DIANP对双基推进剂燃烧速率的影响

赵 颖，杨建兴，苟兵旺



DIANP对双基推进剂燃烧速率的影响

赵 颖，杨建兴，苟兵旺

（西安近代化学研究所，陕西 西安，710065）

采用靶线燃速测速法，研究了新型增塑剂1，5-二叠氮基-3-硝基-氮杂戊烷（DIANP）的引入及含量变化对双基推进剂燃烧速率的影响，并讨论了不同催化剂对含有DIANP的双基推进剂燃烧速率的影响。实验结果表明：在爆热相近的情况下，DIANP部分取代硝化甘油，在10MPa下燃速可提高20%以上，压力指数升高20%左右，提高幅度与所使用的催化剂品种有关；在配方其它组分不变的条件下，用DIANP部分取代硝化甘油，随着配方中DIANP含量的增加推进剂爆热减小，燃速先增加然后降低，燃速存在一个最大值。

双基推进剂；DIANP；燃烧速率；燃速压力指数

双基推进剂由于制备工艺成熟、燃速和能量调节范围广的特点，广泛应用于各类战术导弹发动机装药[1]，降低特征信号、调节能量和燃烧性能是其主要研究方向。1，5-二叠氮基-3-硝基-氮杂戊烷（简称DIANP）是一种新型的含能增塑剂[2-4]，据报道含有DIANP的发射药具有能量高、燃速高、爆温低的特点[5-6]，但是关于DIANP在推进剂中的应用报道较少。为此本文探讨了DIANP对双基推进剂燃烧速率的影响。

1 实验

1.1 配方设计

为了研究DIANP的加入对双基推进剂燃烧速率的影响，选取含有硝化棉（NC）、硝化甘油（NG）、Ⅱ号中定剂（C2）的双基体系为基本配方，分别采用了两类燃速催化剂，并用DIANP部分取代了硝化甘油NG。爆热对推进剂的燃速影响很大，一般来说，爆热越高，燃速也越高，为了消除爆热的影响，应保证试验配方爆热相近。按照上述原则，设计了一系列配方，如表1所示。表1中配方B1和B2使用的燃速催化剂为水杨酸铅/水杨酸铜，B3和B4使用的燃速催化剂为氧化铅/氧化铜。另外，为了研究DIANP加入量对推进剂爆热和燃速的影响，结合B2配方设计了B5、B6配方，催化剂均为水杨酸铅/水杨酸铜。

表1 实验配方的组成与能量性能

Tab.1 Experiment compositions and its energetic index

1.2 原材料及仪器

原材料：硝化棉、双基吸收药，四川泸州化工厂；DIANP，西安近代化学研究所；铜盐、铅盐，化学纯，营口精细化工厂。仪器：靶线法燃速测试设备，西安近代化学研究所；JR-4型绝热式爆热量热计，西安近代化学研究所。

1.3 样品制备

采用双基推进剂常用的吸收、压延塑化、无溶剂法压伸工艺，进行试验样品制备。采用Ф5mm模具、63t油压机成型，压制出实心药条供燃烧速率测试。

1.4 测试方法

采用靶线法测定几种双基推进剂的燃速。压力分别为10MPa和20MPa，每个压力下测定5根药条，采用数理统计方法对离散数据进行取舍后统计平均，依据=ap方程，取对数ln=ln+ln，求出压强指数。线性拟合相关系数均大于0.999。爆热测试采用GJB 770B-2005绝热法。

2 实验结果及讨论

2.1 DIANP的理化性能

DIANP是一种新型增塑剂，它与硝化甘油等常用含能增塑剂的理化性能对照见表2。由表2可见，新型含能增塑剂DIANP与传统的硝化甘油增塑剂相比，具有以下特点：（1）凝固点低，有利于提高双基推进剂的低温力学性能；（2）挥发性低、摩擦感度和撞击感度低，有助于提高生产安全性；（3）爆温低，有助于降低高温燃气对喷管的烧蚀。虽然DIANP能量较低，但是由于它对硝化棉的溶塑能力比硝化甘油强，在推进剂中允许使用能量较高的高氮量硝化棉，可以弥补其能量较低的缺陷。

表2 增塑剂DIANP 和NG的理化性能[7-10]

2.2 DIANP引入对双基推进剂燃速的影响

利用靶线法进行燃烧速率测试，测试结果见表3。

表3 DIANP的引入对双基推进剂燃速的影响 (mm·s-1)

Tab.3 The results of burning rate on experiment compositions

由表3测结果可见，对于使用水杨酸铅/水杨酸铜作为催化剂的双基推进剂B1配方和B2配方，用DIANP部分取代硝化甘油，在10MPa下燃速提高23.5%，在20MPa下燃速提高36.3%，同时压力指数升高24.6%；对于使用氧化铅/氧化铜作为催化剂的双基推进剂B3配方和B4配方，用DIANP部分取代硝化甘油，在10MPa下燃速提高29.5%，在20MPa下燃速提高36.4%，同时压力指数升高15.2%。由此可见，在配方爆热相近的情况下，用新型含能增塑剂DIANP部分取代硝化甘油，可以大幅度提高双基推进剂的燃速，相应地其燃速压力指数也有所升高。使用不同的催化剂，燃速及压力指数提高幅度不同，相对而言，使用氧化铅/氧化铜的效果要更好，提高燃速的比例高，同时压力指数升高的幅度较小。

