CN116573979A - 一种内孔固体推进剂增材及其成型方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种内孔固体推进剂增材及其成型方法，包括支撑体和药柱主体，所述支撑体为光固化固体推进剂，用于形成内孔结构；所述药柱主体为温敏时变固体推进剂。解决现有技术中光固化固体推进剂能量水平不足、温敏时变固体推进剂缺少合适支撑体材料的问题。以光固化固体推进剂作为高固含量温敏时变固体推进剂的支撑体材料，内孔固体推进剂增材制造成型后无需去除支撑体，减少了工艺步骤，避免了由于去除支撑体存在的安全隐患，又解决单独使用光固化推进剂能量水平有限的问题。
Description
技术领域
本发明涉及固体推进剂增材制造技术领域，特别涉及一种内孔固体推进剂增材及其成型方法。
背景技术
固体推进剂作为导弹武器的主要动力源，其综合性能对提高导弹武器的作战效能至关重要。增材制造技术具有自动化、数字化的特点，可实现设计、制造、成型快速完成，能有效缩短产品的研制时间。随着适用于增材制造技术的固体推进剂配方发展，固体推进剂增材制造技术的成熟度也不断提升，在现有技术中的光固化推进剂技术中，受限于固体填料对紫外光穿透深度的影响，光固化固体推进剂的固含量只达到85％，制约了配方能量性能提升，且对于热固性推进剂而言，缺少合适的支撑体材料，限制了增材制造成型的结构，制约了推进剂药柱结构设计的多样性。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供了一种内孔固体推进剂增材及其成型方法，解决现有技术中光固化固体推进剂能量水平不足、温敏时变固体推进剂缺少合适支撑体材料的问题。以光固化固体推进剂作为高固含量温敏时变固体推进剂的支撑体材料，内孔固体推进剂增材制造成型后无需去除支撑体，减少了工艺步骤，避免了由于去除支撑体存在的安全隐患，又解决单独使用光固化推进剂能量水平有限的问题。
具体技术方案如下：一种内孔固体推进剂增材，包括支撑体和药柱主体，所述支撑体为光固化固体推进剂，用于形成内孔结构；所述药柱主体为温敏时变固体推进剂。
优选的，所述光固化固体推进剂包括以质量分数计的如下物质：
光敏树脂：15％～30％；氧化剂：60％～80％；金属燃料：0～15％；功能助剂：0～5％。
优选的，所述光敏树脂为环氧丙烯酸酯、不饱和树脂聚酯丙烯酸酯、聚氨酯丙烯酸中的一种或几种；
所述氧化剂为高氯酸铵、奥克托金、黑索今、六硝基六氮杂异伍兹烷中的一种或几种；
所述金属燃料为微米铝粉或者微米铝粉/纳米铝粉混合物；
所述功能助剂为燃烧性能调节剂、光引发剂、活性稀释剂、消泡剂。
优选的，所述温敏时变固体推进剂包括以质量分数计的如下物质：
温敏添加剂：0.5％～3.0％；固化催化剂：0.1％～1.0％；固化剂：0.05％～0.5％；氧化剂：60％～70％；金属燃料：15.0％～20.0％；粘合剂：6.0％～10.0％；增塑剂：3％～10％；其他组分：0.05％～2.5％。
优选的，所述温敏添加剂为乙烯-乙酸乙烯共聚物、饱和甘油三酸酯中的一种或几种；
所述固化催化剂为三苯基铋、三(4-乙氧基苯基)铋、三(3-乙氧基苯基)铋、三(4-硝基苯基)铋、三(3-硝基苯基)铋中的一种或几种；
所述固化剂为甲苯二异氰酸酯、六次甲基二异氰酸酯、多官能度异氰酸酯、异佛尔酮二异氰酸酯中的一种或几种；
所述氧化剂为高氯酸铵、奥克托金、黑索今、六硝基六氮杂异伍兹烷中的一种或几种；
所述金属燃料为微米铝粉或者微米铝粉/纳米铝粉混合物；
所述粘合剂为端羟基聚丁二烯；
所述增塑剂为癸二酸二异辛酯、己二酸二辛酯、邻苯二甲酸二辛酯、环烷油中的一种或几种；
所述其他组分为力学性能调节剂、燃烧性能调节剂、防老剂。
