CN105801327A - 一种复合固体推进剂及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种复合固体推进剂及其制备方法，属于推进剂技术领域。推进剂主要由粘合剂系统、增塑剂、金属燃料、氧化剂组成，其中，金属燃料为铝粉；铝粉为复合铝粉，由常规铝粉和超细铝粉混合而成，复合铝粉占配方总质量的16－17%，超细铝粉占配方总质量的2－5%，其他为常规铝粉。本发明可使有效固体含量88%以上推进剂的低温最大伸长率,充分满足大于等于45%的指标，避免了药柱出现裂纹的现象；推进剂药浆流动性好，具有优异的工艺性能，生产的药柱易无气孔等缺陷；铝粉燃烧完全，比冲效率得到提高；同时，减少了氧化铝硬颗粒的产生，降低了对发动机的绝热层与喷管的冲蚀，提高了固体火箭发动机的安全性与可靠性。

Description

一种复合固体推进剂及其制备方法

技术领域

本发明属于复合固体推进剂制造技术领域，具体涉及一种复合固体推进剂及其制备方法。

背景技术

复合固体推进剂(简称推进剂)是一种主要由粘合剂系统、增塑剂、金属燃料、氧化剂、催化剂及相关助剂组成的固体含能材料。当前采用的固体填料主要是高氯酸铵和铝粉，其粒径分布在4.5～360μm之间。高氯酸铵根据粒度和外形可分为40～60目(球形，标准筛测试粒度330～360μm),60～80目(球形，标准筛测试粒度230～260μm)，100～140目(球形，标准筛测试粒度120～140μm)，4～8μm(非球形，D50)等四种规格。铝粉均为球形，根据粒度可分为26～32μm，21～27μm，11～15μm，4.5～7.5μm等四种规格。

随着新型固体火箭发动机与推进剂配方的研究与设计，配方中固体含量(金属燃料和氧化剂的质量百分比之和)通常高达88％(质量百分比)以上，铝粉用量通常在16～20％。研究中发现：固含量从87％提高至88％后，推进剂的低温(-40℃)最大伸长率由55％降低到21％以下,不满足大于等于45％的指标，贮存与工作中，药柱易出现裂纹，无法稳定燃烧，导致爆炸；推进剂药浆流动性变差，生产的药柱易出现气孔，引起燃面激增，无法稳定燃烧，导致爆炸；高温下，铝粉表面发生氧化反应，生成的氧化铝包裹内层的铝粉，与氧化剂隔离，无法参与反应，导致燃烧不完全，比冲效率降低，比冲效率(标准试验发动机实测值与推进剂配方理论比冲之间的比值)从正常的93.5％降低至90％以下；同时，形成的氧化铝硬颗粒对发动机的绝热层与喷管造成严重冲蚀，地面试验结束后可见明显的冲蚀痕迹降低了固体火箭发动机的安全性与可靠性。

发明内容

本发明提供一种复合固体推进剂及其制备方法，用以提高配方力学性能、降低氧化铝硬颗粒对发动机的绝热层与喷管造成的冲蚀，提高工艺性能以及比冲效率。

本发明的目的是这样实现的：一种复合固体推进剂，推进剂主要由粘合剂系统、增塑剂、金属燃料、氧化剂组成，其中，金属燃料为铝粉；氧化剂为高氯酸铵、硝胺，或两者的混合物；增塑剂为癸二酸二异辛酯；粘合剂系统由端羟基聚丁二烯、甲苯二异氰酸酯组成，其特征在于：所述的铝粉为复合铝粉，由常规铝粉和超细铝粉混合而成，以质量百分比计：复合铝粉占配方总质量的16－17％，超细铝粉占配方总质量的2－5％，其他为常规铝粉；所述的超细铝粉指粒粒径为1.2～2.8μm(D50)的铝粉；常规铝粉为粒径大于2.8μm(D50)的铝粉。

