CN109627133A - 一种热塑性复合固体推进剂及其制备方法 - Google Patents

一种热塑性复合固体推进剂及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种热塑性复合固体推进剂及其制备方法，属于复合固体推进剂制备技术领域。本发明涉及一种热塑性复合固体推进剂及其制备方法，在不添加溶剂和液体增塑剂的前提下，热塑性复合固体推进剂的熔融温度低于95℃，熔融药浆粘度低，安全性能优异，能够通过熔融沉积工艺实现复合固推进剂的增材制造，其能量水平与中能热固性推进剂相当，未来可作为复杂药型固体发动机、分层可变推力固体发动机的动力源。

Description

一种热塑性复合固体推进剂及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种热塑性复合固体推进剂及其制备方法，属于复合固体推进剂制备技术领域。
背景技术
复合固体推进剂是一类由高分子粘合剂、金属燃烧剂、氧化剂、含能材料等组分组成、固体填料的含量超过70％的含能复合性高分子功能材料。传统复合固体推进剂制造工艺涉及预混、混合、芯模处置、浇注、固化、脱模、整形等多道工序，一般利用特制芯模实现推进剂药型控制，难以实现一些形状复杂和分层可变推力固体推进剂药柱的制造。
近年来，随着增材制造设备及工艺的不断成熟，复合固体推进剂增材制造已成为可能。与传统热固性复合推进剂相比，热塑型推进剂内部无化学交联，具备双向热弹性，可以通过熔融沉积技术实现增材制造。常规热塑性复合固体推进剂配方熔融温度大于100℃，需要通过添加溶剂的方式降低熔融药浆粘度，提升配方可加工性能。
现有的固体推进剂增材制造方法，涉及固体推进剂原料与溶剂的连续混合塑化工序，制造过程中添加溶剂虽然能够有效改善热塑性推进剂加工特性，但存在溶剂废料处理、溶剂高效回收、溶剂有效去除等系列问题，对热塑性推进剂增材制造成本控制和药柱性能稳定性控制不利。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出一种热塑性复合固体推进剂及其制备方法。
本发明的技术解决方案是：
一种热塑性复合固体推进剂，该固体推进剂的组成包括氧化剂、金属燃料、热塑性粘合剂、热塑性弹性体和助剂；
以该固体推进剂的总质量为100％计算，各组分的质量百分含量为：
氧化剂：60％～67％；
金属燃料：15％～20％；
热塑性粘合剂：5％～15％；
热塑性弹性体：5％～10％；
助剂：1.0％～2.0％；
所述的氧化剂为高氯酸铵、改性硝酸铵、黑索今(RDX)、奥克托今(HMX)、三氨基三硝基苯(TATB)、3-硝基-1,2,4-三唑-5-酮(NTO)、1,1’-二羟基-5,5’-联四唑二羟胺盐(TKX-50)、六硝基六氮杂异戊兹烷(CL-20)中的一种或两种以上的混合物；
所述的金属燃料为球形铝粉、球形铝镁合金、球形铝硼合金中的一种或两种以上的混合物；
更进一步的，采用端羟基环氧乙烷-四氢呋喃共聚醚(PET)、端羟基聚丁二烯(HTPB)、聚乙二醇(PEG)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚四氟乙烯(PTFE)中的一种或两种以上的混合材料对所述金属燃料进行包覆处理，或不处理；
所述的热塑性粘合剂为一种或两种以上的饱和甘油三酸酯，由C、H、O三种元素构成，熔点处于75～95℃范围内、数均分子量介于500～1000；
所述的热塑性弹性体为乙酸乙烯含量介于15％～45％的乙烯-乙酸乙烯共聚物；
所述的助剂为硬脂酸、硬脂酸甲酯、白炭黑、钛酸酯、氟化锂、氧化铁、辛基二茂铁、3-氨基1,2,4-三唑络高氯酸铜、亚铬酸铜、草酸铵、草酸钠、草酸二乙酯、N,N-二甲基苯胺、N-环己基-N’-苯基对苯二胺、亚甲基二苯胺、N-环己基对乙氧基苯胺中的一种或两种以上的混合物。
一种热塑性复合固体推进剂的制备方法，该方法的步骤包括：
(1)采用立式混合机将金属燃料、热塑性粘合剂、热塑性弹性体、助剂、氧化剂进行混合，得到均一浆料；
(2)将步骤(1)得到的均一浆料经过预成型机挤压或标准模具制备为标准料条；
