CN109251118A - 一种抗高过载复合推进剂及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种抗高过载复合推进剂及制备方法，属于固体推进剂领域。复合推进剂主要由端羟基聚丁二烯、氧化剂、铝粉、二异氰化酸酯、三乙醇胺以及增塑剂构成。各组分质量含量依次为7％～9％、72％～80％、6％～17％、1％～5％、1％～5％、1％～5％；本发明采用该配方的复合推进剂药柱在12000g的高过载下产生小变形，保证了药柱结构完整性，避免与壳体接触摩擦，没有在配方中添加特殊组分，而是通过调节配方中非粘性固体与粘结剂的质量比来实现抗高过载的目的，具有易于实现的优点。

Description

一种抗高过载复合推进剂及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种抗高过载复合推进剂及制备方法，属于固体推进剂领域。

背景技术

复合推进剂是一种主要由粘合剂、氧化剂、金属燃料、固化剂、交联剂以及增塑剂组成的固体含能材料。广泛应用于固体火箭发动机以及导弹发动机中。炮射导弹在发射期间具有很高的加速度，发动机要承受几千g甚至上万g的高过载。推进剂药柱在此高过载下会产生轴向压缩而径向变粗的形变，当形变达到一定程度，药柱就会与壳体接触产生摩擦，摩擦产生的热量危及发动机安全；较大的形变也会破坏药柱结构完整性，使发动机失效，甚至产生灾难性的后果。为保证发动机安全工作，需要将推进剂药柱的形变约束在合理的范围内。在一定载荷下，期望推进剂药柱的形变尽量地小，避免或减小药柱与发动机壳体的接触摩擦力，同时可以避免裂纹等缺陷的产生，最大可能地保证其结构完整性。现有的复合推进剂在设计配方组分时，往往以高能量密度，低经济成本为设计依据，而抗高过载性能被忽略。炮射导弹等高发射加速度飞行器对于固体推进剂药柱的抗高过载性能提出了较高要求，现有的复合推进剂不能满足这种要求，不适用于高过载工况下的发动机。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有复合推进剂无法满足使用需求的问题，提供一种抗高过载复合推进剂及其制备方法。本发明用以提高复合推进剂宽泛应变率下抵抗高过载的能力，避免药柱产生过度变形，对保证药柱的结构完整性具有重要意义。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种抗高过载复合推进剂，主要由端羟基聚丁二烯(HTPB)、氧化剂、铝粉(Al)、二异氰化酸酯、三乙醇胺(TEA)以及增塑剂构成。所述端羟基聚丁二烯(HTPB)的质量含量为7％～9％；所述氧化剂的质量含量为72％～80％；所述铝粉(Al)的质量含量为6％～17％；所述二异氰化酸酯的质量含量为1％～5％；所述三乙醇胺(TEA)的质量含量为1％～5％；所述增塑剂的质量含量为1％～5％。

所述氧化剂包括高氯酸铵(AP)、黑索金(RDX)或奥克托今(HMX)；质量含量为72％～80％；

所述增塑剂包括：邻苯二甲酸二丁酯(DBP)、己二酸二辛酯(DOA)或癸二酸二辛酯(DOS)，质量含量为1％～5％。

本发明采用的端羟基聚丁二烯(HTPB)具有低羟值(约为0.45)和高分子量(约为4200)，这是由于低羟值和高分子量的HTPB有较高的损耗特性，可以吸收更多的外界冲击能，有利于提升发动机装药的抗过载性能。

一种抗高过载复合推进剂的制备方法，具体步骤如下：

步骤一、称量获取各原材料；

步骤二、将端羟基聚丁二烯、氧化剂、铝粉、二异氰化酸酯、三乙醇胺以及增塑剂混合，搅拌均匀，搅拌温度50℃～60℃，得到推进剂药浆；

步骤三、真空浇注：将推进剂药浆浇入药模或发动机壳体内，浇注时间不小于80min；

步骤四、固化：将装有推进剂药浆的模具或发动机壳体加热固化，固化温度为60℃～75℃，固化时间为160h～180h。

有益效果

(1)本发明的一种抗高过载复合推进剂，采用该配方的推进剂药柱在12000g的高过载下的变形程度小，能够避免与发动机壳体接触摩擦，保证药柱的结构完整性，保证发动机工作安全。所述氧化剂、铝粉、二异氰化酸酯和三乙醇胺的总质量与羟基聚丁二烯的质量比为10.4～10.5，抗高过载性能好。制取的推进剂药柱在12000g高过载下变形小，不与发动机壳体产生接触，能够保证发动机安全工作。

