一种碳硼烷推进剂及其制备方法与流程

本发明属于固体超燃冲压发动机用富燃料推进剂领域，具体涉及一种用于提高富燃料推进剂燃烧性能和能量性能的推进剂。

背景技术：

固体超燃冲压发动机具有鲜明的前沿高技术特征，主要用于高空大气层内ma＞6吸气式高超声速飞行器，以其为动力的高超声速导弹或者是空间作战飞行器，具有速度高、结构简单，作战时反应时间短，高超声速飞行性能好等优点，特别适用于作为高超音速巡航武器的动力系统，对国防安全、未来空间作战具有重要意义。

固体超燃冲压发动机要求推进剂在高速流动的来流中顺利点火并能够实现稳定燃烧，可以产生稳定的火焰。它要求固体燃料的相变、分解与汽化、燃烧等复杂过程要在燃烧面处在切向超声速气流中快速完成。扩散火焰为主流提供足够热量，主流为下游燃料提供热反馈，使得燃烧在整个流域内得以进行，为发动机提供较高的能量。

碳硼烷具有卓越的能量性能和良好的燃烧性能，以其衍生物用作富燃料推进剂组分，在一次燃烧时分解产生出大量的高活性自由基碎片，这些自由基碎片具有碳硼烷独特的强缺电子结构，碎片与粘合剂及其他燃料分解产生的不饱和小分子发生歧化，形成高活性小分子，从而可以改善推进剂的燃烧效率，并显著提高其能量性能。

由于碳硼烷具有上述诸多特性，将碳硼烷作为新型燃料引入到富燃料推进剂配方，不但能改善燃烧性能，还能提高能量性能，改善工艺性能，使得碳硼烷推进剂具备常规推进剂所不具备的诸多优点，在未来的战略、战术型号发动机以及燃气发生器中具有极其广阔的应用前景。

技术实现要素：

本发明针对现有技术的缺陷，提供一种碳硼烷推进剂，推进剂以碳硼烷作为燃料，解决了常规燃料点火温度高、燃烧效率低、凝聚相多的问题，作为固体超燃冲压发动机的碳硼烷推进剂配方，满足了以高超音速空地、空空导弹为背景型号的固体超燃冲压发动机对推进剂高热值、优良的点火性能、高燃烧效率、低凝聚相、燃气洁净、低残渣的技术要求。

本发明的技术方案是：一种碳硼烷推进剂，它包含按质量百分比含量计的下列组分：氧化剂：25～40％；碳硼烷燃料：10～45％；金属燃料：3～20％；粘合剂体系：15～25％；功能助剂：2～7％。

本发明推进剂是以碳硼烷作为主要燃料的富燃料推进剂。

进一步的，上述碳硼烷燃料是以具有10个硼原子、12个氢原子和2个碳原子组成的正二十面体的笼形结构的碳癸硼烷为基体的碳癸硼烷衍生物，碳硼烷燃料可以是单取代的碳癸硼烷基，也可以是双取代的碳癸硼烷基，选自碳硼烷丙甲醚、碳硼烷丙醚、苯甲基碳硼烷、碳硼烷丙苯醚、苯甲基碳硼烷、苯基碳硼烷、萘基碳硼烷、联碳硼烷、对碳硼烷二苯甲醚、聚丙烯酸碳硼烷丙酯、碳硼烷基聚乙烯中的一种或两种及两种以上的组合，且碳硼烷粒径不大于400μm。

更进一步的，上述氧化剂选自为高氯酸铵(ap)、高氯酸钾(kp)、硝酸铵(an)、硝酸钾(kn)、三氨基胍硝酸盐(tagn)中的一种或两种及两种以上的组合，且氧化剂粒径为0.5～400μm。

还进一步的，上述金属燃料选自铝(al)、镁(mg)、硼(b)中的一种或两种及两种以上的组合，且金属燃料粒径为1～40μm。

还进一步的，上述粘合剂体系包括粘合剂和固化剂，其中粘合剂选自端羟基聚丁二烯(htpb)和/或端羟基聚醚酯(hpga)，固化剂为六甲撑二异氰酸酯(hdi)、异佛尔酮二异氰酸酯(ipdi)、4,4’-二环己基甲烷二异氰酸酯(hmdi)中的一种或多种。

还进一步的，上述功能助剂为硝酸酯乙基硝胺、卵磷脂、柠檬酸酯、甘油三碳酸酯、癸二酸二异辛酯、三[1-(2-甲基)氮丙啶基]氧化膦、三苯基铋、乙酰丙酮铁、三氟化硼三乙醇胺、氧化铁、辛基二茂铁、3-氨基1,2,4-三唑络高氯酸铜、n,n-二苯基对苯二胺、n-苯基-2-萘胺、n-苯基-n-环己烷基对苯二胺中的一种或数种之组合；

本发明还提供了制备上述碳硼烷推进剂的方法，包括以下步骤：

a)在干燥的环境中精确称量各组分，将功能助剂与粘合剂进行预混，然后加入到立式混合机中，再加入金属燃料进行混合，混合均匀后加入碳硼烷燃料，继续混合，混合均匀后将氧化剂分3～4次加入混合机，待完全混合均匀后加入固化剂进行混合，控制混合温度30℃～50℃，混合总时间70min～110min，待各组分完全混合均匀后出料；

b)将料浆进行真空浇注，并在50℃～70℃干燥环境中固化5～8天，得到碳硼烷推进剂产品。

本发明将碳硼烷作为新型燃料引入到富燃料推进剂配方，改善了推进剂的燃烧性能，提高了能量性能，优化了工艺性能，满足了固体超燃冲压发动机对推进剂能量、工艺、燃烧等性能的要求。

