舰船科学技术  2024, Vol. 46 Issue (20): 172-176    DOI: 10.3404/j.issn.1672-7649.2024.20.032   PDF    
引用本文
熊文慧, 邢军, 王士欣, 卢丙举. 固体添加物粒径对改性双基推进剂力学性能的影响. 舰船科学技术, 2024, 46(20): 172-176  
XIONG Wenhui, XING Jun, WANG Shixin, LU Bingju. The effect of solid additive particle size on the mechanical properties of modified double base propellants. Ship Science and Technology, 2024, 46(20): 172-176  
固体添加物粒径对改性双基推进剂力学性能的影响
熊文慧1,2, 邢军1,2, 王士欣1,2, 卢丙举1,2     
1. 中国船舶集团有限公司第七一三研究所，河南 郑州 450015;
2. 河南省水下智能装备重点实验室，河南 郑州 450015
收稿日期: 2024-01-06.
基金项目: 装备发展部领域基金重点项目(61402070104)
作者简介: 熊文慧（1992 – ），男，硕士，工程师，研究方向为水下发射装置
摘要: 为研究某型水下武器发射装置中的改性双基推进剂的力学性能，通过调整固体添加物粒径，对比分析不同粒度Al粉和不同粒度SiC/Al2O3的改性双基推进剂力学性能。结果表明，在Al/SiC推进剂中，推进剂的常温抗拉强度和常温最大伸长率随着Al粉粒径的增大呈现先降低后增大的趋势；在不同Al粉粒径下，推进剂的力学性能随SiC粒度变化趋势不同。Al粉粒径为20 μm，SiC粒度为W2.5时，低温和常温抗拉强度最大，分别为37.5 MPa和6.58 MPa；Al粉粒径为140 μm，SiC粒度为W1.5时，高温抗拉强度最大，为2.22 MPa；加入Al2O3替代SiC后，低温抗拉强度最大为38.3 MPa，比SiC作为弹道稳定剂的推进剂高2.1%，常温抗拉强度最大值高7.1%，高温抗拉强度最大值高4.3%。可见通过调整固体添加物Al粉和SiC/Al2O3粒径，可实现对改性双基推进剂的力学性能进行局部调控，为水下发射装置的推进剂配方设计提供有效手段。
关键词: 改性双基推进剂     添加物     力学性能     抗拉强度    
The effect of solid additive particle size on the mechanical properties of modified double base propellants
XIONG Wenhui1,2, XING Jun1,2, WANG Shixin1,2, LU Bingju1,2     
1. The 713 Research Institute of CSSC, Zhengzhou 450015;
2. Henan Key Laboratory of Underwater Intelligence Equipment, Zhengzhou 450015
Abstract: In order to study the mechanical properties of modified double base propellants in a underwater launch device, the mechanical properties of modified double base propellants with different particle sizes of Al powder and SiC/Al2O3 were compared and analyzed by adjusting the particle size of solid additives.The results show that in Al/SiC propellants, the tensile strength and maximμm elongation at room temperature of the propellant show a trend of first decreasing and then increasing with the increase of Al powder particle size; The mechanical properties of the propellant exhibit different trends with the variation of SiC particle size under different Al powder particle sizes. When the particle size of Al powder is 20 μm and the particle size of SiC is W2.5, the tensile strength at low temperature and room temperature is the highest, with 37.5 MPa and 6.58 MPa, respectively; When the particle size of Al powder is 140 μm and the particle size of SiC is W1.5, the highest high-temperature tensile strength is 2.22 MPa; After adding Al2O3 instead of SiC, the maximμm low-temperature tensile strength is 38.3 MPa, which is 2.1% higher than the propellant using SiC as a ballistic stabilizer. The maximμm low-temperature tensile strength is 7.1% higher, and the maximμm high-temperature tensile strength is 4.3% higher. It is concluded that by adjusting the solid additives Al powder and SiC/ Al2O3 particle size, local regulation of the mechanical properties of modified double base propellants can be achieved, providing effective means for the propellant formulation design of underwater launch devices.
Key words: modified double base propellants     solid additive     mechanical properties     tensile strength    
0 引　言

