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新型自点火绿色推进剂的设计合成及性能研究

文章来源:甘肃快三信息中心编辑室   时间:2019-4-4 15:52:00 访问数:

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作为新概念的绿色推进剂,与传统的分子肼类燃料相比,离子液体推进剂具有典型的低温离子化合物特点,即不易挥发、可操作的液态区间宽、无毒或低毒、无腐蚀、低的溶胀作用等。此外,离子液体推进剂对外界刺激如撞击、摩擦、静电、冲击波等的敏感度很低,安全性高。更特别的是,由于组成离子液体的阴、阳离子搭配具有成千上万种可能,极大地拓展了离子液体推进剂材料的开发空间。目前的研究表明,离子液体推进剂既可以用作单组元推进剂也可以用作双组元推进剂,如用于推进剂的弹道调节技术,使导弹武器易于机动变轨,增强攻防能力。同时,可调节离子液体推进剂分子中的氮含量,使燃烧产物主要为氮气,具有低特征信号的特点,使导弹武器不易被跟踪,可用于空间推进系统、高性能姿轨控发动机、应急动力装置等。因此,自点火型的含能离子液体材料在绿色液体推进剂领域具有巨大的应用潜力。针对这一背景,我们开发了三类自点火型液体推进剂燃料,并对它们的物化性质和点火性能进行了深入研究,为发展新型绿色液体推进剂及其应用提供了参考。

1  有机超强碱衍生的自点火离子液体合成及点火性能研究

针对当前液体火箭推进剂中燃料部分仍采用高毒性、高挥发性的肼类衍生物从而导致严重环境污染和高操作成本的难题,本研究对有机超强碱骨架进行合理改造和化学修饰(季铵化或质子化),并与合适的富燃料阴离子如二腈胺或氰基硼氢根等进行合理搭配,发展一系列新型基于有机超强碱骨架的自点火离子液体材料,完成了结构表征,并详细测试和研究了其热性质、密度、黏度、比冲、燃烧热和点火性能(见图1)。结果表明,所有新型离子液体材料与强氧化剂如100%硝酸混合时都可以发生自发点火,且表现出极好的对水稳定性和热稳定性。有机超强碱结构中没有化学活泼的H原子可能是其热稳定性显著提高的原因,这对发展新型高热稳定性自点火离子液体具有指导与借鉴意义。

新型自点火绿色推进剂的设计合成及性能研究

2  新型磷硼烷类自点火离子液体合成及其点火性能研究

当前离子型自点火液体燃料点火延迟时间与肼类燃料相比不够短,点火延迟时间短的离子型燃料对水稳定性差。针对这一背景,本研究设计合成了一类新型对水稳定的离子型燃料,在其负离子骨架结构中同时含有B—H键和P—H键。这些离子燃料除了具有离子液体都有的低挥发性,还具有宽的可操作液程,高密度及高能量,与四氧化二氮接触可以实现自点火,高比冲及低腐蚀性等。因为负离子中高度的负氢含量,所有离子液体与传统的火箭氧化剂白烟硝酸、四氧化二氮接触后显示出不同寻常的自点火活性(见图2)。核磁共振实验及理论计算表明,负离子中的P—H结构对燃料的水稳定性起到重要的作用。重要的是通过液滴试验发现这些新型自点火离子液体拥有超短的点火延迟时间(1 ms),是目前已知最好结果。通过专业的CEA400软件对比冲进行了计算。综合性能反映出这些新型离子液体在作为未来液体推进剂燃料配方方面具有一定应用潜力。

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3  咪唑-硼烷络合物型自点火液体推进剂燃料

目前含能离子液体的合成普遍要用到卤化物和重金属化合物,这就造成了合成过程的不绿色,且合成成本较高,不适于大规模生产,限制了自点火离子液体的实际应用。针对这一背景,本研究设计合成了几种咪唑硼烷络合物作为自点火液体推进剂燃料的潜在替代物。这些化合物与白色发烟硝酸接触时都表现出了优异的自点火特性(见图3)。这类化合物与已报道的自点火离子液体相比,具有以下优点:易于合成(可由一步反应制得,且不需要进一步提纯),高产率,低黏度,低成本,同时合成过程中不需要使用卤化合物和重金属化合物,有效降低了合成过程中的环境污染等,在自点火型双组元火箭推进剂燃料应用方面具有一定的潜力。

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