触变性高密度碳氢燃料挂式四氢双环戊二烯（JP-10）凝胶材料的可控构筑及性能研究

In recent years, the demand for high-performance and improved safety propellants for various rocket motor applications has been constantly increasing, and the gel propellants seem to be a promising answer to these requirements. In this particular solid-liquid state, these propellants combine the advantages of the solids with those of liquids. To overcome the problems of the common fuels and gelling agent toxicity and low energy levels, some thixotropic low molecular-mass organic gelators (LMOGs) were designed and synthesize to make a class of non-toxic and high energy gel systems of high density hydrocarbon fuel (JP-10). The results from FT-IR and UV/Vis absorption spectroscopy indicated main driving forces for the gel formation. Further detailed micro-nano structure of the gel was conducted by XRD, TEM, SEM, AFM characterization. Based on these researches, the influence of the molecular structure of hydrocarbon fuel and gelling agent on the gel formation and the rheologic properties were discussed. The above results give the relationship between rheological properties and gel structure. The program would provide theoretical and technical supports for the design and construction of high dengsity hydrocarbon fuel gel propellants.

近年来，随着火箭发动机对推进剂性能要求越来越高，兼顾固体推进剂和液体推进剂优点的凝胶推进剂成为当前各国的主要研究方向之一，为克服常用凝胶推进剂中的燃料和胶凝剂毒性高、能量水平低的缺陷，本项目设计、合成有机小分子胶凝剂构筑一类无毒、高能量水平的高密度碳氢燃料挂式四氢双环戊二烯（JP-10）触变性凝胶材料，用XRD、TEM、SEM、AFM等手段对凝胶材料的微纳结构进行表征，探究燃料和胶凝剂分子结构对组装体系性质的调控能力，系统研究其流变性能与凝胶结构的关系，为高密度碳氢燃料凝胶推进剂配方体系的设计与制备提供重要理论基础和应用基础。

近年来，随着火箭发动机对推进剂性能要求越来越高，兼顾固体推进剂和液体推进剂优点的凝胶推进剂成为当前各国的主要研究方向之一，为克服常用凝胶推进剂中的燃料和胶凝剂毒性高、能量水平低的缺陷，本项目设计、合成有机小分子胶凝剂构筑一类无毒、高能量水平的高密度碳氢燃料挂式四氢双环戊二烯（JP-10）触变性凝胶材料。在项目执行期间，设计、合成了多类有机小分子凝胶因子进行筛选，成功构筑了触变性的JP-10凝胶材料，并研究了制备的凝胶材料的微观结构和流变性能，为有机小分子凝胶材料在凝胶推进剂配方中的应用提供支撑，主要工作如下：（1）以己二异氰酸酯三聚体和烷基伯胺合成了不同烷基链长的三脲型凝胶因子HDIT-12和HDIT-18，该类有机小分子凝胶因子为JP-10燃料的超级凝胶因子，临界胶凝浓度HDIT-12和HDIT-18分别为0.0952wt%和0.0638wt%，制备的凝胶材料表现出了高的热稳定性，4wt% HDIT-12浓度的凝胶材料的凝胶－溶胶解缔温度达到133℃，流变性能研究显示该类凝胶因子制备的凝胶材料具有好的触变性能和剪切变稀性能；（2）以TDI-TMP三聚体和烷基伯胺合成的凝胶因子TMT-16和TMT-18为JP-10燃料的触变性凝胶因子，制备的JP-10凝胶材料在室温下展现了良好的触变性能；（3）使用有机小分子胶凝剂和笼状高密度碳氢燃料五环十一烷( PCU，C11H14)制备溶胶态的高密度复配碳氢燃料，为了进一步提升该类燃料的能量水平，添加三氢化铝等高能燃料，因为凝胶因子在燃料中形成三维网络结构，三氢化铝颗粒添加到该类溶胶态的燃料后不沉降，研究了三氢化铝（AlH3）的含量对高密度复配燃料的性能影响结果表明：HD-01复配燃料的密度和体积热值随着AlH3的含量增加而增大；实测密度和计算的一致性较好，但体积热值低于计算值。项目研究进一步拓展了有机小分子自组装材料的应用领域。