基于Micro-CT的NEPE推进剂装药界面细观结构

郭 翔，张清杰，翟鹏程，庞爱民，池旭辉

(1. 武汉理工大学 材料复合新技术国家重点实验室，武汉 430070；2. 中国航天科技集团公司四院四十二所，襄阳 441003)

基于Micro-CT的NEPE推进剂装药界面细观结构

郭 翔1,2，张清杰1，翟鹏程1，庞爱民2，池旭辉2

(1. 武汉理工大学 材料复合新技术国家重点实验室，武汉 430070；2. 中国航天科技集团公司四院四十二所，襄阳 441003)

NEPE推进剂装药界面粘接问题是制约NEPE推进剂推广应用的技术瓶颈之一，急需有效的细观结构表征技术，以揭示NEPE推进剂装药界面形成机理。采用Micro-CT技术，开展了NEPE推进剂/衬层/绝热层界面细观结构研究，发现Micro-CT图像可明显区分界面各相以及各相的基体与填充物，可识别不同的固体填充物；绝热层/衬层界面存在有锯齿状的镶嵌结构的扩散层，厚度不超过10 μm；推进剂与衬层之间有一定的扩散，存在明显的推进剂与衬层基体富集层，在推进剂一侧，还形成40～80 μm的HMX颗粒富集层。

NEPE推进剂；粘接界面；衬层；绝热层；颗粒填料；显微CT

0 引言

固体推进剂药柱通过衬层实现与绝热层的粘合，为保证固体火箭发动机正常工作，要求装药界面(推进剂/衬层/绝热层界面)在导弹武器服役、点火工作过程保持结构完整，不能出现脱粘。NEPE推进剂采用HTPB衬层，二者之间材料特性差异较大，实现良好的推进剂/衬层/绝热层界面粘接是研制工作中的难点。为揭示NEPE推进剂/衬层/绝热层界面粘接机理，需要了解NEPE推进剂/衬层/绝热层界面的细观结构。

近年来，成熟的显微CT(X-ray micro-computed tomography，简称Micro-CT)技术可得到微米尺度下材料内部结构图像，并实现三维重构，是研究材料细观结构的有力工具[1-3]。Micro-CT最初在医学和生命科学研究中广泛应用，目前扩展到地质科学和材料科学的研究领域[4-6]，也有许多成功用于固体填充材料研究的报道[7-14]。固体推进剂、衬层和绝热层都是固体填充聚合物材料，适合采用Micro-CT技术研究其细观结构，但目前还未见到这方面的研究报道。

本文以Micro-CT技术为基础，分析NEPE推进剂/衬层/绝热层界面区域填料、基体的组成与分布规律，为揭示界面粘接机理提供科学信息。

1 试验

从BL11试样中取出包含绝热层/衬层/推进剂的一小段试样(尺寸约为0.8 mm×0.8 mm×3 mm)，装配于一个铝制细杆前端，采用Xradia公司的MicroXCT-200型3维X射线显微成像系统进行扫描分析，如图1所示。射线能量及功率为40 kV、3 W，其他主要试验参数见表1，图像处理方法参见文献[15]。

研究对象像素尺寸/μm视场范围/mm扫描时间/h推进剂/衬层/绝热层三相体2．42．4×2．42推进剂/衬层界面11×13衬层/绝热层界面11×13

2 结果分析

2.1 NEPE推进剂/衬层/绝热层界面概观

采用4×探测器获得推进剂/衬层/绝热层三相结构典型部位的二维断层图像见图2，伪彩色三维立体图像见图3。由图2可见，YZ和XZ方向断层为垂直于推进剂/衬层/绝热层粘接界面方向，能够清晰区分推进剂/衬层/绝热层3种材料，可观察到3种材料形成的2个界面。其中，中间颜色最深的部分是衬层，上部颜色稍浅的是绝热层，下部颜色最浅，能看到大量颗粒填充物的是推进剂，颗粒填充物的颜色深浅不一，代表不同的填充物。由图3可见，衬层中固体填充物最少，绝热层次之，推进剂固体填充物含量最高。图2与图3表明，Micro-CT图像可区分NEPE推进剂、衬层与绝热层，可区分各相的基体与填充物，也可区别不同的固体填充物，可用于表征NEPE推进剂/衬层/绝热层界面的细观结构。

下面将以更高的分辨率Micro-CT图像分别对推进剂/衬层界面和衬层/绝热层界面进行深入分析。

2.2 绝热层/衬层界面分析

采用10×探测器获得绝热层/衬层界面附近3个垂直面的断层扫描图像见图4。其中，垂直于界面的YZ平面二维断层图像如图5所示。

图5的上部是绝热层，其中白色点状物是金属氧化物填充剂，长短不一的梭状填充物是纤维的截面，直径约为10 μm。从平行于界面方向的绝热层XY平面断层图像(图6)，可看到长条的纤维，长度约为200 μm，说明短纤维是有明显取向的，呈平行于界面方向分布。图4和图5中，短纤维边颜色浅，中心色深，是中空的。图5的下部是衬层，其中白色小颗粒也是金属氧化物ZnO填充剂，较大的不规则灰色填充物是白炭黑(SiO2)。可看到，白炭黑内部疏松多孔。

由图5可见，绝热层基体颜色明显要比衬层基体颜色浅。根据颜色深浅，由图4可发现，绝热层和衬层之间界面比较清晰，看不到明显的相互扩散界面层。但从XY方向(平行于界面方向)的界面断层扫描图像(图7)可清晰看到，绝热层、衬层两相在界面存在明显的扩散层，且有锯齿状的镶嵌结构。根据图4的放大倍数判断，绝热层/衬层界面扩散层厚度不超过10 μm。

