为提高固体推进剂的能量水平，可以在推进剂配方中加入燃烧时能释放高热量的物质(轻金属和其氢化物)^[1-4]，它们既可以提高推进剂的燃烧热和密度，又可以抑制推进剂的不稳定燃烧，能够显著提高推进剂的能量性能并影响推进剂燃烧性能^[5-7]。虽然Al粉含量及粒度对复合固体推进剂燃速的影响程度远不如高氯酸铵(AP)显著，但影响规律却十分复杂。

Al粉的含量、粒径和球形化程度对端羟基聚丁二烯(HTPB)复合固体推进剂性能的影响研究国内外已有许多报道^[8-12]。Olivani等^[13]研究了Al粉粒径对AP/HTPB/Al复合固体推进剂燃烧性能的影响，结果发现相同质量的常规Al粉被超细Al粉代替后，其释放的能量明显增大，燃烧效率显著提高，且随着超细Al粉含量的增加，点火延迟时间则随之降低。Jiang等^[14]研究了含有纳米金属粉的HTPB推进剂燃烧性能发现纳米Al粉(n-Al)相比普通Al粉(g-Al)具有较低的点火阀值和较短的燃烧时间，并证实了n-Al具有较高的反应活性，此外，发现纳米金属Ni可以有效地催化推进剂中AP的热分解，使推进剂的燃速大幅提高，同时，也使Al粉在推进剂燃烧过程中的燃烧效率得以提高。夏强等^[15]研究了超细Al粉在AP/HTPB推进剂中的燃烧特性，结果表明超细Al粉具有很低的点火能和极高的氧化反应活性，其更趋向于单颗粒燃烧，近燃面燃烧导致了对燃面较高的热反馈，并进一步提高了推进剂体系的燃烧性能。Al粉在含有细AP的前提下，燃烧效率将大幅提升。朱艳丽等^[16]研究了Al粉粒度对AP热分解动力学的影响，发现Al粉对AP低温热分解反应有抑制作用，对高温热分解反应有促进作用，并且这种作用随Al粉含量的增加以及Al粉粒径的减小更加剧烈。

以上研究多集中于Al粉的含量、粒径和球形化程度对HTPB推进剂性能的影响，但Al粉形貌特性对其性能的影响研究鲜有报道，且由于配方体系的不同，对推进剂燃速的作用效果也不同。因此，为了提高推进剂的性能，本研究通过观察不同Al粉的表面形貌，研究了其形貌特性对HTPB推进剂燃速特性的影响。

表面分布有颗粒的Al粉(以下简称为Al-1)，鞍钢实业微细铝粉有限公司; 表面无颗粒的Al粉(以下简称为Al-2)，西安航天化学动力厂; 端羟基聚丁二烯(HTPB)，数均分子量为4148，羟值为0.48 mmol·g^-1，黎明化工研究设计院有限责任公司; 异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)，—NCO含量为9 mmol·g^-1，德国拜耳公司; 癸二酸二辛脂(DOS)，分析纯，营口天元化工研究所股份有限公司; 黑索今(RDX)，粒度58 μm，甘肃银光化学工业集团有限公司。

形貌及表面成分表征：美国FEI公司Quanta 660F型扫描电镜，英国牛津INCA Energy。表征条件：加速电压20kV，束流2.0 nA，样品表面进行喷金处理。

燃速特性：采用国军标GJB770B-2005方法706.2，将样品加工成4.5 mm×4.5 mm×100 mm的药条，然后通过西安电子科技大学水下声发射法燃速测试系统测定燃速。每批次推进剂样品分别采集3，4，5，8，12，15，18，20 MPa下的燃速，每个压强下测定五根药条，然后求出算术平均值。为保证数据的准确性，共进行了6批次测试。

将HTPB粘合剂(7%)、Al粉(14%)、AP(65%)、RDX(9%)和其它组分(IPDI、DOS，共5%)依次加入5 L立式混合机中并搅拌均匀，然后进行真空浇注，最后在烘箱内于50 ℃下固化7天，放置一段时间后进行测试。添加Al-1的推进剂为DC-Al，添加Al-2的推进剂为NC-Al。为保证试验的准确性，每种推进剂进行6次重复性试验，各种性能结果为6次试验测试结果的平均值。

对Al-1和Al-2的理化性能分别进行了表征，结果见表 1。

表 1(Tab. 1)

表 1 Al-1和Al-2的理化性能 Tab. 1 Physical and chemical properties of Al-1 and Al-2 sample Fe/% Cu/% Al/% D50/μm BET/m2·g-1 Al-1 0.001 0.004 99.19 12 0.327 Al-2 0.003 0.002 99.57 11 0.290 Note: D50 is particle size; BET is specific surface area.

