CN116478002B - 一种高热值低产气的启动药剂及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高热值低产气的启动药剂及其制备方法，按质量百分比包括氧化剂：30％～50％；Al粉：20％～40％；金属氧化物：10％～20％；分散剂：3％～10％；粘合剂体系：5％～15％；性能调节剂：0.5％～3％；粘合剂体系包括粘合剂和固化剂，粘合剂为二水磷酸二氢铝、三水磷酸二氢铝、四水磷酸二氢铝、磷酸二氢镁、磷酸二氢铬、磷酸二氢锆和磷酸二氢铬铝中的一种或多种；该启动药剂通过在配方体系中采用不含碳、氮的无机粘合剂体系、添加可与铝发生剧烈反应产生大量热量的金属氧化物、添加性能调节剂等技术途径，解决了启动药剂因为有机粘合剂体系在燃烧后产生大量气体，从而导致锅炉反应器内产生较高的压力破坏锅炉本体的问题。
Description
技术领域
本发明涉及水下推进和鱼雷武器启动药剂技术领域，具体涉及一种高热值低产气的启动药剂及其制备方法。
背景技术
近年来人们对海洋资源的日益关注，越来越多的技术也在向水中应用转型和发展，火箭发动机技术和水下热动力的结合就是一个很好的组合；与火箭的工作方式类似，水下航行体也可以通过自身携带燃料和氧化剂克服复杂的水下环境，将能源转化为工质的动能，继而转化为推力；相较于电动力系统，热动力推进系的优势就在于能量密度大、航速高等方面，有着良好的发展前景，若能克服传统热动力噪声大和易受海水背压的影响，应用前景不可限量。
OTTO-Ⅱ是现今广为应用的典型热动力推进剂，但OTTO-Ⅱ是一种贫氧燃料，工作时燃烧不充分，产生的能量和比冲较低；此外燃烧后的燃气中含有大量的不溶于水气体，深水的高背压环境严重地影响了发动机的输出功率，降低了航行体的航速与航程，同时还会产生明显的尾迹；而贮备化学能推进系统(stored chemical energy propulsion system，简称SCEPS)这一新型推进系统的出现解决了这项难题，该系统自身携带氧化剂和燃料，且反应产物全部留于系统内，不必向外排放燃气，形成闭式循环动力系统，因而不受海水背压的影响，是目前深水航行中最佳的解决方案。
Li/SF6闭式循环动力系统具有非常突出的优点，但要将此系统投入实用，必须首先解决快速启动问题，闭式循环动力系统启动过程为：金属锂以固态形式储存于锅炉反应器中，启动药放在成型的孔穴中，接到点火指令后，首先引燃启动药，瞬间放出大量热量，使金属锂熔融到一定温度，然后通过喷嘴向反应器内浸没喷射六氟化硫，锂与六氟化硫反应放热，加热工质水，生成过热蒸汽，驱动汽轮机工作；由于锂的比热容比较大，它的融化需要大量热量，并且这个过程需要在几秒钟内完成，使用电加热是难以想象的，只有采用高能点火药才能满足快速启动的要求；而且锅炉反应器燃烧室是一个密闭的空间，容积非常有限，大部分空间用来装锂，点火药只能装在余下的空隙里，如果启动药燃烧产生的气体产物不能被及时吸收，会在锅炉反应器内产生较高的压力，过高的压力不仅会破坏锅炉反应器本体，还会阻止氧化剂的喷入。
而现有启动药剂燃烧后都会产生大量气体并且在高温下会使锅炉内压力急剧上升破坏锅炉本体，因此现有启动药剂很难实现闭式循环动力系统的快速启动过程，亟需寻找暴热高、爆压低的启动药剂。
发明内容
针对上述问题，本发明的第一个目的是提供一种高热值低产气的启动药剂，该启动药剂通过在配方体系中采用不含碳、氮的无机粘合剂体系、添加可与铝发生剧烈反应产生大量热量的金属氧化物、添加性能调节剂等技术途径，解决了启动药剂因为有机粘合剂体系在燃烧后产生大量气体，从而导致锅炉反应器内产生较高的压力破坏锅炉本体；以及解决了传统启动药热值低的问题，可以满足先进Li/SF6闭式循环动力系统快速启动的需求。
本发明的第二个目的是提供上述一种高热值低产气的启动药剂的制备方法。
本发明所采用的第一个技术方案是：一种高热值低产气的启动药剂，按质量百分比包括以下组分：
氧化剂：30％～50％；
Al粉：20％～40％；
金属氧化物：10％～20％；
分散剂：3％～10％；
粘合剂体系：5％～15％；
性能调节剂：0.5％～3％；
