CN106905091B - 一种基于高氯酸盐的可电控燃烧固体推进剂及其制备方法 - Google Patents

一种基于高氯酸盐的可电控燃烧固体推进剂及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于高氯酸盐的可电控燃烧固体推进剂及其制备方法；按重量计，该电控固体推进剂由35～90份氧化剂、10～30份粘合剂、0.1～2份交联剂、0.2～10份增塑剂以及5～20份金属燃料组成，其中氧化剂为高氯酸盐。本发明电控固体推进剂具有较好的空气湿度稳定性和耐高温性，同时制备技术难度低，制备工艺过程简单，易于操作，安全系数高的特点。

Description

一种基于高氯酸盐的可电控燃烧固体推进剂及其制备方法
技术领域
本发明涉及固体推进剂技术领域，具体是一种基于高氯酸盐的可电控燃烧固体推进剂及其制备方法。
背景技术
产气量是推进剂的重要性能指标之一，高产气量的推进剂在火箭推进剂系统、气体发生器、油田应用开发、安全气囊以及需要快速产气装置中都有广泛的应用。而随着现代工业技术的发展，对推进剂的系统的点火、燃烧以及熄灭的性能控制提出了更高的要求，在提高推进剂安全特性的同时希望能够精确控制推进剂系统的推力大小，而电控固体推进剂是以其独特的电控燃烧性能来调节推力的特性能更好的适应现代推进剂系统的苛刻要求，具有很好的发展前景。
电控固体推进剂是通过施加外在电压后引起燃烧，并可通过调节电压大小调节燃速的新型固体推进剂。在电控固体推进剂研究发展中，以硝酸铵(AN)为氧化剂制备得到的电控固体推进剂存在断电后不能立即熄灭的缺点，导致推力大小精确可调性差；以硝酸羟胺(HAN)为氧化剂制备得到的电控固体推进剂得到了较好的发展，具有响应快，推力大小可调性高的优点，但是由于HAN本身具有强吸湿性，导致了以其作为氧化剂的固体推进剂吸湿性强，贮存条件要求高；此外，HAN在100℃左右就会分解，这一方面限制了推进剂的耐高温特性，另一方面还会因为自身的热分解而导致推进剂燃烧断电后不能完全熄灭，需要加入特定的助剂来提高推进剂的耐高温性能，故以HAN为氧化剂的电控固体推进剂具有技术难度高，制备过程及贮存条件都较为苛刻，在应用上也因此受到了一定的限制。
因此，继续研究开发技术难度低，适应性范围宽的新型电控固体推进剂是十分必要的，这对固体推进剂的发展也具有重要的意义。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术不足，提供一种基于高氯酸盐的可电控燃烧固体推进剂及其制备方法。
以高氯酸盐为氧化剂，外加粘合剂、交联剂、增塑剂及金属燃料后于0～10℃下混合搅拌后，常压或真空下灌注于燃烧室或模具中，再于30～50℃下固化成型。该基于高氯酸盐的可电控燃烧固体推进剂具有制备方法简单，技术难度低，吸湿性小，并可直接通过施加电压进行多次点火燃烧，当切断电源后，燃烧则完全停止。
为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种基于高氯酸盐的可电控燃烧固体推进剂及其制备方法，其特征在于，包括以下原料及其重量份数：
将称量好的上述原料进行以下步骤：
1)将高氯酸盐和溶剂加入到反应器中进行溶解，然后依次加入交联剂、增塑剂和金属燃料，将容器置于0～10℃条件下进行真空搅拌，得到混合物A；
所述高氯酸盐和溶剂的重量体积比(g︰mL)为(0.3～9)：1；
搅拌时间为10～20分钟，转速为200～300转/分钟；
2)将混合物A中加入粘合剂后，继续于0～10℃条件下进行真空搅拌，得到混合物B；
搅拌时间为30～40分钟，转速为300～500转/分钟；
3)将混合物B在常压或真空条件下，灌注至燃烧室或模具，在30～50℃条件下静置3～7天后，得到固化成型的推进剂。
进一步，所述高氯酸盐包括高氯酸锂、高氯酸钡、高氯酸钙、高氯酸钠、高氯酸镁、高氯酸铝或高氯酸钾中的一种或多种；
所述步骤1)中高氯酸盐的溶剂包括水、甲醇、乙醇、丙酮或乙酸乙酯中的一种或多种。
进一步，所述粘合剂包括聚乙烯醇、甲基纤维素、羟乙基纤维素、干酪素、聚氧化乙烯或聚醋酸乙烯酯中的一种或多种；
