固体推进剂的贮存性能

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• (3)吸湿 • 推进剂在一定条件下能吸收空气中的水分和保持一定量水 分的能力叫做推进剂的吸湿性。 • 双基推进剂的吸湿性较小,这是因为双基推进剂的组分中 除硝化纤维素外,其它如硝化甘油、二硝基甲苯、苯二甲 酸二丁酯及凡士林等组分的吸湿性均小。 • 双基推进剂的吸湿性主要决定于环境的温度,其经验公式 为:
固体推进剂的贮存性能
• 固体推进剂是由大量的高能组分组成的,在长期贮存中, 由于组分间的相互作用或与外界环境大气作用,会引起推 进剂变质,严重影响其弹道性能和力学性能。 • 在这种情况下,推进剂作为发动机的一个重要结构部件, 必然对发动机的使用寿命起极大影响。 • 短期内严重变质的推进剂要立即销毁;装备在武器内势必 造成武器的使用期缩短,尤其是大型火箭发动机装药的更 换将要付出很大的代价,造成巨大浪费;推进剂在贮存期 间,若分解严重,就会自燃或爆炸。 • 所以,加工好的推进剂除要满足能量性能、力学性能和弹 道性能等要求外,尚须有良好的贮存性能、以保证固体火 箭发动机的结构完整性和使用性能。
• (2)粘合剂的氧化交联 • 氧化交联反应是大多数聚丁二烯型复合推进剂的审重要化 学老化反应。这是由于聚丁二烯预聚物主链上含有不饱和 乙烯基,其中的双键非常活泼。在外界因素(如氧、热等) 的影响下,形成产生碳一碳交联的自由基,导致推进剂变 硬。 • 除空气中的氧外,AP的分解产物HClO3或O能与聚合物的 双键发生氧化交联反应。结果使粘合剂的双键数目减少, 交联密度增加,最大拉伸应力和模量亦相应增大。 • 氧化交联反应与温度有直接关系,温度愈高,贮存时间愈 长,其交联密度、最大拉伸应力亦愈大。 • 重金属离子对粘合剂的氧化交联持别有害。10ppm铁增加 到80ppm可因对双键的催化作用增强,而使表面硬度显著 增加。
• [C6H7O2(ONO2)3]n→nC6H7O2(ONO2)3-q1
• C6H7O2(ONO2)3→RCHO+H2O+NO2-q2
• C3H5(ONO2)3→R/CHO+NO2-q3 • 上述反应都是吸热反应,并放出NO2。
• 第二阶段的反应,是分解产物NO2进一步和其它分解产物 或推进剂组分之动的自动催化反应,反应式为 • NO2+RCHO→NO+NO2+H2O+N2+……+Q1 • NO2+NC→NO+NO2+H2O+RCHO+……+Q2 • NO2+NG→NO+NO2+H2O+RCHO+……+Q3 • 这一阶段的反应是放热反应,且Q1+Q2+Q3+……>q1+ q2+q3+……。 • 因此,双基和改性双基推进剂总的分解过程是放热的。
• 使用混合的氮丙啶(如BITA和MAPO)或混合环氧化物MAPO作CTPB推进剂的固化剂,从实际上解决了用单一 固化剂带来的上述缺点,使推进剂的力学性能在老化时的 变化明显减少。这是由于BITA和环氧物固化剂造成的后 固化弥补了MAPO中P—N键断裂造成的软化所致。 • CTPB推进剂的后固化随固化剂含量的增加而严重。 • 例如:MAPO和环氧树脂混合固化剂的含量增加40%,推 进剂老化后的交联密度由起始值的两倍增加列三倍。究其 原因是过量的MAPO和环氧树脂会与高氯酸铵发生键合作 用。
• 虽然双基推进剂的自燃或自爆是第—阶段放热反应发展的 结果,但是根源在于硝化纤维素和硝化甘油均含有不稳定 的-O-NO2基团。它们受热分解后首先放出NO2,NO2具 有自动催化剂的作用,促进了放热的分解反应。同时NO2 和NO遇到推进剂中含有的水分,生成HNO3和HNO2,两 者电离后产生的氢离子(H+)浓度很大,而H+对双基和改 性双基推进剂的分解反应亦起加速作用,其过程为
• 推进剂中使用安定剂(防老剂)只能在一段时间内延缓推进 剂的自动催化作用,而不能制止推进剂本身的热分解反应。 • 双基和改性双基推进剂在长期贮存过程中进行着缓慢的分 解,安定剂也不断地消耗,直到消耗完为止。 • 在安定剂失效后,推进剂的自动催化作用将加速推进剂的 分解。 • 一般认为在生成三硝基衍生物之后,推进剂就不能再贮存 下去了。 • back