所述粘合剂体系包括粘合剂和固化剂，所述粘合剂为二水磷酸二氢铝、三水磷酸二氢铝、四水磷酸二氢铝、磷酸二氢镁、磷酸二氢铬、磷酸二氢锆和磷酸二氢铬铝中的一种或多种。
优选地，所述氧化剂为四氟硼酸钾、高碘酸铁、高氯酸钾、高锰酸钾和氯酸钾中的一种或多种。
优选地，所述氧化剂的粒径为1μm～100μm。
优选地，所述Al粉为球形铝粉，粒径为0.1μm～20μm。
优选地，所述金属氧化物为三氧化二铁、四氧化三铁、二氧化锰、五氧化二钒和三氧化钼中的一种或多种。
优选地，所述金属氧化物的粒径为1μm～30μm。
优选地，所述分散剂为水、二氯甲烷、丙酮、乙醇和甲醇中的一种或多种。
优选地，所述固化剂为氧化铜、氧化铬、氢氧化铝、氢氧化镁、氧化镁和硅酸钠中的一种或多种。
优选地，所述性能调节剂为氟化钠、氟化铵、氟化钾、氟化锂、聚四氟乙烯、氟化锂、偏氟乙烯和聚三氟乙烯中的一种或多种。
本发明所采用的第二个技术方案是：一种如第一个技术方案中所述高热值低产气的启动药剂的制备方法，包括以下步骤：
S1：称量各组分，待用；
S2：将金属氧化物、氧化剂、Al粉、粘合剂体系、分散剂和性能调节剂依次进行混合，待体系完全混合均匀出料，得到料浆；
S3：将所述料浆进行真空浇注，并固化得到高热值低产气的启动药剂。
上述技术方案的有益效果：
(1)本发明公开的一种高热值低产气的启动药剂通过采用不含碳、氮的无机粘合剂体系、添加可与铝发生剧烈反应产生大量热量的金属氧化物、添加性能调节剂等技术途径，有效降低了启动药剂燃烧产物中气体的产生，实现了启动药剂高热值低产气量。
(2)本发明公开的一种高热值低产气的启动药剂解决了启动药剂气体燃烧产物多压力大，热值低的问题，提高了启动药剂在Li/SF6闭式循环动力系统的工作可靠性，可以满足先进Li/SF6闭式循环动力系统快速启动的需求。
(3)本发明公开的一种高热值低产气的启动药剂的热值超过25MJ/Kg、燃烧产物气体含量低于1％，是高热值低产气推进剂，能用于水下重型深水航行鱼雷发动机启动，为深海鱼雷作战应用提供了重要的技术支撑，具有广阔的应用前景。
附图说明
图1为本发明一种高热值低产气的启动药剂的制备方法的工艺流程图。
具体实施方式
下面通过具体的实施例对本发明进一步说明，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干变型和改进，这些也应视为属于本发明的保护范围。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。
本发明公开了一种高热值低产气的启动药剂，按质量百分比包括：氧化剂：30％～50％；Al粉：20％～40％；金属氧化物：10％～20％；分散剂：3％～10％；粘合剂体系：5％～15％；性能调节剂：0.5％～3％；各原料的质量百分比之和为100％。
其中，粘合剂体系包括粘合剂和固化剂，粘合剂体系中粘合剂和固化剂的质量配比为4：1～7：1，粘合剂为二水磷酸二氢铝、三水磷酸二氢铝、四水磷酸二氢铝、磷酸二氢镁、磷酸二氢铬、磷酸二氢锆和磷酸二氢铬铝中的一种或多种；固化剂为氧化铜、氧化铬、氢氧化铝、氢氧化镁、氧化镁和硅酸钠中的一种或多种。
氧化剂为四氟硼酸钾、高碘酸铁、高氯酸钾、高锰酸钾和氯酸钾中的一种或多种；氧化剂的粒径为1μm～100μm；Al粉为球形铝粉，粒径为0.1μm～20μm。
金属氧化物为三氧化二铁、四氧化三铁、二氧化锰、五氧化二钒和三氧化钼中的一种或多种；金属氧化物的粒径为1μm～30μm。
分散剂为水、二氯甲烷、丙酮、乙醇和甲醇中的一种或多种；性能调节剂为氟化钠、氟化铵、氟化钾、氟化锂、聚四氟乙烯、氟化锂、偏氟乙烯和聚三氟乙烯中的一种或多种。
如图1所示，通过以下步骤制备高热值低产气的启动药剂：
S1：称量：在干燥的环境中精确称量各组分，待用；
S2：混合：将金属氧化物、氧化剂、Al粉、粘合剂体系、分散剂和性能调节剂依次加入到立式混合机中进行混合，控制混合温度30℃～50℃，待体系完全混合均匀出料，得到料浆；
S3：浇注、固化：将料浆进行真空浇注，并在50℃～70℃干燥环境中固化得到高热值低产气的启动药剂。
将制得的启动药剂进行以下表征：
1)实测热值，参照标准WJ 20135-2016《贫氧推进剂燃烧热值测定恒温法》进行检测；
