从强度、损伤、断裂和跨尺度分析4个方面综述了复合固体推进剂失效的研究进展及发展方向,指出现有的强度特性研究载荷相对简单且参数确定方法不统一,多因素耦合影响下的强度失效准则研究不足; 缺乏复杂应力动态加载下的细观结构全场实时分析手段,损伤失效判据不够精准; 复合固体推进剂断裂力学行为研究的实验标准尚未建立,对动态加载下复合型裂纹尖端损伤形貌的分析表征不够充分,传统的断裂判据的适用性有待进一步验证; 固体火箭发动机药柱结构失效破坏的跨尺度研究尚处于初步探索阶段,损伤跨尺度非线性演化机理、冲击载荷下的跨尺度突变机理以及损伤演化的随机性成为跨尺度研究的重点。最后对复合固体推进剂失效破坏的研究方向与发展趋势进行了展望,认为完善实验标准与动态多尺度观测技术、构建固体推进剂损伤失效全过程演化模型、建立考虑黏弹特性和内部损伤的复合型裂纹断裂判据、依据细观破坏机制建立考虑损伤-断裂-强度耦合作用的失效破坏模型是下一步研究的方向。附

总结了不同纳米碳材料基复合燃烧催化剂在固体推进剂中的研究与应用,分析了碳纳米管、石墨烯、纳米碳纤维、纳米炭黑、纳米活性炭等碳材料及其复合物对推进剂及其组分的热分解和燃烧调节作用,如降低AP、RDX等氧化剂的分解峰温、提高推进剂的燃烧速率和降低压强指数等。讨论了不同轻质纳米碳材料的特性和作为载体与金属粒子及其氧化物等结合形成负载催化剂的制备方法和燃烧催化作用。建议今后研究方向应致力于:拓展如碳点、含氮碳材料等新材料的设计及制备等,提高纳米碳材料基复合燃烧催化剂的催化活性; 对纳米碳材料进行表面结构改性,以提高纳米粒子分散性; 深入探究纳米碳基复合材料在固体推进剂中的催化机理以开展定向应用研究; 对已有研究进行总结推演,利用机器学习快速设计和筛选高效燃烧催化剂,有效改善固体推进剂燃速、压强指数及燃烧稳定性等。

为比较硝化纤维素(NC)纤维和硝化细菌纤维素(NBC)纤维的性能差异,选用含氮量在11.90%、12.40%、12.95%的NBC和NC,采用静电纺丝法制备了平均直径为500nm的两类不同纤维,研究了电纺溶液质量分数和黏度对纤维直径的影响,通过场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)、差示扫描量热仪(DTA)、原子力显微镜(AFM)、万能拉伸测试仪、旋转黏度计对其形貌、力学性能以及热分解性能进行表征。结果表明,随着含氮量的增加,NBC和NC的可纺质量分数逐渐降低; 同等含氮量下,NBC纤维的抗拉强度比NC纤维的抗拉强度高,且纤维的抗拉强度随含氮量的增大而减小; 利用应变片并辅助数字图像相关法(DIC)测出含氮量为11.90%的NBC、NC的泊松比分别为0.35、0.36,并发现单根的NBC纤维杨氏模量达到2.04GPa,较NC纤维高22%。与原料相比,两类纤维的最高分解放热峰均有所前移,且前移温度随含氮量的增加而减小,含氮量为12.95%的NBC纤维表观活化能较原料降低了48.2%,说明纤维样品的分解速率得到显著的改善。

为了调控3-硝基-1,2,4-三唑-5-酮(NTO)基高聚物黏结炸药的形貌和包覆效果,以细化NTO为主体炸药、偏氟乙烯和三氟氯乙烯共聚物(F2314)为包覆剂,采用喷雾干燥法制备了NTO/F2314复合微球,研究了喷雾干燥过程中进口温度、氮气流量、进料速率、料液固含量等工艺条件对NTO/F2314微球形貌的影响; 利用场发射扫描电镜(SEM)、X射线光电能谱(XPS)、高分辨拉曼光谱(Raman)以及差式扫描量热(DSC)等测试方法,表征了微球形貌、结构及热分解特性。结果表明,制备NTO/F2314微球的优化工艺条件为:进口温度为80℃,氮气流量为414L/h,进料速率为4.5mL/min,料液固含量为2%; 在此工艺下获得了形貌圆润、颗粒密实、包覆效果好的NTO/F2314复合微球,其热分解表观活化能为285.43kJ/mol,相比细化NTO的表观活化能提升了16%,极大改善了NTO的热稳定性。

