本發(fā)明涉及一種固體推進(jìn)劑及其制備方法和應(yīng)用，屬于固體推進(jìn)劑
技術(shù)領(lǐng)域：
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背景技術(shù)：
：固體推進(jìn)劑是一種具有特定性能的含能復(fù)合材料，是導(dǎo)彈、空間飛行器的各類固體發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力源，是固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力源用材料，在導(dǎo)彈和航天技術(shù)發(fā)展中起著重要的作用，通?？煞譃殡p基推進(jìn)劑、復(fù)合推進(jìn)劑和改性雙基推進(jìn)劑。目前，常見的高能固體推進(jìn)劑包括htpe推進(jìn)劑、nepe推進(jìn)劑、gap推進(jìn)劑和改性雙基xldb推進(jìn)劑等。但是，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，固體燃料火箭技術(shù)，特別是小型固體燃料火箭越來(lái)越多的被用于氣象勘探、高空攝影、科學(xué)實(shí)驗(yàn)、教學(xué)演示等民用行業(yè)。而上述常見的高能固體推進(jìn)劑主要用作大型固體火箭推進(jìn)劑，具有危險(xiǎn)性高、造價(jià)昂貴、污染嚴(yán)重、制取難度大等特點(diǎn)，難以滿足以上民用行業(yè)的基本需求。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述問(wèn)題，提出了一種低污染、低危險(xiǎn)性、易于制備、可大量生產(chǎn)的固體推進(jìn)劑。本發(fā)明的目的可通過(guò)下列技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)：一種固體推進(jìn)劑，所述固體推進(jìn)劑由以下質(zhì)量百分比成分組成：氧化劑：60-65％，還原劑：32-38％，催化劑：1-3％，脫水劑：0.5-1.5％。在上述的一種固體推進(jìn)劑中，所述氧化劑為硝酸鹽化合物，優(yōu)選硝酸鉀，硝酸鋰、硝酸鈉中的至少一種。在上述的一種固體推進(jìn)劑中，所述還原劑為葡萄糖及其衍生物。優(yōu)選葡萄糖、山梨醇、蔗糖中的至少一種。在上述的一種固體推進(jìn)劑中，所述催化劑為金屬氧化物，用于增強(qiáng)導(dǎo)熱性以促進(jìn)氧化劑高溫下的分解。金屬氧化物的粒徑為200-400目，粒徑越小其催化效果越好，但吸濕性越強(qiáng)。因此本發(fā)明進(jìn)一步優(yōu)選粒徑為200-400目的三氧化二鐵粉末、氧化鋁粉末、氧化鎂粉末中的至少一種。在上述的一種固體推進(jìn)劑中，所述脫水劑為硬脂酸、六支胺、聚乙烯醇縮丁醛中至少一種，用于推進(jìn)劑的防潮。本發(fā)明另一個(gè)目的在于提供上述固體推進(jìn)劑的制備方法，所述制備方法包括以下步驟：將還原劑溶解于水中并加熱至140-145℃，然后加入氧化劑，保持加熱溫度140-145℃至水分蒸干后加入催化劑和脫水劑，真空脫氣15-25min后冷卻至80-90℃，然后加壓置于模具中，冷卻至室溫后開模得到固體推進(jìn)劑。在上述的一種固體推進(jìn)劑的制備方法中，所述還原劑與水的質(zhì)量比為1：(0.25-0.35)。在上述的一種固體推進(jìn)劑的制備方法中，所述加壓的壓強(qiáng)為0.8-1.0mpa。本發(fā)明第三個(gè)目的在于提供上述固體推進(jìn)劑的應(yīng)用，所述固體推進(jìn)劑用作火箭燃料，用以滿足各類小型固體燃料火箭對(duì)其推進(jìn)劑的特殊工作要求。用作民用小型固體火箭的燃料時(shí)，固體推進(jìn)劑燃燒過(guò)程中反應(yīng)方程式如下：其中，其中x代表鋰鈉鉀中的任意一個(gè)，葡萄糖可由山梨醇和蔗糖代替。