本發(fā)明涉及一種室溫固化推進(jìn)劑，屬于復(fù)合固體發(fā)動機(jī)及復(fù)合固體推進(jìn)劑領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
固體推進(jìn)劑是固體發(fā)動機(jī)的基本組成部分，其質(zhì)量占發(fā)動機(jī)總質(zhì)量的90％或以上。由于丁羥推進(jìn)劑具有原材料易得、粘度低、工藝、力學(xué)性能和貯存性能好、價格低廉等優(yōu)點(diǎn)，因此是世界各國大型助推器和導(dǎo)彈發(fā)動機(jī)主要采用的復(fù)合固體推進(jìn)劑品種，如法國阿里安5型、日本繆-5、美國金牛座運(yùn)載火箭發(fā)動機(jī)、中國大型戰(zhàn)略固體火箭發(fā)動機(jī)。同時由于固化劑異佛爾酮二異氰酸酯(IPDI)、甲苯二異氰酸酯(TDI)具有與端羥基聚丁二烯(HTPB)粘合劑相溶性好，固化成型后的力學(xué)性能和貯存性能優(yōu)良，因此是丁羥推進(jìn)劑理想的固化劑品種。目前，丁羥推進(jìn)劑主要通過澆注于發(fā)動機(jī)中，在50℃及以上的溫度條件下，固化成形。
然而隨著武器及航天事業(yè)的發(fā)展，對固體推進(jìn)劑提出更高更特殊的要求，如低危險性高燃速、高強(qiáng)度高模量、高界面粘接性能和低成本等，采用這種固化工藝對這些要求的實(shí)現(xiàn)具有明顯的阻滯作用，急需開展室溫固化技術(shù)研究，主要體現(xiàn)在：(1)某些固體發(fā)動機(jī)在實(shí)現(xiàn)25mm/s及以上(6.86MPa)高燃速或超高燃速的目標(biāo)時，需要推進(jìn)劑的制造和儲存具有較高的安全性。但由于在50℃及以上的溫度條件時，氧化劑的分解速率較快，推進(jìn)劑的制造具有較高的危險性，若采用室溫固化，將大大降低氧化劑的分解速率，保證推進(jìn)劑制造過程中的安全性；(2)某些發(fā)動機(jī)如自由式裝填大藥柱，對推進(jìn)劑提出了常溫強(qiáng)度大于3MPa的要求，采用50℃及以上的溫度固化成形后，移存于常溫條件下，由于熱應(yīng)力的收縮作用，會使得推進(jìn)劑彈性體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)較容易出現(xiàn)微裂紋等缺陷，甚至是孔洞，這將大大破壞其承載能力，降低其力學(xué)強(qiáng)度，使其無法滿足力學(xué)指標(biāo)要求，若采用室溫固化，由于不存在熱應(yīng)力的收縮作用，將大大保證推進(jìn)劑網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的完整性，進(jìn)而保證其力學(xué)強(qiáng)度；(3)某些固體導(dǎo)彈發(fā)動機(jī)如巡航導(dǎo)彈等提出了推進(jìn)劑藥柱與絕熱層、殼體間具有高界面粘接性能的要求，同樣由于高溫固化后移存時的熱應(yīng)力收縮，較容易使得界面產(chǎn)生微裂紋等缺陷，破壞界面的粘接強(qiáng)度；(4)由于武器和航天市場競爭日益激烈，降低制造成本成為固體推進(jìn)劑的迫切要求之一。推進(jìn)劑的費(fèi)用一般占固體火箭發(fā)動機(jī)成本的近30％，在航天飛機(jī)固體助推器中推進(jìn)劑的費(fèi)用占約14％，而長時間的高溫固化需要花費(fèi)較多的動力和能源，使其成本較高，國外在提高固體推進(jìn)劑競爭能力方面曾致力于新工藝和新材料的研究開發(fā)和應(yīng)用，將新工藝(例如推進(jìn)劑室溫固化工藝)和新材料(例如固化催化劑)相結(jié)合，應(yīng)用于固體推進(jìn)劑的生產(chǎn)將可以有效降低推進(jìn)劑的成本。
美國空軍火箭推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的技術(shù)人員(文獻(xiàn)：AD869515，AD872870，AD876610，AD883867，AD880291，AD888195，USP4038113，USP4038114)于上世紀(jì)七十年代開始研究HTPB系統(tǒng)常溫固化催化劑，對可能用作聚氨酯推進(jìn)劑常溫固化催化劑的大量化合物進(jìn)行了篩選，這些化合物包括金屬螯合物、金屬鹽和烷基錫鹽。篩選試驗(yàn)包括催化活性試驗(yàn)、粘合劑固化試驗(yàn)和催化劑固化試驗(yàn)三種。