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复合固体推进剂界面粘结的预估、表征及优化

喻鸿钢  
【摘要】: 复合固体推进剂是一种含能复合材料,具有多种界面。推进剂中各组份的表面性质及组份间粘结状况严重地影响了推进剂的机械性能,因而对推进剂组份表面性质及界面粘结性能的研究是复合固体推进剂研究工作中的重要环节。 本课题以高能丁羟四组元(AP/RDX/Al/HTPB)固体推进剂为研究对象,从复合固体推进剂配方组成及混合固化工艺出发,分析出影响推进剂药柱中填料/基体界面粘结性能的主要因素为:界面键合作用、界面润湿作用、界面酸碱作用。据此建立了接触角方法及反相气相色谱法,对主要组分间界面润湿功、界面酸碱作用焓进行了测定,结合组分基团成键方式,对各种界面的粘结情况进行预估。 首先,通过接触角法测定了AP、RDX及经BA、NPBA系列键合剂处理后的AP、RDX表面的接触角,计算出了填料表面张力γS及表面张力的极性分量γpS和非极性分量γdS及极性分数P;进而估算出丁羟胶聚氨酯基体与填料AP、RDX相互作用的界面张力γSL、粘附功Wa,从而对界面粘结情况进行预估,结果表明经BA-1、BA-10、NPBA-28处理的RDX、AP的界面性能比较好。 其次,借助Drago.R.S方程,采用反相气相色谱法(IGC)表征了丁羟四组元(AP/RDX/Al/HTPB)推进剂主要组分的表面酸碱性参数,计算出了主要组分间的界面酸碱作用焓△HAB。结果表明:BA键合剂与AP、RDX的界面作用焓显著大于丁羟胶聚氨酯基体与AP、RDX的界面作用焓,也显著大于BA键合剂与丁羟胶聚氨酯基体的作用焓,据此可预估BA键合剂可以优先吸附在固体填料表面。 最后,分析了BA、NPBA系列键合剂与RDX及AP的作用机理,进一步解释了键合剂的键合作用及对界面粘结性能的影响。用基团吸引因子迭加法估算出了填料RDX、键合剂、基体的溶度参数δ,由界面扩散理论,预估了改性后填料与基体的相容性变好。 研究表明键合剂可以优先吸附在固体填料表面,又因其具有较高的官能度,能形成高交联密度的高模量过渡层,且该过渡层与AP、RDX有较高的润湿功和酸碱作用焓,还与基体产生化学键交联和物理缠结。综合考虑界面润湿作用、界面酸碱作用、界面化学键合作用及相容性,预估NPBA-28、BA-8、BA-1键合剂可以改善复合固体推进剂的界面粘结状况,显著提高复合固体推进剂的机械性能。本课题所形成的思路和方法也可以用于其它种类的推进剂。


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