提供了一种基于接触角数据和配方的PBT推进剂高温力学性能预估方法，根据参比液在PBT推进剂填料和基体表面上的接触角测试结果，计算得到填料‑基体界面的粘附功等界面特性参数，在此基础上，结合推进剂的配方参数，以填料体积分数、粘附功等为输入参数，并进一步预估该复合固体推进剂的高温力学性能，本发明专利技术应用于复合固体推进剂领域，它能够可靠地实现固体推进剂力学性能的快速预估，有效地降低实验成本、缩短周期和提高测试安全性。
A Prediction Method of High Temperature Mechanical Properties of PBT Propellant Based on Contact Angle Data and Formulation
【技术实现步骤摘要】
一种基于接触角数据和配方的PBT推进剂高温力学性能预估方法
本专利技术总体地涉及固体推进剂
，尤其涉及一种基于接触角数据和配方的PBT推进剂高温力学性能预估方法。
技术介绍
现代高技术战争对导弹的突防能力和生存能力提出了很高的要求，增加射程、提高飞行速度、提高机动性和增强隐蔽性是导弹的发展方向，这就使得火箭发动机中的复合固体推进剂药柱承受更加严酷的力学载荷，对复合固体推进剂的力学性能提出了更高的要求。从材料体系的角度看，复合固体推进剂是一种颗粒增强的聚合物基复合材料，其连续相，即弹性基体由固化后的粘合剂和增塑剂组成，氧化剂和金属燃料等固体填料作为分散相其增强作用。从推进剂中各组份自身的性质来看，复合固体推进剂的材料体系复杂，基体是高分子聚合物及有机的小分子增塑剂，填料是无机化合物、有机化合物和金属材料。复合固体推进剂的力学性能主要取决于填料、基体和填料-基体界面的性质。从贮存和使用环境来分析，导弹及固体火箭发动机要求复合固体推进剂在较为宽广的温度范围内，具有良好的力学性能，一般要求复合固体推进剂在-55℃～70℃范围内具有较好的最大抗拉强度(σm)和最大伸长率(εm)。在科研和生产实践中，一般采用单轴拉伸等试验方法来测试复合固体推进剂的力学性能。采用试验方法来测试力学性能具有结果可靠的优点，但试验的周期较长，成本较高，尤其是高温试验，需要较为精确地控制温度等试验条件，所需时间和经济成本较高，且试验对象为复合固体推进剂，这是一种含能材料，制备过程和试验过程中具有一定的危险性。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术研究周期长、危险性高的不足，提出一种基于接触角数据和配方的PBT推进剂高温力学性能预估方法，以有效地缩短研究周期，降低成本和危险性。本专利技术的技术方案为，一种基于接触角数据和配方的PBT推进剂高温力学性能预估方法，所述PBT复合固体推进剂用A3(2,2二硝基丙醇缩甲醛与2,2二硝基丙醇缩乙醛等质量比混合物)为增塑剂增塑的PBT(3,3-双叠氮甲基氧丁烷与四氢呋喃等摩尔比共聚物)为基体，主要包括三类填料：AP(高氯酸铵)、HMX(奥克托今)和Al(铝粉)且配方给定；所述PBT复合固体推进剂高温力学性能的预估方法包括以下步骤：S1：测定参比液在填料和基体表面上的接触角，所述接触角是指在气、液、固三相交点处所作的气-液界面的切角穿过液体与固-液交接线之间的夹角；S2：根据步骤S1获得的接触角测试结果，计算获得填料以及基体的表面张力、表面张力极性分量、色散分量，然后计算得到填料-基体界面的粘附功；S3：以步骤S2获得的粘附功作为填料-基体界面特性的定量表征参数，结合推进剂的配方参数，以填料体积分数、粘附功等为输入参数，预估PBT复合固体推进剂在70℃下的最大抗拉强度(σm)和最大伸长率(εm)，预估计算公式如下：σm＝0.054-1.127VHMX+0.158VAP+2.640VAl+1.542SHMXWa,HMX-PBT+0.349SAPWa,AP-PBT-0.484SAlWa,Al-PBT(1)εm＝0.829-0.524VHMX-1.362VAP+0.338VAl-0.520SHMXWa,HMX-PBT+0.155SAPWa,AP-PBT-0.377SAlWa,Al-PBT(2)其中式(1)～(2)式中，σm为最大抗拉强度；εm为最大伸长率；VAP、VHMX、VAl分别为AP、HMX、Al三种填料在推进剂中的体积分数；SAP、SHMX、SAl分别为单位体积推进剂中填料AP、HMX、Al的表面积，其数值根据推进剂各组份的质量分数、密度、各类填料的粒度分布测试结果计算得到；Wa,AP-PBT、Wa,HMX-PBT、Wa,Al-PBT分别为AP-PBT/A3、HMX-PBT/A3、Al-PBT/A3界面的粘附功；单位体积推进剂中AP的表面积SAP与AP-PBT/A3界面粘附功Wa,AP-PBT的乘积为单位体积推进剂中AP-PBT/A3界面粘附功总和SAPWa,AP-PBT。