含CL-20的NEPE固体推进剂能量特性及低特征信号的研究

在NEPE推进剂基础配方中添加高能氧化剂六硝基六氮杂异伍兹烷（CL－20），同时降低铝和高氯酸铵（AP）含量，以降低特征信号，大幅度提高推进剂的能量特性。对具体配方的能量水平进行了计算，研究AP、铝粉和催化剂含量对含CL－20的NEPE推进剂能量特性的影响。通过对比分析发现，随着AP、铝粉含量的降低和CL－20的增加，推进剂的比冲增加，体系的特征信号降低。     

含CL-20改性双基推进剂的能量计算与分析

借助REAL软件,采用最小自由能法计算了含不同量六硝基六氮杂异伍兹烷(CL-20)、黑索今(RDX)、Al的改性双基推进剂的能量特性。研究了CL-20、RDX、Al含量变化对该推进剂能量特性的影响。结果表明:随着CL-20含量的提高,该推进剂的理论比冲、燃烧温度、氧平衡和燃气平均分子量大幅度增加;在含CL-20改性双基推进剂中加入Al粉可进一步提高推进剂的能量,但Al粉含量应使体系氧平衡系数大于0.53,否则将降低能量。     

TKX-50/CL-20复配在固体推进剂中应用效能的预估

为实现含能材料1,1'二羟基-5,5联四唑二羟胺盐(TKX-50,又名HATO)在固体推进剂领域的高效应用,运用最小自由能法计算了含TKX-50、CL-20、TKX-50/CL-20的聚叠氨缩水甘油醚(GAP)基固体推进剂能量性能,分析了TKX-50和CL-20复配应用的可行性,预估了TKX-50/CL-20复配推进剂应用效能.结果表明,TKX-50含量增加时,燃烧室中推进剂平均温度(Tc)和燃气平均相对分子质量(Mˉg)同时下降,理论比冲呈先升后降的变化规律;TKX-50与CL-20相容等级为B,TKX-50/CL-20复配推进剂热稳定性和安全性能良好;TKX-50/CL-20复配推进剂可大幅拓宽配方各组分含量选择范围,理论比冲大于272 s的推进剂中CL-20含量下限仅为纯CL-20推进剂的40％;相同能量水平下,TKX-50/CL-20复配推进剂表现出低成本和低特征信号的特点,具备工程推广应用的潜力.     

BAMO/AMMO共聚物基高能固体推进剂能量特性计算和分析

用"能量计算之星"程序(ECS)计算了以3,3-二叠氮甲基氧杂环丁烷(BAMO)与3-甲基-3-叠氮甲氧基氧杂环丁烷(AMMO)的嵌段共聚物(BAMO/AMMO)为黏合剂的高能固体推进剂的能量特性。研究了添加不同增塑剂(1,5-二叠氮-3-硝基氮杂戊烷(DIANP)、聚叠氮缩水甘油醚(GAP)、N-丁基-2-硝酸酯乙基硝胺(BuN ENA))、氧化剂(高氯酸铵(AP)、六硝基六氮杂异伍兹烷(CL-20)及呋咱类化合物(3,4-二硝基呋咱基氧化呋咱(DNTF)、二硝基偶氮氧化二呋咱(DNAF)、二叠氮基偶氮氧化呋咱(DAAOF))和高能燃料(铝粉(Al)、三氢化铝(AlH 3))对推进剂能量特性参数(比冲(ISP)、燃温(Tc)、氧系数(φ),等)的影响规律。结果表明:Bu NENA增塑的推进剂比冲高于DIANP或GAP增塑的BAM O/AM M O基推进剂。Bu NENA增塑的推进剂中,随着C L-20逐步替代AP,推进剂的Tc呈现先增后减的趋势。当CL-20含量大于55%时,推进剂比冲基本保持不变,趋于最大值。当C L-20完全替代AP,比冲下降。以D N AF代替C L-20可使推进剂比冲由2723.71 N·s·kg-1提高至2798.00 N·s·kg-1。以AlH 3替代Al与CL-20,同时提高体系φ时,推进剂能量得到大幅提高。     