上述反應(yīng)為放熱反應(yīng)，引燃溫度300℃左右，引燃后燃料在火箭發(fā)動(dòng)機(jī)里進(jìn)行燃燒，燃燒溫度在370-400℃左右，壓力逐漸從0增加到12mpa左右(可視發(fā)動(dòng)機(jī)的規(guī)格而定)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：1.本發(fā)明固體推進(jìn)劑相對(duì)傳統(tǒng)的固體火箭推進(jìn)劑造價(jià)大大降低，制備方法安全便捷，利于大批量生產(chǎn)，能廣泛適用于民用小型固體火箭，可滿足氣象勘探、高空攝影、科學(xué)實(shí)驗(yàn)、教學(xué)演示等各類民用行業(yè)所需的小型固體火箭的要求。2.本發(fā)明的固體推進(jìn)劑燃速適中，在較低壓力1-6mpa下即可獲得較為理想的燃燒速度，最大燃燒速度不超過(guò)14mm/s，相對(duì)需要高工作壓力，高燃速的傳統(tǒng)固體火箭推進(jìn)劑，對(duì)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的工作壓力要求大大降低，危險(xiǎn)性也有所減少。3.本發(fā)明的固體推進(jìn)劑反應(yīng)產(chǎn)物中所含污染物及有毒有害物質(zhì)較少，相對(duì)其他固體火箭推進(jìn)劑更為清潔環(huán)保。附圖說(shuō)明圖1為實(shí)施例1的推進(jìn)劑在各工作壓強(qiáng)下燃燒速度圖像。具體實(shí)施方式以下是本發(fā)明的具體實(shí)施例，并結(jié)合附圖說(shuō)明對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步的描述，但本發(fā)明并不限于這些實(shí)施例。實(shí)施例1：本實(shí)施例的固體推進(jìn)劑由以下質(zhì)量百分比成分組成：氧化劑硝酸鉀：62％，還原劑葡萄糖：35％，粒徑為200目的催化劑三氧化二鐵粉末：2％，脫水劑硬脂酸：1％。制備方法為：室溫下取葡萄糖質(zhì)量30％的溶劑水，使葡萄糖部分溶解于水中，將混合物恒溫加熱至143℃，待葡萄糖完全后加入硝酸鉀，加料后充分?jǐn)嚢杈鶆?，保持加熱溫度至水分完全蒸干，加入催化劑及脫水劑，攪拌均勻后真空脫?0分鐘去除內(nèi)部氣泡，冷卻至85℃后置于模具中加壓至0.9mpa，至其完全冷卻到室溫時(shí)開模，得到固體推進(jìn)劑。將上述固體推進(jìn)劑用作民用小型固體火箭的燃料，固體推進(jìn)劑燃燒過(guò)程中反應(yīng)方程式如下：上述反應(yīng)為放熱反應(yīng)，引燃溫度300℃左右，引燃后燃料在火箭發(fā)動(dòng)機(jī)里進(jìn)行燃燒，燃燒溫度在370-400℃左右，壓力逐漸從0增加到12mpa左右(可視發(fā)動(dòng)機(jī)的規(guī)格而定)。由于反應(yīng)的特殊性，其產(chǎn)物組分受溫度、壓力等因素變化影響較大，故本實(shí)施例只給出總體反應(yīng)式，反應(yīng)后co2、h2o、n2、k2no3產(chǎn)物含量較高，在95％以上，其余產(chǎn)物主要在燃燒后期氧氣及其不充分的情況下才會(huì)產(chǎn)生，僅含微量。性能參數(shù)如表1和圖1所示。表1：理論比沖164s最大可測(cè)比沖137s常壓下燃燒速度2mm/s最大燃燒速度14mm/s自燃溫度327℃熔鑄密度1.8g/cm3從表1和圖1可知：本推進(jìn)劑燃速及比沖適中，熔鑄密度較高，燃燒溫度低，安全性高，適用于民用小型探空火箭的要求。因此，本實(shí)施例的固體推進(jìn)劑具有廉價(jià)易制、污染性小、危險(xiǎn)性低等特點(diǎn)，可廣泛適用于各類小型固體燃料火箭中。實(shí)施例2：本實(shí)施例的固體推進(jìn)劑由以下質(zhì)量百分比成分組成：氧化劑硝酸鉀：61％，還原劑葡萄糖：35％，粒徑為200目的催化劑三氧化二鐵粉末：3％，脫水劑硬脂酸：1％。制備方法為：室溫下取葡萄糖質(zhì)量30％的溶劑水，使葡萄糖部分溶解于水中，將混合物恒溫加熱至143℃，待葡萄糖完全后加入硝酸鉀，加料后充分?jǐn)嚢杈鶆?