优选的，所述温敏添加剂乙烯-乙酸乙烯共聚物中乙酸乙烯质量分数含量15％～45％。
一种内孔固体推进剂增材成型方法，包括如下步骤：
步骤一：绘制内孔固体推进剂增材三维模型，对所述三维模型进行二维分层处理及打印路径规划，得到支撑体路径规划文件和药柱主体路径规划文件；
步骤二：计算所述内孔固体推进剂增材的支撑体物料量和药柱主体物料量，取各物料量对应的物料分别加入对应的增材制造设备料筒内；
步骤三：分别根据支撑体路径规划文件和药柱主体路径规划文件打印对应物料；
步骤四：完成固化，获得内孔固体推进剂增材。
优选的，所述支撑体为光固化固体推进剂，所述药柱主体为温敏时变固体推进剂。
优选的，所述步骤三中打印对应物料方法为逐层打印，包括在每层所需内孔处先打印一层支撑体并固化，然后打印药柱主体。
优选的，所述步骤四中固化为根据药柱主体性能进行固化，所述内孔固体推进剂增材的支撑体不用脱除。
本发明的有益效果如下：
本发明提供的内孔固体推进剂增材及其成型方法，解决现有技术中光固化固体推进剂能量水平不足、温敏时变固体推进剂缺少合适支撑体材料的问题。本发明与现有技术相比，以高固含量的温敏时变固体推进剂为药柱主体，光固化固体推进剂为支撑体，实现多种复杂结构药柱的增材制造成型，并兼顾推进剂的能量性能。以光固化固体推进剂作为高固含量温敏时变固体推进剂的支撑体材料，内孔固体推进剂增材制造成型后无需去除支撑体，减少了工艺步骤，避免了由于去除支撑体存在的安全隐患，又解决单独使用光固化推进剂能量水平有限的问题。
具体实施方式
下面对本申请的实施方式作进一步地详细描述，显然，所描述的实施例仅是本申请的一部分实施例，而不是所有实施例的穷举。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
说明书和权利要求书中的术语“第一”、“第二”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的内容以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备，不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
一种内孔固体推进剂增材，包括光固化固体推进剂和温敏时变固体推进剂，光固化固体推进剂为支撑体，根据目标结构成型，优选的，目标结构为内孔固体推进剂增材，温敏时变固体推进剂为药柱主体。
优选的，温敏时变固体推进剂含组份(质量百分比)：温敏添加剂：0.5％～3.0％；固化催化剂：0.1％～1.0％；固化剂：0.05％～0.5％；氧化剂：60％～70％；金属燃料：15.0％～20.0％；粘合剂：6.0％～10.0％；增塑剂：3％～10％；其他组分：0.05％～2.5％。优选的，温敏添加剂包括乙烯-乙酸乙烯共聚物(乙酸乙烯含量介于15％～45％)、饱和甘油三酸酯中的一种或几种。固化催化剂为三苯基铋、三(4-乙氧基苯基)铋、三(3-乙氧基苯基)铋、三(4-硝基苯基)铋、三(3-硝基苯基)铋中的一种或几种。固化剂为甲苯二异氰酸酯TDI、六次甲基二异氰酸酯HDI、多官能度异氰酸酯N-100、异佛尔酮二异氰酸酯IPDI中的一种或几种。氧化剂为高氯酸铵、奥克托金、黑索今、六硝基六氮杂异伍兹烷中的一种或几种。金属燃料为微米铝粉或者微米铝粉/纳米铝粉混合物。所述粘合剂为端羟基聚丁二烯。增塑剂为癸二酸二异辛酯、己二酸二辛酯、邻苯二甲酸二辛酯、环烷油中的一种或几种。其他组分包括力学性能调节剂、燃烧性能调节剂、防老剂等。