(3)将步骤(2)得到的标准料条采用螺杆式喂料器输送到螺杆式挤出成型装置中，并经喷头挤出；
(4)将步骤(3)喷头挤出的物料在三维运动平台上逐层堆砌成型，制得密实的推进剂药柱。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明涉及一种热塑性复合固体推进剂及其制备方法，在不添加溶剂和液体增塑剂的前提下，热塑性复合固体推进剂的熔融温度低于95℃，熔融药浆粘度低，安全性能优异，能够通过熔融沉积工艺实现复合固推进剂的增材制造，其能量水平与中能热固性推进剂相当，未来可作为复杂药型固体发动机、分层可变推力固体发动机的动力源。
(2)本发明在热塑性固体推进剂增材制造过程中不添加溶剂和液体增塑剂，有效避免了溶剂废料处理、溶剂高效回收、溶剂有效去除、增塑剂迁移等系列问题，具有制造成本低，制备工序简化，药柱性能稳定性好等优点。
(3)在固体填料比例及种类确定的情况下，现有热塑性复合固体推进剂配方主要通过固体填料调节和工艺助剂增添两条技术途径实现熔融药浆粘度控制，调节范围有限。本发明在常规技术途径基础上，还可通过热塑性粘合剂和热塑性弹性体的组成及比例变化实现熔融药浆粘度调节，在增材制造过程中更易实现热塑性复合固体推进剂药浆出料速度与精度的控制。
(4)本发明通过立式混合机实现推进剂组分均匀混合，通过预成型机挤压或标准模具制备标准料条，通过熔融沉积工艺实现推进剂增材制造，工艺流程简单，可操作性强。
(5)采用较小的设备制造大尺寸的固体推进剂，成型设备系统的重量和体系显著减小，具有过程安全、成型效率高的优点。
对得到的推进剂进行能量水平(理论比冲、理论特征速度)、密度、安全性能、粘度的测试，测试结果表明制备的热塑性复合固体推进剂具备与中能热固性推进剂相当的能量水平，优异安全性能，低的粘度。
能量水平：按照Q/Gt60-95复合固体推进剂热力性能计算最小自由能法及程序计算获得。
密度：按照QJ917A-97复合固体推进剂及衬层、绝热材料的密度测定方法；
安全性能：按照GJB 770B-2005火药试验方法进行测试；
粘度：按照QJ1813.2-2005复合固体推进剂药浆粘度和使用期测定方法进行测试。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明，但保护范围并不仅限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
实施例1
一种热塑性复合固体推进剂，该固体推进剂的组成包括氧化剂、金属燃料、热塑性粘合剂、热塑性弹性体和助剂；
以该固体推进剂的总质量为100％计算，各组分的质量百分含量为：
氧化剂(高氯酸铵)：60％；
氧化剂(改性硝酸铵)：4％
金属燃料(球形铝粉)：15％；
热塑性粘合剂：10％；
热塑性弹性体：10％；
助剂：1％；
所述的热塑性粘合剂为一种或两种以上的饱和甘油三酸酯，由C、H、O三种元素构成，熔点处于75～85℃范围内、数均分子量介于700～1000；
所述的热塑性弹性体为乙酸乙烯含量介于15％～20％的乙烯-乙酸乙烯共聚物；
所述的助剂为硬脂酸、白炭黑、氧化铁、辛基二茂铁、N,N-二甲基苯胺的混合物，在配方中质量含量依次为0.6％、0.1％、0.1％、0.1％、0.1％。
一种热塑性复合固体推进剂的制备方法，该方法的步骤包括：
(1)采用2L立式混合机将金属燃料、热塑性粘合剂、热塑性弹性体、助剂、氧化剂按照一定加料顺序混合，得到均一浆料；
(2)将步骤(1)得到的均一浆料经过预成型机挤压制备为标准料条；
(3)将步骤(2)得到的标准料条采用螺杆式喂料器输送到螺杆式挤出成型装置中，并经喷头挤出；
(4)将步骤(3)喷头挤出的物料在三维运动平台上逐层堆砌成型，制得密实的推进剂药柱。
将上述制备得到的热塑性复合固体推进剂进行性能测试，得到的结果为：比冲2459.8N·s/kg；特征速度1519.1m/s；密度1.63g/cm3；摩擦感度60％(60°，2.5MPa)；在落高50.0cm撞击能98N条件下，撞击感度I50为45.8J；静电感度E50大于374.4mJ(测试电容3900×3PF，针距0.5mm)；90℃粘度191.8Ps·s。
实施例2
