CN113354494A - 一种新型高密度比冲推进剂及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种新型高密度比冲推进剂，包含主要组分的质量百分比如下：金属燃料：25％～40％；氧化剂：55％～70％；粘结剂：1％～5％。采用增材制造工艺制备金属燃料骨架，再将氧化剂填充进金属燃料骨架中制备得到高密度比冲推进剂。该方法将固体推进剂设计成微观有序的结构，同时将固体推进剂中固体填料转变为结构材料，在提供能量的同时拥有一定的强度，维持推进剂的结构完整性，形成理论密度比冲大于510g·s/cm3的新型固体推进剂。

Description

一种新型高密度比冲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技术领域，具体涉及一种理论密度比冲大于510g·s/cm3的新型高密度比冲固体推进剂及其制备方法。
背景技术
固体推进剂技术是导弹武器和航天运载等装备的共用技术、支撑技术，也是制约技术，直接影响导弹武器装备的投掷能力以及综合作战效能，有效推动导弹武器装备的更新换代，对打赢未来信息化、智能化等高技术条件下的战争和建立有效的战略核威慑力量、增强国防实力有着举足轻重的作用。
密度比冲是全面评价固体推进剂能量特性的指标参数，高密度比冲推进剂可实现高质量比发动机制备，对提高导弹射程有利。“导弹发展，动力先行；动力发展，推进剂先行”，更高能量固体动力技术是导弹武器发展的关键基础技术，在导弹武器的发展过程中，能否打破传统固体动力的能量极限起着决定性的作用。
基于目前已工程应用的高能量密度材料，计算显示要实现超高比冲需要尽可能地降低粘合剂用量，提升固体填料引入量。而为确保推进剂药块的结构完整性，常规推进剂中粘合剂用量约为10％～25％。而且常规固体推进剂因粘合剂固化体系相容性问题，很多新型高能量密度材料无法用到推进剂中，配方能量性能提升困难。目前，国内外均投入很大精力研究探索突破性的下一代高能固体推进剂技术途径，以推动军用固体动力系统性能的跃迁。我们与美国等军事先进国家基本处于同一个起跑线上，谁先突破、谁先应用，谁就将抢先占领专业技术发展及武器装备升级的制高点。
发明内容
本发明的目的在于克服上述缺陷，提供一种新型高密度比冲推进剂及其制备方法，采用激光选区熔化成形技术，将固体推进剂中的金属燃料打印成为主体骨架，再将氧化剂和粘合剂填充进金属燃料骨架的空穴中制备得到高密度比冲推进剂，形成理论密度比冲大于510g·s/cm3的新型固体推进剂。
为实现上述发明目的，本发明提供如下技术方案：
一种新型高密度比冲推进剂，包含如下质量百分比的组分：
金属燃料：25％～40％；
氧化剂：55％～70％；
粘结剂：1％～5％；
所述金属燃料为采用增材制造方法打印的三维空间点阵结构的骨架，所述氧化剂和粘结剂为骨架内部的填充物。
进一步的，金属燃料为铝基合金粉；所述铝基合金粉中所含铝的质量百分比不低于90％。
进一步的，所述金属燃料三维空间点阵结构的骨架包括多个点阵晶胞，多个点阵晶胞之间呈周期性阵列排布；所述点阵晶胞为由杆围成的镂空多面体结构。
进一步的，所述杆的截面为圆形；杆的长度为1～5mm，截面的直径为0.2mm～0.8mm。
进一步的，所述点阵晶胞为四面体、八面体或十二面体中的一种或一种以上组合。
进一步的，所述氧化剂为高氯酸铵AP、高氯酸镁、二硝酰氨铵ADN或六硝基六氮杂异伍尔兹烷CL-20中的一种或一种以上组合。
进一步的，所述粘结剂为氟橡胶、乙烯-醋酸乙烯共聚物EVA、聚丙烯酸酯橡胶、顺丁橡胶或68#蜡中的一种或一种以上组合。
上述一种新型高密度比冲推进剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤:
(1)采用激光选区熔化成形方法，将金属燃料打印成为三维空间点阵结构的骨架；
(2)将粘合剂和氧化剂制成膏团状物料；
(3)将步骤(2)所得膏团状物料加入步骤(1)所得三维空间点阵结构的骨架中，压制得到一种新型高密度比冲推进剂。
进一步的，所述步骤(1)中，激光选区熔化成形打印条件为：激光功率200-400W，扫描速度600-1200mm/s，扫描间距0.05-0.1mm，扫描层厚0.03-0.05mm。
进一步的，所述步骤(2)中，粘合剂和氧化剂制成膏团状物料的方法为：
(21)将粘结剂在溶剂中浸泡1～3h后搅拌至充分溶解；
(22)将氧化剂加入步骤(21)所得产物中，搅拌至溶剂挥发，得到膏团状物料。