表 1 Al-1和Al-2的理化性能 Tab.1 Physical and chemical properties of Al-1 and Al-2

由表 1可以看出，Al-1和Al-2的理化性能基本相同，符合Al粉验收规范GJB 1738－1993《特细铝粉》的指标要求，但Al-1的比表面积明显高于Al-2。因此，在排除粒度、化学组成的影响后，用SEM观察了Al-1和Al-2的表面形貌，结果如图 1和图 2所示。

图 1(Fig. 1)

图 1 Al-1形貌SEM图 Fig.1 SEM images of Al-1 morphology

图 2(Fig. 2)

图 2 Al-2形貌SEM图 Fig.2 SEM images of Al-2 morphology

对比图 1和图 2可以看出，Al-1和Al-2的球形化程度均较好，但Al-1的表面附着有大小不一的纳米斑粒，Al-2的表面却较为光滑。为进一步考察Al粉表面斑粒，采用激光粒度分布仪对比分析了Al-1和Al-2的粒度分布，如图 3所示。

图 3(Fig. 3)

图 3 Al-1和Al-2粒度分布图 Fig.3 Particle size distribution of Al-1 and Al-2

由图 3可以看出，Al-1的粒度分布较宽，径距D₉₀-D₁₀/D₅₀=1.265，Al-2的粒度分布较窄，径距D₉₀-D₁₀/D₅₀=1.048，且Al-2细颗粒(小于10 μm)粒度的占比高于Al-1，这说明Al-1表面的斑粒与基体可视为一体，激光粒度仪测试结果显示这些斑粒并未离开基体本身。这些斑粒的产生与Al粉加工过程中Al的熔融工艺有关，是制造过程中会出现的现象，且这些斑粒是“生长”在Al粉表面上的，不能与Al粉分离。

采用水下声发射法研究了Al-1和Al-2对推进剂静态燃速的影响，并根据Vieille经验公式^[17]计算了DC-A1和NC-Al不同压强段的压强指数，结果如表 2所示。

表 2(Tab. 2)

表 2 Al-1和Al-2对推进剂药品静态燃速的影响 Tab. 2 Effects of Al-1 and Al-2 on burning rate of HTPB propellant propellant r/ mm·s-1 n 3 MPa 4 MPa 5 MPa 8 MPa 12 MPa 15 MPa 18 MPa 20 MPa 3-5 MPa 5-12 MPa 12-20 MPa DC-A1 6.58 7.15 7.91 9.43 11.04 12.12 14.15 15.51 0.36 0.38 0.67 NC-Al 6.79 7.55 8.08 9.32 10.70 11.53 12.37 13.18 0.34 0.32 0.40   Note：r is burning rate; n is pressure exponent.

表 2 Al-1和Al-2对推进剂药品静态燃速的影响 Tab.2 Effects of Al-1 and Al-2 on burning rate of HTPB propellant

式中，g代表燃速，mm·s^-1; a为前置系数; p代表压强，MPa; n代表压强指数。

由表 2可以看出：DC-Al和NC-Al推进剂在3~ 5 MPa时的燃速增幅分别为1.33 mm·s^-1和1.29 mm·s^-1，5~ 12MPa时燃速增幅分别为3.13 mm·s^-1和2.62 mm·s^-1，12 ~ 20 MPa时燃速增幅分别为4.47 mm·s^-1和2.48 mm·s^-1。即随着压强的提高，DC-Al和NC-Al推进剂燃速增幅均呈现逐渐增大的趋势，但DC-Al推进剂的增幅更大。且随着压强的提高，DC-Al推进剂压强指数的增加趋势相比NC-Al推进剂更加明显，并在高压段(12~20 MPa)下压强指数分别可达到0.67和0.40。

这可能是因为Al-1表面存在的纳米尺寸铝斑粒具有较低的点火温度，因此这些斑粒更容易产生熔联，进而率先发生气相燃烧。且低压时，虽然铝斑粒相对容易反应放热使得Al颗粒较早成为液态，但低压下粘合剂分解速度较慢，两者综合会造成燃面处Al粉颗粒团聚效应加强，从而易形成大尺寸团聚物，使之不易被吹入气相中，因此导致低压下该推进剂的燃速较低。又由于Al-2表面光滑，不发生铝斑粒反应放热现象，因此Al粉颗粒不会过早成为液态，从而对推进剂燃速特性影响不显著。但高压时，由于粘合剂分解速度加快，Al粉颗粒不易在燃面发生团聚，因此铝斑粒形成的液体很容易被吹入气相进行燃烧，使得高压下的燃速大大增加。

为具体分析Al粉形貌对高压段(12~20 MPa)燃速和压强指数的影响，将高压段的数据单独绘制图形，并计算其压强指数，结果如图 4所示。

图 4(Fig. 4)

图 4 DC-Al和NC-Al推进剂燃烧和压强指数对比图(12~20 MPa) Fig.4 Burning rate and pressure exponent of DC-Al and NC-Al propellant(12-20 MPa)

由图 4可以看出，添加DC-Al推进剂在高压段(12~20 MPa)的燃速增幅为4.47 mm·s^-1，压强指数达到0.67，而NC-Al推进剂的压强指数仅为0.40。这是由于高压时强大的气流作用会使带有斑粒的Al-1更容易集聚-熔联-凝聚-点火。又由于Al-1燃烧面积较大，促使推进剂在燃烧时的燃速有所增加。因此，使得DC-Al推进剂燃速升高，燃速压强指数增大。

(1) Al粉表面形貌可区分为表面附着纳米铝斑粒和表面光滑两种，Al粉表面的斑粒是在铝粉加工的熔融过程中产生的，不能与Al粉表面分离;

(2) 高、低压时，Al粉形貌对推进剂燃速的影响不同，DC-Al和NC-Al推进剂在3~5 MPa时燃速增幅分别为1.33 mm·s^-1和1.29 mm·s^-1，5~12 MPa时燃速增幅分别为3.13 mm·s^-1和2.62 mm·s^-1，12~20 MPa时燃速增幅分别为4.47 mm·s^-1和2.48 mm·s^-1;

(3) 高、低压时，Al粉形貌对推进剂压强指数的影响不同，DC-Al推进剂比NC-Al推进剂压强指数的增加趋势更明显，且在12~20 MPa时压强指数分别可达0.67和0.40。