1.1.1 复合推进剂的组分
(1)氧化剂
氧化剂是复合推进剂的主要组分,推进剂的燃烧过程主要由其控制,占推进剂含量的六到八成左右,是含有高氧化物电位和高颠覆性原子或集团的物质[3]。氧化剂具有高电负性,位于元素周期表的右侧中间位置,而燃料具有高正电性,位于元素中期表的左侧位置。因而在理想的情况下,F2/H2推进剂可能会拥有最大比冲。由一些基团的氧化电位的大小可以得出结论,高氯酸盐及硝酸盐的氧化性更强 。推进剂的一些性能受氧化剂的影响非常明显,例如弹道性能、加工性能和力学性能等。氧化剂的选择应满足以下要求:含氧量高;热能低;密度大;气体生成量大;热稳定性高;吸湿性能低;能够与推进剂中的其他成分很好地结合;易于安全存储。
硝酸铵和高氯酸铵被广泛应用于现代复合推进剂,这两种物质密度高,反应后能产生高比冲,并且具备众多优点,例如操作简单、不易吸湿、点火容易、燃速适中以及不需要燃烧催化剂等。但是高氯酸铵的燃烧产物里含有大量氯化氢气体,容易在潮湿环境下形成酸雾,对环境造成很大破坏,近几年来不断发展出能够替代高氯酸铵的新型氧化剂,例如AND、CL-20及HNF等。
(2)粘合剂
粘合剂对氧化剂颗粒具有粘结作用,一般为树脂材料或弹性体,其在推进剂中既可以做燃料,又可以起到粘结的作用,含量一般在10%~20%左右。粘合剂具有热固性及热塑性等性质,是典型的交联聚合物。
粘合剂应满足以下四个条件:
Ⅰ.粘合剂必须是液态,密度高于0.96 g•cm-3,相对分子质量在2000~4000之间;
Ⅱ.表面带有羟基或环氧基等活性基团;
Ⅲ.玻璃化转变温度较低;
Ⅳ.具有较低的固化温度和固化收缩率。
复合推进剂中不仅可以采用沥青、HTPB和CTPB等作为粘合剂及燃烧剂,还可以采用PS、PU等材料。目前,大多数复合推进剂采用的还是HTPB作为粘合剂。
(3)增塑剂
增塑剂一般为液体材料,其相对分子质量低,不易挥发及发生反应,能够渗透到聚合物链中,从而软化聚合物基质使其更柔韧,有效改善聚合物的力学性能。在复合推进剂中,最常用的增塑剂是硝化甘油,但其危险性较高,在摩擦或高温情况下极易发生爆炸。
(4)金属燃料
金属燃料能量密度大,燃烧热值高,耗氧量低[3]。常用的金属燃烧剂有B、Mg、Al、Ni、Zr、Ti等材料。
(5)其他组分
为了提高复合推进剂的各项性能,有时还会在推进剂中加入键合剂、固化剂、抗氧化剂及燃速改良剂等。
1.1.2 硼粉的理化性质
为了改善硼粉的燃烧性能,就要了解硼粉及其氧化物的性质,并与其它金属及氧化物进行对比,结果见表1.1和表1.2[4,5]。
硼元素的原子序数为5,相对原子质量为10.811,熔点约2074℃,沸点2550℃,密度为2.34g/cm3,硬度仅次于金刚石,较脆。单质硼是黑色或深棕色的粉末,在空气中发生氧化时由于在表面形成氧化硼薄膜,进而阻止内部的硼继续氧化。硼粉除了可以作为燃料添加剂用于制备烟火、炸药、推进剂外,还可以广泛应用于化工原料矿物、机械、电器、核工业、医药、农业、冶金、建材等众多领域。
结合表1.1和表1.2[4,5]可以看出,硼、铝、镁燃烧时特点不同。可以总结为以下几点:(1)从能量上看,硼的能量最大,镁的能量最小;(2)从燃烧上看,硼的燃烧最困难,同时耗氧量最大;(3)从密度上看,铝的密度最大,镁的密度最小;(4)从熔点上看,硼的熔点最高,达到了2074℃;(5)从蒸发热上看,硼的蒸发热最高,达到了535.81 kJ/mol;(6)从耗氧量上看,硼的耗氧量是最大的;(6)从燃烧热方面看,硼的质量热值及体积热值都很大;(7)从氧化物方面看,氧化物熔点和沸点最低的都是是氧化硼。
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