(2)本发明的一种抗高过载复合推进剂，没有在配方中添加特殊组分，而是通过调节配方中非粘性固体与粘结剂的质量比来实现抗高过载的目的，具有易于实现的优点。

(3)本发明的一种抗高过载复合推进剂的制备方法简单，易于操作。

附图说明

图1为HTPB复合推进剂真实应力-应变试验曲线；

图2为0.3应变下，HTPB复合推进剂应力σ_f随应变率对数的变化关系；

图3为低应变率敏感性参数k₁随r值的变化关系；

图4为初始应力σ₀随r值的变化关系；

图5为推进剂药柱在载荷周期内的载荷作用曲线；

图6为12ms时推进剂药柱的位移(变形)云图；

图7为推进剂药柱顶端某一点在载荷周期内的应变变化曲线；

图8为推进剂药柱顶端某一点在载荷周期内的应变率变化曲线；

图9为推进剂药柱底端外径上一点在载荷周期内的应变变化曲线；

图10为推进剂药柱底端外径上一点在载荷周期内的位移变化曲线。

具体实施方式

以下是本发明的具体实施例，但本发明并不限于这些实施例。

实施例1

本实施例的配方：HTPB，质量含量为8％；高氯酸铵，质量含量为60％；黑索金，质量含量为18％；铝粉，质量含量为6％；二异氰化酸酯，质量含量为3％；三乙醇胺；质量含量为2％，邻苯二甲酸二丁酯，质量含量为3％。原材料组成如下：HTPB 192.4g，高氯酸铵1443g，黑索金432.9g，铝粉144.3g，二异氰化酸酯72.15g，三乙醇胺48.1g，邻苯二甲酸二丁酯72.15g。

制备方法如下：

步骤一、称量获取相应原材料；

步骤二、将上述原材料混合，搅拌均匀，搅拌温度50℃～60℃，得到推进剂药浆；

步骤三、真空浇注：将推进剂药浆浇入药模或发动机壳体内，浇注时间不小于80min；

步骤四、固化：将装有推进剂药浆的模具或发动机壳体加热固化，固化温度为60℃～75℃，固化时间为160h～180h。

获得的管型药柱内径为Φ_in＝30mm，外径为Φ_out＝82mm，长度为l＝300mm。

如附图1所示，复合推进剂的应力应变行为近似线性增长，对现有推进剂药柱的仿真及试验表明，推进剂药柱的应变率不大于50s^-1，而应变不超过0.3。取应变为0.3，则应力σ_f随应变率对数呈双线性增长，如附图2所示。其中转折点在100s^-1附近。引入应变率敏感性参数，其含义为流动应力对应变率对数的偏导，即定义低应变率区的应变率敏感性参数为k₁；定义高应变率区的应变率敏感性参数为k₂；低斜率直线与y轴交点为初始应力σ₀。要使得一定载荷下推进剂药柱的形变尽量小，则k和σ₀要尽量大。由于实际工况中推进剂药柱的应变率不大于50s^-1，位于转折点之前，所以只需考虑k₁值。抗过载能力用k₁值和σ₀值衡量。

调节推进剂配方中非粘性固体与HTPB粘结剂的质量比r，发现k₁和σ₀均随r值先增大，后减小，如附图3和附图4所示。所以抗过载能力在r＝8.5～11.5之间存在一个最大值，按照k₁值和σ₀值随r值变化趋势，r值取为10.4～10.5，本实施例中r值为10.47。