进一步的，所述步骤(2)中，溶剂为乙酸乙酯、甲苯或石油醚中的一种或一种以上组合。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
(1)本发明一种新型高密度比冲推进剂及其制备方法，并将氧化剂和粘合剂填充进入金属燃料骨架空穴中，使金属燃料骨架代替传统固体推进剂内的粘合剂高分子网络，突破了现有技术的局限，在提供能量的同时拥有一定的强度，维持推进剂的结构完整性，固含量接近100％，密度比冲更高，形成理论密度比冲大于510g·s/cm3的新型固体推进剂；
(2)本发明一种新型高密度比冲推进剂的制备方法，采用激光选区熔化成形方法，将金属燃料打印为三维空间点阵结构的骨架，并对骨架包括的多个点阵晶胞的具体参数进行了设计，将固体推进剂中固体填料转变为结构材料，使固体推进剂设计成微观有序的结构，使其结构均一，性能稳定；
(3)本发明一种新型高密度比冲推进剂，仅含有还原剂(金属燃料)、氧化剂和粘结剂，无需加入固化剂、防老剂等其他组分，配方简单，原材料无毒或低毒，环境友好，安全性好；
(4)本发明一种新型高密度比冲推进剂的制备方法，无需混合、浇注、固化等工艺，制备工艺流程高度简化，工艺成本和制备时间大幅度降低，质量可控性显著提高，提高了生产效率；
(5)本发明一种新型高密度比冲推进剂，有利于打破传统固体动力的能量极限，提高导弹射程，在导弹武器和航天运载有着广阔的应用前景。
具体实施方式
下面通过对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。
在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。
本发明一种新型高密度比冲推进剂，包含如下质量百分比的组分：
金属燃料：25％～40％；
氧化剂：55％～70％；
粘结剂：1％～5％；
所述金属燃料为采用增材制造方法打印的三维空间点阵结构的骨架，所述氧化剂和粘结剂为骨架内部的填充物。
进一步的，金属燃料为铝基合金粉；所述铝基合金粉中所含铝的质量百分比不低于90％。
进一步的，金属燃料三维空间点阵结构的骨架包括多个点阵晶胞，多个点阵晶胞之间呈周期性阵列排布；所述点阵晶胞为由杆状金属燃料围成的镂空多面体结构。
进一步的，杆状金属燃料的截面为圆形；杆状金属燃料的长度为1～5mm，截面的直径为0.2mm～0.8mm。
进一步的，所述点阵晶胞为四面体、八面体或十二面体中的一种或一种以上组合。
进一步的，氧化剂为高氯酸铵AP、高氯酸镁、二硝酰氨铵ADN或六硝基六氮杂异伍尔兹烷CL-20中的一种或一种以上组合。
进一步的，粘结剂为氟橡胶、乙烯-醋酸乙烯共聚物EVA、聚丙烯酸酯橡胶、顺丁橡胶或68#蜡中的一种或一种以上组合。
上述一种新型高密度比冲推进剂的制备方法，包括以下步骤:
(1)采用激光选区熔化成形方法，将金属燃料打印成为三维空间点阵结构的骨架；
(2)将粘合剂和氧化剂制成膏团状物料；
(3)将步骤(2)所得膏团状物料加入步骤(1)所得三维空间点阵结构的骨架空穴中，压制成致密的均一整体，得到一种新型高密度比冲推进剂。
进一步的，步骤(1)中，激光选区熔化成形打印条件为：激光功率200-400W，扫描速度600-1200mm/s，扫描间距0.05-0.1mm，扫描层厚0.03-0.05mm。
进一步的，步骤(2)中，粘合剂和氧化剂制成膏团状物料的方法为：
(21)将粘结剂在溶剂中浸泡1～3h后搅拌至充分溶解；
(22)将氧化剂加入步骤(21)所得产物中，搅拌至溶剂挥发，得到膏团状物料。
进一步的，步骤(22)中，将称好的粘结剂加入适量溶剂中，静置浸泡2h，并超声搅拌直至其充分溶解。再将称取好的氧化剂加入粘结剂溶液中，搅拌均匀，直至烧杯中的溶剂挥发使得整个物料形成膏团状；
进一步的，步骤(2)中，溶剂为乙酸乙酯、甲苯或石油醚中的一种或一种以上组合。
实施例1
表1实施例1新型高密度比冲推进剂配方
配方组成 质量百分比含量(％)
金属燃料(铝基合金粉) 25
氧化剂(CL-20) 70
粘结剂(乙烯-醋酸乙烯共聚物) 5
表2实施例1所得推进剂性能
密度/(g/cm<sup>3</sup>) 2.04
理论密度比冲/(g·s/cm<sup>3</sup>) 511.26
实施例2
表3实施例2新型高密度比冲推进剂配方
配方组成 质量百分比含量(％)
金属燃料(铝基合金粉) 30
氧化剂(AP) 67
粘结剂(68<sup>#</sup>蜡) 3
表4实施例2所得推进剂性能
密度/(g/cm<sup>3</sup>) 2.03
理论密度比冲/(g·s/cm<sup>3</sup>) 518.12
实施例3