优选的，光固化固体推进剂由光敏树脂、氧化剂、金属燃料和功能助剂的组成，其配方包括按质量分数计的以下组分：光敏树脂：15％～30％；氧化剂：60％～80％；金属燃料：0～15％；功能助剂：0～5％。优选的，光敏树脂为环氧丙烯酸酯、不饱和树脂聚酯丙烯酸酯、聚氨酯丙烯酸酯中的一种或几种。氧化剂为高氯酸铵、奥克托金、黑索今、六硝基六氮杂异伍兹烷中的一种或几种。金属燃料为微米铝粉或者微米铝粉/纳米铝粉混合物。功能助剂包括燃烧性能调节剂、光引发剂、活性稀释剂、消泡剂等。
本发明提供的内孔固体推进剂增材制以高固含量的温敏时变固体推进剂为药柱主体，光固化固体推进剂为支撑体，实现多种复杂结构药柱的增材制造成型，并兼顾推进剂的能量性能。
本发明还提供一种内孔固体推进剂增材制造成型方法，以光固化固体推进剂为支撑体材料，热固化的温敏时变固体推进剂为药柱主体，使用具有两套挤出系统的增材制造设备进行制造，包括以下步骤：
步骤1：通过三维制图软件绘制出推进剂的三维实体模型，通过切片软件程序对模型数据文件进行二维分层处理及打印路径规划，得到支撑体和药柱主体的路径规划文件；
步骤2：按步骤1中切片软件计算需要的物料量配制光固化固体推进剂与温敏时变固体推进剂，将用作支撑体的光固化推进剂药浆和药柱主体温敏时变推进剂药浆分别加入增材制造设备的对应料筒；
步骤3：由计算机控制打印设备按照路径规划文件运动，通过材料挤出式增材制造技术逐层打印内孔固体推进剂增材，具体为针对每一层内孔固体推进剂增材打印顺序为，在每层温敏时变固体推进剂的内轮廓即内孔处先打印一圈光固化固体推进剂并使用紫外光照将光固化，然后填充打印温敏时变固体推进剂；
步骤4：重复步骤3逐层成型直至复杂内孔结构的药柱全部打印完成。
步骤5：将打印药柱按照温敏时变固体推进剂固化工艺完成药柱固化，并根据使用要求完成药柱后处理。
上述具有两套挤出系统的增材制造设备，工作方式为活塞挤出或螺杆挤出的一种。其中需要为支撑体所用喷头配备紫外光固化灯。
上述模型数据文件格式为STL、SLC、DXF格式中的一种；
上述切片软件程序可以为Simplify3D、Cura中的一种，所述路径规划文件格式为GCODE格式；
实施例
本实施例温敏时变固体推进剂和光固化固体推进剂分别如表1和表2所示：
表1温敏时变固体推进剂
表2光固化固体推进剂
使用表1和表2中的温敏时变固体推进剂和光固化固体推进剂制备内孔固体推进剂增材，内孔固体推进剂增材成型方法具体为：步骤一：由三维制图软件绘制出推进剂的三维实体模型，以模型数据文件格式输出；步骤二：通过切片软件程序对上述模型进行二维分层处理及打印路径规划，由于两种固体推进剂固含量不同，选用的喷头口径不同，因此切片时两者对应的层高及线径均有所差异，根据喷头口径的比例分别计算出打印头的移动速率，得到支撑体和药柱主体的路径规划文件。步骤三：根据切片软件计算出需要的物料量，并按此配制药浆，将温敏时变固体推进剂和光固化固体推进剂的药浆分别加入增材制造设备的两个料筒中；步骤四：由计算机根据所述支撑体和药柱主体的路径规划文件控制打印设备运动，使用1.6mm～3.0mm孔径的喷头、以温敏时变推进剂为物料进行药柱主体区域的打印，其中在每层的内轮廓处先打印一圈光固化推进剂并固化，其余需要支撑体的区域使用0.6mm～1.2mm孔径的喷头、以光固化固体推进剂为物料进行打印，两个喷头协同工作，共同完成内孔固体推进剂增材的打印；打印完成后，取出内孔固体推进剂增材即药柱，按照温敏时变固体推进剂的固化工艺完成药柱后固化。
以光固化固体推进剂作为高固含量温敏时变固体推进剂的支撑体材料，内孔固体推进剂增材制造成型后无需去除支撑体，减少了工艺步骤，避免了由于去除支撑体存在的安全隐患，又解决单独使用光固化推进剂能量水平有限的问题。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，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，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。
