CN111333474A - 一种固体推进剂及其卧式增材制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种固体推进剂及其卧式增材制造方法，属于固体推进剂的制备技术领域，固体推进剂包括：金属添加剂、粘合剂、氧化剂、增塑剂和固化剂，其中所述金属添加剂的质量百分比为：18％～19％；所述粘合剂的质量百分比为：7％～9％；所述氧化剂的质量百分比为：47％～70％；所述增塑剂的质量百分比为：3.0％～4.0％；所述固化剂的质量百分比为：0.05％～0.06％。其中所述固化剂为异氰酸酯。本发明中的固体推进剂，在加热到一定温度后，产生化学反应，交链固化而变硬且这种变化是不可逆的，再次加热不能再变软流动，故在加热固化过程中，不会出现塑性变形的现象。

Description

一种固体推进剂及其卧式增材制造方法

技术领域

本发明涉及固体推进剂的制备技术领域，具体涉及一种固体推进剂及其卧式增材制造方法。

背景技术

固体推进剂是由固化剂、金属添加剂、氧化剂、含能材料等组分组成。传统的固体推进剂的制备过程中，需要将固体推进剂的组分进行均匀混合形成浆料，然后将浆料进行输送到成型装置中进行固化成型；其中，为了防止与氧化剂摩擦发生爆炸，金属添加剂在混合过程中使用粘合剂进行包覆。传统推进剂贴壁浇注工艺需要组合式芯模，药柱力学性能差，固化后收缩变形大，药柱成型精度低，工艺复杂，周期长，成本高。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于可克服现有技术中固体推进剂在加热固化成型过程中，容易产生塑性变形且固化时间较长的缺陷，提供了一种固体推进剂及其卧式增材制造方法。

为了解决上述技术问题，本发明提供的固体推进剂，属于含能的非均质聚氨酯弹性体基复合材料，包括：

金属添加剂、粘合剂、氧化剂、增塑剂和固化剂，其中所述金属添加剂的质量百分比为：18％～19％；所述粘合剂的质量百分比为：7％～9％；所述氧化剂的质量百分比为：47％～70％；所述增塑剂的质量百分比为：3.0％～4.0％；所述固化剂的质量百分比为：0.05％～0.06％；其中所述固化剂为异氰酸酯。

作为优选方案，所述固化剂为：甲苯二异氰酸酯。

作为优选方案，还包括：固化催化剂，质量百分比为0.002％。

作为优选方案，还包括：燃速催化剂，质量百分比为0.02％。

一种固体推进剂的卧式增材制造方法，包括以下步骤：

在预混系统中采用至少两组设备分别处理金属添加剂和氧化剂，使所述金属添加剂与粘合剂预混合为主料，使所述氧化剂与固化剂预混合为浆料；其中，所述固化剂为异氰酸酯；

在混合机中将所述主料和所述浆料混合为推进剂原料；

将推进剂原料输送至推进剂打印喷头的通道内，并根据需要调节推进剂打印喷头的输出流量大小；

通过执行机构驱动推进剂打印喷头在横向设置的装药燃烧室内进行三自由度运动，通过推进剂打印喷头将推进剂原料喷出，使推进剂原料在装药燃烧室内逐层堆砌成型；所述推进剂打印喷头在进行三自由度运动的过程中，所述装药燃烧室在旋转支撑机构的驱动下进行旋转移动。

作为优选方案，还包括以下步骤：

在推进剂原料从推进剂打印喷头的通道内喷出后，通过加热使推进剂原料固化成型。

作为优选方案，所述推进剂打印喷头内具有多个不同直径的通道。

作为优选方案，所述推进剂打印喷头内的多个通道为同心设置。

本发明技术方案，具有如下优点：

1.本发明提供的固体推进剂，包括：金属添加剂、粘合剂、氧化剂和固化剂，所述固化剂为异氰酸酯；所述固体推进剂在第一次加热时可以软化流动，加热到一定温度，产生化学反应，交链固化而变硬且这种变化是不可逆的，再次加热不能再变软流动，故在加热固化过程中，不会出现塑性变形的现象。

