含球形硼粉CMDB推进剂的燃烧特性

刘 春，范红杰，李朝阳，关长海，李 焕，齐晓飞



含球形硼粉CMDB推进剂的燃烧特性

刘 春1，范红杰1，李朝阳1，关长海2，李 焕1，齐晓飞1

（1.西安近代化学研究所，陕西西安，710065；2.辽宁庆阳特种化工有限公司，辽宁辽阳，111001）

用燃速测试、扫描电子显微镜（SEM）、光电子能谱仪(EDS)和单幅照相技术对比研究了含球形硼粉和Al粉改性双基推进剂（CMDB）的燃烧性能、熄火表面和火焰结构。结果表明：用等质量的球形硼粉替代Al粉，可降低推进剂燃速和凝聚相热分解的剧烈程度，同时推进剂压强指数增大，凝聚相热分解放热量减少，且其熄火表面上存在大量球形硼粉及其燃烧产物熔联、凝聚形成的球状物。

CMDB推进剂；球形硼粉；燃烧特性；压强指数

添加金属燃烧剂是提高推进剂能量水平的有效手段，其中较常用的金属燃烧剂为硼（B）、铝（Al）和镁（Mg）。与铝和镁相比，硼的燃烧热值高（59.3 kJ/mol-1），是固体推进剂，尤其是固体火箭冲压发动机富燃料推进剂的理想金属燃烧剂[1-2]。在含硼推进剂的研制过程中，需对无定形硼粉进行团聚改性[3-4]，制备合适粒径的球形硼粉（BNC），以改善推进剂的工艺[5-6]和燃烧性能[7-8]。

在前期工作中[9]，研究了球形硼粉含量对不同配方体系复合改性双基推进剂燃烧性能的影响，发现球形硼粉可明显降低推进剂的燃速，提高推进剂的压强指数。为进一步探索球形硼粉对该类推进剂燃烧性能的影响机理，找出控制和调节含球形硼粉CMDB推进剂燃烧性能的有效途径，本文设计了一种典型CMDB推进剂配方，用球形硼粉替代其中的Al粉，利用扫描电子显微镜（SEM）、光电子能谱仪(EDS)和单幅照相技术，对比研究球形硼粉和Al粉对推进剂燃烧性能的影响，以及推进剂在燃烧表面和火焰反应区的燃烧行为，为该类推进剂的推广应用提供一定的理论参考和技术支撑。

1 实验

1.1 主要原材料

NC，D级，四川北方硝化棉股份有限公司；NG，西安近代化学研究所；RDX，E级，甘肃白银银光化学材料厂；Al粉，21µm，西北铝业股份有限公司；球形硼粉，80~100µm，西安近代化学研究所。

1.2 样品的制备

Al-CMDB推进剂配方：双基组分59.0%、RDX 26.0%、Al粉5%、燃烧催化剂及其他功能助剂10.0%；B-CMDB配方：双基组分59.0%、RDX 26.0%、球形硼粉5%、燃烧催化剂及其他功能助剂10.0%。推进剂样品制备采用淤浆浇铸工艺。将推进剂各组分在2L3行星式捏合机中捏合1h，出料后70℃固化72h，退模。

1.3 实验方法

燃速测试：将推进剂样品制成5mm×5mm× 100mm药条并用聚乙烯醇包覆，利用静态恒压燃速仪在20℃测定燃速，测试方法参照GJB-770B-2005方法706.1。熄火表面分析：将推进剂切成5mm×5mm ×10mm的形状，紧贴在Ф12×10mm铜台上，然后放入四视窗透明燃烧室，在3MPa氮气压力下点燃试样，燃烧的推进剂由于传热损失而在铜台上熄灭，从而得到推进剂的熄火表面；然后利用JSM-5800扫描电子显微镜(SEM)和LINK ISIS光电子能谱仪（EDS）联合分析系统对熄火表面进行观察，分析其元素。燃烧火焰结构分析：将推进剂切成5mm×5mm× 10mm的形状，然后放入四视窗透明燃烧室，在3MPa氮气压力下点燃试样，适时启动照相机获得燃烧火焰结构。

2　结果与讨论

2.1 推进剂的燃烧性能

选择了一种含A1粉的RDX-CMDB推进剂（Al-CMDB）作为参照推进剂，用球形硼粉替代其中等质量的A1粉(B-CMDB推进剂)，在5～22MPa压强范围内，对推进剂燃速进行测定，并计算样品在各压强段的压强指数，测试结果如表1所示。

表1 两种推进剂的燃烧速度 （mm·s-1）

Tab.1 The burning rate of CMDB propellants

由表1可知，当球形硼粉取代A1粉后，推进剂燃速在所测压强范围内降低，且中低压下燃速降低的幅度更为显著，如5MPa和22MPa下推进剂的燃速分别从15.58mm/s和29.76mm/s降低至12.26mm/s和27.47mm/s，导致压强指数由0.41提高到0.54。由此看出，用球形硼粉取代A1粉，对降低CMDB推进剂燃速十分有利，但会使其在5～22MPa的压强指数增大。对于A1粉等金属粉而言，其燃烧反应主要发生在推进剂的燃烧表面和气相反应区两个区域，进而对推进剂的燃烧性能产生重要影响[10]