复合固体推进剂的力学性能主要受到基体、填料、填料-基体界面三方面的影响。本专利技术的PBT/A3基体采用的是优化过的基体配方，即排除了基体的有关影响，只涉及填料、填料-基体界面特性对AP/HMX/Al/PBT/A3推进剂单轴拉伸力学性能的影响。而与填料相关的影响因素包括：填料的种类、含量、粒度、粒度分布等。因此，本专利技术的高温力学性能预估引入了以下自变量：1、单位体积AP/HMX/Al/PBT/A3推进剂中的AP-PBT/A3界面粘附功总和SAPWa,AP-PBT(为AP-PBT/A3界面粘附功与AP颗粒总表面积的乘积，即耦合了AP-PBT/A3界面粘附功和AP粒度两个参数)；2、单位体积AP/HMX/Al/PBT/A3推进剂中的HMX-PBT/A3界面粘附功总和SHMXWa,HMX-PBT(为HMX-PBT/A3界面粘附功与HMX颗粒总表面积的乘积，即耦合了HMX-PBT/A3界面粘附功和HMX粒度两个参数)；3、单位体积AP/HMX/Al/PBT/A3推进剂中的Al-PBT/A3界面粘附功总和SAlWa,Al-PBT(为Al-PBT/A3界面粘附功与Al颗粒总表面积的乘积，即耦合了Al-PBT/A3界面粘附功和Al粒度两个参数)；4、用AP、HMX、Al三种填料在推进剂中的体积分数(分别为VAP、VHMX和VAl)表现填料含量的影响，用体积分数主要考虑到在颗粒填充的聚合物基复合材料力学性能研究中，填料含量对复合材料力学性能的影响一般用填料的体积分数体现。上述6个变量既与填料-基体界面的种类有关，又能体现填料含量和粒度变化的影响；因此以上述6个变量为自变量，以70℃下的最大抗拉强度σm和最大伸长率εm为因变量，通过多元回归分析，得到填料、填料-基体界面特性参数与AP/HMX/Al/PBT/A3推进剂单轴拉伸力学性能之间的定量关系。并且从上面的公式可以看出：1)σm对VAP的一阶偏导数、σm对VAl的一阶偏导数均为正值，表明随着AP和Al添加量的增加，AP/HMX/Al/PBT/A3推进剂的高温最大抗拉强度增加，说明这两种填料都起到了补强作用；其中σm对VAl的一阶偏导数取值相对较大，说明Al粉的补强效果更加明显，σm对VHMX的一阶偏导数为负值，说明随着HMX添加量的增加，AP/HMX/Al/PBT/A3推进剂的高温最大抗拉强度降低，在高温下HMX未起到明显补强效果；2)σm对Wa,HMX-PBT、Wa,AP-PBT的一阶偏导数为正值，说明提高AP-PBT/A3、HMX-PBT/A3界面粘结性能有利于提高推进剂的高温最大抗拉强度；3)εm对VAP、VHMX的一阶偏导数均为负值，说明这两种填料添加量的提高均不利于提高推进剂的最大伸长率。εm对VAl的一阶偏导数为正值，说明提高Al的添加量有利于提高推进剂的最大伸长率。可以看出，本专利技术以AP、HMX、Al三种填料在推进剂中的体积分数和单位体积推进剂中三种填料各自的界面粘附功总和为自变量，以不同配方推进剂在对应温度下实测的最大抗拉强度和最大伸长率为因变量，进行多元线性回归，得到最大抗拉强度(σm)和最大伸长率(εm)的预估计算公式。进一步的，上述步骤S1中的参比液包括但不限于磷酸三甲苯酯、本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于接触角数据和配方的PBT推进剂高温力学性能预估方法，所述PBT复合固体推进剂是以A3增塑剂增塑的PBT为基体，填料主要包括AP、HMX和Al，且配方给定，其特征在于，所述基于接触角数据和配方的PBT推进剂高温力学性能预估方法包括以下步骤：S1：测定参比液在填料和基体表面上的接触角；S2：根据步骤S1获得的接触角测试结果，计算获得填料以及基体的表面张力、表面张力极性分量、色散分量，然后计算得到填料‑基体界面的粘附功；S3：以步骤S2获得的粘附功作为填料‑基体界面特性的定量表征参数，重点关注填料、填料‑基体界面特性对AP/HMX/Al/PBT/A3推进剂单轴