所述的复合铝粉中超细铝粉占配方总质量3－4.5％，其他为常规铝粉。

所述的复合铝粉中超细铝粉占配方总质量3.5％，其他为常规铝粉。

所述的超细铝粉纯度大于99.5％。

所述的超细铝粉采用氩气/氦气超声气体雾化法生产。

所述的复合固体推进剂的制备方法如下，包括以下步骤：

1)原材料处理，将氧化剂和复合铝粉放于40℃～50℃，烘干96h～120h；

2)称量混合：称取各个组份后采用立式混合机进行混合，搅拌均匀，搅拌时间不少于120min，搅拌温度40℃～50℃，制成推进剂药浆；

3)真空浇注：将推进剂药浆浇入模具和发动机壳体内，浇注时间不少于60min；

4)固化：将装有推进剂药浆的模具和发动机壳体加热固化，固化温度为50℃～60℃，固化时间144h～168h。

本发明提供的一种复合固体推进剂及其制备方法具有以下有益效果：

1、采用超细铝粉代替了部分常规铝粉而得到了一种具有新的粒度分布的复合铝粉，由能补充当前复合固体推进剂固体填料间的微小缝隙；由于固体填料在推进剂网络结构中扮演了交联点的作用，加入更细粒度固体填料，可以在推进剂结构中形成更加微小的网络单元，使得推进剂同时具备更高的强度和更高的伸长率；

2、超细铝粉作为固体填料的加入，一方面将推进剂固体填料大颗粒间的滑动摩擦变化为滚动摩擦；另一方面将大颗粒填料替换为小颗粒，单个粒子位移时受到的阻力更小；两方面的作用使得推进剂药浆组分受到混合作用时更容易发生位移，混合效率更高，也改善推进剂的工艺性能，尤其是提高浇注过程的流动性；

3、采用超细铝粉代替常规铝粉，可以加大铝粉和氧化剂的接触面，避免过多的铝粉被氧化物包裹隔离，使得更多的铝粉参与氧化还原反应，减少凝相物质的生成几率和粒度，从而提高燃烧效率和比冲效率，减少冲蚀。

采用以上技术方案，可使有效固体含量88％以上推进剂的低温(-40℃)最大伸长率,充分满足大于等于45％的指标，避免了药柱出现裂纹的现象；推进剂药浆流动性好，具有优异的工艺性能，生产的药柱易无气孔等缺陷；铝粉燃烧完全，比冲效率得到提高；同时，减少了氧化铝硬颗粒的产生，降低了对发动机的绝热层与喷管的冲蚀，提高了固体火箭发动机的安全性与可靠性。

在复合固体推进剂中用超细铝粉取代部分铝粉，可取代粒度在26～32μm之间的常规铝粉，可获得最佳效果。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是常规复合固体推进剂得到的药柱表面；

图2是本发明提供的复合固体推进剂得到的药柱表面。

具体实施方式

复合铝粉的配制：复合铝粉，由常规铝粉和超细铝粉混合而成，超细铝粉指粒粒径为1.2～2.8μm(D50)的铝粉；常规铝粉为粒径大于2.8μm(D50)的铝粉；以质量百分比计，复合铝粉占配方总质量的17％：

超细铝粉占配方总质量的2％，超细铝粉粒径1.3～2.1μm(D50)，其他为常规铝粉，得到复合铝粉1；

超细铝粉占配方总质量的3％，超细铝粉粒径1.3～2.1μm(D50)，其他为常规铝粉，得到复合铝粉2；

超细铝粉占配方总质量的3.5％，超细铝粉粒径1.3～2.1μm(D50)，其他为常规铝粉，得到复合铝粉3；

超细铝粉占配方总质量的3.5％，超细铝粉粒径1.5～1.8μm(D50)，其他为常规铝粉，得到复合铝粉4；

超细铝粉占配方总质量的4.5％，超细铝粉粒径1.5～1.8μm(D50)，其他为常规铝粉，常规铝粉不含粒度在26～32μm的部分，得到复合铝粉5；

超细铝粉占配方总质量的5％，超细铝粉粒径1.5～1.8μm(D50)，其他为常规铝粉，得到复合铝粉6。

上述配方总质量为复合固体推进剂的总质量。

实施例1：一种复合固体推进剂，粘合剂选用端羟基聚丁二烯、甲苯二异氰酸酯的混合物；增塑剂选用癸二酸二异辛酯；氧化剂选用高氯酸铵、硝胺，或两者的混合物；上述按复合固体推进剂常规配比配制；采用复合铝粉1。