以硬脂酸修饰的纳米六硝基茋(HNS)为表面活性剂,采用Pickering乳液法制备出CL-20-TNT共晶/HNS复合物(CL-20-TNT/HNS),并对其形貌、晶型、热分解性能和安全性能进行了表征。结果表明,Pickering乳液法制备的CL-20-TNT/HNS球形复合物粒径约为5μm,HNS均匀包覆在其表面; CL-20和TNT通过分子间相互作用形成了共晶; CL-20-TNT/HNS热分解峰温为251.5℃,较原料CL-20升高了8.1℃,其撞击感度H₅₀为68cm,远高于原料CL-20和CL-20/TNT/HNS三者的机械混合物,较大幅度地提高了CL-20的安全性能。采用的Pickering乳液法中基本不含非含能组分,与以非含能材料(如吐温、司班等)为表面活性剂制备的复合物相比,未降低CL-20-TNT共晶/HNS复合物的能量。

为了研究爆炸位置和炸药质量对坑道内爆炸平面波形成位置的影响,开展了不同爆心位置和多种炸药质量下的TNT坑道内爆炸数值模拟,记录了不同距离处的冲击波压力曲线,得到了冲击波到达时间和峰值等参量。结果表明,爆炸位置与坑道端口距离在小于1/3倍坑道直径范围内变化时,坑道内超压峰值分布会有一定程度的波动,超过1/3倍坑道直径后,超压峰值分布几乎不发生变化; 平面波形成位置与爆心的距离不受爆心到端口距离的影响; 炸药在同一坑道、同一位置爆炸时,炸药质量越大,则平面波形成位置到爆心的比例距离越小。

为了消除熔铸炸药装药过程中形成的药柱内部缺陷,分别以三硝基甲苯(TNT)、二硝基苯甲醚(DNAN)基熔铸炸药为研究对象,模拟分析了不同工艺条件下药料内部缺陷的形成机制及其晶体形态的演变规律,并结合加压补缩、冲头保温和水浴降温等工艺探索凝固护理对熔铸炸药成型质量的影响规律。结果表明,药柱在单一加压护理工艺下由外向内逐层凝固,容易在芯部形成V字型缩孔与缩松区域,且护理温度越高、缺陷区域越大; 进一步结合冲头保温与水浴降温等护理工艺不仅可以促进药料的纵向梯度凝固及其内部缺陷的可控迁移,还可以借助水浴环境有效提高其换热效率以缩短凝固周期,从而实现“微缺陷”或“零缺陷”药柱的高效率制备。

为了获得微尺度爆轰性能优良且与3D微喷打印工艺兼容的悬浮式炸药油墨配方,以水溶性壳聚糖(CS)和聚乙二醇-4000(PEG-4000)为复合黏结体系,亚微米CL-20为主体炸药,设计和制备了高固含量CL-20基炸药油墨,并通过3D微喷打印平台进行打印成型。采用扫描电镜(SEM)、激光共聚焦显微镜、X 射线衍射仪(XRD)对成型样品的形貌结构进行了表征; 采用差示扫描量热仪(DSC)、机械感度仪和静电感度仪分别测试了样品的热分解性能、机械感度和静电感度,并对微型打印样品的爆轰性能进行了测试。结果表明,CL-20质量分数为90%时,打印成型样品表面宏观比较平整,但微观平均粗糙度约为14.58μm,内部结构均匀,层间无明显孔隙,成型样品中CL-20的晶型为ε型; 与亚微米CL-20相比,油墨成型样品的表观活化能增加了5.94kJ/mol,其撞击、摩擦和静电感度分别下降了1J、80N和0.21J; 微型传爆药打印样品的成型密度为1.515g/cm³,爆轰临界尺寸和爆速分别为1mm×0.135mm和7484m/s。

针对高活性铝粉燃烧不完全问题,采用助剂法对高活性铝粉进行燃烧热值有效准确测量,并运用蒙特卡罗法(MCM)对影响燃烧热值测量不确定度的来源进行分析,通过最大信息熵原理确定相关输入量的分布函数,依据测量模型进行不确定度的传递及输出,讨论了模拟次数M对计算结果的影响。结果表明,该方法高活性铝粉燃烧充分,燃烧效率高,测试效果好。当M=100000时,助剂法测试燃烧热的测量结果表示为(28016±570)J/g,相对不确定度为1.0%; 随着模拟次数M的增加,计算结果的平均值与标准偏差越接近理论计算值; 较之GUM法,MCM法可避免对测量模型求导,计算过程简洁易行,更适应于含能材料非线性复杂测量模型的不确定度评价。

为了提高单基发射药能量并保持其力学性能,采用溶剂法制造工艺,在单基发射药基础配方中加入高能填料RDX和GAP增塑剂,制备了复合改性单基发射药,测试了不同样品的爆热、化学安定性、火药力、低温力学性能,并结合某125mm穿甲弹进行了内弹道性能试验。结果表明,复合改性单基发射药的爆热较单基发射药提高了4.3%以上,火药力较单基发射药提高了7.5%以上,120℃甲基紫化学安定性优于单基发射药,低温落锤冲击性能与单基发射药相当,低温药床抗撞击性能优于制式混合酯发射药。内弹道试验结果表明,复合改性单基发射药在高温区间具有低温感特性; 在高温同等最大膛压下,常温初速与单基发射药相比可提高2.6%。