一种热塑性复合固体推进剂，该固体推进剂的组成包括氧化剂、金属燃料、热塑性粘合剂、热塑性弹性体和助剂；
以该固体推进剂的总质量为100％计算，各组分的质量百分含量为：
氧化剂(高氯酸铵)：60％；
氧化剂(RDX)：2％
氧化剂(HMX)：1％
氧化剂(TATB)：0.5％
金属燃料(PET包覆球形铝粉)：15％；
热塑性粘合剂：15％；
热塑性弹性体：5％；
助剂：1.5％；
所述的热塑性粘合剂为一种或两种以上的饱和甘油三酸酯，由C、H、O三种元素构成，熔点处于75～85℃范围内、数均分子量介于700～1000；
所述的热塑性弹性体为乙酸乙烯含量介于15％～20％的乙烯-乙酸乙烯共聚物；
所述的助剂为硬脂酸甲酯、3-氨基1,2,4-三唑络高氯酸铜、亚铬酸铜、N-环己基-N’-苯基对苯二胺混合物，在配方中质量含量依次为1.0％、0.2％、0.2％、0.1％。
一种热塑性复合固体推进剂的制备方法，该方法的步骤包括：
(1)采用2L立式混合机将金属燃料、热塑性粘合剂、热塑性弹性体、助剂、氧化剂按照一定加料顺序混合，得到均一浆料；
(2)将步骤(1)得到的均一浆料经过标准模具制备为标准料条；
(3)将步骤(2)得到的标准料条采用螺杆式喂料器输送到螺杆式挤出成型装置中，并经喷头挤出；
(4)将步骤(3)喷头挤出的物料在三维运动平台上逐层堆砌成型，制得密实的推进剂药柱。
将上述制备得到的热塑性复合固体推进剂进行性能测试，，得到的结果为：比冲2452.6N*s/kg；特征速度1506.6m/s；密度1.61g/cm3；摩擦感度40％(66°，2.5MPa)；在落高50.0cm撞击能98N条件下，撞击感度I50为37.1J；静电感度E50大于374.4mJ(测试电容3900×3PF，针距0.5mm)；90℃粘度117.6Ps·s。
实施例3
一种热塑性复合固体推进剂，该固体推进剂的组成包括氧化剂、金属燃料、热塑性粘合剂、热塑性弹性体和助剂；
以该固体推进剂的总质量为100％计算，各组分的质量百分含量为：
氧化剂(高氯酸铵)：58％；
氧化剂(NTO)：1％；
氧化剂(TKX-50)：1％
金属燃料(PTFE包覆球形Al95Mg5合金)：20％；
热塑性粘合剂：8％；
热塑性弹性体：10％；
助剂：2％；
所述的热塑性粘合剂为一种或两种以上的饱和甘油三酸酯，由C、H、O三种元素构成，熔点处于70～80℃范围内、数均分子量介于500～700；
所述的热塑性弹性体为乙酸乙烯含量介于20％～30％的乙烯-乙酸乙烯共聚物；
所述的助剂为硬脂酸、钛酸酯、草酸铵、草酸钠、亚甲基二苯胺的混合物，在配方中质量含量依次为1.0％、0.5％、0.1％、0.1％、0.3％。
一种热塑性复合固体推进剂的制备方法，该方法的步骤包括：
(1)采用5L立式混合机将金属燃料、热塑性粘合剂、热塑性弹性体、助剂、氧化剂按照一定加料顺序混合，得到均一浆料；
(2)将步骤(1)得到的均一浆料经过预成型机挤压制备为标准料条；
(3)将步骤(2)得到的标准料条采用螺杆式喂料器输送到螺杆式挤出成型装置中，并经喷头挤出；
(4)将步骤(3)喷头挤出的物料在三维运动平台上逐层堆砌成型，制得密实的推进剂药柱。
将上述制备得到的热塑性复合固体推进剂进行性能测试，得到的结果为：比冲2499.4N*s/kg；特征速度1530.4m/s；密度1.65g/cm3；摩擦感度20％(66°，2.5MPa)；在落高50.0cm撞击能98N条件下，撞击感度I50为36.0J；静电感度E50大于374.4mJ(测试电容3900×3PF，针距0.5mm)；90℃粘度458.4Ps·s。
实施例4
一种热塑性复合固体推进剂，该固体推进剂的组成包括氧化剂、金属燃料、热塑性粘合剂、热塑性弹性体和助剂；
以该固体推进剂的总质量为100％计算，各组分的质量百分含量为：
氧化剂(高氯酸铵)：60％；
氧化剂(CL-20)：7％；
金属燃料(球形Al90B10合金)：17％；
热塑性粘合剂：10％；
热塑性弹性体：5％；
助剂：1％；
所述的热塑性粘合剂为一种或两种以上的饱和甘油三酸酯，由C、H、O三种元素构成，熔点处于70～80℃范围内、数均分子量介于500～700；
所述的热塑性弹性体为乙酸乙烯含量介于30％～45％的乙烯-乙酸乙烯共聚物；