2)燃速，参照标准QJ 912-1985《复合固体推进剂药条燃速的水下声发射测定方法》进行检测；
3)燃烧效率，采用燃烧效率分析仪进行检测；
4)燃烧产物气体含量，采用排水法进行检测；
5)启动药剂的密度，参照标准QJ 917A-1997《复合固体推进剂及衬层、绝热材料的密度测定方法》进行测定。
实施例1
按以下配方(按质量百分比计算)分别称取各物料：
将上述称取的三氧化二铁、高氯酸钾、Al粉、粘合剂体系、分散剂和性能调节剂依次加入到立式混合机中进行混合，控制混合温度30℃～50℃，待体系完全混合均匀出料，得到料浆；将料浆进行真空浇注，并在50℃～70℃干燥环境中固化得到高热值低产气的启动药剂。
将制得的高热值低产气的启动药剂进行各性能的测定，经测定，制得的高热值低产气的启动药剂的实测热值Hu为30.2MJ·kg-1，0.5MPa燃速r为15.6mm/s；密度ρ为2.58g/cm3；燃烧效率为94.6％；燃烧产物气体含量为0.1％。
实施例2
按以下配方(按质量百分比计算)分别称取各物料：
将上述称取的二氧化锰、高氯酸钾、氯酸钾、Al粉、粘合剂体系、分散剂和性能调节剂依次加入到立式混合机中进行混合，控制混合温度30℃～50℃，待体系完全混合均匀出料，得到料浆；将料浆进行真空浇注，并在50℃～70℃干燥环境中固化得到高热值低产气的启动药剂。
将制得的高热值低产气的启动药剂进行各性能的测定，经测定，制得的高热值低产气的启动药剂的实测热值Hu为28.6MJ·kg-1，0.5MPa燃速r为17.1mm/s；密度ρ为2.34g/cm3；燃烧效率为95.5％；燃烧产物气体含量为0.6％。
实施例3
按以下配方(按质量百分比计算)分别称取各物料：
将上述称取的四氧化三铁、四氟硼酸钾、Al粉、粘合剂体系、分散剂和性能调节剂依次加入到立式混合机中进行混合，控制混合温度30℃～50℃，待体系完全混合均匀出料，得到料浆；将料浆进行真空浇注，并在50℃～70℃干燥环境中固化得到高热值低产气的启动药剂。
将制得的高热值低产气的启动药剂进行各性能的测定，经测定，制得的高热值低产气的启动药剂的实测热值Hu为29.3MJ·kg-1，0.5MPa燃速r为15.2mm/s；密度ρ为2.47g/cm3；燃烧效率为94.3％；燃烧产物气体含量为0.8％。
实施例4
按以下配方(按质量百分比计算)分别称取各物料：
将上述称取的五氧化二钒、高氯酸钾、四氟硼酸钾、Al粉、粘合剂体系、分散剂和性能调节剂依次加入到立式混合机中进行混合，控制混合温度30℃～50℃，待体系完全混合均匀出料，得到料浆；将料浆进行真空浇注，并在50℃～70℃干燥环境中固化得到高热值低产气的启动药剂。
将制得的高热值低产气的启动药剂进行各性能的测定，经测定，制得的高热值低产气的启动药剂的实测热值Hu为27.6MJ·kg-1，0.5MPa燃速r为15.9mm/s；密度ρ为2.23g/cm3；燃烧效率为95.3％；燃烧产物气体含量为0.8％。
实施例5
按以下配方(按质量百分比计算)分别称取各物料：
将上述称取的三氧化二铁、二氧化锰、高氯酸钾、高碘酸铁、Al粉、粘合剂体系、分散剂和性能调节剂依次加入到立式混合机中进行混合，控制混合温度30℃～50℃，待体系完全混合均匀出料，得到料浆；将料浆进行真空浇注，并在50℃～70℃干燥环境中固化得到高热值低产气的启动药剂。
将制得的高热值低产气的启动药剂进行各性能的测定，经测定，制得的高热值低产气的启动药剂的实测热值Hu为29.5MJ·kg-1，0.5MPa燃速r为15.7mm/s；密度ρ为2.42g/cm3；燃烧效率为95.1％；燃烧产物气体含量为0.3％。
实施例6
按以下配方(按质量百分比计算)分别称取各物料：
将上述称取的三氧化二铁、二氧化锰、高氯酸钾、高碘酸铁、Al粉、粘合剂体系、分散剂和性能调节剂依次加入到立式混合机中进行混合，控制混合温度30℃～50℃，待体系完全混合均匀出料，得到料浆；将料浆进行真空浇注，并在50℃～70℃干燥环境中固化得到高热值低产气的启动药剂。