2、复合推进剂的老化
• 复合推进剂中的粘合剂、氧化剂(AP)等组分在贮存过程中 的老化情况对推进剂性能变化,特别是对于力学性能变化 起很大影响。 • 复合推进剂在贮存过程中发生的化学变化主要是后固化、 氧化交联、断链降解和AP的分解。 • 而物理变化则包括吸湿、组分迁移和降解产物的积累等。
• 2.1复合推进剂的化学老化 go • 2.2复合推进剂的物理老化 go
• 一般说来,抗氧剂可对聚合物贮存期间提供足够的保护。 • 在CTPB和HTPB推进剂中,为保护双键而选择防老剂是十 分重要的。 • 胺类防老剂(如防老剂H)比酚类化合物提供更好的表面稳 定性。 • 防老剂的作用有二:一方面它能抑制AP的分解;另一方 面,防老剂还可与聚合物双键和AP分解产物反应生成的 活泼基团反应,生成稳定产物,从而阻碍氧化交联或分子 链断裂。
2.1 、复合推进剂的化学老化
• 粘合剂是固体推进剂的基体,它在贮存过程中的变化,主 要是粘合剂主链和交联点所产生的变化。 • 研究粘合剂老化规律,应首先判定在贮存过程中是否有后 固化现象发生及其对以后老化过程的影响。
• (1)推进剂的后固化 • 推进剂的后固化是指在正常固化循环完成之后,由于固化 剂自身或与粘合剂分子间的反应而引起推进剂模量增加、 延伸率降低的现象。 • 复合推进剂的后固化取决于所用粘合剂预聚物及其固化体 系本身的特性、反应能力、相对用量及固化条件等。 • CTPB推进剂的粘合剂是羧基聚丁二烯预聚物,可用氮丙 啶类化合物、环氧类化合物等使之固化。在贮存期间、 CTPB推进剂的抗拉强度继续增加,延伸率则降低,但随 着贮存时间加长,两者均趋近于某恒定值。这说明推进剂 发生了后固化。究其原因是在固化条件下,交联等反应没 有反应完全,在贮存过程中,这些反应继续进行。
• 第一阶段的分解速度很慢,仅由推进剂组分的分解所引起 的推进剂性能变化极微,以致很难被观察到。 • 一般贮存期内,双基和改性双基推进剂处于这一阶段。 • 第二阶段的分解速度具有自动加速的特点。 • 由于第二阶段的放热量大于第一阶段的吸热量,再加上推 进剂的导热性差,净放热量往往大于导出的热量,积聚的 热量使推进剂温度升高。 • 由于分解反应速度随温度的变化服从阿累尼乌斯定律,温 度上升,比反应速度K显著增加。 • 随着反应的进行,热量的积累愈来愈多,以致使推进剂的 温度升高并达到自动发火的温度,从而引起推进剂的自燃, 甚至导致爆炸。
• (3)粘合剂的降解和水解 • 在加热或水的作用下,粘合剂还会发生断链降解或水解断 链。 • 断链可发生在某些固化交联点处,也可能发生在主链某些 基团处。 • 如CTPB推进剂有水存在,特别是材料为酸性(推进剂中AP 分解便会产生酸)时,其中的O=P—N键便发生水解,致 使推进剂变软,拉伸强度降低。 • 用亚胺类化合物固化的材料水解迅速,但用环氧化合物固 化的材料,未观察到水解现象。 • 用MAPO固化的CTPB推进剂,除水解降解外,P—N链由 于热的作用也会断裂。加入防老剂可减缓链断裂速率。
• 渗出物一般是不可逆的,不会全部再回到推进剂中去。 • 低温下渗出到推进剂表面的硝化甘油,当提高温度时,可 以部分重新渗入到推进剂中去,然而不能恢复到原始的组 成。 • 微量的渗出物对推进剂的性能影响不大。 • 渗出严重时,会破坏推进剂的结构均匀性、降低推进剂的 强度,使推进剂外层的燃速增加。从而,增加发动机内的 初始压力峰,改变推进剂的弹道性能。 • 由于硝化甘油渗出到表面,摩擦感度和冲击感度提高,还 会增加勤务处理和运输的危险性。
1、双基和改性双基推进剂的老化
• 1.1 双基和改性双基推进剂的化学老化go • 1.2 双基和改性双基推进剂的物理老化 go
1.1 双基和改性双基推进剂的化学老化
