DNTF-CMDB推进剂的力学功能

　　引 言目前，3，4-二硝基呋咱基氧化呋咱（DNTF）在推进剂中的应用研究正处于初始阶段，文献 报道了DNTF改性双基推进剂（DNTF—CMDB）的热分解规律、能量特性、燃烧性能等研究结果。用动态热机械分析（DMA）、抗拉抗压实验和冲击实验等研究材料的力学性能，具有样品量少，实验结果能从更深层次（如分子运动的角度）揭示推进剂力学性能的变化规律及机理的优点，国内外已将动态热机械方法应用于复合推进剂、双基推进剂以及NEPE推进剂的研究_6 ]，但目前还未见含DNTF的改性双基推进剂的相关报道。本实验以改性双基推进剂配方为基础，研究了不同DNTF含量对DNTF—CMDB推进剂力学性能的影响，并利用文献 。 的DMA实验结果研究DNTF含量对脆化参数的影响及其与抗拉强度的关系。
　　
　　1 实 验
　　
　　1.1 样品制备DNTF—CMDB推进剂样品采用光辊压延工艺制备，以（NC+NG）为黏合剂体系，DNTF作为含能添加剂，中定剂、催化剂和其他添加剂组成基本配方（如表1所示），分别以DNTF质量分数为3 、10 、20 、3O 、4O 、5O 设计配方，经吸收、驱水、光辊压延过程制得样品并进行力学性能测试。所使用的DNTF由西安近代化学研究所提供。
　　
　　1.2 仪器及试验条件单轴抗拉实验使用INSTRON 4505型仪器测量，测试温度分别为一4O、2O及5O=C，拉伸速率100 rnm／min。样品制备及其测试方法依据GJB770B一2005方法413.1，结果见表2。动态力学性能采用TA DMA2908型仪器测试，采用单悬臂夹具，试样尺寸为4mlrl×（12～13）mm×（3~4）mm，频率厂为1、2、5、1O、2OHz，振幅5 m，温度范围一lO0～100 C，温度步长3 C。
　　
　　2 分析与讨论
　　
　　2.1 增塑剂含量对DNTF—CMDB推进剂断裂延伸率的影响由表1和表2可知，低温（～40~C）、常温（20~C）和高温时（5OC），推进剂的断裂延伸率随着DNTF含量的增加先增大后减小，DNTF质量分数为2o时，DNTF—CMDB推进剂的断裂延伸率达到最大。
　　众所周知，双基推进剂的断裂延伸率与增塑剂NG的含量有关。DNTF—CMDB推进剂断裂延伸率从DF一2到DF一9先增加后降低，这可能是因为DNTF含量低时，NG含量相对较大，DNTF溶解于NG 中的量增大，使部分DNTF变成液态，与NG一样对NC有增塑作用。从DF一2到DF一6，虽然NG的含量下降，但由于DNTF的含量增加，溶于NG变成液态DNTF的含量也增加，使延伸率不因NG含量的减小而下降，反而是增加。但从样品DF一6～DF一9，虽然DNTF的含量继续增加，但由于NG的含量的下降，使延伸率呈下降的趋势，这可能是样品在3种实验温度下，断裂延伸率均为先增加后减小的原因。
　　这也说明增塑剂应包含NG和DNTF两部分。
　　为进一步说明DNTF（液态部分）的增塑作用，将质量比 （NG）：m（Nc）对推进剂断裂延伸率的贡献设为g ， （DNTF）： （NC）设为g。，增塑剂相对含量用组合量G=g +Agz（ 为常数）表示。分析表1中NG、DNTF及表2中￡ 数值的变化规律可知：A取0.07时，DF一6配方中增塑剂的相对含量G取最大值，这与e 在DF一6配方时具有最大值相一致，故G=g +0.07g……而该延伸率的对数ln￡m与组合量G的对数有线归关系，如图1所示。
　　从图1三曲线获得的回归方程如下：一4OC ：lne 一3.058 91nG+ 2.3l5 9R ： 0.989 3 P> 0.9992O℃ ：lnE 一11.6671nG+ 8.593 2R一0.965 2 P> 0.9905O℃ ：ln￡m一7.757 61nG+ 7.3384R 一0.9801 P> 0.99OG—g +0.07g ；R为回归相关系数；P为置信度。
　　从上述3方程可分别获得 （NG）： （NC）一27.23：53.57和 （DNTF）。m（NC）一20：43.57，即配方DF一6时，一40、20和50℃的E册均具有最大值。值得注意的是，文献l9 中已发现动态力学性能a转变的损耗角正切tan6"的峰温 及a和 转变的自由体积膨胀系数嘶也均与组合量G相关，而且认为当DNTF质量分数为20 时，推进剂具有最佳的高低温力学性能。本研究也证明DF系列推进剂的抗拉力学性能和动态力学性能受到相同的组合量G的影响。