，保持加熱溫度至水分完全蒸干，加入催化劑及脫水劑，攪拌均勻后真空脫?0分鐘去除內(nèi)部氣泡，冷卻至85℃后置于模具中加壓至0.9mpa，至其完全冷卻到室溫時(shí)開模，得到固體推進(jìn)劑。將上述固體推進(jìn)劑用作民用小型固體火箭的燃料，性能參數(shù)如表2所示。表2：理論比沖164s最大可測(cè)比沖132s常壓下燃燒速度2mm/s最大燃燒速度13mm/s自燃溫度325℃熔鑄密度1.9g/cm3實(shí)施例3：本實(shí)施例的固體推進(jìn)劑由以下質(zhì)量百分比成分組成：氧化劑硝酸鉀：63％，還原劑葡萄糖：35％，粒徑為200目的催化劑三氧化二鐵粉末：1％，脫水劑硬脂酸：1％。制備方法為：室溫下取葡萄糖質(zhì)量30％的溶劑水，使葡萄糖部分溶解于水中，將混合物恒溫加熱至143℃，待葡萄糖完全后加入硝酸鉀，加料后充分?jǐn)嚢杈鶆?，保持加熱溫度至水分完全蒸干，加入催化劑及脫水劑，攪拌均勻后真空脫?0分鐘去除內(nèi)部氣泡，冷卻至85℃后置于模具中加壓至0.9mpa后，至其完全冷卻到室溫時(shí)開模，得到固體推進(jìn)劑。將上述固體推進(jìn)劑用作民用小型固體火箭的燃料，性能參數(shù)如表3所示。表3：實(shí)施例4：本實(shí)施例的固體推進(jìn)劑由以下質(zhì)量百分比成分組成：氧化劑硝酸鉀：62％，還原劑葡萄糖：34％，粒徑為200目的催化劑三氧化二鐵粉末：3％，脫水劑硬脂酸：1％。制備方法為：室溫下取葡萄糖質(zhì)量30％的溶劑水，使葡萄糖部分溶解于水中，將混合物恒溫加熱至143℃，待葡萄糖完全后加入硝酸鉀，加料后充分?jǐn)嚢杈鶆颍３旨訜釡囟戎了滞耆舾?，加入催化劑及脫水劑，攪拌均勻后真空脫?0分鐘去除內(nèi)部氣泡，冷卻至85℃后置于模具中加壓至0.9mpa后，至其完全冷卻到室溫時(shí)開模，得到固體推進(jìn)劑。將上述固體推進(jìn)劑用作民用小型固體火箭的燃料，性能參數(shù)如表4所示。表4：理論比沖164s最大可測(cè)比沖135s常壓下燃燒速度2.1mm/s最大燃燒速度14mm/s自燃溫度327℃熔鑄密度1.8g/cm3實(shí)施例5：本實(shí)施例的固體推進(jìn)劑由以下質(zhì)量百分比成分組成：氧化劑硝酸鉀：62％，還原劑葡萄糖：36％，粒徑為200目的催化劑三氧化二鐵粉末：1％，脫水劑硬脂酸：1％。制備方法為：室溫下取葡萄糖質(zhì)量30％的溶劑水，使葡萄糖部分溶解于水中，將混合物恒溫加熱至143℃，待葡萄糖完全后加入硝酸鉀，加料后充分?jǐn)嚢杈鶆颍３旨訜釡囟戎了滞耆舾?，加入催化劑及脫水劑，攪拌均勻后真空脫?0分鐘去除內(nèi)部氣泡，冷卻至85℃后置于模具中加壓至0.9mpa，至其完全冷卻到室溫時(shí)開模，得到固體推進(jìn)劑。將上述固體推進(jìn)劑用作民用小型固體火箭的燃料，性能參數(shù)如表5所示。表5：理論比沖164s最大可測(cè)比沖130s常壓下燃燒速度1.4mm/s最大燃燒速度10mm/s自燃溫度322℃熔鑄密度1.8g/cm3對(duì)比例1：本對(duì)比例的固體推進(jìn)劑由以下質(zhì)量百分比成分組成：氧化劑硝酸鉀：59％，還原劑葡萄糖：39％，粒徑為200目的催化劑三氧化二鐵粉末：1％，脫水劑硬脂酸：1％。制備方法為：室溫下取葡萄糖質(zhì)量30％的溶劑水，使葡萄糖部分溶解于水中，將混合物恒溫加熱至143℃，待葡萄糖完全后加入硝酸鉀，加料后充分?jǐn)嚢杈鶆?，保持加熱溫度至水分完全蒸干，加入催化劑及脫水劑，攪拌均勻后真空脫?0分鐘去除內(nèi)部氣泡，冷卻至85℃后置于模具中加壓至0.9mpa后，至其完全冷卻到室溫時(shí)開模，得到固體推進(jìn)劑。本對(duì)比例氧化劑不足，推進(jìn)劑無(wú)法充分燃燒，燃燒速度降低，所得產(chǎn)物難以冷卻成型。對(duì)比例2：本對(duì)比例的固體推進(jìn)劑由以下質(zhì)量百分比成分組成：氧化劑硝酸鉀：66％，還原劑葡萄糖：31％，粒徑為200目的催化劑三氧化二鐵粉末：2％，脫水劑硬脂酸：1％。制備方法為：室溫下取葡萄糖質(zhì)量30％的溶劑水，使葡萄糖部分溶解于水中，將混合物恒溫加熱至143℃，待葡萄糖完全后加入硝酸鉀，加料后充分?jǐn)嚢杈鶆颍３旨訜釡囟戎了滞耆舾?