一种碳氢富燃料推进剂及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种碳氢富燃料推进剂配方，该推进剂采用以不升华的PCU复合燃料作为主体碳氢燃料，解决了高能量笼型碳氢燃料由于升华导致推进剂储存过程中产生结构缺陷的问题，不升华的PCU复合碳氢燃料的应用使得碳氢燃料与粘合剂体系之间的界面作用更强，推进剂的力学性能大幅提升，推进剂具有更好的储存稳定性，推进剂具有较高的燃速和压强指数。满足了固体冲压发动机对推进剂优良的储存性能、力学性能、高燃烧效率的技术要求。为解决先进战术导弹动力装置固体冲压发动机的动力源需求问题和推进我军先进战术导弹武器研制进程奠定了坚实的基础，能显著提高我军导弹武器作战效能和提升我国国防实力。升我国国防实力。

【技术实现步骤摘要】
一种碳氢富燃料推进剂及其制备方法


[0001]本专利技术属于固体冲压发动机用富燃料推进剂领域，涉及用于一种用于固体冲压发动机的碳氢富燃料推进剂及其制备方法。

技术介绍

[0002]固冲发动机有机地结合了固体火箭发动机和吸气式发动机的优点。利用空气中的氧气作氧化剂，大幅度提高了推进剂的能量；采用内型面压缩进气原理，省略了旋转部件等复杂结构，发动机结构得到简化。因此，以固冲发动机为动力的导弹具有体积小、重量轻、射程远的特点，可以实现全程有动力飞行，增强导弹的突防能力和末段攻击能力。
[0003]固冲发动机使用富燃料推进剂作为动力源，其中燃料含量达到30～50％，因此燃料性能是决定固冲发动机潜在优异性能能否充分发挥的关键因素之一，含硼富燃料推进剂具有很高的热值，是固冲发动机的首选推进剂。但是，由于硼自身的某些特性，制约了其在某些特殊领域中的应用。
[0004]为弥补含硼富燃料推进剂在某些应用领域中的不足，拓展固冲发动机的应用范围，西方发达国家都在大力发展点火性能优良、燃烧效率高、燃温适中、成气量高、凝聚相少、燃气相对洁净且残渣少的固体碳氢富燃料推进剂。
[0005]碳氢富燃料推进剂采用高密度碳氢燃料作为主要燃料，碳氢燃料的性能决定了推进剂的性能，特别是在固体冲压发动机这种体积受限制的使用环境下，更需要考虑单位体积燃料所能产生的能量，因此，要提高推进剂的能量性能就要求碳氢燃料具有尽可能高的密度和体积热值，在HTPB体系中，必须要保证碳氢燃料的密度和体积热值明显大于纯HTPB粘合剂。
[0006]高张力笼状碳氢燃料五环[5.4.0.0
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5,9
]十一烷(PCU)密度达到1.239g/cm3，质量热值为44.5MJ/Kg，体积热值54.5MJ/dm3，是一种高能量碳氢燃料，研究发现PCU在相同的几何形状和热力学条件下，点火速度比HTPB高一个数量级，PCU在燃烧过程中的释放热是HTPB的两倍。
[0007]高密度笼型化合物PCU具有高能量、高密度特性，但是由于其极易升华，采用PCU作为燃料的碳氢推进剂储存性能较差。专利ZL201510940390.5公开了采用PCU作为燃料的热塑性碳氢推进剂，实现了快速响应，但是采用PCU的推进剂储存半年之后推进剂中出现大量针孔状结构缺陷。
[0008]专利ZL201910030750.6采用PCU作为碳氢燃料，采用GAP体系作为粘合剂体系并添加了丙烯酸聚乙二醇单丁醚酯/丙烯腈/3
‑
丁烯
‑1‑
胺/丙烯酸丁酯共聚物，推进剂结构稳定性大大增强，推进剂储存半年之后并没有出现结构缺陷，然而储存一年之后发现推进剂开始出现结构缺陷，并且由于采用GAP粘合剂体系，推进剂能量性能较低，并且由于PCU的特性，推进剂强度不高。
[0009]专利ZL201811598676.X采用了不升华的碳氢燃料制备了推进剂，推进剂具有较高的能量性能和燃烧性能，相对于前期碳氢推进剂配方，采用不升华碳氢燃料制备的推进剂
力学性能有了大幅提升，并且放置数年没有产生结构缺陷且推进剂力学性能没有发生改变，性能测试显示推进剂使用寿命可达15年以上，专利ZL201811598676.X还指出只有不升华的碳氢化合物才能够作为推进剂燃料应用于推进剂配方。
[0010]因此，只要解决PCU因升华导致储存过程中产生结构缺陷的问题，其在固体冲压发动机中具有极为广阔的应用前景。