表5实施例3新型高密度比冲推进剂配方
配方组成 质量百分比含量(％)
金属燃料(铝基合金粉) 35
氧化剂(高氯酸镁) 63
粘结剂(氟橡胶) 2
表6实施例3所得推进剂性能
密度(g/cm<sup>3</sup>) 2.61
理论密度比冲/(g·s/cm<sup>3</sup>) 522.65
实施例4
表7实施例4新型高密度比冲推进剂配方
配方组成 质量百分比含量(％)
金属燃料(铝基合金粉) 40
氧化剂(ADN) 59
粘结剂(聚丙烯酸酯橡胶) 1
表8实施例4所得推进剂性能
Figure BDA0003111207740000061
Figure BDA0003111207740000071
实施例5
表9实施例5新型高密度比冲推进剂配方
配方组成 质量百分比含量(％)
金属燃料(铝基合金粉) 40
氧化剂(AP/高氯酸镁＝1/10) 55
粘结剂(EVA/68#蜡＝1/1) 5
表10实施例5所得推进剂性能
密度(g/cm<sup>3</sup>) 2.45
理论密度比冲/(g·s/cm<sup>3</sup>) 515.28
根据实施例1-5所得推进剂性能，本发明通过激光选区熔化成形方法所得新型高密度比冲推进剂的理论密度比冲均大于510g·s/cm3，与现有推进剂的密度比冲相比有了较大提高，有利于打破传统固体动力的能量极限，提高导弹射程，在导弹武器和航天运载有着广阔的应用前景。
以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (11)

1.一种新型高密度比冲推进剂，其特征在于，包含如下质量百分比的组分：
金属燃料：25％～40％；
氧化剂：55％～70％；
粘结剂：1％～5％；
所述金属燃料为采用增材制造方法打印的三维空间点阵结构的骨架，所述氧化剂和粘结剂为骨架内部的填充物。
2.根据权利要求1所述的一种新型高密度比冲推进剂，其特征在于，所述金属燃料为铝基合金粉；所述铝基合金粉中所含铝的质量百分比不低于90％。
3.根据权利要求1所述的一种新型高密度比冲推进剂，其特征在于，所述金属燃料三维空间点阵结构的骨架包括多个点阵晶胞，多个点阵晶胞之间呈周期性阵列排布；所述点阵晶胞为由杆围成的镂空多面体结构。
4.根据权利要求3所述的一种新型高密度比冲推进剂，其特征在于，所述杆的截面为圆形；杆的长度为1～5mm，截面的直径为0.2mm～0.8mm。
5.根据权利要求3或4所述的一种新型高密度比冲推进剂，其特征在于，所述点阵晶胞为四面体、八面体或十二面体中的一种或一种以上组合。
6.根据权利要求1所述的一种新型高密度比冲推进剂，其特征在于，所述氧化剂为高氯酸铵AP、高氯酸镁、二硝酰氨铵ADN或六硝基六氮杂异伍尔兹烷CL-20中的一种或一种以上组合。
7.根据权利要求1所述的一种新型高密度比冲推进剂，其特征在于，所述粘结剂为氟橡胶、乙烯-醋酸乙烯共聚物EVA、聚丙烯酸酯橡胶、顺丁橡胶或68#蜡中的一种或一种以上组合。
8.根据权利要求1-7任一项所述的一种新型高密度比冲推进剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤:
(1)采用激光选区熔化成形方法，将金属燃料打印成为三维空间点阵结构的骨架；
(2)将粘合剂和氧化剂制成膏团状物料；
(3)将步骤(2)所得膏团状物料加入步骤(1)所得三维空间点阵结构的骨架中，压制得到一种新型高密度比冲推进剂。
9.根据权利要求8所述的一种新型高密度比冲推进剂的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，激光选区熔化成形打印条件为：激光功率200-400W，扫描速度600-1200mm/s，扫描间距0.05-0.1mm，扫描层厚0.03-0.05mm。
10.根据权利要求8所述的一种新型高密度比冲推进剂的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，粘合剂和氧化剂制成膏团状物料的方法为：
(21)将粘结剂在溶剂中浸泡1～3h后搅拌至充分溶解；
(22)将氧化剂加入步骤(21)所得产物中，搅拌至溶剂挥发，得到膏团状物料。
11.根据权利要求8所述的一种新型高密度比冲推进剂的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，溶剂为乙酸乙酯、甲苯或石油醚中的一种或一种以上组合。
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