在某型水下武器发射装置中，利用改性双基推进剂优良的燃烧性能、稳定的化学安定性和自由装填等优势，将推进剂燃烧产生的高温高压燃气作为导弹弹射的动力源，使其在发射装置中膨胀做功以实现导弹发射目标。在水下发射装置平台的使用过程中，需经历高温/低温、振动、高湿、高盐雾等复杂海洋环境，推进剂作为影响任务成败的关键，必须保证推进剂的力学性能指标满足环境条件要求。在改性双基推进剂中，是以硝化纤维素（NC）和硝化甘油（NG）为双基的推进剂组分中加入高能炸药、铝粉、弹道稳定剂、燃烧催化剂等以提高能量性能、改善燃烧特性的推进剂。其中，NC作为粘合剂决定了双基推进剂的抗拉强度，在加入RDX、铝粉等颗粒提高推进剂燃烧性能的情况下，使推进剂内部及表面微裂纹增加从而降低了推进剂的力学性能，增加了推进剂在生产、运输和工作过程中会受到复杂载荷作用下的安全风险[1 − 3]。

推进剂的力学性能对推进剂的能量及燃烧等性能起到支撑作用，是推进剂可靠稳定工作、保证安全性能的基础[4 − 5]。目前，提高改性双基推进剂力学性能的主要途径有改进粘合剂的性能、加强粘合剂和固体填料界面性能、改善固体填料含量粒度和形貌等方面[6]。魏晓林等[7]通过在NC上接入甘油醚支链替代NC，使推进剂的高温抗拉强度提高71.1%，高温伸长率增幅达13%，由于推进剂的玻璃化转变温度降低，其低温力学性能便得到有效改善；吴艳光等[8]研究利用改性后的聚叠氮缩水甘油醚（GAP）与NC进行化学交联，提高黏合剂的交联密度，显著提高推进剂的力学性能。朱林等[9]研究了复合球形药对改性双基推进剂力学性能的影响，将铝粉、燃烧催化剂等固体填料用NG/NC溶胶体进行包覆制备成复合球形药，再配浆浇铸工艺制备改性双基推进剂，促使固体颗粒被均匀地包覆在粘合剂基体中，其低温断裂延伸率从7.84% 提高到26.86%，常温最大拉伸强度提高了77%，高温最大抗拉强度提高了 97%。张涛[10]研究了不同粒度和含量的铝粉对推进剂力学性能的影响，球形Al 粉粒度越小，推进剂的高温抗拉强度和低温伸长率越大。

本文主要从改性双基推进剂的配方中的金属燃料和弹道稳定剂粒径角度，分析推进剂在高温（50℃）和低温（−40℃）的海洋使用环境下的力学性能，在不改变推进剂的基本能量特性和燃烧特性的基础上，研究固体粒径对力学性能性能的影响，以期实现对推进剂力学性能进行局部调控的目的。

1 试验部分 1.1 样品配方

采用某改性双基固体推进剂为基础配方，其主要组分NC+NG占总重量约80.0%，燃烧催化剂铅铜盐、中定剂及增塑剂共约16%，其余为能量组分和弹道稳定剂。本研究在配方中加入一定量的不同粒度Al粉和不同粒度SiC/Al2O3（弹道稳定剂）。

1.2 样品制备

采用无溶剂法工艺制备药剂，经光辊机上压延塑化，制备成型药柱。最后按照B型哑铃状试样尺寸取样，制备成拉伸试验样品。

1.3 测试方法

按照GJB770B中413.1方法，在规定的试验温度和拉伸速度下，在试样的纵轴方向施加静态单向载荷，测量试样的最大抗拉强度和相应的伸长率。本文拉伸速率为50 mm/min，试验温度分为常温（20℃）、高温（50℃）、低温（−40℃）。最大抗拉强度、最大伸长率按照GJB770B 方法公式413.1-1和413.1-3 计算。