技术实现思路

[0011]本专利技术解决的技术问题是提供一种碳氢富燃料推进剂，所述推进剂采用易升华的PCU的为原料，经其他组分的吸附等处理获得不升华的复合PCU燃料作为本专利技术的碳氢燃料：本专利技术的碳氢燃料以高热值低密度且具有多孔结构的多孔聚苯乙烯为基体，以具有多官能团丙烯酸聚乙二醇单丁醚酯/丙烯腈/烯丙胺/丙烯醇/丙烯酸羟乙酯共聚物为辅助基体，对高密度易升华的PCU进行吸附，在多孔聚苯乙烯的多孔结构与丙烯酸聚乙二醇单丁醚酯/丙烯腈/烯丙胺/丙烯醇/丙烯酸羟乙酯共聚物的共同作用下，PCU的升华被抑制，制备的复合碳氢燃料物理性质稳定，在90℃以下不会出现升华现象，制备的推进剂在储存过程中不会因为升华导致结构缺陷，解决了高能量笼型碳氢燃料由于升华导致推进剂储存过程中产生结构缺陷的问题。
[0012]本专利技术采用的技术方案是：采用密度较低且具多孔结构的多孔聚苯乙烯对具有高密度、高能量性能但具有升华特性的PCU进行吸附，在多孔聚苯乙烯的多孔结构与丙烯酸聚乙二醇单丁醚酯/丙烯腈/烯丙胺/丙烯醇/丙烯酸羟乙酯共聚物的共同作用下，PCU的升华被抑制，稳定性大幅增强，制备的复合碳氢燃料密度为1.20g/cm3，质量热值为44.8MJ/Kg，体积热值53.6MJ/dm3。
[0013]相对于普通的含PCU推进剂，采用复合碳氢燃料的推进剂储存稳定性和力学性能大幅提升，推进剂的燃烧性能得到改善，能量释放效率得到有效提升，减少了凝聚相的产生，满足了推进剂对储存性能的要求，同时也满足了固体冲压发动机对推进剂能量、工艺、燃烧等性能的要求。
[0014]一种碳氢富燃料推进剂，其特征在于：包含按质量百分比计的下列组分：
[0015]复合碳氢燃料：27～45％；
[0016]氧化剂：28～38％；
[0017]辅助金属燃料：8～15％；
[0018]粘合剂体系：17～25％；
[0019]功能助剂：0.5～4％；
[0020]所述复合碳氢燃料以多孔聚苯乙烯(HPS)为基体，在复合助剂丙烯酸聚乙二醇单丁醚酯/丙烯腈/烯丙胺/丙烯醇/丙烯酸羟乙酯共聚物(PANE)的共同作用下将易升华的高密度笼型碳氢化合物五环[5.4.0.0
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]十一烷与多孔聚苯乙烯复合，制备成稳定的不升华的复合碳氢燃料(HPSPCU)，HPSPCU粒径为20～50μm。
[0021]研究发现，采用多孔结构的活性炭、二氧化硅以及超支化树脂等都能够吸附PCU，且吸附后的PCU在较低温度下下不会升华，可以大大提升PCU的储存稳定性。然而，活性炭、二氧化硅等吸附PCU所得到的复合碳氢燃料燃烧性能较差，能量性能难以释放。
[0022]聚苯乙烯密度1.04g/cm3，质量热值为46MJ/Kg，体积热值47.8MJ/dm3，由于密度较
低，将其单独用作推进剂燃料会降低推进剂密度，进而降低推进剂的体积热值。采用HPS配合PANE吸附PCU，HPS具有不规则的内部结构，其与PCU之间具有较高的结合能，可以将PCU吸附于其中，而PANE具有氨基、羟基等活性官能团，可以进一步加强PCU与HPS之间的吸附，在PANE的作用下，PCU与多HPS的结合能更强，在90℃以下不会升华，可满足推进剂储存稳定性的要求。制备的复合碳氢燃料密度为1.20g/cm3，质量热值为44.8MJ/Kg，体积热值53.6MJ/dm3，能够满足推进剂高密度，高热值要本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种碳氢富燃料推进剂，其特征在于：包含按质量百分比计的下列组分：复合碳氢燃料：27～45％；氧化剂：28～38％；辅助金属燃料：8～15％；粘合剂体系：17～25％；功能助剂：0.5～4％。2.根据权利要求1所述的碳氢富燃料推进剂，其特征在于：所述复合碳氢燃料为以多孔聚苯乙烯为基体，在复合助剂丙烯酸聚乙二醇单丁醚酯/丙烯腈/烯丙胺/丙烯醇/丙烯酸羟乙酯共聚物的作用下，将笼型碳氢化合物五环[5.4.0.0
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]十一烷与所述多孔聚苯乙烯基体复合制备得到，所述复合碳氢燃料粒径为20～50μm。3.根据权利要求2所述的碳氢富燃料推进剂，其特征在于：复合碳氢燃料的制备方法包括以下步骤：S1、在干燥的环境中按质量比4.6:1称量高密度笼型碳氢化合物五环[5.4.0.0
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]十一烷和多孔聚苯乙烯，并加入到干燥的三维混合机中，常温抽真空排除其中的空气，待体系压力小于0.1atm时封闭容器，常温混合1小时；S2、将温度升高至60℃，在60℃下混合2小时，而后在混合状态下降温至室温，并继续混合1小时；S3、重复4次所述步骤S2中的升温
‑
混合
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降温
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混合工艺，使五环[5.4.0.0
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]十一烷升华并与多孔聚苯乙烯形成吸附；S4、在室温下加入占所述多孔聚苯乙烯质量2％的丙烯酸聚乙二醇单丁醚酯/丙烯腈/烯丙胺/丙烯醇/丙烯酸羟乙酯共聚物复合助剂，在0.1atm条件下升温至60℃并混合5小时，降温至室温，出料；S5、在30℃升华24小时回收游离的五环[5.4.0.0
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]十一烷，得到五环[5.4.0.0
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【专利技术属性】
技术研发人员：杨伯涵，董然，李斌，陈浩楠，刘建红，陈涛，范玉琪，刘文进，黄凌，王园园，王锐，肖金武，
申请(专利权)人：湖北航天化学技术研究所，
类型：发明
国别省市：