研究發(fā)現(xiàn)使推進(jìn)劑在常溫下固化并獲得較好的性能金屬化合物有乙酰丙酮鐵、乙酰丙酮銅、環(huán)烷酸鉛，以及二價、四價、八價錫化合物等，其中以Fe(AA)3最優(yōu)。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)使用催化劑Fe(AA)3濃度僅為0.001％，用八甲撐二異氰酸酯固化的推進(jìn)劑可澆注時間只有30min，使用活性較低的甲苯二異氰酸酯固化的推進(jìn)劑可澆注時間稍長，但也不足1h，而它們完全固化都要7～10d。可澆注時間即適用期一般要求為8h，這期間推進(jìn)劑粘度不應(yīng)超過5000Pa·s，以保證推進(jìn)劑能澆注進(jìn)發(fā)動機(jī)殼體內(nèi)。這樣適用期與完全固化時間的平衡就成為了常溫固化推進(jìn)劑的另一個問題。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，提供一種室溫固化推進(jìn)劑，通過對固體推進(jìn)劑配方的合理選擇和優(yōu)化設(shè)計，實(shí)現(xiàn)了有效固體含量85％以上的推進(jìn)劑在20～35℃時完成混合、澆注，固化7d以內(nèi)推進(jìn)劑達(dá)到固化點(diǎn)，同時常溫力學(xué)強(qiáng)度可以達(dá)到0.85MPa以上，伸長率大于35％。
本發(fā)明的上述目的主要是通過如下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)的：
一種室溫固化推進(jìn)劑，其特征在于：包括如下質(zhì)量百分比含量的組份：
高氯酸銨AP：69～77％；
鋁粉Al：10～18％；
增塑劑DOS：1～5％；
粘合劑HTPB：5.8～9.0％；
固化劑：0.4％～0.6％；
固化催化劑：0.005％～0.05％
網(wǎng)絡(luò)調(diào)節(jié)劑：0.2％～2.0％
所述網(wǎng)絡(luò)調(diào)節(jié)劑為二官能度的醇類或胺類化合物，具體為N-異丙醇基-N-異丙醚基-苯胺、陰離子型丁羥膠或N、N-二羥基(二異丙基)苯胺HPA中的任意一種或任意兩種的組合；
所述固化劑為多亞甲基多苯基多異氰酸酯PAPI、二苯甲烷二異氰酸酯MDI、苯二亞甲基二異氰酸酯XDI或甲苯二異氰酸酯TDI中的任意一種或任意兩種的組合。
在上述室溫固化推進(jìn)劑中，所述網(wǎng)絡(luò)調(diào)節(jié)劑為N、N-二羥基(二異丙基)苯胺HPA與陰離子型丁羥膠的組合，二者的質(zhì)量比為0.5～1：1。
在上述室溫固化推進(jìn)劑中，所述陰離子型丁羥膠的分子量為800～2500。
在上述室溫固化推進(jìn)劑中，所述固化劑為二苯甲烷二異氰酸酯MDI與苯二亞甲基二異氰酸酯XDI的組合，二者的質(zhì)量比為0.2～0.5：1。
在上述室溫固化推進(jìn)劑中，所述固化劑為多亞甲基多苯基多異氰酸酯PAPI與甲苯二異氰酸酯TDI的組合，二者的質(zhì)量比為0.5～1.5：1。
在上述室溫固化推進(jìn)劑中，所述固化催化劑為三苯基鉍TPB、三-(乙氧基)苯基鉍TEPB、三苯基氯化錫TPC、二月桂酸二丁基錫DY-12或乙酰丙酮鐵Fe(AA)3中的任意一種或多種組合。
在上述室溫固化推進(jìn)劑中，所述固化催化劑為三苯基鉍TPB與三苯基氯化錫TPC的組合，二者的質(zhì)量比為0.5～1.5：1。
在上述室溫固化推進(jìn)劑中，所述固化推進(jìn)劑的固化溫度為20～35℃。
在上述室溫固化推進(jìn)劑中，所述固化推進(jìn)劑藥漿5h粘度低于1300Pa·s，推進(jìn)劑固化時間不大于7d，固體含量大于等于85％。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下有益效果：
(1)、本發(fā)明通過大量試驗(yàn)對固體推進(jìn)劑的組成和配比進(jìn)行了合理選擇和優(yōu)化設(shè)計，制備得到的固體推進(jìn)劑可以在室溫20～35℃完成固化，同時推進(jìn)劑具有優(yōu)異的力學(xué)性能。
(2)、本發(fā)明采用高活性固化劑和高效固化催化劑聯(lián)用的方式，可以使固化催化劑的活性降低，同時減小固化催化劑活性過高而導(dǎo)致推進(jìn)劑發(fā)生后固化現(xiàn)象，即一些副反應(yīng)，改善其存儲性能；
(3)、本發(fā)明采用高活性固化劑和高效固化催化劑聯(lián)用的方式，使得推進(jìn)劑在20～35℃時5h內(nèi)的粘度值低于1300Pa·s，能較好的完成推進(jìn)劑澆注；
