DNTF在螺壓高能硝胺改性雙基推進劑中的應用

劉所恩，鄭啟龍，鄒偉偉，潘 葆，陳錦芳，趙美玲，周偉良

（1.南京理工大學 化工學院，南京210094；2.山西北方興安化學工業有限公司，太原030008）

螺壓高能硝胺改性雙基推進劑是以雙基（硝化棉／硝化甘油，即NC／NG）推進劑為母體，以高能硝胺炸藥奧克托今（HMX）或黑索今（RDX）和高熱值金屬粉Al粉為填料，并采用傳統無溶劑螺旋壓伸工藝成型的一種高能改性雙基推進劑。這類推進劑由于綜合性能優良、工藝基礎好，很長時間內成為并將繼續成為固體推進劑的主要發展方向之一［1］，已在各種戰略戰術武器中得到廣泛應用。

提高能量是固體推進劑研究和發展過程中一直追求的主要目標，而降低燃氣特征信號也成為當今固體推進劑的發展方向之一［1］。螺壓硝胺改性雙基推進劑是當前同時具備高能和低特征信號雙重優點的固體推進劑。為了進一步提高這類推進劑的能量，新型高能量密度材料的引入則是最理想的捷徑。3，4－二硝基呋咱基氧化呋咱（DNTF）是國內近些年合成的第3代高能量密度材料，具有安定性好、感度較低、爆發點高、熔點低等優點［2－3］。王江寧［4－8］研究了含DNTF的CMDB推進劑的熱分解特性、燃燒性能和力學性能等，研究結果表明DNTF改性雙基推進劑熱分解分為2個峰，前者為雙基推進劑分解峰，后者為DNTF分解峰；DNTF的含量和粒度對DNTF改性雙基推進劑燃速和壓強指數具有較大影響，催化劑效果依賴于DNTF的含量；DNTF對硝化棉有一定的增塑作用，并能降低低溫脆化參數、提高韌性。趙鳳起［9－10］等研究表明，用 DNTF逐漸取代硝胺改性雙基推進劑中的RDX，推進劑的理論比沖和火焰溫度均增加。但相關研究的系統性不足，尤其是對工藝性能方面的報道較少。本文對DNTF在螺壓高能硝胺改性雙基推進劑中的應用進行了較系統的應用研究，得到了理想的結果，證明DNTF是當前合成的新型高能量密度材料中最具發展和應用前景的材料之一。

1 DNTF性能簡介

3，4－二硝基呋咱基氧化呋咱（DNTF）是國內近些年研究成功的一種新型的呋咱類高能量密度材料，分子式C6N8O8，是常溫下呈白色的固體粉狀顆粒，無特殊異味，易溶于丙酮、醋酸、濃硝酸，不溶于水，熔點為109.0～110.0℃，爆發點為308℃（5s延遲），爆熱為6 054kJ·kg－1，密度為1.937g·cm－3，理論最大爆速為9 250m·s－1，撞擊感度為38.9cm（特性落高），摩擦感度為12%（90°擺角）。

2 實驗部分

2.1 基礎配方

實驗基礎配方如表1所示，表中，w（·）為各組分的質量分數。

表1 基礎配方 %

2.2 樣品制備

采用傳統的無溶劑法螺旋壓伸工藝制備φ5mm藥柱和φ45mm／φ8mm單孔管狀藥柱，φ5mm藥柱側面包覆后用于測試燃速，φ45mm／φ8mm藥柱兩端面包覆后用于φ50mm標準發動機試驗，測試力學性能用樣品直接在光輥壓延機制備，經專用模具沖切后使用。所使用的DNTF由西安近代化學研究所提供。

2.3 實驗條件

采用傳統的無溶劑法吸收工藝進行藥團吸收制備，吸收參數為5；藥團在臥式光輥壓延機上進行壓延塑化；藥柱在φ100mm螺旋擠壓機上完成壓伸成型；燃速測試采用靶線法在充氮恒壓燃速儀中進行；比沖測定用φ70mm薄壁發動機在推力試驗臺上進行，其他內彈道試驗采用φ50mm標準試驗發動機在試驗臺上進行。力學性能試驗在DSC－10T電子拉力機上進行；感度、密度、爆熱、化學安定性等試驗項目均按GJB770B規定方法進行。