将制得的高热值低产气的启动药剂进行各性能的测定，经测定，制得的高热值低产气的启动药剂的实测热值Hu为25.2MJ·kg-1，0.5MPa燃速r为14.9mm/s；密度ρ为2.21g/cm3；燃烧效率为94.3％；燃烧产物气体含量为0.5％。
实施例7
按以下配方(按质量百分比计算)分别称取各物料：
将上述称取的三氧化二铁、二氧化锰、高氯酸钾、高碘酸铁、Al粉、粘合剂体系、分散剂和性能调节剂依次加入到立式混合机中进行混合，控制混合温度30℃～50℃，待体系完全混合均匀出料，得到料浆；将料浆进行真空浇注，并在50℃～70℃干燥环境中固化得到高热值低产气的启动药剂。
将制得的高热值低产气的启动药剂进行各性能的测定，经测定，制得的高热值低产气的启动药剂的实测热值Hu为29.8MJ·kg-1，0.5MPa燃速r为16.6mm/s；密度ρ为2.54g/cm3；燃烧效率为95.5％；燃烧产物气体含量为0.6％。
对比例1
按以下配方(按质量百分比计算)分别称取各物料：
将上述称取的三氧化二铁、高氯酸钾、Al粉、有机粘合剂体系(丁羟粘合剂+IPDI)、分散剂和性能调节剂依次加入到立式混合机中进行混合，控制混合温度30℃～50℃，待体系完全混合均匀出料，得到料浆；将料浆进行真空浇注，并在50℃～70℃干燥环境中固化得到启动药剂。
将制得的启动药剂进行各性能的测定，经测定，制得的启动药剂的实测热值Hu为29.2MJ·kg-1，0.5MPa燃速r为16.1mm/s；密度ρ为2.31g/cm3；燃烧效率为95.5％；燃烧产物气体含量为5.2％。
通过实施例1和对比例1中的数据可知，本发明公开的一种高热值低产气的启动药剂通过采用不含碳、氮的无机粘合剂体系、添加可与铝发生剧烈反应产生大量热量的金属氧化物、添加性能调节剂等技术途径，有效降低了启动药剂燃烧产物中气体的产生，实现了启动药剂高热值低产气量。
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，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例；上述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。
Claims (8)
1.一种高热值低产气的启动药剂，其特征在于，按质量百分比包括以下组分：
氧化剂：30%～50%；
Al粉：20%～40%；
金属氧化物：10%～20%；
分散剂：3%～10%；
粘合剂体系：5%～15%；
性能调节剂：0.5%~3%；
所述粘合剂体系包括粘合剂和固化剂，所述粘合剂为二水磷酸二氢铝、三水磷酸二氢铝、四水磷酸二氢铝、磷酸二氢镁、磷酸二氢铬、磷酸二氢锆和磷酸二氢铬铝中的一种或多种；
所述固化剂为氧化铜、氧化铬、氢氧化铝、氢氧化镁、氧化镁和硅酸钠中的一种或多种；
所述性能调节剂为氟化钠、氟化铵、氟化钾、氟化锂、聚四氟乙烯、氟化锂、偏氟乙烯和聚三氟乙烯中的一种或多种。
2.根据权利要求1所述的启动药剂，其特征在于，所述氧化剂为四氟硼酸钾、高碘酸铁、高氯酸钾、高锰酸钾和氯酸钾中的一种或多种。
3.根据权利要求2所述的启动药剂，其特征在于，所述氧化剂的粒径为1μm～100μm。
4.根据权利要求1所述的启动药剂，其特征在于，所述Al粉为球形铝粉，粒径为0.1μm～20μm。
5.根据权利要求1所述的启动药剂，其特征在于，所述金属氧化物为三氧化二铁、四氧化三铁、二氧化锰、五氧化二钒和三氧化钼中的一种或多种。
6.根据权利要求5所述的启动药剂，其特征在于，所述金属氧化物的粒径为1μm～30μm。
7.根据权利要求1所述的启动药剂，其特征在于，所述分散剂为水、二氯甲烷、丙酮、乙醇和甲醇中的一种或多种。
8.一种如权利要求1-7任一项所述高热值低产气的启动药剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：称量各组分，待用；
S2：将金属氧化物、氧化剂、Al粉、粘合剂体系、分散剂和性能调节剂依次进行混合，待体系完全混合均匀出料，得到料浆；
S3：将所述料浆进行真空浇注，并固化得到高热值低产气的启动药剂。
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