PNI對RDX／Al-CMDB推進劑燃燒性能的影響

袁志鋒，趙鳳起，楊立波，鄭曉東，張 超，田 軍

（西安近代化學研究所燃燒與爆炸技術重點實驗室，陜西 西安710065）

PNI對RDX／Al-CMDB推進劑燃燒性能的影響

袁志鋒，趙鳳起，楊立波，鄭曉東，張 超，田 軍

（西安近代化學研究所燃燒與爆炸技術重點實驗室，陜西 西安710065）

采用吸收-壓延方法制備了含4-硝基咪唑鉛鹽（PNI）的RDX／Al-CMDB推進劑樣品，用靶線法測試了其燃速，研究了PNI與炭黑組成的二組元催化劑，PNI、炭黑和安定劑組成的三組元催化劑，PNI與不同種類鉛鹽組成的多組元催化劑對RDX／Al-CMDB推進劑燃燒性能的影響。結果表明，PNI是一種有效的含能燃燒催化劑；PNI與炭黑或β鉛鹽的混合物可使推進劑出現平臺或麥撒燃燒；當PNI的質量分數為4.0%時，推進劑的壓強指數降至0.07；1.0%PNI和2.5%β-Pb的混合物使推進劑的壓強指數降至－0.13。含PNI改性雙基推進劑的燃速可調，出現平臺或麥撒區間。

物理化學；PNI；固體推進劑；燃燒性能；壓強指數；麥撒效應；平臺效應

引 言

催化劑是改善、調節固體推進劑燃燒性能以及彈道性能不可缺少的組分，是固體推進劑配方中十分重要的功能材料。改性雙基固體推進劑一般采用無機或有機鉛鹽或銅鹽、炭黑作燃燒催化劑［1-3］，但是它們多為惰性催化劑，對推進劑的能量沒有貢獻。目前，含能催化劑在國內外已得到廣泛應用［4-6］，是固體推進劑燃燒催化劑的一個主要發展方向。

目前，國內外研究的含能催化劑主要是多硝基苯含能催化劑、NTO鹽類、含能金屬絡合物和含疊氮基團的有機酸鹽類等。鄭曉東［7］等合成了2，4-DNI鉛鹽，研究了該材料對雙基和改性雙基推進劑燃燒性能的影響，發現含2，4-DNI鉛鹽改性雙基推進劑的燃燒性能不夠理想。4-硝基咪唑鉛鹽（PNI）是一種新型含能催化劑，其中的硝基可提供能量，因此比惰性催化劑的能量性能好。本實驗研究了PDI對RDX／Al-CMDB推進劑燃燒性能的影響，發現催化燃燒效果十分明顯，使推進劑出現平臺或麥撒效應，以期為推進劑用催化劑的選擇提供參考。

1 實 驗

1.1 材料與儀器

PNI，西安近代化學研究所；RDX，遼寧慶陽特種化工有限公司；Al，中國科學院過程工程研究所；炭黑1，山東省章丘市永振炭黑設備廠，粒徑30～50μm；炭黑2，上海焦化特種炭黑廠，粒徑10～ 15μm；二元β-Pb，山西博奧化工有限公司，鉛含量（質量分數）36%；三元β-Pb，山西博奧化工有限公司，鉛含量（質量分數）57%；二號中定劑（C2），重慶長風化學工業有限公司。

1.2 樣品的制備

RDX／Al-CMDB推進劑配方見表1。樣品采用吸收、離心驅水、光輥壓延、切成藥條工藝制備成Φ5 mm×160 mm的藥條，用聚乙烯醇包覆。

表1 含PNI改性雙基推進劑配方Table 1 Formulations of CMDB propellants containing PNI

1.3 燃速測試

采用靶線法測試樣品的燃速；根據Vieille燃速與壓強關系式r＝apn，計算壓強指數n。

2 結果與討論

2.1 PNI含量對含炭黑1的RDX／Al-CMDB推進劑燃燒性能的影響

研究了PNI含量對含炭黑1的RDX／Al-CMDB推進劑燃燒性能的影響，結果見表2。

從表2可以看出，在5～20 MPa，配方2～4比配方1的壓強指數大幅度降低；燃速在中低壓區大幅度提高，說明PNI能夠大幅提高推進劑的燃速。配方2的壓強指數下降幅度最大，在相同壓強下燃速提高最大；而配方4比配方3的壓強指數增加，相同壓強下的燃速卻降低，這說明隨著PNI含量的增加，推進劑的燃速呈先增加后下降趨勢，壓強指數呈先降低后增大趨勢，因此在該推進劑體系中，PNI含量并不是越大對改善推進劑燃燒性能越有利。

