高，暗区和燃烧表面熔化层变薄，气相燃烧表面能量传递提高，从而提高了燃烧表面热量.新型粘结体系推进剂使用含能增塑剂，其产生热能较惰性增塑剂高，燃烧表面温度和凝聚相梯度增加，高压下，燃烧传递到表面热量更多，利于燃速增加.

3 结 论

1) 改性丁羟新型粘合剂引入推进剂配方中，增加了中高能推进剂品种，Ф165发动机实测能量与聚醚体系推进剂能量基本相当，能量有进一步提升空间；

2) 推进剂常温强度在0.8 MPa时，常、高、低温延伸率均大于40%，基本满足真空贴壁式浇注工艺；

3) 推进剂在6.86 MPa下基础燃速为7.93 mm/s，在5～11 MPa下，压强指数为0.421.