铝粉的氟化改性及在丁羟固体推进剂中的应用研究

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铝粉是固体推进剂中广泛使用的一种高能燃烧剂,具有密度高、耗氧量低以及燃烧焓高等优点,能显著提高推进剂的比冲,是推进剂、炸药、火药中广泛使用的燃烧剂。为了解决铝粉在固体推进剂中应用存在的燃烧效率低,易团聚等问题,采用全氟十四酸和氟化物(PF)对铝粉进行改性处理,将氟化物改性铝粉(Al/PF)作为含能添加剂加入含铝HTPB固体推进剂中,研究其对推进剂燃烧性能的影响。首先,通过原位包覆的方法制备了nmAl/C13F27COOH复合物,采用SEM、TEM、粒度和活性铝测试等方法对复合物进行表征。结果表明:对比空气钝化的纳米铝粉(air-nmAl),经C13F27COOH包覆后,铝粉表面的氧化层厚度明显减小,活性铝含量提高约55%,但nmAl/C13F27COOH复合物活性铝的含量依然偏低,仅为44.9%。其次,采用球磨法制备纳米(微米)铝/氟化物复合物(nmAl/PF,μmAl/PF)及5种不同纳米铝和氟化物质量比的nmAl/PF复合物,采用SEM、热分析、XRD及粒度分析等对复合物进行表征。结果表明:纳米铝粉和微米铝粉与氟化物的结合状态不同,球磨没有引起铝和氟化物的晶格变化;综合理论计算和实验分析结果认为mAl:mPF=3:7为最佳质量配比。再次,以含5μm铝粉的三组元HTPB推进剂为基础,制备两个系列推进剂:系列一(添加PF、nmAl/PF、μmAl/PF)推进剂,系列二(添加5种不同nmAl与PF质量比nmAl/PF)推进剂。同时,探究了PF、nmAl/PF、μmAl/PF对四组元和含18μm铝粉推进剂燃烧行为的影响。结果表明:在系列一推进剂中,相比不含添加剂的配方,添加nmAl/PF和μmAl/PF的推进剂在3,5,7MPa三个压强点的燃速均有所增加;在系列二推进剂中,随着球磨复合物中铝含量的增加,推进剂爆热和燃速不断减小;在四组元体系中,相比不含添加剂的配方,当压强高于3 MPa时,添加nmAl/PF和μmAl/PF后推进剂燃速增加;18μm铝粉推进剂体系的爆热值比系列一推进剂对应配方的爆热值均有所提高。最后,采用SEM、XRD及粒度测试等方法对推进剂凝聚相燃烧产物进行分析。结果表明:在系列一推进剂中,添加nmAl/PF和μmAl/PF推进剂的燃烧产物分散性明显变好,推进剂凝聚相燃烧产物中α-Al2O3,θ-Al2O3的含量减少;含有mAl:mPF=3:7和mAl:mPF=5:5的nmAl/PF推进剂的凝聚相燃烧产物粒度整体较低;18μm铝粉推进剂体系中,添加nmAl/PF的推进剂凝聚相燃烧产物几乎未检测到α-Al2O3的存在。
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