2.本发明提供的固体推进剂，固化催化剂与固体推进剂反应，降低推进剂的固化温度，缩短了固化时间。

3.本发明提供的固体推进剂，燃速催化剂利于提高固体推进剂的燃烧速度，缩短燃烧反应时间。

4.本发明提供的固体推进剂的卧式增材制造方法，在预混系统中采用至少两组设备分别处理金属添加剂和氧化剂，能够减少所述金属添加剂和氧化剂的接触，避免混合接触出现摩擦静电和热积聚，导致燃烧甚至爆炸的危险；推进剂原料输送至推进剂打印喷头的通道内，通过执行机构驱动推进剂打印喷头在横向设置的装药燃烧室内进行三自由度运动，通过推进剂打印喷头将推进剂原料喷出，使推进剂原料在装药燃烧室内逐层堆砌成型，能够加快燃烧室内固体推进剂的原型制造，无需复杂的组合式芯模，简单快速成型；推进剂打印喷头在进行三自由度运动的过程中，装药燃烧室在旋转支撑机构的驱动下进行旋转移动；装药燃烧室代替推进剂打印喷头旋转，避免推进剂打印喷头在打印过程中，打印喷头运动不平稳的现象和固体推进剂原料由于离心力出现流动性较大的现象。

5.本发明提供的固体推进剂的卧式增材制造方法，在推进剂原料从推进剂打印喷头的通道内喷出后，通过加热使推进剂原料快速固化成型。

6.本发明提供的固体推进剂的卧式增材制造方法，推进剂打印喷头内具有多个不同直径的通道，能够适应不同尺寸精度和速度需要的固体推进剂的打印。

7.本发明提供的固体推进剂的卧式增材制造方法，推进剂打印喷头内的多个通道为同心设置，避免更换通道时调整推进剂打印喷头的位置。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明中提供的卧式增材制造系统的主视图。

图2为推进剂打印喷头的俯视图。

图3为图2中A-A方向的主视剖视图。

附图标记说明：

1、推进剂打印喷头；2、前口；3、尾口；4、燃烧室。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

实施例1

本实施例的固体推进剂包括：金属添加剂、粘合剂、氧化剂、增塑剂和固化剂，还包括:中性键合剂、燃速催化剂和固化催化剂。其中所述固化剂为异氰酸酯。所述固化剂包括：甲苯二异氰酸酯、异佛尔酮二异氰酸酯中的至少一种。

本实施例的固体推进剂为三元组丁羟推进剂，所述三元组丁羟推进剂中各组分的质量百分比为：过氯酸胺69.5％、铝粉18.5％、端羟基聚丁二烯8.4％、癸二酸二异辛酯3.5％、甲苯二异氰酸酯0.058％、间苯二甲酰0.02％、氧化铁0.020％、三苯基铋0.002％。

其中，过氯酸胺作为氧化剂，其占原料的质量的百分比在47％～70％之间；

铝粉作为金属添加剂，其占原料的质量百分比在18％～19％之间；

端羟基聚丁二烯作为粘合剂，其占原料的质量百分比在7％～9％之间；

癸二酸二异辛酯作为增塑剂，其占原料的质量百分比在3％～4％之间；

甲苯二异氰酸酯作为固化剂，其占原料的质量百分比约为0.05％～0.06％；

三苯基铋作为固化催化剂，以微量添加,其占原料的质量百分比约为0.002％；

间苯二甲酰作为中性键合剂，其占原料的质量百分比约为0.02％；

氧化铁作为燃速催化剂，其占原料的质量百分比约为0.02％。

混合时，将氧化剂、固化剂、固化催化剂、中性键合剂和燃速催化剂作为一组进行预混合；将金属添加剂、粘合剂和增塑剂等作为另一组进行预混合。

上述三元组丁羟推进剂中，过氯酸胺的粒度级配为：粒径为250μm的含量为30％、粒径为120μm的含量为20％、粒径为20μm的含量为30％、粒径为1μm的含量为20％；铝粉的粒度级配为：粒径为165μm的含量为50％、粒径为30μm的含量为20％、粒径为20μm的含量为30％。

实施例2

本实施例的固体推进剂为四元组丁羟推进剂，所述四元组丁羟推进剂的各组分的质量百分比为：过氯酸胺47％、铝粉18％、奥克托金25％、端羟基聚丁二烯7％、癸二酸二异辛酯2.83％、甲苯二异氰酸酯0.048％、间苯二甲酰0.1％、氧化铁0.02％、三苯基铋0.002％。

上述四元组丁羟推进剂中，过氯酸胺的粒度级配为：粒径为250μm的含量为30％、粒径为120μm的含量为20％、粒径为20μm的含量为30％、粒径为1μm的含量为20％；铝粉的粒度级配为：粒径为165μm的含量为50％、粒径为30μm的含量为20％、粒径为20μm的含量为30％。

实施例3

本实施例提供一种固体推进剂的卧式增材制造方法，包括以下步骤：

步骤一：将固体推进剂的原料预混分为至少两组，使金属添加剂与氧化剂分开处理；

在金属添加剂所在分组内，粘合剂与所述金属添加剂预混合成主料；

在氧化剂所在分组内，所述氧化剂与固化剂等预混合为浆料；

在混合机中将所述主料和所述浆料混合为推进剂原料。

步骤二：将推进剂原料输送至推进剂打印喷头1的通道中；并根据需要调节推进剂打印喷头1的输出流量大小；所述推进剂打印喷头1内具有多个不同直径的同心通道，能够根据需要打印尺寸和速度，来选择相对应直径的通道。

