硼粉含量对Mg／PTFE富燃料推进剂性能的影响

刘 厅，陈 昕，胥会祥，韩爱军，叶明泉，杜 慧，潘功配

（1.南京理工大学化工学院，江苏 南京 210094；2.西安近代化学研究所，陕西 西安 710065）

引 言

镁／聚四氟乙烯（Mg／PTFE）推进剂是一种高能混合物，具有负氧差大、配方可调性强、燃烧温度高、热值大、在较低压力下易二次燃烧等优点，通过配方优化可使其成为冲压发动机推进剂［1－2］。硼以其高体积热值（131.6KJ／cm－3）和高质量热值（58.3MJ／kg）等优点，成为贫氧富燃料固体推进剂理想的高能量添加组分，含硼富燃料推进剂理论比冲可达10kN·s·kg［3－4］。陈明华等［5－7］研究了镁／聚四氟乙烯红外诱饵剂的燃烧性能及红外辐射性能；赵非玉等［8］研究了镁／聚四氟乙烯／氟橡胶红外诱饵的红外辐射特性以及碳纤维对镁／聚四氟乙烯燃烧速度和红外辐射强度的影响；张炜等［9］对硼镁高能贫氧推进剂的能量特性进行了理论分析；庞维强等［10］探讨了不同压力时硼粉含量对富燃料推进剂能量性能的影响，结果表明，随着硼粉含量的增加，推进剂的能量增加；刘迎吉等［11］设计了不同配方的含硼富燃料推进剂，并分析了硼含量对含硼富燃料推进剂绝热火焰温度的影响；刘林林等［12］研究了金属添加剂（镁、铝及镁铝合金）、硼粉粒度和硼粉含量对含硼富燃料推进剂爆热及成气率的影响，结果表明，随着硼粉含量的增加，含硼富燃料推进剂的爆热、成气率均降低，而燃烧温度升高。

本研究制备了7种不同硼粉含量的Mg／PTFE富燃料推进剂药柱，用红外测温仪和TG－DTA测试了其热分解性能、燃烧温度、燃速和质量燃速，用全自动氧弹量热仪测试了样品的爆热，以期为含硼Mg／PTFE富燃料推进剂在固体冲压发动机中的应用提供参考。

1 实 验

1.1 试剂与仪器

聚四氟乙烯，工业品，粒径140μm，上海三爱富新材料有限公司；球形镁粉，粒径45μm，纯度99.81%，唐山威豪镁粉有限公司；硼粉，工业纯，粒度d50为5.71μm，唐山威豪镁粉有限公司；酚醛树脂，工业品，济宁汇德化工有限公司；无水乙醇，分析纯，国药集团化学试剂有限公司。

SDT－Q600型热分析仪，美国TA公司；YX－ZR金鹰全自动量热仪，长沙友欣公司；IGA140非接触式远红外测温仪，德国IMPAC公司；WL－IIB型撞击感度仪和MGY－1型摩擦感度仪，大庆市汇通无损检测技术服务有限公司。

1.2 样品的制备

含硼Mg／PTFE推进剂配方见表1，按照配方将各组分均匀混合，每组中加入质量分数为2%的酚醛树脂作为黏合剂，无水乙醇为溶剂，造粒后晾干。将药粒装入直筒形模具中恒压制成药柱，测量药柱高度和质量，并用白色胶布对其表面进行缠绕包覆，点燃后测试其燃烧性能。

表1 含硼Mg／PTFE推进剂配方Table 1 Formulations of Mg／PTFE propellants containing boron powder

1.3 性能测试

按照GJB5891.29－2006用全自动量热仪测试含硼Mg／PTFE推进剂的爆热和完全燃烧热。采用红外测温仪测试模压药柱的燃烧火焰温度，测温范围340～2 500℃，探头距药柱1m，记录整个燃烧过程的温度变化，每种样品测试2次，取平均值，并记录燃烧时间，通过u＝dh／dt计算线性燃速，um＝dm／（s·dt）。按照 GJB5383.2－2005测试撞击感度，落锤质量10kg，落高25cm，药量（50±1）mg，每组25发。

按照GJB5383.3－2005测试摩擦感度，表压3.90MPa，摆锤质量1.5kg，摆角90°，药量（20±1）mg，每组25发。

用SDT－Q600型热分析仪测试不同硼含量Mg／PTFE推进剂的热分解过程，升温速率为10℃／min，空气氛围；氧化铝坩埚，样品质量2～5mg。

2 结果与讨论

2.1 硼含量对Mg／PTFE富燃料推进剂燃烧性能的影响

2.1.1 对线性燃速和质量燃速的影响

图1为含硼Mg／PTFE推进剂的线性燃速（u）和质量燃速（um）的分布曲线。

图1 不同样品的线性燃速和质量燃速分布曲线Fig.1 Curves of the burning rate and mass burning rate of different samples

由图1可看出，线性燃速和质量燃速分布趋势基本一致，当硼粉的质量分数从0增加到15%时，样品的线性燃速和质量燃速迅速增加，在硼粉质量分数为15%时线性燃速达到最大，与样品1相比，线性燃速增加2.63mm／s，增幅为49.5%，质量燃速增加0.46g·cm－2·s－1，增幅为47.4%；当硼粉质量分数从15%增加到35%的过程中，线性燃速和质量燃速迅速减小，当硼粉质量分数为35%时，线性燃速和质量燃速均低于样品1。说明硼粉含量对Mg／PTFE富燃料推进剂燃速的影响较大，且存在一个临界点，质量分数为15%时达到最大值。这可能是由于推进剂燃烧时，在未达到临界点时，随着硼粉含量的增加，硼粉在燃烧过程中起到促进燃烧的作用，在临界点之后，硼粉对推进剂的燃烧有抑制作用。