拉伸力学性能的影响，排除基体的有关影响，引入以下参数：AP、HMX、Al三种填料在推进剂中的体积分数，分别为VAP、VHMX、VAl；单位体积推进剂中的AP‑PBT/A3界面粘附功总和SAPWa,AP‑PBT、HMX‑PBT/A3界面粘附功总和SHMXWa,HMX‑PBT、Al‑PBT/A3界面粘附功总和SAlWa,Al‑PBT，其中SAP、SHMX、SAl分别为单位体积推进剂中填料AP、HMX、Al的表面积，其数值根据推进剂中各组份的质量分数、密度、各类填料的粒度分布测试结果计算得到；Wa,AP‑PBT、Wa,HMX‑PBT、Wa,Al‑PBT分别为AP‑PBT/A3、HMX‑PBT/A3、Al‑PBT/A3界面的粘附功；以上述6个变量为自变量，以70℃下的最大抗拉强度σm和最大伸长率εm为因变量，通过多元回归分析，得到填料、填料‑基体界面特性参数与70℃下的σm和εm之间的定量关系，以公式表示如下：σm＝0.054‑1.127VHMX+0.158VAP+2.640VAl+1.542SHMXWa,HMX‑PBT+0.349SAPWa,AP‑PBT‑0.484SAlWa,Al‑PBT(1)εm＝0.829‑0.524VHMX‑1.362VAP+0.338VAl‑0.520SHMXWa,HMX‑PBT+0.155SAPWa,AP‑PBT‑0.377SAlWa,Al‑PBT(2)。...
【技术特征摘要】
1.一种基于接触角数据和配方的PBT推进剂高温力学性能预估方法，所述PBT复合固体推进剂是以A3增塑剂增塑的PBT为基体，填料主要包括AP、HMX和Al，且配方给定，其特征在于，所述基于接触角数据和配方的PBT推进剂高温力学性能预估方法包括以下步骤：S1：测定参比液在填料和基体表面上的接触角；S2：根据步骤S1获得的接触角测试结果，计算获得填料以及基体的表面张力、表面张力极性分量、色散分量，然后计算得到填料-基体界面的粘附功；S3：以步骤S2获得的粘附功作为填料-基体界面特性的定量表征参数，重点关注填料、填料-基体界面特性对AP/HMX/Al/PBT/A3推进剂单轴拉伸力学性能的影响，排除基体的有关影响，引入以下参数：AP、HMX、Al三种填料在推进剂中的体积分数，分别为VAP、VHMX、VAl；单位体积推进剂中的AP-PBT/A3界面粘附功总和SAPWa,AP-PBT、HMX-PBT/A3界面粘附功总和SHMXWa,HMX-PBT、Al-PBT/A3界面粘附功总和SAlWa,Al-PBT，其中SAP、SHMX、SAl分别为单位体积推进剂中填料AP、HMX、Al的表面积，其数值根据推进剂中各组份的质量分数、密度、各类填料的粒度分布测试结果计算得到；Wa,AP-PBT、Wa,HMX-PBT、Wa,Al-PBT分别为AP-PBT/A3、HMX-PBT/A3、Al-PBT/A3界面的粘附功；以上述6个变量为自变量，以70℃下的最大抗拉强度σm和最大伸长率εm为因变量，通过多元回归分析，得到填料、填料-基体界面特性参数与70℃下的σm和εm之间的定量关系，以公式表示如下：σm＝0.054-1.127VHMX+0.158VAP+2.640VAl+1.542SHMXWa,HMX-PBT+0.349SAPWa,AP-PBT-0.484SAlWa,Al-PBT(1)εm＝0.829-0.524VHMX-1.362VAP+0.338VAl-0.520SHMXWa,HMX-PBT+0.155SAPWa,AP-PBT-0.377SAlWa,Al-PBT(2)。2.如权利要求1所述的基于接触角数据和配方的PBT推进剂高温力学性能预估方法，其特征在于，所述步骤S1中的参比液包括但不限于磷酸三甲苯酯、蒸馏水、甘油、甲酰胺、乙二醇、α-溴萘中的一种或多种；所述步骤1中测定参比液在填料和基体表面上的接触角采用接触角测量仪进行，接触角测量仪是指测量液体-固体之间接触角的仪器。3.如权利要求2所述的基于接触角数据和配方的PBT推进剂高温力学...
【专利技术属性】
技术研发人员：周星，鲍桐，张炜，邓蕾，干效东，张惠坤，徐亚龙，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，上海航天化工应用研究所，
类型：发明
国别省市：湖南,43
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