硝胺炸药的表面包覆及其对推进剂性能的影响研究

论文摘要

新型高能固体推进剂中含有大量的硝胺炸药,使得推进剂的机械感度升高、力学和工艺性能变差,这严重制约了这些新型高能推进剂的应用。国内外一些研究表明,采用合适的包覆材料对硝胺炸药进行表面包覆可以改善推进剂安全和力学性能,然而,推进剂的能量性能却会由于这些惰性包覆材料的加入而降低。此外,包覆材料的加入也改变了推进剂的配方组成,对推进剂的相容性、贮运性能和使用性能都产生了不良影响。为消除这种由包覆材料带来的负面影响,本论文以推进剂中组分为包覆材料对硝胺炸药进行了表面包覆,制备了硝胺炸药包覆颗粒,并将其应用到推进剂中。重点考察了表面包覆对硝胺炸药及其推进剂机械感度和热安定性的影响。另外,对采用包覆炸药制成的推进剂的抗拉强度、延伸率和工艺性能也进行了相应地研究。本研究对钝感推进剂的研制及防止硝胺炸药在推进剂中的“脱湿”都具有十分积极的意义。本论文的主要内容如下:首先,以硝化棉（NC）和中定剂（C-1）为复合包覆剂,采用相分离法和水悬浮—乳液—蒸馏法两种方法对硝胺炸药进行了表面包覆,得出了最佳包覆工艺条件。研究发现两种包覆方法均能使黑索金（RDX）和奥克托金（HMX）的机械感度降低,但水悬浮—乳液—蒸馏法由于具有更加致密的包覆效果,其包覆样品感度降低幅度更大,且该工艺简便、安全。将水悬浮—乳液—蒸馏法制备的RDX包覆颗粒应用到硝胺改性双基推进剂（CMDB）中后,推进剂的安全、力学及工艺等性能较用原料RDX制成的推进剂都得到了一定程度的改善。其次,以三硝基甲苯（TNT）和一种含能聚合物（HP-1）为复合包覆剂,采用溶剂—非溶剂与水悬浮—熔融相结合的方法对RDX和HMX进行了表面包覆。研究发现,若无HP-1的加入,TNT在硝胺炸药表面的包覆模式为“岛状包覆”,而用TNT/HP-1复合包覆样品的包覆模式转变为“膜状包覆”。这是因为HP-1的加入降低了包覆材料的表面张力,提高了液态包覆材料对炸药颗粒的润湿能力。经表面包覆后,硝胺炸药的撞击和摩擦感度都得到显著降低,热安定性和爆热都没有明显变化。将包覆前后的RDX样品应用到推进剂中后发现,对于表面包覆有2.5%TNT和0.5%HP-1的RDX所制成的推进剂,其撞击和摩擦感度较由原料RDX制成的推进剂有一定程度的降低,且推进剂的延伸率大幅升高、制备时的压延次数明显减少。第三,以燃烧催化剂（硬脂酸铅和邻苯二甲酸铅）为包覆剂,采用化学沉淀法对硝胺炸药进行了表面包覆。研究发现,硬脂酸铅对硝胺炸药有明显的钝感作用,包覆处理后RDX和HMX的机械感度都大幅度降低。而邻苯二甲酸铅对硝胺炸药没有起到钝感作用,其包覆样品的机械感度不降反升。但如果在邻苯二甲酸铅/硝胺炸药复合粒子表面继续包覆一层聚合物后,其机械感度将得到一定程度的降低。燃烧催化剂的加入方式对推进剂的热分解性能有一定的影响,将硬脂酸铅或邻苯二甲酸铅包覆在硝胺炸药表面可提高其对推进剂组分的催化活性,表现为硝化棉/硝化甘油的热分解峰提前,样品总放热量增加。与直接加入硬脂酸铅的推进剂相比,由硬脂酸铅/RDX包覆粒子制成的推进剂的机械感度、力学性能和能量性能都没有明显变化。最后,以端羟基聚丁二烯（HTPB）及其助剂为包覆剂,分别采用一步相分离法、两步相分离法和双层包覆技术对硝胺炸药进行了表面包覆。一步相分离法制得样品的性能测试结果表明,尽管包覆后硝胺炸药的机械感度得到明显降低,但样品在进行HTPB的固化工序时极易发生粘连,导致包覆样品流散性差,严重影响了样品的使用性能。为解决该问题,试用两步相分离法对硝胺炸药进行包覆,这种包覆方法能够较有效地防止由HTPB固化产生的粘连,但其缺点为溶剂用量过大、包覆制备效率低。最终,采用双层包覆技术,先后以HTPB/IPDI（异佛尔酮二异氰酸酯）和TNT为包覆剂对RDX进行了表面包覆,成功的制备了外包覆层为TNT,内包覆层为HTPB/IPDI的双层包覆颗粒。外层的TNT有效地阻止了HTPB/IPDI层在固化过程中的相互粘接。当除去TNT后,即得到了分散性良好的固化HTPB包覆RDX复合粉末。这种包覆样品的机械感度较原料RDX有显著降低,特性落高(H50)升高了约79%,摩擦爆炸概率（P）降低了约76%。由该包覆颗粒制成的HTPB推进剂浆料和成品的机械感度都比由原料RDX制成的推进剂有明显降低,且推进剂的抗拉强度也得到了显著改善。此外,由于两个推进剂的组份含量完全相同,由包覆RDX制成推进剂的能量性能也没有降低。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 降低推进剂感度的途径和方法
• 1.1.1 改善推进剂中固体填料颗粒的性质
• 1.1.2 采用低感度的含能粘结剂和增塑剂
• 1.1.3 采用高能钝感的填充剂
• 1.1.4 用低感度的炸药代替部分氧化剂
• 1.1.5 增加推进剂的韧性
• 1.1.6 优化推进剂配方和装药工艺设计
• 1.1.7 其它降感措施