(4)、本發(fā)明采用2官能度的醇類或胺類化合物作為網(wǎng)絡(luò)調(diào)節(jié)劑大大改善了推進(jìn)劑的力學(xué)性能，尢其是伸長率，可以達(dá)到35％以上；
(5)、本發(fā)明室溫固化推進(jìn)劑代替高溫固化推進(jìn)劑，減小了熱應(yīng)力，克服了熱應(yīng)力的收縮作用，保證了固體推進(jìn)劑網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的完整性，進(jìn)而保證其力學(xué)強(qiáng)度；
(6)、本發(fā)明室溫固化提高了推進(jìn)劑制備的安全性，同時降低了成本。
(7)、本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了有效固體含量85％以上的推進(jìn)劑在20～35℃時完成混合、澆注，固化7d以內(nèi)推進(jìn)劑達(dá)到固化點(diǎn)，推進(jìn)劑藥漿能保持良好的流動流平性，其5h的粘度值低于1300Pa·s，同時推進(jìn)劑常溫力學(xué)強(qiáng)度可以達(dá)到0.85MPa以上，伸長率大于35％。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合具體實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述：
本發(fā)明室溫固化推進(jìn)劑，包括如下質(zhì)量百分比含量的組份：
高氯酸銨AP：69～77％；
鋁粉Al：10～18％；
增塑劑DOS：1～5％；
粘合劑HTPB：5.8～9.0％；
固化劑：0.4％～0.6％；
固化催化劑：0.005％～0.05％
網(wǎng)絡(luò)調(diào)節(jié)劑：0.2％～2.0％
其中網(wǎng)絡(luò)調(diào)節(jié)劑為二官能度的醇類或胺類化合物，具體為N-異丙醇基-N-異丙醚基-苯胺、陰離子型丁羥膠或N、N-二羥基(二異丙基)苯胺(HPA)中的任意一種或任意兩種的組合；其中陰離子型丁羥膠的分子量為800～2500。
當(dāng)為兩種組合時，網(wǎng)絡(luò)調(diào)節(jié)劑為N、N-二羥基(二異丙基)苯胺(HPA)與陰離子型丁羥膠的組合，二者的質(zhì)量比為0.5～1：1。
固化劑為多亞甲基多苯基多異氰酸酯(PAPI)、二苯甲烷二異氰酸酯(MDI)、苯二亞甲基二異氰酸酯(XDI)或甲苯二異氰酸酯(TDI)中的任意一種或任意兩種的組合。
當(dāng)為兩種組合時，固化劑為二苯甲烷二異氰酸酯MDI與苯二亞甲基二異氰酸酯XDI的組合，二者的質(zhì)量比為0.2～0.5：1。
或者多亞甲基多苯基多異氰酸酯PAPI與甲苯二異氰酸酯TDI的組合，二者的質(zhì)量比為0.5～1.5：1。
固化催化劑為三苯基鉍(TPB)、三-(乙氧基)苯基鉍(TEPB)、三苯基氯化錫(TPC)、二月桂酸二丁基錫(DY-12)、乙酰丙酮鐵(Fe(AA)3)中的任意一種或多種組合。
當(dāng)為組合時，固化催化劑為三苯基鉍TPB與三苯基氯化錫TPC的組合，二者的質(zhì)量比為0.5～1.5：1。
本發(fā)明室溫固化推進(jìn)劑的制備方法如下：
將配方中各組分按規(guī)定配比和混合均勻后，成為具有良好流動性、流平性的藥漿，將藥漿在澆注到裝藥燃燒室或規(guī)定形狀的模具中，在20～35℃環(huán)境下固化5～7d，即可得到所需要的復(fù)合固體推進(jìn)劑產(chǎn)品。
實(shí)施例1
表1配方組成及工藝、力學(xué)性能
實(shí)施例2
表2配方組成及工藝、力學(xué)性能
實(shí)施例3
表3配方組成及工藝、力學(xué)性能
實(shí)施例4
表4配方組成及工藝、力學(xué)性能
實(shí)施例5
表5配方組成及工藝、力學(xué)性能
實(shí)施例6
表6配方組成及工藝、力學(xué)性能
以上所述，僅為本發(fā)明最佳的具體實(shí)施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
本發(fā)明說明書中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬于本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員的公知技術(shù)。