如图2、图3所示，推进剂打印喷头1为锥形结构，各个打印通道同心设置，所述推进剂打印喷头1截面积的换算直径为5mm～10mm，所述推进剂打印喷头1的流速为1m/s～2m/s。

步骤三：通过执行机构驱动推进剂打印喷头1在横向设置的燃烧室4内进行三自由度运动，并通过推进剂打印喷头1喷出，使原料在燃烧室4内逐层堆砌成型。同时，燃烧室4在旋转支撑机构的驱动下进行旋转移动。

如图1所示，燃烧室4具有前口2和尾口3，所述燃烧室4与旋转支撑机构的驱动端连接，所述燃烧室4呈轴向水平安放状态；所述旋转支撑机构的驱动端采用电机，驱动燃烧室4沿其水平轴进行旋转；执行机构的机械臂驱动推进剂打印喷头1进入所述燃烧室4的内腔。软件预先将固体推进剂的三自由度CAD模型设计好，接着通过软件控制系统将所述三自由度CAD模型转换成适合于推进剂打印喷头1运动的增材打印坐标系以及打印路径；所述执行机构的机械臂驱动所述推进剂打印喷头1在所述燃烧室4的内腔内按照所述打印路径进行三自由度运动。

步骤四：固化剂并通过加热使推进剂原料快速固化成型。

工作原理及过程：

旋转支撑机构的驱动端驱动燃烧室4绕其轴线旋转某一角度后停下，在纵向垂直面内执行机构的机械臂驱动推进剂打印喷头1从一端水平运动到另一端，同时喷射推进剂液滴，液滴经固化成型；接着燃烧室4绕其轴线再次旋转某一角度后停下，喷头再从一端水平运动并回到另一端，同时喷射推进剂液滴，液滴快速固化和成型；依次循环往复，燃烧室4旋转一周并完成周向一层推进剂的喷射、固化和成型。然后，喷头沿垂直方向提升一层高度，重复上述往复打印过程，直到符合药柱尺寸设计要求，从而完成“燃烧室4旋转—水平打印—垂直提升”的增材制造工艺过程。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (8)

1.一种固体推进剂，其特征在于，属于含能的非均质聚氨酯弹性体基复合材料，包括：金属添加剂、粘合剂、氧化剂、增塑剂和固化剂，其中所述金属添加剂的质量百分比为：18％～19％；所述粘合剂的质量百分比为：7％～9％；所述氧化剂的质量百分比为：47％～70％；所述增塑剂的质量百分比为：3.0％～4.0％；所述固化剂的质量百分比为：0.05％～0.06％；其中所述固化剂为异氰酸酯。

2.根据权利要求1所述的固体推进剂，其特征在于，所述固化剂为：甲苯二异氰酸酯。

3.根据权利要求1所述的固体推进剂，其特征在于，还包括：固化催化剂，质量百分比为0.002％。

4.根据权利要求1所述的固体推进剂，其特征在于，还包括：燃速催化剂，质量百分比为0.02％。

5.一种固体推进剂的卧式增材制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

在预混系统中采用至少两组设备分别处理金属添加剂和氧化剂，使所述金属添加剂与粘合剂预混合为主料，使所述氧化剂与固化剂预混合为浆料；其中，所述固化剂中为异氰酸酯；

在混合机中将所述主料和所述浆料混合为推进剂原料；

将推进剂原料输送至推进剂打印喷头(1)的通道内，并根据需要调节推进剂打印喷头(1)的输出流量大小；

通过执行机构驱动推进剂打印喷头(1)在横向设置的装药燃烧室(4)内进行三自由度运动，通过推进剂打印喷头(1)将推进剂原料喷出，使推进剂原料在装药燃烧室(4)内逐层堆砌成型；所述推进剂打印喷头(1)在进行三自由度运动的过程中，所述装药燃烧室(4)在旋转支撑机构的驱动下进行旋转移动。

6.根据权利要求5所述的固体推进剂的卧式增材制造方法，其特征在于，还包括以下步骤：

在推进剂原料从推进剂打印喷头(1)的通道内喷出后，通过加热使推进剂原料固化成型。

7.根据权利要求5所述的固体推进剂的卧式增材制造方法，其特征在于，所述推进剂打印喷头(1)内具有多个不同直径的通道。

8.根据权利要求7所述的固体推进剂的卧式增材制造方法，其特征在于，所述推进剂打印喷头(1)内的多个通道为同心设置。

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