端羟基聚叠氮缩水甘油醚与六硝基六氮杂异伍兹烷基四元混合炸药能量释放研究

为研究六硝基六氮杂异伍兹烷(CL-20)的能量潜力,结合含能粘合剂端羟基聚叠氮缩水甘油醚(GAP),计算了GAP、CL-20、氧化剂、可燃剂四元混合炸药的爆炸能量。计算结果表明,使用高氯酸锂作氧化剂可显著提高体系的能量密度,但将其在浇注混合炸药中得到应用需要进一步改性研究。制备了GAP、CL-20、高氯酸铵、铝粉四元混合炸药样品,利用水下爆炸测试方法,测试并估算了其水下爆炸能量。试验结果表明：在该四元体系中,CL-20含量为15%~20%时,体系能量密度可得到最大值;在CL-20含量为20%条件下,铝氧比为0.50时冲击波能可取得最大值,铝氧比为0.51~0.71时CL-20混合炸药能量密度可达到最大,通过水下爆炸试验数据估算其能量密度可达到2.88倍TNT当量。     

高固体含量丁羟推进剂性能研究

为进一步提高HTPB推进剂的能量水平,从理论和实验两个方面研究了固体组分含量对HTPB推进剂的能量性能、燃烧性能和力学性能的影响。结果表明,随固体含量的增加,推进剂理论比冲增加,当固体含量为90%(高氯酸铵37%、黑索今36.6%、铝粉17.4%)时,其理论比冲可达270.62s;高氯酸铵43%、黑索今30%、铝粉17%时,燃速压力指数约为0.34,-40℃时的最大延伸率为48%。当固体含量为88%(高氯酸铵48%、黑索今23%、铝粉17%)时,调节HTPB推进剂配方填料粒度及级配,燃速可从7.0MPa下的7.0mm·s-1提高至10.9mm·s-1,燃速压力指数相当(约为0.4),20℃时的最大延伸率可达74%。     

BAMO-THF复合推进剂能量特性计算与分析

利用最小自由能法研究了以3,3-二叠氮甲基氧丁环(BAMO)与四氢呋喃(THF)共聚醚(PBT)为粘结剂,高氯酸铵(AP)、黑索今(RDX)、铝粉(Al)、二硝酰胺铵(ADN)为固体填料,不同增塑剂条件下推进剂比冲变化规律.理论计算表明: 以2,2-二硝基丙醇缩甲醛与2,2-二硝基丙醇缩乙醛等质量比混合物(A3)、硝化甘油与二乙二醇二硝酸酯等质量比混合物(NG/DEGDN)作增塑剂时,推进剂比冲随RDX含量变化呈抛物线形,固体填料存在最佳添加比; NG/DEGDN增塑体系推进剂比冲高于A3体系.15% ADN取代AP时,由于燃烧产物平均相对分子质量降低,推进剂比冲显著提高.     

基于Pickering乳液构建球扁形核壳CL-20/TNT共晶@Al复合物

六硝基六氮杂异伍兹烷（CL-20）和纳米Al粉可以提升推进剂或炸药配方的能量,但是纯CL-20或其与一定量Al粉的复合物均具有较高的感度,因此获得低感度的CL-20与Al粉均匀复合物有着重要的意义。以全氟羧酸修饰的纳米Al粉为表面活性剂,CL-20和TNT的乙酸乙酯溶液为油相制备Pickering乳液,研究了纳米Al粉用量和静置时间对乳液稳定性的影响规律,成功制备出球扁形核壳CL-20/TNT共晶@Al复合物,对其形貌、晶型、热分解和安全等性能进行了表征。结果表明,Al粉含量为1%、10%和20%时可以获得稳定的乳液;静置时间少于100 min时,可以获得稳定的乳液;X射线粉末衍射（XRD）结果表明,两种炸药形成了CL-20/TNT共晶;扫描电镜（SEM）结果显示,所形成的球扁形共晶尺寸约为20~40 μm,纳米Al粉均匀包覆在共晶表面;复合物的特性落高H₅₀为35 cm,摩擦感度爆炸概率为30%,安全性能高于纯CL-20。采用的制备方法中未添加非含能组份,理论上没有降低CL-20/TNT共晶@Al复合物的能量,有望为含CL-20、Al的高能推进剂和炸药的设计和制备提供新思路。     