2 结果与分析 2.1 Al粉粒径对推进剂力学性能的影响

对比研究了在不同Al粉粒径下，研究推进剂的抗拉强度和最大伸长率变化情况，测试结果如表1、图1和图2所示。

表 1 不同Al粒度下推进剂的力学性能 Tab.1 Mechanical properties of propellants with different Al particle sizes

图 1 不同Al粒径下推进剂的力学性能 Fig. 1 Mechanical properties of propellants with different Al particle sizes

图 2 在30 μm Al粒径下，不同粒度SiC对推进剂的力学性能影响 Fig. 2 At 30 μm Al particle size, the effect of SiC with different particle sizes on the mechanical properties of the propellant

在研究Al粉粒径对推进剂力学性能的影响时，同步加入了粒度为W2.5的SiC作为弹道稳定剂。从测试结果看，在常温状态下，推进剂的抗拉强度和伸长率随着Al粉粒径的增大呈现先降低后增大的趋势。Al粉粒径为20 μm时，抗拉强度为6.58 MPa，最大伸长率为20.8%；Al粉粒径增加到为30 μm时，抗拉强度降低至5.95 MPa，最大伸长率降低至为18.3%，两者降低幅度分别为9.6%和12.0%；当Al粉粒径增加到80 μm时，推进剂的力学性能变化显著，抗拉强度降低至3.50 MPa，而最大伸长率提高至21.9%；继续增加Al粉粒径增加到140 μm时，推进剂的抗拉强度开始提高至5.87 MPa，相较80 μm粒径的Al粉推进剂，增加了62.4%，最大伸长率提高了27%。

在低温条件下，推进剂的力学性能明显高于常温和高温条件下的力学性能，推进剂的抗拉强度随着Al粉粒径同样呈现先降低后增大的趋势，不同的是推进剂在Al粉粒径为30 μm时，其抗拉强度最低为22.5 MPa，相较20 μm Al粉粒径时降低40%；推进剂的最大伸长率随着Al粉粒径先增大后降低，在Al粉粒径为80 μm时，其最大伸长率为4.52%。高温时，推进剂的抗拉强度在1.58～2.05 MPa，并随Al粉粒径变化的较小，在Al粉粒为80 μm时，抗拉强度最低为1.58 MPa，最大伸长率随粒径变化呈现先波动趋势。

2.2 SiC粒度对推进剂力学性能的影响

在推进剂配方的基础上，调整弹道稳定剂粒子SiC的粒径，探究其对推进剂力学性能的影响，测试结果如表2所示。

表 2 不同Al/SiC粒度下推进剂的力学性能 Tab.2 Mechanical properties of propellants with different Al/SiC particle sizes

通过对比分析，在不同Al粉粒径下，推进剂的力学性能随SiC粒度变化趋势不同。Al粉粒径为20 μm时，推进剂的抗拉强度随着SiC粒径的增大先增大后减小，在SiC粒度为W2.5时抗拉强度最大；推进剂的最大伸长率随粒度增大先降低后升高。Al粉粒径为30 μm时，推进剂的低温抗拉强度随着SiC粒径的增大先增大后减小，在SiC粒度为W1.5时低温抗拉强度最大，高温抗拉强度随SiC粒度增大而增大；常温抗拉强度随粒度增大而先增大后减小，粒度为W2.5时，抗拉强度最大为5.95 MPa；推进剂的低温和常温最大伸长率随粒度增大先降低后升高，而高温最大伸长率随SiC粒度增大逐渐降低。由图3和图4可知，Al粉粒径为80 μm时，推进剂的低温和高温抗拉强度随着SiC粒径的增大而增大，常温抗拉强度在SiC粒度为W2.5时最大为3.5 MPa；Al粉粒径为140 μm时，推进剂的低温抗拉强度随着SiC粒径增大而先增大后减小，常温和高温抗拉强度随SiC粒度增大而先减小后增大。