2.1.2 对燃烧温度的影响

图2为不同样品的燃烧温度分布曲线及平均燃烧温度和最高燃烧温度的分布图。

图2 不同样品燃烧温度的分布曲线Fig.2 Curves of the burning temperature of different samples

由图2可以看出，在开始燃烧时推进剂样品的平均燃烧温度随着硼粉含量的增加而增加，当质量分数为20%时达到最高，之后开始急剧下降，在30%时燃烧温度最低，在35%时略微增加。由图2（a）、（b）也可以看出，曲线分布位置的高低反应了平均温度的分布。推进剂开始燃烧时，随着硼粉含量的增加，推进剂的最高燃烧温度缓慢增加，在硼粉质量分数为15%和20%时最高燃烧温度基本持平，达到最大值，随后急剧下降，在硼粉质量分数为30%时达到最低值，最后在质量分数为35%时略微增加。这说明硼粉含量对Mg／PTFE富燃料推进剂燃烧温度的影响较大，硼粉质量分数20%时最高温度和平均温度都达到最高值。这可能是硼粉质量分数为20%时推进剂样品燃烧较充分，此时质量燃速处于较高水平，同时硼粉的燃烧比较完全，集中释放的能量较多，导致平均温度和最高温度较高，硼粉含量继续增加时，能量释放和硼粉的燃烧效率可能降低，导致推进剂平均温度不高。

2.1.3 对爆热与完全燃烧热的影响

图3为不同推进剂样品的爆热与完全燃烧热的分布曲线。

图3 不同样品的爆热和完全燃烧热分布曲线Fig.3 Curves of the explosion heat and the whole combustion heat of different samples

由图3可以看出，推进剂样品爆热随硼粉含量的增加而减小，但完全燃烧热随硼粉含量的增加而降低，测试结果和理论值一致；推进剂样品爆热和完全燃烧热测试值比理论值稍低，随着硼粉含量的增加，理论值与实测值之间的差距越来越大。这可能是随着硼粉含量的增加，硼粉燃烧不完全，并且硼粉含量越高，不完全燃烧逐渐增加，而理论计算是按照硼粉的完全燃烧来计算的，导致两者之间的差距越来越大。

2.2 机械感度

表2为含硼Mg／PTFE推进剂的摩擦感度和撞击感度测试结果。

表2 含硼Mg／PTFE推进剂机械感度测试结果Table 2 Test results of mechanical sensitivities of Mg／PTFE propellant containing boron powder

由表2可以看出，随着硼粉含量的增加，推进剂样品撞击感度和摩擦感度的变化趋势基本一致，硼粉质量分数从0增加到10%时，撞击感度和摩擦感度缓慢增加，在10%时达到最大值；当硼粉质量分数从10%增加到20%时，推进剂样品的感度急剧下降；质量分数从20%增加到35%时，感度缓慢下降，最终降低到4%。这说明添加少量的硼粉，推进剂的安全性能恶化，当硼粉质量分数越过临界值10%时，随着硼粉含量的增加，安全性能有很大提高。这可能是由于硼粉是无定形态，而镁粉为球形，加入少量硼粉增加了推进剂中粒子的不完整性，导致机械感度增加；当硼粉质量分数大于10%后，硼粒子不完整性的作用将不再增加，机械感度急剧下降。

2.3 热分解性能

图4分别为含硼 Mg／PTFE推进剂的TGDTA曲线。

图4 含硼Mg／PTFE推进剂的TG－DTA曲线Fig.4 TG－DTA curves of Mg／PTFE propellant containing boron powder

由图4可知，含硼Mg／PTFE推进剂的热分解过程可分为3个阶段。

第一阶段：样品1～样品8的低温放热峰在545.3～568.7℃，样品2～8比样品1提前了11～23.4℃，同时TG曲线急剧下降，第一阶段的放热峰主要是PTFE的C—C键断裂，分解为C2F4，并且随着硼粉含量的增加，分解温度呈降低的趋势。

第二阶段：样品1～样品8的DTA曲线在温度为647.7～649.9℃处都出现一个吸热峰，同时TG曲线基本平稳，这个阶段是由于镁粉在此温度处熔化吸热引起的。

第三阶段：样品1在843.4℃和937.9℃有两个放热峰，前者主要是由于镁粉与空气发生局部反应引起的，后者放热比较剧烈，并且伴随着热重曲线的急剧增加，这个阶段主要是Mg和C2F4以及空气中的氧气发生燃烧引起的。加入硼粉后样品2～样品8的第一放热峰在752.2～782.8℃，放热峰温度提前了60.6～91.2℃，同时伴随着TG曲线的升高；随着硼粉含量的增加，此温度呈现逐渐上升的趋势，第二个峰在809.9～852.4℃，放热峰温度提前了85.5～128℃，其中硼粉质量分数在10%时温度降低最大，为128℃，说明随着硼粉含量的增加，其对Mg／PTFE推进剂的热分解性能影响越明显。

3 结 论

（1）当硼粉质量分数为15%时，Mg／PTFE富燃料推进剂的燃速达到最大值，当硼粉质量分数为20%时，燃烧温度达到最高，随着硼粉含量的增加，爆热缓慢下降，完全燃烧热增加。

（2）推进剂撞击感度和摩擦感度随着硼粉含量的增加先升高后降低。当硼粉质量分数为10%时，撞击感度和摩擦感度达到最高。

（3）加入硼粉后，对含硼Mg／PTFE推进剂热分解性能影响很大。

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