• 双基和改性双基推进剂在贮存过样中影响其性能的主要化 学变化是推进剂的分解,特别是热分解。 • (1)双基推进剂的热分解 • 热分解可分为两个阶段:一是推进剂组分的热分解;二是 分解产物之间及产物和推进剂组分之间的反应。 • 双基及改性双基推进剂热分解的第一阶段主要是硝化甘油 (NG)和硝化纤维素(NC)的吸热分解反应,反应式为:
• 乙基中定剂也可按以下步骤吸收NO2,生成各种比较稳定 的衍生物。
• 中定剂能较好地吸收NO和NO2,起到减缓双基推进剂的自 动催化作用。 • 但中定剂在高温水解时生成CO2气体,在大型双基推进剂 中易产生气泡或造成药柱的破裂。 • 所以,目前国外有些双基推进剂选用2—硝基二苯胺作为 安定剂。 • 在改性双基推进剂中,则选用间苯二酚为安定剂。
• 固体推进剂的老化是指在贮存过程中所发生的性能变化的 总和。 • 根据影响老化的因素不同,可分为化学老化和物理老化。 • 化学老化是推进剂在正常固化循环完成之后,由化学反应 (如双基推进剂的分解、水解、氧化等;复合推进剂的后 固化、氧化交联等)所引起推进剂性能的变化; • 物理老化则是在正常固化循环完成之后,由物理因素(如 组分的相变、迁移和应力等)的影响所引起的推进剂性能 的变化。 • 在贮存过程中,这两种老化往往是同时发生且又互相影响 的。 • 可见固体推进剂的老化是一个复杂的物理、化学过程。 • 推进剂的组成不同,其老化规律和老化机理也不同,从而 延缓或防止老化的措施也不相同。
• 影响双基或改性双基推进剂性能的化学变化除上述外,还 有硝化纤维素的降解、高氯酸铵和硝铵有机氧化剂等的缓 慢分解。但其影响通常小于热分解反应。
• (2)延缓化学老化的措施 • 在双基和改性双基推进剂中,加入安定剂吸收第一阶段的 产物NO2形成凝聚产物,可阻止NO2进一步反应。 • 常用的安定剂有中定剂、间苯二酚、2-硝基二苯胺、氧 化镁等微碱性物质。 • 下面以乙基中定剂(一号中定剂)为例,说明安定剂的作用 机理。
• (2)晶析 • 晶析是固体推进剂中某些固体组分迁移到推进剂表面后重 新结晶的过程。 • 双基和改性双基推进剂中一些晶体组份,如二硝基甲苯、 中定剂、黑索金、奥克托金等,在贮存过程中随NG渗至 表面后,NG逐渐挥发,上述组分则在推进剂表面呈结晶 状。 • 在一般双基推进剂中,晶析过程时间较长。 • 经验证明,这类析出对安全使用不会产生严重的后果。 • 硝化二乙醇胺(吉纳)加入到推进剂中,晶析现象比较明显, 严重时在推进剂生产出来几小时就在表面出现一层白霜, 用显微镜可以看到完整的硝化二乙醇胺的晶型。
h 0.011 0.3
• 其中:h为双基推进剂的水分含量(%),为空气相对湿度。 • 由此可见,空气的相对湿度愈大,则推进剂的吸湿性也愈 大。
• 改性双基推进剂中含有高氯酸铵,它易吸湿,因此改性双 基推进剂的吸湿性大于双基推进剂。 • 吸湿性还和推进剂的结构有关,结构致密的推进剂吸湿性 小。 • 推进剂吸湿严重时,会使点火困难、燃速减慢。
• 固体推进剂良好的贮存性能是指: • 推进剂经长期贮存后,仍能保持满足使用要求的力学性能 和弹道性能。 • 多用推进剂使用寿命的长短来评价推进剂贮存性能的优劣。 • 它是由推进剂的老化过程控制的。 • 为了可靠地估算并提高推进剂的使用寿命,评定各种推进 剂的贮存性能,就必须研究老化规律,并弄清老化机理。
1.2双基和改性双基推进剂的物理老化
• 推进剂的物理的老化使推进剂中某些组分的物理状态和推 进剂的结构发生变化,从而降低推进剂的均匀性,使燃烧 性能、力学性能发生变化、严重时推进剂会丧失原来的力 学性能。 • 双基和改性双基推进剂在贮存过程中通常会发生以下物理 变化:
• (1)汗析 • 双基推进剂(含双基基体)在长期贮存中,硝化甘油可能 从推进剂内部渗出到表面,在表面上形成液滴,这种现象 称为‘汗析”,又称“渗油”。硝化甘油含量大的推进剂, 汗析比较明显。 • 在推进剂中加入部分二硝基甲苯,可以增加硝化纤维素和 硝化甘油的结合力,从而减少硝化甘油的汗析。 • 造成汗析的原因除上述配比问题外,还因为温度经常的和 大幅度的变化所致。
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