2.3 NEPE推进剂/衬层界面分析

采用10×探测器获得推进剂/衬层界面附近3个垂直面的断层扫描图像见图8。其中，垂直于推进剂/衬层界面的YZ平面二维断层图像见图9。

图9中，颜色较深的上半部分是衬层。如同上节，衬层中可观察到亮色的ZnO，直径约4～6 μm；颜色较暗淡、且有空隙的填充物白炭黑。图9中颜色较浅的下半部分是推进剂。推进剂中最亮的小颗粒是金属化合物，直径约5 μm；颜色较亮、呈圆形或椭圆形颗粒的是铝粉，粒径分布约为10～40 μm；颜色较暗的是粗AP，粒径一般在80 μm以上。

推进剂其余部分主要是粘合剂+增塑剂构成的基体、细AP、含量最大的HMX以及少量空隙(颜色最深)。细AP灰度与粗AP一致，但粒度小(直径<10 μm)，仔细观察能在图9中找到。HMX与基体都是由C、H、O和N元素构成，灰度差别很小，在图9中，不易从基体中区分HMX颗粒。

根据三维重构图像，对推进剂和衬层中固体填料的体积分数进行了量化计算。根据前面识别出来的固体填料灰度范围，得到界面区域推进剂和衬层填料的三维重构图及其分解图见图10，各种填料体积分数计算结果见表2。由表2可见，各种填料体积分数与配方理论值基本一致，说明颗粒填料的归属是合理的。只有粗AP的体积分数小于配方理论值1/2，这与界面区域HMX富集的现象是一致的，即界面区域HMX富集，导致AP在界面推进剂的含量低于推进剂本体。

推进剂/衬层界面XY方向的断层扫描图像见图11。图11是以非常小的角度形成的推进剂/衬层界面斜截面，可看到垂直于界面图像所看不到的界面层结构，推进剂与衬层之间存在明显的过渡结构：

(1)在衬层一侧，存在一层低密度层，其灰度要比衬层基体深，根据原子构成分析，主要成分是不含增塑剂的衬层基体HTPB粘合剂。该富集层(衬层基体富集层)厚度不大于3 μm。

(2)衬层富集层往推进剂方向，存在一层推进剂基体富集层，其厚度与衬层富集层相当。推进剂基体富集层与衬层富集层之间有一定的相互扩散。

(3)在推进剂基体富集层之后，是单一颗粒填料占绝对优势的填料富集层。该填料灰度与推进剂基体接近，根据配方成分分析，该填料是HMX。称该层为HMX富集层。根据HMX富集层与衬层基体富集层的比例关系判断，HMX富集层的厚度约为40～80 μm。

表2 绝热层/衬层界面附近颗粒填充物体积分数

结合前面体积分数的统计分析可知，在固化过程中，靠近衬层300 μm区域推进剂固体填料的比率发生了调整：HMX往衬层表面方向富集，界面附近含量大于推进剂本体，Al含量与推进剂本体持平，AP含量则低于推进剂本体。究其原因，与界面各组分的化学极性差异有关：HMX极性较弱，与HTPB接近，趋向于靠近衬层；AP极性较强，趋向于远离衬层。

3 结论

(1)Micro-CT图像可区分NEPE推进剂、衬层与绝热层，可区分各相的基体与填充物，也可区别不同的固体填充物，可用于表征NEPE推进剂/衬层/绝热层界面的细观结构。

(2)绝热层/衬层界面存在有锯齿状的镶嵌结构的扩散层，厚度不超过10 μm。

(3)推进剂与衬层之间有一定的扩散，存在明显的推进剂与衬层基体富集层，在推进剂一侧，还形成40～80 μm的HMX颗粒富集层。

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(编辑：吕耀辉)

Mesoscopic structure of NEPE propellant grain interface based on Micro-CT technique

GUO Xiang1,2, ZHANG Qing-jie1, ZHAI Peng-cheng1, PANG Ai-min2, CHI Xu-hui2

(1. State Key Laboratory of Advanced Technology for Materials Synthesis and Processing,Wuhan University of Technology，Wuhan 430070,China;2.The 42nd Institute of Fourth Academy of CASC, Xiangyang 441003, China)

The poor interfacial adhesion of NEPE propellant/liner/insulation is one of the technical barriers in the application of NEPE propellant, so it is urgently needed to reveal the interfacial adhesion mechanism by using effective characterization technology. In this paper, the Micro-CT technique was applied to investigate the mesoscopic structure, and the interface phases and the matrix/solid fillers can be clearly distinguished from the Micro-CT images. There is a diffusion layer with sawtooth shaped embedded structure on the interface of liner/insulation, whose depth is lower than 10 μm. An inter-diffusion was also observed between the propellant and liner, which leads to an obvious enrichment layer of the propellant and liner. Additionally, there is a HMX enrichment area with the size of 40～80 μm on the side of NEPE propellant.

NEPE propellant；adhesive interface；liner；insulator；particle filler；Micro-CT

2016-11-14；

2017-01-07。

国防预研基金项目。

郭翔(1974—)，男，博士生，主要从事高能固体推进剂配方研究。E-mail:13308672368@189.cn

V512

A

1006-2793(2017)02-0194-05

10.7673/j.issn.1006-2793.2017.02.011