按照r值与k₁值、σ₀值的关系，得到本实施例中推进剂的本构方程，利用仿真软件Abaqus模拟推进剂药柱工作环境，载荷历程如附图5所示，最大载荷为12000g。计算结果显示在载荷周期内，推进剂药柱会发生轴向压缩和径向变粗，12ms时，推进剂药柱位移云图如附图6所示，药柱最大形变发生在顶端面。取药柱端面一点，其载荷周期内应变及应变率随时间变化分别如图7和图8所示。其中最大轴向应变约为0.21，最大应变率约为2s^-1。最大径向形变发生在底端面，取底端面外径上一点，其载荷周期内应变变化如附图9所示，最大应变约为0.01；其载荷周期内径向位移变化如附图10所示，最大径向位移约为0.25mm，而推进剂药柱与发动机壳体间的间隙通常大于1mm，药柱在形变期间与壳体不发生接触，说明本实施例的推进剂药柱有足够的能力抵抗12000g高过载。

实施例2

本实施例的配方：HTPB，质量含量为8.5％；高氯酸铵，质量含量为57％；奥克托今，质量含量为15％；铝粉，质量含量为16.5％；二异氰化酸酯，质量含量为1％；三乙醇胺；质量含量为1％，己二酸二辛酯，质量含量为1％。原材料组成如下：HTPB 205.5g，高氯酸铵1376.5g，奥克托今362.5g，铝粉398.5g，二异氰化酸酯24g，三乙醇胺24g，己二酸二辛酯24g。

制备方法同实施例1。

本实施例获取的推进剂药柱在12000g高过载下，最大轴向应变约为0.23，最大应变率约为3s^-1。底端面外径上一点的最大径向位移约为0.27mm，本实施例获取的推进剂药柱有能力抵抗12000g高过载。

实施例3

本实施例的配方：HTPB，质量含量为8％；高氯酸铵，质量含量为54.5％；黑索金，质量含量为19％；铝粉，质量含量为10％；二异氰化酸酯，质量含量为4％；三乙醇胺；质量含量为2％，癸二酸二辛酯，质量含量为2.5％。原材料组成如下：HTPB 192g，高氯酸1308.5g，黑索金456.2g，铝粉240g，二异氰化酸酯96g，三乙醇胺48g，癸二酸二辛酯60g。

制备方法同实施例1。

本实施例获取的推进剂药柱在12000g高过载下，最大轴向应变约为0.22，最大应变率约为4s^-1。底端面外径上一点的最大径向位移约为0.3mm，本实施例获取的推进剂药柱有能力抵抗12000g高过载。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制；凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内；同时，凡依据本发明的实质技术对以上实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变等，均仍属于本发明的技术方案的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种抗高过载复合推进剂，其特征在于：主要由端羟基聚丁二烯、氧化剂、铝粉、二异氰化酸酯、三乙醇胺以及增塑剂构成；所述端羟基聚丁二烯的质量含量为7％～9％；所述氧化剂的质量含量为72％～80％；所述铝粉的质量含量为6％～17％；所述二异氰化酸酯的质量含量为1％～5％；所述三乙醇胺的质量含量为1％～5％；所述增塑剂的质量含量为1％～5％；

所述氧化剂包括高氯酸铵、黑索金或奥克托今；质量含量为72％～80％；

所述增塑剂包括：邻苯二甲酸二丁酯(DBP)、己二酸二辛酯(DOA)或癸二酸二辛酯(DOS)，质量含量为1％～5％；

所述端羟基聚丁二烯(HTPB)的羟值约为0.45，高分子量约为4200。

2.如权利要求1所述的一种抗高过载复合推进剂，其特征在于：所述氧化剂、铝粉和增塑剂总质量与端羟基聚丁二烯的质量比为10.4～10.5。

3.一种抗高过载复合推进剂的制备方法，具体步骤如下：

步骤一、称量获取各原材料；

步骤二、将粘结剂、氧化剂、金属燃料、固化剂、交联剂以及增塑剂混合，搅拌均匀，搅拌温度50℃～60℃，得到推进剂药浆；

步骤三、真空浇注：将推进剂药浆浇入药模或发动机壳体内，浇注时间不小于80min；

步骤四、固化：将装有推进剂药浆的模具或发动机壳体加热固化，固化温度为60℃～75℃，固化时间为160h～180h。