，加入催化劑及脫水劑，攪拌均勻后真空脫?0分鐘去除內(nèi)部氣泡，冷卻至85℃后置于模具中再加壓至0.9mpa，至其完全冷卻到室溫時(shí)開模，得到固體推進(jìn)劑。本對(duì)比例還原劑不足，燃燒速度降低，所得產(chǎn)物易出現(xiàn)裂紋，氣泡等瑕疵，影響正常燃燒。對(duì)比例3：對(duì)比例3與實(shí)施例1的區(qū)別僅在于：對(duì)比例3的溶劑水的質(zhì)量為葡萄糖質(zhì)量的40％。本對(duì)比例的水分無(wú)法及時(shí)蒸干，導(dǎo)致所得推進(jìn)劑含水量過(guò)大，影響其燃燒性能。對(duì)比例4：對(duì)比例4與實(shí)施例1的區(qū)別僅在于：對(duì)比例4的溶劑水的質(zhì)量為葡萄糖質(zhì)量的20％。本對(duì)比例加熱葡萄糖時(shí)易出現(xiàn)結(jié)塊、焦糊現(xiàn)象，影響所得產(chǎn)物燃燒性能。在上述實(shí)施例及其替換方案中，固體推進(jìn)劑的組成成分氧化劑、還原劑、催化劑、脫水劑的質(zhì)量比還可以為：60:38:1.5:0.5、60:38:1:1、61:37:1.5:0.5、61:36:1.5:1.5、64:32:3:1、65:32:2:1。在上述實(shí)施例及其替換方案中，氧化劑還可以為硝酸鋰、硝酸鈉。在上述實(shí)施例及其替換方案中，還原劑還可以為山梨醇、蔗糖。在上述實(shí)施例及其替換方案中，催化劑的粒徑還可以為210目、220目、230目、240目、250目、260目、270目、280目、290目、300目、310目、320目、330目、340目、350目、360目、370目、380目、390目、400目。在上述實(shí)施例及其替換方案中，催化劑還可以為氧化鋁粉末、氧化鎂粉末。在上述實(shí)施例及其替換方案中，脫水劑還可以為六支胺、聚乙烯醇縮丁醛。在上述實(shí)施例及其替換方案中，還原劑的溶解溫度還可以為140℃、141℃、142℃、144℃、145℃。在上述實(shí)施例及其替換方案中，真空脫氣的時(shí)間還可以為15min、16min、17min、18min、19min、21min、22min、23min、24min、25min。在上述實(shí)施例及其替換方案中，冷卻的溫度還可以為80℃、81℃、82℃、83℃、84℃、86℃、87℃、88℃、89℃、90℃，在上述實(shí)施例及其替換方案中，加壓后的壓強(qiáng)還可以為0.8mpa、0.85mpa、0.95mpa、1.0mpa。在上述實(shí)施例及其替換方案中，還原劑與水的質(zhì)量比還可以為1：0.25、1：0.26、1：0.27、1：0.28、1：0.29、1：0.31、1：0.32、1：0.33、1：0.34、1：0.35。鑒于本發(fā)明方案實(shí)施例眾多，各實(shí)施例實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)龐大眾多，不適合于此處逐一列舉說(shuō)明，但是各實(shí)施例所需要驗(yàn)證的內(nèi)容和得到的最終結(jié)論均接近。故而此處不對(duì)各個(gè)實(shí)施例的驗(yàn)證內(nèi)容進(jìn)行逐一說(shuō)明，僅以實(shí)施例1-5作為代表說(shuō)明本發(fā)明申請(qǐng)優(yōu)異之處。本文中所描述的具體實(shí)施例僅僅是對(duì)本發(fā)明精神作舉例說(shuō)明。本發(fā)明所屬
技術(shù)領(lǐng)域：
的技術(shù)人員可以對(duì)所描述的具體實(shí)施例做各種修改或補(bǔ)充或采用類似的方式替代，但并不會(huì)偏離本發(fā)明的精神或者超越所附權(quán)利要求書所定義的范圍。盡管對(duì)本發(fā)明已作出了詳細(xì)的說(shuō)明并引證了一些具體實(shí)施例，但是對(duì)本領(lǐng)域熟練技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，只要不離開本發(fā)明的精神和范圍可作各種變化或修正是顯然的。當(dāng)前第1頁(yè)12