P(BAMO/AMMO)基含能热塑性聚氨酯弹性体的性能研究

分别采用基团加和法和燃烧热法得到含不同聚(3,3'-双(叠氮甲基)氧杂环丁烷)(PBAMO)和氨基甲酸酯硬段含量P(BAMO/AMMO)基含能热塑性聚氨酯弹性体(ETPE)的生成热。研究了PBAMO、氨基甲酸酯硬段的含量对ETPE生成热的影响。采用最小自由能法优选出一组P(BAMO/AMMO)ETPE基推进剂配方。计算了理论比冲。测试了P(BAMO/AMMO)ETPE基推进剂的静态拉伸强度、断裂延伸率、摩擦感度、撞击感度和燃速压力指数。结果表明,随着PBAMO质量的增加、氨基甲酸酯硬段含量的降低,P(BAMO/AMMO)ETPE的生成热增加。优选的15/5/20/38.5/18/3.5-P(BAMO/AMMO)/Bu-NENA/RDX/AP/Al/催化剂推进剂的理论比冲为2699.51 N·s·kg-1(燃烧室压强为10 MPa)。此推进剂的静态拉伸强度为1.22 MPa,断裂延伸率为11.37%。包覆固体填料可显著降低推进剂预混物料的机械感度,使特性落高H50增加37 cm,摩擦感度下降36%,6~15 MPa压力范围内的燃速压力指数n=0.37。     

含CL-20的NEPE推进剂的燃烧性能

以CL-20、AP、Al粉和燃烧催化剂逐项添加的方式设计了递进配方[NB(PEG/NG/N-100/C2),NB/CL-20,NB/CL-20/AP,NB/CL-20/AP/Al,NB/CL-20/AP/Al/Ct],研究了含CL-20的NEPE推进剂的燃速特性及CL-20、AP、Al粉和燃烧催化剂对推进剂燃烧性能的影响,并与含RDX的NEPE推进剂的燃烧性能进行了比较。实验结果表明:CL-20取代RDX-NEPE推进剂中的RDX可使推进剂燃速大幅提高,但含CL-20的NEPE推进剂的压力指数高于含RDX的NEPE推进剂,且难以降低;AP质量百分含量为70%的NEPE推进剂NAP的燃速在4～10MPa范围内呈现一平台。将AP加入到含RDX的NEPE推进剂中和含CL-20的NEPE推进剂中能改善推进剂的氧系数,提高燃速,降低压力指数;高燃烧热的Al粉部分取代CL-20,在提高含CL-20的NEPE推进剂的燃速上,具有与CL-20相同的效果;催化剂PbCO3与Pb(NTO)2.H2O降低了含CL-20的NEPE推进剂的压力指数。     

含六硝基六氮杂异伍尔兹烷的NEPE固体推进剂能量水平分析

利用怀特最小自由能法和CAD软件对纯NEPE/CL-20与NEPE/HMX进行对比,其能量特性计算结果表明,当体系固含量为73%～80%时,含CL-20和HMX粘合剂体系比冲分别为2 561.1N·s/kg、2 462.1N·s/kg,前者比后者提高了近4%,而体系密度比冲的增幅相差更大,前者比后者提高7%以上,这对提高战术导弹射程有利.而从燃烧产物对比分析来看,CL-20在固体推进剂尤其是在高能低特征信号推进剂中很有应用价值.     

BAMO·THF复合推进剂能量特性计算与分析

利用最小自由能法研究了以3，3-二叠氮甲基氧丁环（BAMO）与四氢呋喃（THF）共聚醚（PBT）为粘结剂，高氯酸铵（AP）、黑索今（RDX）、铝粉（Al）、二硝酰胺铵（ADN）为固体填料，不同增塑剂条件下推进剂比冲变化规律。理论计算表明：以2，2-二硝基丙醇缩甲醛与2，2-二硝基丙醇缩乙醛等质量比混合物（A3）、硝化甘油与二乙二醇二硝酸酯等质量比混合物（NG／DEGDN）作增塑剂时，推进剂比冲随RDX含量变化呈抛物线形，固体填料存在最佳添加比；NG／DEGDN增塑体系推进剂比冲高于A3体系。15％ADN取代AP时，由于燃烧产物平均相对分子质量降低，推进剂比冲显著提高。     