2.2 推进剂熄火表面的形貌结构及特征物

用SEM观察2种推进剂3MPa下的熄火试样，获得表面形貌结构和特征物形状，结果如图1所示。

（a） Al-CMDB     (b) B-CMDB

从图1中可以看出，2种推进剂熄火表面均呈蜂窝状，但其形貌结构及特征物几何尺寸存在显著差异。一方面，与Al-CMDB推进剂相比，B-CMDB推进剂熄火表面珊瑚礁状骨架上的空洞较少，即燃烧表面面积较小，表明推进剂燃烧时凝聚相分解程度相对较低，即燃烧表面反应速率较慢，这与球形硼粉替代A1粉后推进剂燃速降低的结果一致。另一方面，B- CMDB推进剂熄火表面上分布有数量较多、直径较大、色泽较暗的球状物，而Al-CMDB推进剂熄火表面上分布有直径较小、色泽较亮的球状物，对比可知这2种球状物为粒径较大的球形硼粉和粒径较小的A1粉，以及燃烧产物分别熔联、凝聚而产生的物质。为了进一步确定熄火表面的元素分布，对熄火表面进行了局部面扫描分析，元素的摩尔百分比含量见表2，其中微量的Si、Ca等杂质元素并未列出。

表2 推进剂样品熄火表面元素分析结果

Tab.2 The SEM/EDS results for the CMDB propellants

由表2可以看出，2种推进剂的熄火表面均含有一定含量的C、O、Cu和Pb等元素，C、O表明还有未完全燃烧的有机物存在，而Cu和Pb元素则分别来自铅铜盐催化剂发生高温化学反应后的产物。Al-CMDB推进剂中Al元素的摩尔百分比含量为33.56%，而B-CMDB推进剂中B元素的摩尔百分比含量仅为1.70%，原因可能是B元素的原子量较小，扫描电镜所带探针不易探测所致。

2.3 推进剂的火焰结构

图2给出了2种推进剂在3MPa下的火焰结构照片。

图2 推进剂在3MPa下的火焰结构照片

从图2中可以看出，Al-CMDB推进剂火焰结构分为明显的燃烧表面区、暗区和火焰区，其暗区非常明显，火焰呈亮黄色且夹杂大量白色亮线，为A1粉燃烧轨迹。而B-CMDB推进剂火焰结构的暗区基本消失，燃烧表面分布有大量明亮的熔岩状物质，火焰色泽呈现B元素燃烧的绿色，且火焰夹杂块状明亮物质。上述现象表明，球形硼粉主要在推进剂燃烧表面或接近燃烧表面处熔融、燃烧，而A1粉主要在远离燃烧表面的火焰区燃烧。上述实验和分析结果表明，由于推进剂燃烧表面温度高于硼氧化物熔点（分别为2 500K和800K左右），球形硼粉在燃烧表面与推进剂分解产物反应生成硼氧化物后，更易将球形硼粉黏结在一起，在推进剂燃烧表面或接近燃烧表面处熔融、燃烧，降低了球形硼粉的燃烧效率。因此与A1粉相比，球形硼粉燃烧反应放出的热量较少，降低了对推进剂的热反馈作用，使推进剂的燃速降低；同时，这种现象在低压时表现得更为显著，导致推进剂压强指数增大。

3　结论

（1）用等质量的球形硼粉取代推进剂中的A1粉，推进剂的燃速在所测压强范围降低，且中低压下燃速降低的幅度更加显著，使其压强指数增大。（2）加入球形硼粉后，推进剂燃烧表面的热分解反应程度下降，且其熄火表面存在大量由球形硼粉及其燃烧产物熔联、凝聚形成的球状物。（3）球形硼粉主要在推进剂燃烧表面或接近燃烧表面处熔融、燃烧，燃烧效率较低，反应放出的热量较少。

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[3] 樊学忠,庞维强,胥会祥,等.球形团聚硼颗粒制备工艺的优化[J]. 火炸药学报, 2010, 33(1):64-66, 74.

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[5] 庞维强,樊学忠,胥会祥.团聚硼颗粒在HTPB富燃料推进剂中的流变特性[J].火炸药学报, 2010, 33(3):84-87.

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[9] 刘春,屈蓓,范红杰,等.球形硼粉对CMDB推进剂燃烧性能的影响[J].科学技术与工程, 2015, 15(21):211-214.

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Combustion Characteristics of CMDB Propellant Containing Ball-boron Powder

LIU Chun1, FAN Hong-jie1, LI Zhao-yang1, GUAN Chang-hai2, LI Huan1, QI Xiao-fei1

(1. Xi’an Modern Chemistry Research Institute，Xi’an，710065；2. Qingyang Chemical Industry Corporation，Liaoyang, 111001)

The combustion properties, flameout surface characteristics and flame structure of composite modified double-base propellant (CMDB) containing reactive metals, such as aluminum (Al) and ball-boron powder, were investigated, using constant pressure strand burner, scanning electron microscope (SEM), energy dispersive X-ray spectrometry (EDS) and photography technique. The results show that, when the Al was replaced by round boron powder in propellants, the burning rate and thermal decomposition sensitivity was decreased, whereas the pressure index was increased. It also has been demonstrated the heat releases from the condensed phase was decreased, where a large amount of particulate agglomerates were formed on the burning surfaces.

Composite modified double-base propellant；Ball-boron powder；Combustion characteristics；Pressure index

1003-1480（2017）03-0038-03

TQ564

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2017.03.010

2017-03-20

刘春(1971-)，女，高级工程师，从事固体推进剂配方设计及工艺研究。

燃烧与爆炸技术重点实验室基金项目（9140C350319140C35161）。