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表2 PNI含量對含炭黑1的RDX／Al-CMDB推進劑燃燒性能的影響Table 2 Effect of PNI content on combustion properties of RDX／Al-CMDB propellants containing carbon black 1

在空白配方中加入PNI后，推進劑的壓強指數明顯減低，燃速尤其是中低壓下的燃速大幅度提高，這也是壓強指數降低的原因；但隨著PNI含量的增加，推進劑出現燃速下降、壓強指數反而升高的現象。這可能是因為當質量分數在一定范圍時，PNI起到催化作用；但隨著含量的增加，PNI與炭黑1組成的二組元催化體系超出了最佳比例范圍，因此推進劑的燃燒性能變差。

2.2 PNI含量對含炭黑2的RDX／Al-CMDB推進劑燃燒性能的影響

研究了PNI含量對含炭黑2的RDX／Al-CMDB推進劑燃燒性能的影響，結果見表3。

表3 PNI含量對含炭黑2的RDX／Al-CMDB改性推進劑燃燒性能的影響Table 3 Effect of PNI content on combustion properties of RDX／Al-CMDB propellants containing carbon black 2

從表3可以看出，10～20 MPa下配方6～9比配方5的壓強指數都有所降低，尤其是當PNI質量分數達到4.0%時，壓強指數降低至0.07；燃速均有所提高，當PNI質量分數達到4.0%時，燃速提高至22.95 mm／s，這說明PNI能夠改善推進劑的燃燒性能。

當PNI的質量分數從1.5%增加到2.0%時，推進劑的燃速增大，壓強指數降低。當PNI的質量分數從2.0%增加到3.0%，推進劑的燃速反而有所降低（除10 MPa外），壓強指數也有所減小。當PNI的質量分數為4.0%時，推進劑的燃速在低壓區得到大幅提高，而高壓區提高幅度較小，因此降低了整個區間的壓強指數，10～20 MPa下推進劑的壓強指數接近于0，取得平臺效應。

出現上述變化的原因可能因為PNI是一種含能鉛鹽，隨著其含量的增加，催化作用逐漸增加，總體上看推進劑的燃速越來越高，壓強指數越來越低。此外，PNI比惰性催化劑的能量性能好，因此在推進劑中引入PNI是調節推進劑能量及燃燒性能有效的途徑。

2.3 PNI與兩種安定劑組成的二組元催化劑對RDX／Al-CMDB推進劑燃燒性能的影響

研究了PNI與二硝基二苯胺、間苯二酚組成的二組元催化劑對推進劑燃燒性能的影響，結果見表4。

表4 PNI與兩種安定劑組成的二組元催化劑對RDX／Al-CMDB推進劑燃燒性能的影響Table 4 Effect of PNI and binary catalyst composed of two kinds of stabilizers on combustion properties of RDX／Al-CMDB propellants

從表4可以看出，隨著二硝基二苯胺含量的增加，8～15 MPa下推進劑的燃速提高約1 mm／s，壓強指數略微下降。隨著間苯二酚含量的增加，推進劑的燃速在8～15 MPa時提高，且隨著壓強的增加，燃速增幅變大，壓強指數也增大。加入相同含量的間苯二酚比二硝基二苯胺在10 MPa下燃速提高約3.5mm／s。可以得出，PNI與不同的安定劑復合也影響推進劑的燃速和壓強指數，但影響的程度不同。

2.4 PNI與不同種類鉛鹽組成的多組元催化劑對RDX／Al-CMDB推進劑燃燒性能的影響

探索了PNI與不同種類鉛鹽組成的多組元催化劑對RDX／Al-CMDB推進劑燃燒性能的影響，結果見表5。

表5 PNI與不同種類鉛鹽組成的多組元催化劑對RDX／Al-CMDB推進劑燃燒性能的影響Table 5 Effect of PNI and multiple catalyst composed of different lead salts on combustion properties of RDX／Al-CMDB propellants

從表5可看出，1.0%（質量分數）PNI和2.5%三元β-Pb組成二組元催化劑時，推進劑的壓強指數最低達－0.13，出現麥撒燃燒，將兩種鉛鹽級配時，隨著三元β-Pb含量的增加，推進劑的壓強指數增大，燃速增加。

1.0 %二元β-Pb與3.0%三元β-Pb組合使用，推進劑的燃速最高，15 MPa時推進劑的燃速超過30 mm／s；當用1.0%PNI替代1.0%三元β-Pb時，燃速下降約2 mm／s（10 MPa），壓強指數降低0.16，出現平臺燃燒效應。總之，在PNI、二元β-Pb和三元β-Pb三種鉛鹽中，二元β-Pb使推進劑燃速提高幅度最大，但是會增大推進劑的壓強指數；PNI能有效降低推進劑的壓強指數，尤其與三元β-Pb組合使用能使推進劑出現麥撒效應。