Claims (10)
1.一种内孔固体推进剂增材，其特征在于，包括支撑体和药柱主体，所述支撑体为光固化固体推进剂，用于形成内孔结构；所述药柱主体为温敏时变固体推进剂。
2.根据权利要求1所述的内孔固体推进剂增材，其特征在于，所述光固化固体推进剂包括以质量分数计的如下物质：
光敏树脂：15％～30％；氧化剂：60％～80％；金属燃料：0～15％；功能助剂：0～5％。
3.根据权利要求2所述的内孔固体推进剂增材，其特征在于，所述光敏树脂为环氧丙烯酸酯、不饱和树脂聚酯丙烯酸酯、聚氨酯丙烯酸酯中的一种或几种；
所述氧化剂为高氯酸铵、奥克托金、黑索今、六硝基六氮杂异伍兹烷中的一种或几种；
所述金属燃料为微米铝粉或者微米铝粉/纳米铝粉混合物；
所述功能助剂为燃烧性能调节剂、光引发剂、活性稀释剂、消泡剂。
4.根据权利要求1所述的内孔固体推进剂增材，其特征在于，所述温敏时变固体推进剂包括以质量分数计的如下物质：
温敏添加剂：0.5％～3.0％；固化催化剂：0.1％～1.0％；固化剂：0.05％～0.5％；氧化剂：60％～70％；金属燃料：15.0％～20.0％；粘合剂：6.0％～10.0％；增塑剂：3％～10％；其他组分：0.05％～2.5％。
5.根据权利要求4所述的内孔固体推进剂增材，其特征在于，所述温敏添加剂为乙烯-乙酸乙烯共聚物、饱和甘油三酸酯中的一种或几种；
所述固化催化剂为三苯基铋、三(4-乙氧基苯基)铋、三(3-乙氧基苯基)铋、三(4-硝基苯基)铋、三(3-硝基苯基)铋中的一种或几种；
所述固化剂为甲苯二异氰酸酯、六次甲基二异氰酸酯、多官能度异氰酸酯、异佛尔酮二异氰酸酯中的一种或几种；
所述氧化剂为高氯酸铵、奥克托金、黑索今、六硝基六氮杂异伍兹烷中的一种或几种；
所述金属燃料为微米铝粉或者微米铝粉/纳米铝粉混合物；
所述粘合剂为端羟基聚丁二烯；
所述增塑剂为癸二酸二异辛酯、己二酸二辛酯、邻苯二甲酸二辛酯、环烷油中的一种或几种；
所述其他组分为力学性能调节剂、燃烧性能调节剂、防老剂。
6.根据权利要求5所述的内孔固体推进剂增材，其特征在于，所述温敏添加剂乙烯-乙酸乙烯共聚物中乙酸乙烯质量分数含量15％～45％。
7.一种内孔固体推进剂增材成型方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：绘制内孔固体推进剂增材三维模型，对所述三维模型进行二维分层处理及打印路径规划，得到支撑体路径规划文件和药柱主体路径规划文件；
步骤二：计算所述内孔固体推进剂增材的支撑体物料量和药柱主体物料量，取各物料量对应的物料分别加入对应的增材制造设备料筒内；
步骤三：分别根据支撑体路径规划文件和药柱主体路径规划文件打印对应物料；
步骤四：完成固化，获得内孔固体推进剂增材。
8.根据权利要求7所述的内孔固体推进剂增材成型方法，其特征在于，所述支撑体为光固化固体推进剂，所述药柱主体为温敏时变固体推进剂。
9.根据权利要求7所述的内孔固体推进剂增材成型方法，其特征在于，所述步骤三中打印对应物料方法为逐层打印，包括在每层所需内孔处先打印一层支撑体并固化，然后打印药柱主体。
10.根据权利要求7所述的内孔固体推进剂增材成型方法，其特征在于，所述步骤四中固化为根据药柱主体性能进行固化，所述内孔固体推进剂增材的支撑体不用脱除。
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