所述粘合剂为粉末状，粒径大小为80～150目。
进一步，当粘合剂选择两种进行组合时，包括以下组合及其重量比：
聚乙烯醇和甲基纤维素的重量比为(2～5)︰1；
聚氧化乙烯和干酪素的重量比为2︰1～1︰2；
聚醋酸乙烯酯和羟乙基纤维素的重量比为(6～10)︰1；
粘合剂组合不仅限于已列出的组合，列出的为优选的，其它种类与组合比例没有严格限制。
进一步，所述金属燃料包括铝粉、硼粉、镁粉、铜粉、氧化铜粉或钨粉中的一种或多种；
所述金属燃料的粒径大小为50nm～20μm。
进一步，所述交联剂包括硼酸或硼砂的中一种或多种。
进一步，所述增塑剂包括甲基硅油、羟甲基硅油、甘油、聚乙二醇或玉米糖浆中一种或多种。
本发明的效果是毋庸置疑的，本发明具有以下优点：
1)本发明所采用的高氯酸盐氧化剂具有较好的热稳定性，这提高了电控固体推进剂的耐高温性；
2)本发明所使用的粘合剂，具有良好的化学稳定性和热稳定性，价格低廉，来源广泛；
3)本发明所述的电控固体推进剂的在低温下制备，具有制作工艺简单，易于操作，安全性高，同时推进剂固化成型温度低；
4)本发明所述的电控固体推进剂具有储存条件范围宽，吸湿性低，技术难度低，容易制备；
5)本发明所述电控固体推进剂在施加电压条件下燃烧，持续通电燃烧维持，断电后则完全熄灭，并可通过调节电压大小来调节其燃速大小。
附图说明
图1为实施例10中对应推进剂的吸水率曲线；
图2为高氯酸盐类与硝酸羟胺类电控固体推进剂TG曲线比较。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。
实施例1：
一种基于高氯酸盐的可电控燃烧固体推进剂及其制备方法，其特征在于，包括如表1所示的原料及其重量份数：
表1
高氯酸钡 73份
聚乙烯醇 15份
铝粉 5份
硼酸 2份
甘油 5份
将称量好的上述原料进行以下步骤：
1)将高氯酸钡和水加入到反应器中进行溶解，然后依次加入硼酸、甘油及铝粉，将容器置于8℃条件下进行真空搅拌，得到混合物A；
所述高氯酸盐和溶剂的重量体积比(g︰mL)为1.86︰1；
搅拌时间为20分钟，转速为250转/分钟；
2)将混合物A中加入聚乙烯醇后，继续于8℃条件下进行真空搅拌，得到混合物B；
搅拌时间为30分钟，转速为380转/分钟；
3)将混合物B在常压或真空条件下，灌注至燃烧室或模具，在30℃条件下静置7天后，得到固化成型的推进剂。
经检测，所述推进剂的密度为1.61g/cm3，燃速为1.65mm/s。
实施例2：
一种基于高氯酸盐的可电控燃烧固体推进剂及其制备方法，其特征在于，包括如表2所示的原料及其重量份数：
表2
高氯酸锂 73份
甲基纤维素 10份
铝粉 10份
硼酸 1份
玉米糖浆 6份
将称量好的上述原料进行以下步骤：
1)将高氯酸锂和无水乙醇加入到反应器中进行溶解，然后依次加入硼酸、玉米糖浆及铝粉，将容器置于10℃条件下进行真空搅拌，得到混合物A；
所述高氯酸盐和溶剂的重量体积比(g︰mL)为0.54︰1；
搅拌时间为10分钟，转速为200转/分钟；
2)将混合物A中加入甲基纤维素后，继续于10℃条件下进行真空搅拌，得到混合物B；
搅拌时间为30分钟，转速为300转/分钟；
3)将混合物B在常压或真空条件下，灌注至燃烧室或模具，在40℃条件下静置3天后，得到固化成型的推进剂。
经检测，所述推进剂的密度为1.54g/cm3，燃速为1.94mm/s。
实施例3：
一种基于高氯酸盐的可电控燃烧固体推进剂及其制备方法，其特征在于，包括如表3所示的原料及其重量份数：
表3
高氯酸钡 76份
羟乙基纤维素 11份
铝粉 6份
硼酸 2份
玉米糖浆 5份
将称量好的上述原料进行以下步骤：
1)将高氯酸钡和无水甲醇加入到反应器中进行溶解，然后依次加入硼酸、玉米糖浆及铝粉，将容器置于3℃条件下进行真空搅拌，得到混合物A；
所述高氯酸盐和溶剂的重量体积比(g︰mL)为1.86︰1；
搅拌时间为10分钟，转速为200转/分钟；
2)将混合物A中加入羟乙基纤维素后，继续于3℃条件下进行真空搅拌，得到混合物B；
搅拌时间为30分钟，转速为300转/分钟；