图 3 在80 μm Al粒径下，不同粒度SiC对推进剂的力学性能影响 Fig. 3 At 80 μm Al particle size, the effect of SiC with different particle sizes on the mechanical properties of the propellant

图 4 在140 μm Al粒径下，不同粒度SiC对推进剂的力学性能影响 Fig. 4 At 140 μm Al particle size, the effect of SiC with different particle sizes on the mechanical properties of the propellant
2.3 Al2O3粒度对推进剂力学性能的影响

将配方中的弹道稳定剂粒子由SiC调整为Al2O3，研究其对推进剂力学性能的影响，测试结果见表3。

表 3 不同Al/ Al2O3粒度下推进剂的力学性能 Tab.3 Mechanical properties of propellants with different Al/ Al2O3 particle sizes

当Al粉粒径为20 μm时，推进剂的低温力学性能随着Al2O3粒径的增大先增大后减小，在Al2O3粒径为W1.5时，抗拉强度最大为38.3 MPa，优于SiC作为弹道稳定剂的推进剂，而最大伸长率与同粒度的SiC推进剂相当。在常温及高温条件下，推进剂的抗拉强度和最大伸长率均随着Al2O3粒度的增大而减小。由图5和图6可知，Al粒径为30 μm和80 μm时，低温抗拉强度均出现随Al2O3粒径先增大后减小的趋势，30 μm Al/ Al2O3推进剂常温和高温抗拉强度均高于80 μm Al/ Al2O3推进剂，最大达6.52 MPa，与相同Al2O3粒度的推进剂最大相差48.5%。由图7可知，Al粒径增大到140 μm时，推进剂的常温和高温抗拉强度比其他粒径的推进剂均有显著增大，常温抗拉强度最高为7.08 MPa，高温抗拉强度最高为2.30 MPa；同时，抗拉强度也优于Al/ SiC推进剂。

图 5 在30 μm Al粒径下，不同粒度Al2O3对推进剂的力学性能影响 Fig. 5 At 30 μm Al particle size, the effect of Al2O3 with different particle sizes on the mechanical properties of the propellant

图 6 在80 μmAl粒径下，不同粒度Al2O3对推进剂的力学性能影响 Fig. 6 At 80 μm Al particle size, the effect of Al2O3 with different particle sizes on the mechanical properties of the propellant

图 7 在140 μm Al粒径下，不同粒度Al2O3对推进剂的力学性能影响 Fig. 7 At 140 μm Al particle size, the effect of Al2O3 with different particle sizes on the mechanical properties of the propellant
3 结　语

1）在Al/SiC推进剂中，推进剂的常温抗拉强度和常温最大伸长率随着Al粉粒径的增大呈现先降低后增大的趋势。Al粉粒径为20 μm时，推进剂抗拉强度最大达6.58 MPa；Al粉粒径为140 μm时，推进剂最大伸长率为24.3%。

2）在不同Al粉粒径下，推进剂的力学性能随SiC粒度变化趋势不同。Al粉粒径为20 μm，SiC粒度为W2.5时，低温和常温抗拉强度最大，分别为37.5 MPa和6.58 MPa；Al粉粒径为140 μm，SiC粒度为W1.5时，高温抗拉强度最大，为2.22 MPa。

3）加入Al2O3替代SiC后，低温抗拉强度最大为38.3 MPa，比SiC作为弹道稳定剂的推进剂高2.1%，常温抗拉强度最大值高7.1%，高温抗拉强度最大值高4.3%。同时，在低温和高温时最大伸长率较含SiC推进剂分别降低31.7%和2.6%，常温时最大伸长率提高9.1%。

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