所述的助剂为硬脂酸甲酯、氟化锂、草酸铵、草酸二乙酯、N-环己基对乙氧基苯胺的混合物，在配方中质量含量依次为0.5％、0.2％、0.1％、0.1％、0.1％。
一种热塑性复合固体推进剂的制备方法，该方法的步骤包括：
(1)采用5L立式混合机将金属燃料、热塑性粘合剂、热塑性弹性体、助剂、氧化剂按照一定加料顺序混合，得到均一浆料；
(2)将步骤(1)得到的均一浆料经过标准模具制备为标准料条；
(3)将步骤(2)得到的标准料条采用螺杆式喂料器输送到螺杆式挤出成型装置中，并经喷头挤出；
(4)将步骤(3)喷头挤出的物料在三维运动平台上逐层堆砌成型，制得密实的推进剂药柱。
将上述制备得到的热塑性复合固体推进剂进行性能测试，得到的结果为：比冲2410.2N*s/kg；特征速度1402.1m/s；密度1.73g/cm3；摩擦感度12％(66°，2.5MPa)；在落高50.0cm撞击能98N条件下，撞击感度I50为39.0J；静电感度E50大于374.4mJ(测试电容3900×3PF，针距0.5mm)；90℃粘度269.7Ps·s。
本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。

Claims (10)

1.一种热塑性复合固体推进剂，其特征在于：该固体推进剂的组成包括氧化剂、金属燃料、热塑性粘合剂、热塑性弹性体和助剂；
以该固体推进剂的总质量为100％计算，各组分的质量百分含量为：
氧化剂：60％～67％；
金属燃料：15％～20％；
热塑性粘合剂：5％～15％；
热塑性弹性体：5％～10％；
助剂：1.0％～2.0％。
2.根据权利要求1所述的一种热塑性复合固体推进剂，其特征在于：所述的氧化剂为高氯酸铵、改性硝酸铵、黑索今(RDX)、奥克托今(HMX)、三氨基三硝基苯(TATB)、3-硝基-1,2,4-三唑-5-酮(NTO)、1,1’-二羟基-5,5’-联四唑二羟胺盐(TKX-50)、六硝基六氮杂异戊兹烷(CL-20)中的一种或两种以上的混合物。
3.根据权利要求1所述的一种热塑性复合固体推进剂，其特征在于：所述的金属燃料为球形铝粉、球形铝镁合金、球形铝硼合金中的一种或两种以上的混合物。
4.根据权利要求3所述的一种热塑性复合固体推进剂，其特征在于：使用包覆剂对金属燃料进行包覆处理。
5.根据权利要求4所述的一种热塑性复合固体推进剂，其特征在于：所述的包覆剂为端羟基环氧乙烷-四氢呋喃共聚醚(PET)、端羟基聚丁二烯(HTPB)、聚乙二醇(PEG)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚四氟乙烯(PTFE)中的一种或两种以上的混合物。
6.根据权利要求1所述的一种热塑性复合固体推进剂，其特征在于：所述的热塑性粘合剂为一种饱和甘油三酸酯或两种以上的饱和甘油三酸酯的混合物，饱和甘油三酸酯由C、H、O三种元素构成，熔点处于75～95℃范围内、数均分子量介于500～1000。
7.根据权利要求1所述的一种热塑性复合固体推进剂，其特征在于：所述的热塑性弹性体为乙酸乙烯含量介于15％～45％的乙烯-乙酸乙烯共聚物。
8.根据权利要求1所述的一种热塑性复合固体推进剂，其特征在于：所述的助剂包括工艺改性剂、燃速调节剂和防老剂。
9.根据权利要求1或8所述的一种热塑性复合固体推进剂，其特征在于：所述的助剂为硬脂酸、硬脂酸甲酯、白炭黑、钛酸酯、氟化锂、氧化铁、辛基二茂铁、3-氨基1,2,4-三唑络高氯酸铜、亚铬酸铜、草酸铵、草酸钠、草酸二乙酯、N,N-二甲基苯胺、N-环己基-N’-苯基对苯二胺、亚甲基二苯胺、N-环己基对乙氧基苯胺中的一种或两种以上的混合物。
10.一种热塑性复合固体推进剂的制备方法，其特征在于该方法的步骤包括：
(1)采用立式混合机将金属燃料、热塑性粘合剂、热塑性弹性体、助剂、氧化剂进行混合，得到均一浆料；
(2)将步骤(1)得到的均一浆料制备成标准料条；
(3)将步骤(2)得到的标准料条采用螺杆式喂料器输送到螺杆式挤出成型装置中，并经喷头挤出；
(4)将步骤(3)喷头挤出的物料在三维运动平台上逐层堆砌成型，得到推进剂药柱。
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