2.3 DIANP含量对双基推进剂燃速的影响

为了研究加入DIANP的含量对推进剂爆热和燃速的影响，在B1配方的基础上，分别加入10%、20%、30%含量的DIANP替代NG，组成混合含能增塑剂，配方代号依次为B2、B5、B6，其燃速及燃速压力指数测试结果见表4。由表2测试的结果可见，随着DIANP加入及加入量的增大，双基推进剂的爆热降低。由表4测试结果可见，B5配方和B2配方相比较，DIANP含量由10%提高到20%，在10MPa下燃速提高39.0%，在20MPa下燃速提高36.8%，但是压力指数反而降低2.8%；B6配方和B5配方相比较，DIANP含量由20%提高到30%，在10MPa下燃速反而降低19.8%，在20MPa下燃速降低15.9%，压力指数升高8.7%；B6配方和B2配方相比较，DIANP含量由10%提高到30%，在10MPa下燃速仅提高11.5%，在20MPa下燃速仅提高15.0%，压力指数升高5.6%。由此可见，在双基推进剂其它组分基本不变的基础上，用DIANP部分取代NG组成混合含能增塑剂，随着DIANP加入量的增大，双基推进剂的燃速先增后降，有一个最大值，而压力指数相对燃速变化不大。

表4 DIANP含量对双基推进剂燃速的影响 (mm·s-1)

Tab.4 The results of burning rate on experiment compositions

文献[11]的研究表明火药分解热的增加与火药燃速的增加是一致的，DIANP的分解热为3 463J/g，硝化甘油NG的分解热为2 628J/g，DIANP的加入会导致双基推进剂分解热的增加，从而造成燃速的增加；另外，DIANP中C-N3键断裂生成N2，N2从药体中溢出时在药体中产生空隙，从而增大了燃烧反应面积，也将导致火药燃速增加。

关于叠氮硝胺DIANP的加入导致燃速压力指数增加的机理，主要是因为DIANP分子中没有可裂解的自由基[CHO]，而硝化甘油NG热分解时存在一定含量的自由基[CHO]。在燃烧反应中[CHO]起调节氧化性气体摩尔分数的作用，分子结构中[CHO]基团的含量越高，燃速压力指数越小[12]。从表3可以看出，不同催化剂对燃速压力指数的影响不同，可以通过研究合适的催化剂来解决这个问题。

3 结论

（1）在爆热相近的情况下，采用DIANP部分取代硝化甘油，10MPa下燃速可提高20%以上，压力指数提高约20%，提高幅度与所使用的催化剂品种有关。（2）在配方其它组分不变的条件下，用DIANP部分取代硝化甘油，随着配方中DIANP含量的增加推进剂爆热减小，燃速先增加后降低，燃速存在一个最大值，而压力指数相对变化不大。（3）DIANP作为含能增塑剂取代或部分取代NG，可以调节双基推进剂的燃烧性能。

[1] 张续柱.双基火药[M].北京:北京理工大学出版社,1997.

[2] Flanagan J E.1，5-diazido-3-nitrazapentane and method of preparation thereof:US,5013856[P].1991.

[3] Simmons R L.Azido nitramine:US,4450110[P].1984．

[4] 姬月萍,李普瑞,汪伟,等.含能增塑剂的研究现状及发展[J].火炸药学报,2005,28(4):47-51.

[5] 魏学涛,卿辉,崔鹏腾,等.叠氮硝胺发射药燃烧性能调控技术[J].火炸药学报,2004,27(4):46-49.

[6] 杨建兴,贾永杰,刘毅,等.含RDX的叠氮硝胺发射药热分解与燃烧性能[J].含能材料,2012,20(2):180-183.

[7] 姬月萍,兰英,李普瑞,等.1，5-二叠氮基-3-硝基氮杂戊烷的合成及表征[J].火炸药学报,2008,31(3):44-46.

[8] 王建灵,姬月萍,高福磊,等.叠氮硝胺安全性能参数的实验测定[J].含能材料,2011,19(6):693-696.

[9] 杨建兴,崔鹏腾,贾永杰,等.1,5-二叠氮基-3-硝基氮杂戊烷对硝化棉的溶塑作用[J].火炸药学报,2011,34(2):84-87.

[10] 汪伟,丁峰,梁忆,等. DIANP纯度标准物质的制备及表征[J].火炸药学报,2010,33(5):52-55.

[11] 刘子如.含能材料热分析[M].北京:国防工业出版社,2008.

[12] 王进,李疏芬,张晓宏,等.叠氮硝酸酯对硝胺改型双基推进剂燃烧性能的影响[J].火炸药学报,2001,24(2):22-24.

Effect of DIANP on Combustion Rate of Double-based Propellant

ZHAO Ying，YANG Jian-xing，GOU Bing-wang

(Xi’an Modern Chemistry Research Institure, Xi’an, 710065)

The effect of 1, 5-diazido-3-nitrazapentane (DIANP) and its content on the burning rate of double-based propellant was studied by strand target method. The effect of different kinds of catalyzer on the burning rate of double-based propellant containing DIANP was also discussed. The results show that, under 10MPa and close explosion temperature, when the NG is partially replaced by DIANP, the burning rate increases 20% above, and the pressure exponent increases about 20%. The range of increasing is related to the kind of catalyzer. When the NG is partially replaced by DIANP and other compositions is unalterable, the explosion heat of propellant will decrease as the content of DIANP increasing, and the burning rate will increase firstly and then decrease, there is a maximum burning rate.

Double-base propellant；DIANP；Burning rate；Pressure exponent

1003-1480（2018）03-0032-03

V512+.2

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2018.03.008

2017-12-30

赵颖（1974-），女，工程师，从事推进剂燃烧性能研究。