铝粉含量对GAP钝感推进剂性能的影响

以铝粉含量为5％、10％、15％和18％的缩水甘油叠氮聚醚(GAP)推进剂配方为研究对象,采用力学拉伸试验机、动态热机械分析仪(DMA)和模拟计算软件等,分析了铝粉含量对推进剂力学性能、界面性能、燃烧性能、安全性能、能量性能和密度等的影响.结果表明,以30μm铝粉代替320μm AP,随铝粉含量的提高,推进剂的最大抗拉强度和最大伸长率逐渐增大,界面性能得到进一步改善;推进剂在3～9 MPa下的静态燃速并未发生明显变化但压强指数由0.43降低至0.40.配方中铝粉含量为5％和18％的推进剂危险等级均达1.3级,其中铝粉含量为18％的推进剂配方的撞击和摩擦感度分别为0％和44％,低于铝粉含量为5％的配方(分别为4％和48％);软件模拟计算表明,铝粉加入量的提高使推进剂的能量和密度均呈上升趋势,但推进剂的标准比冲提升趋势趋于平缓.     

微流控组装nAl@PVDF@CL-20复合含能微颗粒的制备与表征

含六硝基六氮杂异伍兹烷（CL-20）和铝粉的炸药及推进剂表现出优良的能量性能，Al/CL-20基含能材料已成为研究的热点。以聚偏二氟乙烯（PVDF）作为黏结剂，以纳米铝粉和六硝基六氮杂异伍兹烷（CL-20）为原料，采用微流控技术制备了nAl@PVDF和nAl@PVDF@CL-20复合微颗粒。采用扫描电子显微镜（SEM）和激光粒度分析仪对两种复合微颗粒进行形貌和粒径分析，并用扫描电镜观察复合微颗粒的剖面表征其内部结构，采用傅里叶红外光谱仪（FTIR）进行结构分析，采用热重-差示扫描量热仪（TG-DSC）进行热分析。结果表明，制备的两种复合微颗粒球形度高，分散性好，粒度分布均匀，粒径为10~20 μm；复合微颗粒内部各组分分布均匀，各组分之间是物理复合，不存在化学键。热分析结果表明，nAl@PVDF和nAl@PVDF@CL-20复合微颗粒中PVDF和nAl表面的氧化层之间均发生了预点火反应，预点火反应放出的热量能够促进PVDF的分解；与nAl和PVDF复合能够促进CL-20的分解反应；与机械混合的nAl/PVDF/CL-20材料相比，微流控技术制备的nAl@PVDF@CL-20复合微颗粒各组分分布更加均匀。     

超细CL-20/HMX共晶的制备、表征及其与推进剂组分的相容性

通过加入微量溶剂,采用超高效混合技术,在70 g的加速度条件下反应30 min制备得到摩尔比为2∶1的超细六硝基六氮杂异伍兹烷与奥克托今(CL-20/HMX)共晶,通过X射线粉末衍射、差示扫描量热法鉴定了CL-20/HMX共晶的形成,并对其形貌、粒度、感度等进行了表征测试。结果表明:制备的超细CL-20/HMX共晶纯度为92.6%,共晶炸药呈规则块状、表面光滑、粒径小于1μm、粒度分布均匀,其X射线衍射图在11.558°,13.264°,18.601°,24.474°,33.785°,36.269°处出现新的较强的衍射峰。超细CL-20/HMX共晶放热分解过程中只有一个放热分解峰,其放热峰温为248.3℃,其分解放热量(2192.1 J·g^-1),显著高于相同摩尔比的物理混合物(1327.3 J·g^-1)。按照GJB772A-1997《炸药试验方法》测得的摩擦感度比原料CL-20降低了16%,特性落高比原料CL-20提高28.6 cm,比原料HMX提高11.5 cm,形成共晶后安全性能更高。采用DSC法研究了超细CL-20/HMX共晶与推进剂常用组分均聚叠氮缩水甘油醚(HGAP)、硝化甘油/1,2,4-丁三醇三硝酸酯混合物(NG/BTTN)、缩二脲三异氰酸酯(N-100)、高氯酸铵(AP)、铝粉(Al)的相容性,发现超细CL-20/HMX共晶与NG/BTTN、AP、Al的相容性较好,与HGAP、N-100不相容。     