由上可見，PNI與二元β-Pb或三元β-Pb組成二元或三元催化體系時，比單獨加入二元β-Pb或三元β-Pb催化劑效果要好，因此可以嘗試雙鉛催化劑或三鉛催化劑體系共同作用，來調節推進劑的燃燒性能。

3 結 論

（1）PNI是一種有效的燃燒催化劑，與炭黑2組成的二組元催化劑可使推進劑在10～20 MPa出現平臺區間；PNI與三元β-Pb以及炭黑2組成的三組員催化劑可使推進劑在8～15 MPa出現平臺區間或麥撒區間。

（2）含PNI的RDX／Al-CMDB推進劑在10 MPa時燃速在14.30～27.10 mm／s可調，出現平臺或麥撒區間。

［1］ 趙鳳起，李上文.RDX-CMDB推進劑中組合催化劑的研究［J］.推進技術，1992，13（2）：57-64.

ZHAO Feng-qi，LI Shang-wen.The study of combination catalysist of RDX-CMDB propellants［J］.Journal of Propulsion Technology，1992，13（2）：57-64.

［2］ 李上文，孟燮銓，張蕊娥，等.螺壓硝胺無煙改性雙基推進劑燃燒性能調節和控制規律［J］.推進技術，1995，16（3）：63-69.

LI Shang-wen，MENG Xie-quan，ZHANG Rui-e.et al. The combustion performance of screw extrusion Amonium NitrateSmokeless propellants adjusting and controlling technology.［J］.Journal of Propulsion Technology，1995，16（3）：63-69.

［3］ 宋振偉，李笑江，嚴啟龍，等.CL-20基交聯改性雙基推進劑的燃燒性能［J］.火炸藥學報，2012，35（1）：52-54.

SONG Zhen-wei，LI Xiao-jiang，YAN Qi-long，et al. Combustion properties of crossing-linking modified double-base propellant with CL-20［J］.Chinese Journal of Explosives and Propellants，2012，35（1）：52-54.

［4］ 趙鳳起，高紅旭，羅陽，等.含能復合催化劑對微煙推進劑燃燒的影響［J］.火藥炸學報，2007，30（2）：1-4.

ZHAO Feng-qi，GAO Hong-xu，LUO Yang，et al. Effeet of novel energetic composite catalysts on combustion properties of minimum smoke propellant［J］. Chinese Journal of Explosives and Propellants，2007，30（2）：1-4.

［5］ Klapotke T M，Rinacker C 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. New York：AIAA，2000：465-475.

［7］ 鄭曉東，崔榮，李洪麗，等.2，4-DNI鉛鹽的合成及性能［J］.火炸藥學報，2006，12（6）：23-26.

ZHENG Xiao-dong，CUI Rong，LI Hong-li，et al. Synthsis and properties of 2，4-dinitroimidazole lead salt［J］.Chinese Journal of Explosives and Propellants，2006，12（6）：23-26.

Effect of PNI on the Combustion Properties of RDX／Al-CMDB Propellant

YUAN Zhi-feng，ZHAO Feng-qi，YANG Li-bo，ZHENG Xiao-dong，ZHANG Chao，TIAN Jun
（Science and Technology on Combustion and Explosion Laboratory，Xi′an Modern Chemistry Research Institute，Xi′an 710065，China）

The RDX／Al-CMDB propellants containing 4-initroimidazole lead salt（PNI）were prepared by an absorption／rolling method.The burning rates of propellants were measured by a target line method.The effect of PNI／carbon，PNI／carbon／stabilizer，PNI／Pb salts on the combustion properties of RDX／Al-CMDB propellants were studied.The results show that PNI is an effective energetic burning catalyst.The combination of PNI with carbon black orβ-Pb salt makes the mesa effect or plateau of CMDB propellant appear.When the mass fraction of PNIis 4. 0%，it makes the pressure exponent of propellant decrease to 0.07.The combination of 1.0%PNI and 2.5%β-Pb salt makes the pressure exponent of propellant decrease to－0.13.The burning rate of RDX／Al-CMDB propellants containing PNI is adjustable and can appear the plateau or mesa effect.

physical chemistry；PNI；solid propellant；combustion property；pressure exponent；mesa effect； plateau effect

TJ55；X93

A

1007-7812（2014）04-0070-04

2013-10-23；< class="emphasis_bold">修回日期：2

2014-01-02

國家自然科學基金（21173163）；燃燒與爆炸技術重點實驗室基金（9140C3503141006）

：袁志鋒（1980－），男，碩士研究生，從事固體推進劑配方與工藝研究。

趙鳳起（1963－），男，研究員，博士生導師，從事固體推進劑配方與性能研究。