3 結果與討論

3.1 工藝研究

制造工藝過程是保證推進劑獲得良好性能的前提，也是所有新材料進行應用研究的基礎工作，對于雙基系推進劑來說，吸收藥的制造工藝過程是十分關鍵的，所有組分的加入順序，加入狀態及相關工藝溫度、時間等均是決定推進劑性能的主要因素。DNTF作為一種高能量密度材料可以單獨加入吸收器中，也可以與RDX在水中混合配成懸浮液加入。表2是引入DNTF后的工藝試驗對比結果，通過實驗觀察，沒有發現DNTF加入吸收器中出現任何異常現象，水溫沒有變化，沒有異味放出，對吸收藥團進行成分分析也未發現所有組分的含量出現明顯變化，說明DNTF這種新型高能量密度材料對吸收工藝沒有影響，可以采用傳統工藝將DNTF引入雙基系推進劑配方中。

表2 引入DNTF后的工藝試驗對比結果

由表2對比試驗結果可知，DNTF全部或部分替代RDX后，對推進劑藥團壓延塑化質量有明顯影響，有利于藥團的塑化；加入20%以上時，甚至出現藥片粘輥現象。這說明DNTF對NC有增塑作用，這是一個非常理想的結果，表明DNTF既可以作為高能組分加入，也可以起到增塑劑的作用，這是其他高能量密度材料所不具備的性能。放大投料試驗結果再次證明了這一點。另外，試驗證明，硝胺改性雙基推進劑中引入DNTF對壓伸成型工藝無不良影響，DNTF含量較高時，推進劑更容易壓伸成型，藥柱外觀質量十分理想。觀察發現，藥柱放置一段時間后，表面出現輕微晶析現象，與RDX晶析現象相似。

3.2 對推進劑力學性能的影響

由工藝試驗研究結果可以發現，DNTF引入后對NC有增塑作用，應該對推進劑力學性能有所改善。表3是放大試驗投料量以后進行拉伸試驗的研究結果，表中，σm為拉伸強度，εm為伸長率。

由表3試驗結果可知，DNTF的引入明顯改善了推進劑高溫、常溫、低溫下的力學性能，不僅所有溫度下的拉伸斷裂程度明顯提高，斷裂延伸率也提高了許多，效果非常理想。

3.3 對推進劑燃速特性的影響

表4是推進劑引入DNTF后在不同壓力下燃速v及壓力指數n的對比測試結果。

表3 推進劑拉伸試驗結果＊

表4 推進劑燃速測試結果

試驗結果表明，將DNTF引入推進劑以后推進劑燃速都有所提高。加入DNTF的含量在10%以下時，壓力指數變化不大；但含量超過10%時，壓力指數明顯增大。

3.4 對推進劑化學安定性的影響

試驗研究表明，將DNTF加入硝胺改性雙基推進劑對推進劑的化學安定性無不良影響。甲基紫化學安定性試驗結果顯示，加入DNTF前后試紙變色時間無明顯變化，樣品連續加熱5h均不爆燃。

3.5 對推進劑機械感度的影響

DNTF作為一種新型的高能量密度材料，同樣具有較高的機械感度。研究DNTF對推進劑機械感度的影響也是非常必要的。表5是推進劑在加入DNTF后的機械感度測試結果，表中，Hf為摩擦感度，H50為撞擊感度。

表5 推進劑機械感度測試結果

由表5試驗結果對比可知，DNTF的引入沒有增加推進劑的摩擦感度，撞擊感度反而有下降的趨勢，這說明DNTF的應用安全是可以接受的，這類推進劑的使用安全也是可以保證的。

3.6 對推進劑能量特性的影響

表6是引入DNTF后推進劑能量特性的測試結果，主要的能量特性參數有密度ρ、爆熱Qv和實測比沖Isp。

表6 推進劑的能量特性

由表6中試驗結果可知，DNTF的加入明顯提高了推進劑的密度及比沖，在φ70mm產品發動機中的實測比沖提高了18.3N·s·kg－1，說明DNTF是一種非常理想的高能量密度材料。φ50mm標準試驗發動機及φ70mm產品發動機試驗結果表明，硝胺改性雙基推進劑引入DNTF后，發動機工作正常，燃燒穩定。

4 結論

①DNTF是一種新型的高能量密度材料，可以部分取代RDX在螺壓高能硝胺改性雙基推進劑中的使用，能夠有效地提高推進劑的密度及比沖。

②引入DNTF對NC有增塑作用，對提高推進劑力學性能有很好的幫助；

③DNTF的引入能夠提高推進劑燃速，在引入的DNTF含量不超過10%的情況下，燃速壓力指數變化不大；

④DNTF的引入對推進劑的化學安定性無不良影響；

⑤DNTF的引入不增加推進劑的機械感度，撞擊感度反而有降低的趨勢。

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