实施例2，其他同实施例1，采用复合铝粉2。

实施例3，其他同实施例1，采用复合铝粉3。

实施例4，其他同实施例1，采用复合铝粉4。

实施例5，其他同实施例1，采用复合铝粉5。

实施例6，其他同实施例1，采用复合铝粉6。

上述实施例1－6的制备方法如下：

1)原材料处理，将氧化剂和复合铝粉放于40℃～50℃，烘干96h～120h；

2)称量混合：称取各个组份后采用立式混合机进行混合，搅拌均匀，搅拌时间不少于120min，搅拌温度40℃～50℃，制成推进剂药浆；

3)真空浇注：将推进剂药浆浇入模具和发动机壳体内，浇注时间不少于60min；

4)固化：将装有推进剂药浆的模具和发动机壳体加热固化，固化温度为50℃～60℃，固化时间144h～168h。

复合固体推进剂配方表

配方	粘合剂系统(％)	增塑剂(％)	氧化剂(％)	常规铝粉(％)	超细铝粉(％)
						对比例	8.2	3.8	71	17	0
实施例1	8.2	3.8	70	15	2
						实施例2	8.2	3.8	70	14	3
实施例3	8.2	3.8	71	13.5	3.5
						实施例4	8.2	3.8	71	13.5	3.5
实施例5	8.2	3.8	71	13	4.5
						实施例6	8.2	3.8	71	12.5	5

复合固体推进剂性能对照表

图1是常规复合固体推进剂得到的药柱表面；从图中可以看出，药柱表面粗糙，有气孔，是由于工艺性能较差，在浇注过程中药浆流动性差造成的，具有严重的缺陷；

图2是本发明提供的复合固体推进剂得到的药柱表面(实施例5)，从图中可以看出，

药柱表面光滑，由于工艺性能良好，在浇注过程中药浆流动性好，易于流平，避免了气孔等缺陷的产生。

Claims (8)

1.一种复合固体推进剂，推进剂主要由粘合剂系统、增塑剂、金属燃料、氧化剂组成，其中，金属燃料为铝粉；氧化剂为高氯酸铵、硝胺，或两者的混合物；增塑剂为癸二酸二异辛酯；粘合剂系统由端羟基聚丁二烯、甲苯二异氰酸酯组成，其特征在于：所述的铝粉为复合铝粉，由常规铝粉和超细铝粉混合而成，以质量百分比计：复合铝粉占配方总质量的16－17％，超细铝粉占配方总质量的2－5％，其他为常规铝粉。

2.根据权利要求1所述的复合固体推进剂，其特征在于：所述的超细铝粉指粒粒径为1.2～2.8μm(D50)的铝粉。

3.根据权利要求1所述的复合固体推进剂，其特征在于：常规铝粉为粒径大于2.8μm(D50)的铝粉。

4.根据权利要求1所述的复合固体推进剂，其特征在于：所述的复合铝粉中超细铝粉占配方总质量3－4.5％，其他为常规铝粉。

5.根据权利要求1所述的复合固体推进剂，其特征在于：所述的复合铝粉中超细铝粉占配方总质量3.5％，其他为常规铝粉。

6.根据权利要求1、2或3所述的复合固体推进剂，其特征在于：所述的超细铝粉纯度大于99.5％。

7.根据权利要求1、2或3所述的复合固体推进剂，其特征在于：所述的超细铝粉采用氩气/氦气超声气体雾化法生产。

8.权利要求1－7中任一权利要求所述的复合固体推进剂的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)原材料处理，将氧化剂和复合铝粉放于40℃～50℃，烘干96h～120h；

2)称量混合：称取各个组份后采用立式混合机进行混合，搅拌均匀，搅拌时间不少于120min，搅拌温度40℃～50℃，制成推进剂药浆；

3)真空浇注：将推进剂药浆浇入模具和发动机壳体内，浇注时间不少于60min；

4)固化：将装有推进剂药浆的模具和发动机壳体加热固化，固化温度为50℃～60℃，固化时间144h～168h。