• 1.2 推进剂中固体填料的包覆方法
• 1.2.1 相分离法
• 1.2.2 机械研磨法
• 1.2.3 超临界法
• 1.2.4 喷雾干燥法
• 1.2.5 乳液聚合法
• 1.2.6 分子自组装法
• 1.2.7 化学沉淀法
• 1.2.8 水悬浮法
• 1.3 炸药颗粒表面包覆的研究进展
• 1.3.1 表面改性剂
• 1.3.2 惰性钝感剂
• 1.3.3 高分子聚合物
• 1.3.4 增塑剂
• 1.3.5 含能钝感剂
• 1.3.6 有机盐类
• 1.3.7 复合包覆材料
• 1.4 与表面包覆相关的基础理论
• 1.4.1 润湿理论
• 1.4.2 酸碱配位理论
• 1.4.3 扩散理论
• 1.4.4 晶核生长理论
• 1.5 含能材料的机械起爆机理及钝感机理
• 1.5.1 炸药在机械力作用下的起爆机理
• 1.5.2 钝感机理
• 1.6 本课题的研究背景、研究思路和主要的研究任务
• 1.6.1 研究背景
• 1.6.2 研究思路
• 1.6.3 主要研究任务和内容
• 2 NC与中定剂复合包覆硝胺炸药样品的制备及其性能研究
• 2.1 引言
• 2.2 实验试剂及仪器
• 2.3 相分离法包覆硝胺炸药
• 2.3.1 实验部分
• 2.3.2 包覆样品的表征
• 2.3.3 NC与 C-1复合包覆硝胺炸药样品的机械感度
• 2.4 水悬浮—乳液—蒸馏法包覆硝胺炸药
• 2.4.1 实验部分
• 2.4.2 包覆工艺条件对包覆效果的影响
• 2.4.3 包覆样品的表征
• 2.4.4 NC与 C—1复合包覆硝胺炸药的可能机理
• 2.4.5 NC与 C—1复合包覆硝胺炸药样品的机械感度
• 2.4.6 NC与 C—1复合包覆 RDX样品在 CMDB推进剂中的应用
• 2.5 本章小结
• 3 TNT与含聚合物 HP—1复合包覆硝胺炸药样品的制备及其性能研究
• 3.1 引言
• 3.2 实验试剂和仪器
• 3.3 TNT与 HP—1复合包覆 HMX样品的制备及性能
• 3.3.1 实验部分
• 3.3.2 包覆工艺条件对包覆效果的影响
• 3.3.3 TNT与 HP—1复合包覆 HMX样品的机械感度
• 3.3.4 TNT与 HP—1复合包覆 HMX样品的能量性能
• 3.4 TNT与 HP—1复合包覆 RDX样品的制备和性能
• 3.4.1 实验部分
• 3.4.2 包覆工艺条件对包覆效果的影响
• 3.4.3 TNT与 HP—1复合包覆 RDX样品的表征
• 3.4.4 TNT与 HP—1复合包覆 RDX的可能机理
• 3.4.5 TNT与 HP—1复合包覆 RDX样品的机械感度
• 3.4.6 TNT与 HP—1复合包覆 RDX样品的热安定性
• 3.4.7 TNT与 HP—1复合包覆 RDX样品的能量性能
• 3.4.8 TNT与 HP—1复合包覆 RDX样品在CMDB推进剂中的应用
• 3.5 本章小结
• 4 燃速催化剂包覆硝胺炸药样品的制备及其性能研究
• 4.1 引言
• 4.2 实验试剂与仪器
• 4.3 硬脂酸铅包覆RDX样品的制备及性能
• 4.3.1 实验部分
• 4.3.2 包覆样品的表征
• 4.3.3 硬脂酸铅包覆 RDX样品的机械感度
• 4.3.4 硬脂酸铅包覆 RDX样品在 CMDB推进剂中的应用
• 4.4 硬脂酸铅包覆 HMX样品的制备及性能
• 4.4.1 实验部分
• 4.4.2 包覆样品的表征
• 4.4.3 硬脂酸铅包覆 HMX样品的机械感度
• 4.5 邻苯二甲酸铅包覆 HMX样品的制备及性能
• 4.5.1 实验部分
• 4.5.2 包覆样品的表征
• 4.5.3 邻苯二甲酸铅包覆 HMX样品的机械感度
• 4.5.4 邻苯二甲酸铅包覆 HMX样品在推进剂中的应用
• 4.6 本章小节
• 5 HTPB包覆硝胺炸药样品的制备及其性能研究
• 5.1 引言
• 5.2 实验试剂与仪器
• 5.3 相分离法包覆 RDX
• 5.3.1 实验部分
• 5.3.2 包覆样品的表征
• 5.3.3 包覆样品的机械感度
• 5.3.4 RDX的表面包覆对推进剂安全性能的影响
• 5.4 相分离法包覆 HMX
• 5.4.1 实验部分
• 5.4.2 包覆样品的表征
• 5.4.3 表面包覆的可能机理
• 5.4.4 包覆样品的机械感度
• 5.5 无粘连 RDX包覆样品的制备和性能
• 5.5.1 实验部分
• 5.5.2 包覆样品的表征
• 5.5.3 包覆样品的机械感度
• 5.5.4 包覆样品的热安定性
• 5.5.5 RDX的表面包覆对推进剂机械感度和力学性能的影响
• 5.6 本章小结
• 6. 全文结论和主要创新点
• 6.1 全文结论
• 6.2 主要创新点
• 致谢
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表学术论文和编写著作情况