3)将混合物B在常压或真空条件下，灌注至燃烧室或模具，在35℃条件下静置3天后，得到固化成型的推进剂。
经检测，所述推进剂的密度为1.58g/cm3，燃速为1.66mm/s。
实施例4：
一种基于高氯酸盐的可电控燃烧固体推进剂及其制备方法，其特征在于，包括如表4所示的原料及其重量份数：
表4
高氯酸钡 65份
干酪素 25份
聚乙二醇 5份
铝粉 5份
将称量好的上述原料进行以下步骤：
1)将高氯酸钡和水加入到反应器中进行溶解，然后依次加入聚乙二醇及铝粉，将容器置于10℃条件下进行真空搅拌，得到混合物A；
所述高氯酸盐和溶剂的重量体积比(g︰mL)为1.50︰1；
搅拌时间为15分钟，转速为250转/分钟；
2)将混合物A中加入干酪素后，继续于10℃条件下进行真空搅拌，得到混合物B；
搅拌时间为30分钟，转速为380转/分钟；
3)将混合物B在常压或真空条件下，灌注至燃烧室或模具，在40℃条件下静置7天后，得到固化成型的推进剂。
经检测，所述推进剂的密度为1.73g/cm3，燃速为1.18mm/s。
实施例5：
一种基于高氯酸盐的可电控燃烧固体推进剂及其制备方法，其特征在于，包括如表5所示的原料及其重量份数：
表5
高氯酸锂 70份
聚氧化乙烯 15份
铝粉 10份
硼酸 2份
羟甲基硅油 3份
将称量好的上述原料进行以下步骤：
1)将高氯酸锂和水加入到反应器中进行溶解，然后依次加入硼酸、羟甲基硅油及铝粉，将容器置于10℃条件下进行真空搅拌，得到混合物A；
所述高氯酸盐和溶剂的重量体积比(g︰mL)为0.67︰1；
搅拌时间为10分钟，转速为250转/分钟；
2)将混合物A中加入聚氧化乙烯后，继续于10℃条件下进行真空搅拌，得到混合物B；
搅拌时间为40分钟，转速为400转/分钟；
3)将混合物B在常压或真空条件下，灌注至燃烧室或模具，在50℃条件下静置3天后，得到固化成型的推进剂。
经检测，所述推进剂的密度为1.55g/cm3，燃速为1.53mm/s。
实施例6：
一种基于高氯酸盐的可电控燃烧固体推进剂及其制备方法，其特征在于，包括如表6所示的原料及其重量份数：
表6
高氯酸钡 66份
聚醋酸乙烯酯 22份
铝粉 6份
硼砂 1份
甲基硅油 5份
将称量好的上述原料进行以下步骤：
1)将高氯酸钡和无水甲醇加入到反应器中进行溶解，然后依次加入硼砂、甲基硅油及铝粉，将容器置于5℃条件下进行真空搅拌，得到混合物A；
所述高氯酸盐和溶剂的重量体积比(g︰mL)为1.86:1；
搅拌时间为15分钟，转速为250转/分钟；
2)将混合物A中加入聚醋酸乙烯酯后，继续于5℃条件下进行真空搅拌，得到混合物B；
搅拌时间为30分钟，转速为350转/分钟；
3)将混合物B在常压或真空条件下，灌注至燃烧室或模具，在40℃条件下静置6天后，得到固化成型的推进剂。
经检测，所述推进剂的密度为1.51g/cm3，燃速为1.30mm/s。
实施例7：
一种基于高氯酸盐的可电控燃烧固体推进剂及其制备方法，其特征在于，包括如表7所示的原料及其重量份数：
表7
将称量好的上述原料进行以下步骤：
1)将高氯酸锂和水加入到反应器中进行溶解，然后依次加入硼酸、羟甲基硅油及铝粉，将容器置于10℃条件下进行真空搅拌，得到混合物A；
所述高氯酸盐和溶剂的重量体积比(g︰mL)为0.67:1；
搅拌时间为10分钟，转速为300转/分钟；
2)将混合物A中加入羟乙基纤维素后，继续于10℃条件下进行真空搅拌，得到混合物B；
搅拌时间为40分钟，转速为380转/分钟；
3)将混合物B在常压或真空条件下，灌注至燃烧室或模具，在35℃条件下静置6天后，得到固化成型的推进剂。
经检测，所述推进剂的密度为1.51g/cm3，燃速为1.64mm/s。
实施例8：
一种基于高氯酸盐的可电控燃烧固体推进剂及其制备方法，其特征在于，包括如表8所示的原料及其重量份数：
表8
高氯酸锂 66份
聚氧化乙烯 16份
干酪素 8份
铝粉 5份
聚乙二醇 5份
将称量好的上述原料进行以下步骤：
1)将高氯酸锂和水加入到反应器中进行溶解，然后依次加入聚乙二醇及铝粉，将容器置于10℃条件下进行真空搅拌，得到混合物A；