含CL-20的改性双基推进剂燃速数值模拟

借助六硝基六氮杂异伍兹烷（CL-20）的热分解特性，确定了CL-20的化学结构参数；通过分析含CL-20的改性双基（CL-20-CMDB）推进剂的燃烧特性，改进了一维气相反应流燃速模型，进而模拟了CL一20-CMDB推进剂的燃速。数值模拟结果显示，理论计算结果与实测值吻合的很好；随CL-20含量增加，可提高非催化CL-20一CMDB推进剂的燃速，但效果并不显著。     

新一代高能固体推进剂的能量特性计算研究

在分析硝酸酯乙基硝胺(NENA)、六硝基六氮杂异伍兹烷(CL-20)、呋咱类化合物、唑类富氮化合物、贮氢合金五种含能材料的特点和性能的基础上,用电算法对由常规(或含能)黏合剂/含能增塑剂/高能氧化剂/金属燃烧剂组合的一系列配方的能量特性进行了计算,探索了新型高能固体推进剂的途径和思路,并就这些途径给推进剂能量性能带来的影响进行了讨论,提供了新型高能推进剂的八条技术途径.     

含DNTN的CMDB推进剂的能量特性的计算及其组分的相容性

根据最小自由能法,采用NASA-CEA软件,计算了含2,3-二羟甲基-2,3-二硝基~(-1),4-丁二醇四硝酸酯(DNTN)的复合改性双基(CMDB)推进剂能量特性。采用差示扫描量热法研究了DNTN和CMDB推进剂组分的相互作用。结果表明,DNTN替代硝化棉(NC)+硝化甘油(NG)/黑索今(RDX)/Al推进剂配方中的RDX,使体系的理论比冲最大,达2666.5 N·s·kg~(-1),特征速度逐渐增大,氧系数逐渐提高。DNTN全部替代NC+NG/高氯酸铵(AP)/Al推进剂配方中的AP,使理论比冲最大,达2669.1 N·s·kg~(-1),燃气平均分子量降低,燃温升高,表明CMDB推进剂体系中的DNTN有良好的应用潜力。DNTN与NC/NG、RDX、奥克托金(HMX)、六硝基六氮杂异戊兹烷(CL-20)、吉纳(DINA)和炭黑(C.B)之间没有明显的相互作用,与邻苯二甲酸铅(φ-Pb)和1,3-二甲基~(-1),3-二苯基脲(C2)之间相互作用明显。     

CL-20基无烟NEPE推进剂的燃烧性能和能量性能研究

研究了CL-20部分代替RDX对不含燃速调节剂的无烟NEPE推进剂燃烧性能和能量性能的影响.结果表明,CL-20的加入明显提高了推进剂的燃速,CL-20含量为30%时,推进剂不同压强下的燃速均提高50%以上;CL-20替代推进剂中的RDX,明显改善了推进剂的能量性能,CL-20含量为30%时,推进剂的定容爆热增大9.2%,实测密度增大3.5%.     

CL-20应用中抑制晶变和降低感度问题的思考

CL-20(六硝基六氮杂异伍玆烷)作为第三代含能材料的典型代表,是当前能量密度最高的单质炸药,可显著提高混合炸药和推进剂的能量。自1987年问世以来,国内外学者倾注了大量精力研究CL-20的晶体特征及应用性能,公布了多个以CL-20为基的混合炸药和推进剂配方,但CL-20自身存在的易晶变、感度高、晶体强度差等固有缺陷,也为解决CL-20应用中的安全性问题带来了挑战。我们围绕CL-20的上述缺陷,针对CL-20混合炸药应用中抑制ε-CL-20晶变、降低感度、增强颗粒力学性能等问题,提出了一些观点和建议。