5-氨基四氮唑用途

5-氨基四氮唑類推進劑的熱解、燃燒特性及應用研究

曹承陽 

【摘要】：隨著哈龍滅火劑替代工作的逐步開展，以固體推進式滅火技術(Solid Propellant Fire Extinguishing，SPFE)為基礎研制的固體推進劑燃氣發生器滅火裝置(Solid Propellant Gas Generator，SPGG)以其快速、高效、結構緊湊等優良特性脫穎而出，在飛行器發動機艙、燃油干艙及裝甲車輛人員艙等密閉腔室內的滅火裝置研發工作中得到了廣泛關注。

經過多年研究，以5-氨基四氮唑/硝酸鍶(5-氨基四氮唑/Sr(N03)2)復合推進劑為基礎作為產氣藥劑，根據哈龍滅火器罐體設計并制造的相應滅火裝置已經得到了大量的應用，但該推進劑燃燒時凸顯的燃氣溫度高、燃速隨壓力變化幅度大等缺陷很大程度上阻礙了 SPGG滅火裝置的進一步推廣和應用。

因此，本文以5-氨基四氮唑/Sr(N03)2復合推進劑為研究對象，通過摻雜選取的六種不同種類燃燒調節添加劑，深入研究了不同種類添加劑對5-氨基四氮唑類推進劑熱分解行為及燃燒行為的影響并對其影響機制進行了探究。

同時，基于搭建的滅火實驗平臺與研制的SPGG滅火裝置原理樣機，使用充裝摻雜有不同添加劑的5-氨基四氮唑推進劑的滅火裝置進行了密閉腔室內的油池火滅火實驗，并通過實驗結果對不同配方的滅火效能進行了表征，從而探究了藥劑配方特征參數與裝置滅火效能之間的關系，進而優選出一種適用于SPGG滅火裝置的5-氨基四氮唑類推進劑配方。

本文主要的研究內容包括:采用SEM掃描電鏡、比表面積測試儀、導熱系數測量儀等測量設備對摻雜不同添加劑的5-氨基四氮唑類推進劑的物理特征參量進行了表征，同時通過熱重-差熱分析儀及熱重-紅外聯用儀等熱分析設備對氮氣氛圍及不同升溫速率下各樣品的熱分解行為進行了測試，并依據計算的反應動力學參數對其熱分解反應機理進行了探究。

研究結果表明，摻雜的添加劑對樣品熱分解過程的影響主要通過其分別對5-氨基四氮唑/Sr(N03)2推進劑熱分解過程中三個階段的反應產生影響來發揮作用。

在樣品分解的第一階段，摻雜添加劑后推進劑的導熱系數與組分分布結構是主要影響因素；

在第二階段，冷卻劑類添加劑NQ和MA由于提前熱分解，能通過增加氣相反應區可燃組分濃度來促進該階段的反應；過渡金屬氧化物類添加劑nano-CuO和nano-ZnO則主要充當氣相反應催化劑，其中nano-CuO能進入氣相區發揮催化作用來消耗HN3而nano-ZnO則集中在燃燒表面并催化氮氧相關反應；冷卻劑類添加劑對樣品在該階段熱分解反應的影響取決于其自身吸熱造成的阻礙作用與產物可能帶來的促進作用之間的平衡，ZrnA1204和A1(OH)3分解生成的A1203成為了主導因素，能加速該階段的反應。

而在第三階段，Sr(N03)2的熱分解過程主要受各添加劑自身或其分解產物的影響。通過實驗測試對摻雜不同添加劑的5-氨基四氮唑類推進劑的常壓燃燒火焰形態結構、燃燒溫度、不同壓力下燃燒速度及固態燃燒殘渣成分進行了研究與分析，并結合熱分解行為研究結果，抽象出了不同配方的物理燃燒模型，揭示了各添加劑對樣品燃燒行為的影響機制，并基于GDF模型構建了適用于5-氨基四氮唑類推進劑的理論燃燒模型。

研究結果表明5-氨基四氮唑類推進劑燃燒行為的變化取決于燃燒表面處氣相反應與固相反應中熱傳遞平衡過程的變化，NQ、nano-CuO和A1(OH)3的摻雜能促進氣相區反應，而MA、nano-ZnO和ZnA12O4的摻雜則對固相區反應的影響較為明顯，這也體現到了各樣品的燃燒火焰結構中。同時，固態燃燒產物的XRD分析結果也印證了對5-氨基四氮唑類推進劑熱分解過程中化學反應路徑的分析。

而總結的物理燃燒模型對摻雜不同添加劑后燃燒表面的熱平衡過程提供了很好的闡釋，能夠很好的解釋不同配方推進劑的燃燒過程。同時，構建的理論燃燒模型也通過燃燒速度測量數據進行了適用性驗證。

基于Saito法對充裝不同推進劑的SPGG滅火裝置的理論滅火效能進行了計算。同時，基于研制的SPGG滅火裝置原理樣機，搭建了滅火實驗平臺并開展了密閉腔室內的油池火滅火實驗，利用實驗結果對充裝不同推進劑的SPGG滅火裝置的實際滅火效能進行了評估和表征。

理論計算結果表明，當選用超細干粉作為滅火介質時，研制的SPGG滅火裝置原理樣機的理論滅火效能能達到哈龍滅火器的2.77倍。而實驗測試結果表明推進劑的燃燒速度、燃燒溫度及點火延遲時間三個特征參量是能夠影響SPGG滅火裝置滅火效能的直接因素，具有不同特征參量的推進劑在滅火器罐體內快速燃燒，致使滅火介質受到了不同溫度和壓力的氣態產物的驅動作用，從而具有了不同的降溫速率與初速度，進而使裝置的滅火時間發生變化。

因此，為了提升SPGG滅火裝置的滅火效能，應當優選一種具有低燃溫、燃速較大且點火延遲較低的5-氨基四氮唑類推進劑。基于該分析結果，優選并制備了一種摻雜有NQ、nano-CuO及ZrnAl2O4的5-氨基四氮唑類推進劑并進行了相關參數的測試，結果表明該推進劑燃燒溫度僅為885.91 K，在壓力為1 MPa時燃燒速度相較于5-氨基四氮唑/Sr(NO3)2推進劑上升了約9%，而且該推進劑在壓力為1-5MPa時的燃速壓力指數僅為0.22。

同時滅火實驗測試結果也表明充裝該推進劑后SPGG滅火裝置的滅火效能得到了提升，這也印證了本文研究中提出的藥劑特征參數與裝置滅火效能之間的關系。