高增塑高能固体推进剂力学性能研究
固体推进剂作为战略战术导弹及宇航推进系统的动力源,是武器装备的核心关键技术,其力学性能影响能量性能的发挥,进而影响武器装备的使用范围.为满足新型导弹武器装备对推进剂高能量性能的要求,采用含能粘合剂GAP和高能量密度炸药CL-20获得了目前标准实测能量最高的GAP/CL-20固体推进剂,但该推进剂存在基础力学性能较差、调节途径有限等不足.本文致力于研究GAP/CL-20高能固体推进剂配方组成对力学性能的影响规律,确定主要影响因素并分析其影响机理,提出有效的调节方法,为GAP/CL-20高能固体推进剂的应用提供技术支撑.采用单向拉伸试验研究了配方组成对GAP/CL-20高能固体推进剂力学性能的影响规律,结果表明,粘合剂、键合剂、增塑剂及增塑比是该推进剂力学性能的主要影响因素.PEG替代GAP,推进剂抗拉强度由0.39 MPa提高至0.45 MPa,伸长率由98.3%提高至417.7%;Bu-NENA替代NG/BTTN,推进剂抗拉强度由0.62 MPa降低至0.30 MPa,伸长率由48.2%提高至84.4%;使用NG/BTTN增塑剂,增塑比由1.0提高至3.0,推进剂抗拉强度由0.62 MPa降低至0.39 MPa,伸长率由48.2%提高至98.3%;加入NPBA键合剂使推进剂抗拉强度由0.13 MPa提高至0.39 MPa,伸长率由233.4%降低至98.3%.运用反相气相色谱法和接触角法,研究了主要组分的表面性质及组分间相互作用,GAP基体与CL-20的粘附功为70.69 mJ·m-2,低于PEG基体与HMX的98.61mJ·m-2,表明GAP基体与CL-20的相互作用弱于PEG基体与HMX的相互作用.利用分子动力学方法,计算了粘合剂分子与炸药分子间的结合能,PEG与HMX的结合能为456.48 kJ·mol-1,比GAP与CL-20的结合能259.32 kJ·mol-1高76.03%,表明GAP与CL-20的相互作用比PEG与HMX的相互作用大幅减弱.同时,使用动态热机械分析研究了推进剂中间相结构变化的影响,中间相和粘合剂基体对推进剂tanδ的贡献的比值用A值表示,A值越小说明界面粘接情况越好.常温下GAP/CL-20推进剂的A值为13.15,大于PEG/CL-20推进剂的4.91和GAP/HMX推进剂的10.24,表明GAP/CL-20推进剂的粘接情况较差.通过扫描电镜法观察了推进剂的原位拉伸过程,结果表明,与PEG/CL-20推进剂相比,GAP/CL-20推进剂的颗粒更容易"脱湿",且"脱湿"扩展速率更快.从实验测试与理论计算两方面,揭示了GAP/CL-20高能固体推进剂力学性能差的根本原因之一是GAP基体与CL-20界面相互作用差.根据规律性和机理性研究结果,在高弹性聚合物状态方程及广义交联点模型基础上,考虑GAP/CL-20固体推进剂的大剂量增塑、GAP刚性分子链及CL-20与GAP基体相互作用等性质,建立了高增塑GAP/CL-20高能固体推进剂力学性能的物理和数学模型,并分析了造成力学性能较差的根本原因是GAP网络结构刚性较强和GAP基体与CL-20界面作用强度低.最后,从粘合剂结构特性及界面相互作用等方面提出了GAP/CL-20高能推进剂力学性能调节方法,采用添加大分子量粘合剂G-GAP和键合剂NPBA等手段对调节方法进行了有效验证.
- 作者：
- 张鑫
- 学位授予单位：
- 航天动力技术研究院
- 专业名称：
- 化学工程与技术
- 授予学位：
- 硕士
- 学位年度：
- 2019年
- 导师姓名：
- 庞爱民；唐根
- 中图分类号：
- V512
- 关键词：
- GAP/CL-20高能固体推进剂；力学性能；力学模型；性能调节
- GAP/CL-20 high-energy solid propellant; Mechanical properties; Mechanical model; Performance adjustment;