所述高氯酸盐和溶剂的重量体积比(g︰mL)为0.67:1；
搅拌时间为10分钟，转速为250转/分钟；
2)将混合物A中加入聚氧化乙烯和干酪素后，继续于10℃条件下进行真空搅拌，得到混合物B；
搅拌时间为30分钟，转速为350转/分钟；
3)将混合物B在常压或真空条件下，灌注至燃烧室或模具，在40℃条件下静置7天后，得到固化成型的推进剂。
经检测，所述推进剂的密度为1.66g/cm3，燃速为1.27mm/s。
实施例9：
一种基于高氯酸盐的可电控燃烧固体推进剂及其制备方法，其特征在于，包括如表9所示的原料及其重量份数：
表9
高氯酸锂 66份
聚醋酸乙烯酯 20份
羟乙基纤维素 3份
铝粉 5份
硼酸 1份
羟甲基硅油 5份
将称量好的上述原料进行以下步骤：
1)将高氯酸锂和无水乙醇加入到反应器中进行溶解，然后依次加入硼酸、羟甲基硅油及铝粉，将容器置于10℃条件下进行真空搅拌，得到混合物A；
所述高氯酸盐和溶剂的重量体积比(g︰mL)为0.54︰1；
搅拌时间为10分钟，转速为250转/分钟；
2)将混合物A中加入聚醋酸乙烯酯和羟乙基纤维素后，继续10℃条件下进行真空搅拌，得到混合物B；
搅拌时间为30分钟，转速为350转/分钟；
3)将混合物B在常压或真空条件下，灌注至燃烧室或模具，在40℃条件下静置5天后，得到固化成型的推进剂。
经检测，所述推进剂的密度为1.72g/cm3，燃速为1.48mm/s。
实施例10：
将实施例1中制备的推进剂进行气候-贮存实验，将推进剂在温度为25℃和相对湿度为80％的环境下得出如表10所示的吸水率；
表10
由表10可知，基于高氯酸盐的电控固体推进剂具有吸湿性较小，具有较好的空气湿度稳定性。

Claims (6)

1.一种基于高氯酸盐的可电控燃烧固体推进剂，其特征在于，包括以下原料及其重量份数：
高氯酸盐 35~90份；
粘合剂 10~30份；
金属燃料 5~20份；
交联剂 0~2份；
增塑剂 0 .2~10份；
所述高氯酸盐包括高氯酸锂、高氯酸钡、高氯酸钙、高氯酸钠、高氯酸镁、高氯酸铝或高氯酸钾中的一种或多种；
将称量好的上述原料进行以下步骤：
1)将高氯酸盐和溶剂加入到反应器中进行溶解，然后依次加入交联剂、增塑剂和金属燃料,将容器置于0~10℃条件下进行真空搅拌，得到混合物A；
所述高氯酸盐和溶剂的重量体积比(g：mL)为(0.3~9)：1
搅拌时间为10~20分钟,转速为200~300转/分钟；
2)将混合物A中加入粘合剂后，于0~10℃条件下进行真空搅拌，得到混合物B；
搅拌时间为30~40分钟，转速为300~500转/分钟；
3)将混合物B在常压或真空条件下,灌注至燃烧室或模具，在30~50℃条件下静置3~7天后，得到固化成型的推进剂；
所述步骤1)中高氯酸盐的溶剂包括水、甲醇、乙醇、丙酮或乙酸乙酯中的一种或多种。
2.根据权利要求1所述的一种基于高氯酸盐的可电控燃烧固体推进剂，其特征在于：所述粘合剂包括聚乙烯醇、甲基纤维素、羟乙基纤维素、干酪素、聚氧化乙烯或聚醋酸乙烯酯中的一种或多种；
所述粘合剂为粉末状，粒径大小为80~150目。
3.根据权利要求2所述的一种基于高氯酸盐的可电控燃烧固体推进剂，其特征在于，当粘合剂选择两种进行组合时，包括以下组合及其重量比：
聚乙烯醇和甲基纤维素的重量比为(2~5)：1；
聚氧化乙烯和干酪素的重量比为2：1~1：2；
聚醋酸乙烯酯和羟乙基纤维素的重量比为(6~10)：1。
4.根据权利要求1所述的一种基于高氯酸盐的可电控燃烧固体推进剂，其特征在于：所述金属燃料包括铝粉、镁粉、铜粉或钨粉中的一种或多种；
所述金属燃料的粒径大小为50nm~20μm。
5.根据权利要求1所述的一种基于高氯酸盐的可电控燃烧固体推进剂，其特征在于：所述交联剂包括硼酸或硼砂中的一种或多种。
6.根据权利要求1所述的一种基于高氯酸盐的可电控燃烧固体推进剂，其特征在于：所述增塑剂包括甲基硅油、羟甲基硅油、甘油、聚乙二醇或玉米糖浆中一种或多种。
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