表面处理剂对丁羟推进剂与包覆层粘接性能的影响实验研究.pdf
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1、第 卷第 期 固 体 火 箭 技 术 表面处理剂对丁羟推进剂与包覆层粘接性能的影响实验研究李 悦,罗国勤,薛光轩,李东峰,张纲要(湖北航天化学技术研究所,襄阳;火箭军装备部驻襄阳地区军事代表室,襄阳)摘要:为提高丁羟()推进剂药柱包覆效率,同时规避整形导致的燃烧风险,提出采用纱布擦拭推进剂后涂覆表面处理剂的方法,通过实验研究该方法对推进剂表面状态及与包覆层粘接性能的影响,并与整形表面处理方法进行比较。结果表明,相比不处理,推进剂表面擦拭或整形均能提高推进剂与包覆层的粘接剥离强度;使用两种表面处理剂(和)涂覆推进剂表面,均能提高 推进剂的表面能;涂覆 时,随着处理剂浓度增加,推进剂与包覆层的粘接
2、剥离强度逐渐提高,当 浓度为 时,粘接剥离强度较不涂覆处理剂时提高;随着涂覆处理剂后晾置时间延长,推进剂与包覆层的粘接剥离强度降低,但晾置 时仍较未涂覆处理剂时高;涂覆 时,随着处理剂浓度增加,粘接剥离强度略微增加,随着晾置时间延长,粘接剥离强度显著降低。发动机试车结果表明,采用先擦拭后涂覆 的药柱表面处理方法,推进剂与包覆层界面粘接性能、限燃效果满足要求。关键词:表面处理剂;丁羟推进剂;包覆层;粘接性能;表面处理中图分类号:文献标识码:文章编号:():,(,;,):(),();,:;收稿日期:;修回日期:。基金项目:国家自然科学基金面上项目()。作者简介:李悦,男,硕士,研究方向为固体火箭发
3、动机衬层设计。通讯作者:李东峰,男,硕士,研究方向为固体火箭发动机衬层设计。引言固体火箭发动机按照装药方式分为贴壁浇注式和自由装填式,并通过发动机结构、推进剂燃烧性能及药柱形状等来控制其内弹道性能。为使推进剂能够按照设计的燃面燃烧,还会在成型后的药柱表面增加包覆层(限燃层)。用于包覆推进剂药柱的包覆层可选择环氧、聚氨酯、有机硅树脂等材料,包覆层材料的选择不仅需要考虑材料自身的力学性能、耐烧蚀性能和老化性能,还需要考虑其与推进剂的粘接性能、抗迁移性能以及工艺性能等。通常,推进剂包覆的实施工艺:先将固化后的推进剂按照设计的药型进行整形,尤其是对需要涂覆包覆层的药面进行整形并清理药面;然后在推进剂需
4、包覆面涂覆包覆层,并在一定条件下固化,待包覆层达到固化状态后即完成包覆。该工艺主要存在以下问题:一是推进剂药面整形过程安全风险较大,尤其是一些结构复杂、感度高、需要手工整形的推进剂;二是整形效率低,无法适应大批量发动机生产。在复合材料领域,为了提高材料表面粘接性能,可以采用等离子、电化学等方法对材料表面进行处理。但是,由于固体推进剂属于含能材料,上述方法并不适合。赵凤起等介绍了硅烷偶联剂在固体推进剂装药中的应用,对该类化合物在改善固体发动机界面粘接、改性推进剂填料等方面做了很多的研究,且部分成果已得到了应用。詹国柱等采用含异氰酸酯的处理剂对绝热层表面进行处理,削弱了绝热层逸出物等对粘接界面的影
5、响,提高了 推进剂与衬层的界面粘接性能。为提高推进剂包覆效率,同时规避整形导致推进剂燃烧的风险,本文提出采用纱布擦拭推进剂后涂覆表面处理剂的方法,通过实验研究两种表面处理剂及其浓度和晾置时间对 推进剂与包覆层粘接性能的影响,为优化包覆工艺提供参考。实验 实验材料使用内壁喷塑聚四氟乙烯的装药模具制作 体系推进剂试块,浇注推进剂前模具不涂覆脱模剂,推进剂试块厚度为 ;包覆层为 体系聚氨酯材料;处理剂 为含硅烷偶联剂的无水乙醇溶液,处理剂 为含多官能度异氰酸酯的乙酸乙酯溶液。包覆层 推进剂粘接试件制作不涂覆处理剂的药面与包覆层粘接试件制作:将清理干净的丁腈绝热片在 条件下预烘 以上待用;在按规定条件
6、处理后的推进剂粘接面及绝热片表面涂覆相同包覆层料浆,待包覆层料浆达到一定粘度后将绝热片与推进剂粘贴一起,室温()条件下固化,随后将试件裁成宽度为 的粘接剥离试件,包覆层厚度控制为 。涂覆处理剂药面与包覆层粘接试件制作:处理剂按照规定的组分及比例提前配制好,推进剂药面仅使用蘸乙酸乙酯的纱布擦拭,随后涂覆处理剂,室温()下晾置一定时间后涂覆包覆层,其他处理方法与不涂覆处理剂的粘接试件制作方法相同。性能测试 粘接性能测试使用万能拉力机测试剥离试件的 粘接剥离强度,测试温度为(),拉速为 。表面状态观测使用全自动影像测量仪观察推进剂表面状态,放大倍数 倍。接触角测试使用接触角测试仪测试样品表面接触角,
7、选择二次蒸馏水、乙二醇、二碘甲烷为参考液,将参考液滴加于样品表面,液滴体积为 ,平衡 以上,每个样品重复测试 次,选读接触角误差在内的数据,取平均值,记录参考液滴在样品表面的影像。结果与讨论 表面处理工艺对界面粘接的影响 表面处理工艺对推进剂药面影响实验研究了固化后的推进剂表面经整形、蘸溶剂纱布擦拭的工艺处理以及不处理后的表面状态及其与包覆层的粘接性能。图 所示为不同处理工艺后的药面状态。由图 可以看出,未处理的推进剂药面(图()平整,未裸露出推进剂中的氧化剂等颗粒;整形后的药面(图()露出推进剂中的填料,但由于药面整形深度浅,部分药面未露出推进剂中填料;采用蘸乙酸乙酯的纱布擦拭后的药面(图(
8、)露出推进剂内部填料,且分散较均匀。表面处理方法对粘接性能的影响实验研究了不同处理方法对包覆层与推进剂 粘接剥离强度的影响,实验结果见表。从表 可以看出,与不处理相比,整形或用蘸溶剂纱布擦拭后的推进剂与包覆层的粘接剥离强度均有所提高,且经整形后的药面与包覆层粘接剥离强度最高。分析认为,药面经整形后,表面粗糙度明显提高,使用蘸溶剂的纱布擦拭药面后,能够一定程度上提高推进剂表面粗糙度,但与整形的药面相比其粗糙化效果略差。年 月李悦,等:表面处理剂对丁羟推进剂与包覆层粘接性能的影响实验研究第 期()()()图 不同处理方式的推进剂表面状态 表 表面处理工艺对粘接剥离强度的影响 ()处理剂对界面粘接性
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