本发明与现有技术相比的优点还在于：以具有10个硼原子、12个氢原子和2个碳原子组成的正二十面体的笼形结构的碳硼烷为基体，制备新型碳硼烷燃料，并将具有强缺电子结构的碳硼烷燃料引入到推进剂配方，可以提高推进剂的能量性能并且可以提高燃烧效率，对提高推进剂的综合性能具有多重效果，为解决先进战术导弹动力装置固体火箭超燃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，在未来的超音速、高超音速型号发动机以及燃气发生器中具有极其广阔的应用前景。

附图说

从下面结合附图对本发明实施例的详细描述中，本发明的这些和/或其它方面和优点将变得更加清楚并更容易理解，其中：

图1为本发明实施例的碳癸硼烷的结构简式示意图；

图2为本发明实施例的碳癸硼烷的优选实例的结构简式。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好地理解本发明，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

实施例1

一种碳硼烷推进剂，它包含按质量百分比含量计的下列组分：氧化剂：25～40％，选自高氯酸铵(ap)、高氯酸钾(kp)、硝酸铵(an)、硝酸钾(kn)、三氨基胍硝酸盐(tagn)中的一种或两种及两种以上的组合，且氧化剂粒径为0.5～400μm；碳硼烷燃料：10～45％，碳硼烷燃料为碳癸硼烷衍生物，如图1所示：它可以是单取代的碳癸硼烷基，也可以是双取代的碳癸硼烷基，碳癸硼烷衍生物具体地可以选自碳硼烷丙甲醚、碳硼烷丙醚、苯甲基碳硼烷、碳硼烷丙苯醚、苯甲基碳硼烷、苯基碳硼烷、萘基碳硼烷、联碳硼烷、对碳硼烷二苯甲醚、聚丙烯酸碳硼烷丙酯、碳硼烷基聚乙烯中的一种或两种及两种以上的组合，如图2所示，且碳硼烷粒径不大于400μm；金属燃料：3～20％，选自铝(al)、镁(mg)、硼(b)中的一种或两种及两种以上的组合，且金属燃料粒径为1～40μm；粘合剂体系：15～25％，粘合剂体系包括粘合剂和固化剂，其中粘合剂选自端羟基聚丁二烯(htpb)、端羟基聚醚酯(hpga)中的一种或组合，固化剂为六甲撑二异氰酸酯(hdi)、异佛尔酮二异氰酸酯(ipdi)、4,4’-二环己基甲烷二异氰酸酯(hmdi)中的一种或多种；功能助剂：2～7％，为硝酸酯乙基硝胺、卵磷脂、柠檬酸酯、甘油三碳酸酯、癸二酸二异辛酯、三[1-(2-甲基)氮丙啶基]氧化膦、三苯基铋、乙酰丙酮铁、三氟化硼三乙醇胺、氧化铁、辛基二茂铁、3-氨基1,2,4-三唑络高氯酸铜、n,n-二苯基对苯二胺、n-苯基-2-萘胺、n-苯基-n-环己烷基对苯二胺中的一种或数种之组合。

实施例2

一种制备实施例1的碳硼烷推进剂的方法，包括以下步骤：

a)在干燥的环境中精确称量各组分，将功能助剂与粘合剂进行预混，而后加入到立式混合机中，而后加入金属燃料进行混合，混合均匀后加入碳硼烷燃料，继续混合，混合均匀后将氧化剂分3～4次加入混合机，待完全混合均匀后加入固化剂进行混合，控制混合温度30℃～50℃，混合总时间70min～110min，待各组分完全混合均匀后出料；

b)将料浆进行真空浇注，并在50℃～70℃干燥环境中固化5～8天，得到碳化硼推进剂产品。

实施例3

一种碳硼烷推进剂，其配方组成及性能分别如表3和表4所示。

表2推进剂性能

实施例4

一种碳硼烷推进剂，其配方组成及性能分别如表3和表4所示。

表3推进剂配方组成

表4推进剂性能

实施例5

一种碳硼烷推进剂，其配方组成及性能分别如表5和表6所示。

表5推进剂配方组成

表6推进剂性能

实施例6

一种碳硼烷推进剂，其配方组成及性能分别如表7和表8所示。

表7推进剂配方组成

表8推进剂性能

实施例7

一种碳硼烷推进剂，其配方组成及性能分别如表9和表10所示。

表9推进剂配方组成

表10推进剂性能

对比实施例1

下表11和12分别是最接近的含硼富燃料推进剂的配方组成和性能，以进行比较。

表11含硼富燃料推进剂配方组成

表12推进剂性能

含硼富燃料推进剂配方的实测热值较低，燃烧效率在70％左右，并且在0.2mpa下无法点火，推进剂性能差。

研究发现，碳硼烷推进剂在较低压强下能够正常点火，具有较高的燃烧效率和喷射效率。采用碳硼烷推进剂作为固体超燃冲压发动机的动力源，可有效提高推进剂的燃烧性能，提高推进剂的能量水平，改善推进剂的综合性能。

以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。