　　
　　2.2 黏合剂体系对DNTF—CMDB推进剂抗拉强度的影响图2是DF系列推进剂在一40、20和5O℃ 的值与DNTF含量的关系曲线。
　　由图2可知，除一4O。C、DNTF质量分数为2O时的 出现极值外，20C和5O℃ 的关系曲线，从表观上看都有随DNTF含量提高而增大的趋势，但实际上，双基推进剂的抗拉强度主要取决于NC的含量，对于DF推进剂，虽然样品DF一2～DF一6中NC的含量是逐渐下降的，但起增塑作用的NG含量也是逐渐下降的，m（NC）：m（NG）却提高，此外，虽然DNTF可部分起到增塑剂的作用，但其作用效果仅为NG 的7 ，IN／f~DNTF的含量对常温和高温下的影响是有限的。根据上述分析，以 对 （NC）： （NG）作图，如图3所示。从图3可知，2OC和5O℃的 与m（NC）：m（NG）有较好的线性关系，回归方程如下：
　　2O_C： ===9.429 6·（ （NC） m（NG））一8.259 2R 一0.955 0 P> 0.99050℃ ： 一6.919 8·（ （NC）： （NG））一9.795 2R 一0.982 0 P> 0.999因此，可以认为影响DNTF—CMDB推进剂常温（2o oc）和高温（5o~c） 值的主要因素是NC与NG的质量比。至于一40℃下的 与DNTF含量的关系会出现极大值，可能与低温下DNTF在双基体系的作用有关，可从动态力学性能获得的特征量脆化参数进行分析。
　　
　　2.3 DNTF含量对DNTF—CDMB推进剂脆化参数m 的影响为了表征材料的低温力学性能，Simatos D等人提出用脆化参数Do]（ ）来表征材料的易脆程度，m值越大，则脆性越大、强度越低、材料越容易发生脆折或断裂。m 与wLF方程的黏弹系数cf、c!和玻璃化温度 有如下关系：
　　一 （1）乙§根据时间一温度等效原理，对DF系列推进剂低温过程的 松弛段 用WLF方程（方程（2））[1 进行处理：
　　logar= （2）由于双基推进剂在DMA曲线上具有两个力学松弛阶段（见文献[9]），为了获得低温力学性能的脆化参数表征量，把 松弛阶段tan8在1Hz时的峰温当作丁 ，并设方程（2）中的参考温度7 一7 ，则从wLF方程获得DF系列样品 松弛过程的黏弹系数C 、Cl，并用该黏弹系数和 值，按方程（1）计算得到脆化参数m，列于表3。
　　若以 值对DNTF含量作图（如图4所示），可以看到，当DNTF质量分数为2O 时， 有一个最低值，这与DF～6在低温（一40 C）具有最大的 是相应的，这也说明，低温时抗拉强度 与表征低温动态力学性能的m是相关的。
　　为了进一步证明脆化参数与低温抗拉强度有相关性，将 （一40C）与m作图，如图5所示。图5中曲线的回归方程如下：
　　（口 一24.2） =949.5— 27.19mR一0.95O8 P> 0.9900由图5可知，DF系列推进剂低温（一40℃）抗拉强度的（ 一24.2） 和脆化参数间具有很好的线性关系。该线性回归方程表明，当d 值小于24.2MPa时， 值随脆化参数m 的增大而提高；当 值大于24.2MPa时， 值随脆化参数m的下降而提高。这说明DNTF—CDMB推进剂推进剂的低温抗拉强度与脆化参数m有较复杂的关系。
　　
　　3 结 论
　　
　　（1）DNTF对DNTF—CMDB推进剂有一定的增塑效果，并能降低低温脆化参数，提高韧性。高低温和常温下断裂延伸率与组合量G（ （NG）：m（Nc）和 （DNTF）： （Nc）的组合量）之间存在相关性。
　　DNTF质量分数为2O 或 （DNTF）： （NG）接近2O： 27时，3个温度阶段的断裂延伸率和低温抗拉强度具有最大值，而低温脆化参数有最低值；常温和高温的抗拉强度 主要取决于NC与NG的质量比。
　　（2）表征材料低温性能的脆化参数与低温抗拉强度（ 一24.2） 有线性关系，说明低温抗拉强度与wLF方程的黏弹系数和玻璃化温度有关。