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在军事和工业领域，硝化纤维素（NC）基推进剂应用广泛，但易发生危险反应。为解决相关问题，研究人员利用 COMSOL Multi - physics 4.4 模拟 Butyl - NENA 和 Polyethylene - glycoldi - methacrylate 钝感剂扩散。结果表明其扩散稳定性良好，该研究对优化推进剂性能意义重大。
在军事和工业的大舞台上，硝化纤维素（NC）作为一种充满能量的材料，有着极为广泛的应用。它在制造赛璐珞、照相底片、眼镜框、漆料、涂料，甚至是固体火箭推进剂和炸药等方面，都发挥着重要作用。然而，NC 就像一个 “危险分子”，因其自身高能量的特性，即使在常温甚至稍高的温度下，也容易发生剧烈的放热失控反应。它具有高冲击敏感性、较差的化学稳定性，还极易燃烧和爆炸，这些危险特性在储存过程中犹如一颗颗 “定时炸弹”。曾经，中国天津港那场惨痛的火灾爆炸事故，就与 NC 密切相关，它造成了 165 人死亡、8 人失踪和 798 人受伤的悲剧。这场事故的直接原因是保湿剂的流失，使得 NC 长期暴露在夏日阳光下，容器散热又不佳，从而导致局部干燥和热量积聚。因此，深入研究 NC 储存过程中的影响因素迫在眉睫。
为了防止 NC 推进剂在储存时与氧气接触发生不必要的燃烧，以及在发射时过快接触氧气导致提前燃烧，研究人员会在其表面涂上一种名为钝感剂的物质。钝感剂分为小分子和聚合物两类，通常会使用多种钝感剂来实现理想的化学和机械性能。选择能够渗透到推进剂一定深度，且不会随着时间、温度或浓度变化而过度扩散的钝感剂至关重要，这关系到钝感剂扩散深度的稳定性。但以往研究中，利用计算流体动力学（CFD）模拟流体问题虽有所发展，却鲜有用 COMSOL Multi - physics 软件模拟钝感剂扩散的研究。基于此，来自伊拉克安巴尔大学、阿尔马立夫大学以及伊朗伊斯兰阿扎德大学的研究人员，开展了利用 COMSOL Multi - physics 模拟不同条件下钝感剂在圆柱形硝化纤维素复合推进剂中扩散深度稳定性的研究 。该研究成果发表在《BMC Chemistry》上，为推进剂性能的优化提供了重要依据。
研究人员在开展此项研究时，主要运用了以下关键技术方法：首先，制备了特定成分的圆柱形硝化纤维素推进剂，其中包含 87% 的 NC 作为基本推进剂，10% 的 2 - Nitroxy - Ethyl - Nitramine（Buthyl - NENA）作为增塑剂，2% 的 Polyethylene - Glycol Dimethacrylate 作为钝感剂，以及 1% 的稳定剂和其他添加剂 。接着，借助 COMSOL Multi - physics 4.4 软件进行模拟。在模拟过程中，设定了一系列参数，如不同物质的扩散系数等，并考虑了温度、浓度和时间等变量对钝感剂扩散的影响。
研究结果
- 温度的影响：研究发现，随着温度升高，Butyl - Nena 和聚合物钝感剂的分子都会向推进剂内部渗透得更深。在 40°C 时，Butyl - Nena 粒子能扩散到 600 微米的深度，50°C 时为 550 微米，60°C 时为 450 微米，70°C 时为 400 微米。不过，在所有温度下，近 60% 的 Butyl - Nena 粒子都停留在 890 微米深度附近的表面区域。对于聚合物钝感剂，在不同温度下，其扩散深度在 500 - 400 微米半径范围内变化，且近 70% 的粒子也集中在 890 微米深度附近的表面。同时，温度变化对 Butyl - Nena 扩散深度的影响大于对聚合物钝感剂的影响，这可能是因为在 40°C 时，作为小分子的 Butyl - Nena 对聚合物起到了增塑作用，从而使聚合物在 NC 中渗透得更多。
- 浓度的影响：在 70°C 下，改变 Butyl - Nena（10 - 20%）和聚合物钝感剂（2 - 12%）的浓度，结果显示浓度变化仅影响图表的斜率，增加了中间部分的粒子浓度，但对最终扩散深度影响不大。在表面，增塑剂和聚合物钝感剂的浓度最高，向中间急剧下降，在 400μm 深度附近接近零，并从 400μm 到中心保持为零。这是因为温度恒定，粒子扩散系数取决于温度，虽然浓度增加使更深层渗透的粒子数量增多，但对扩散深度影响有限。
- 时间对扩散稳定性的影响：研究 10% 和 20% 的增塑剂以及 2% 和 10% 的聚合物钝感剂在 70°C 下 10 小时后的扩散稳定性发现，与 4 小时的情况相比，两种物质在推进剂半径相同区域发生变化，最终渗透深度基本不变。浓度不同时，Butyl - Nena 和聚合物钝感剂的浓度分布模式不同，表明浓度对其浓度分布有显著影响。
研究结论与讨论
通过模拟研究，结果表明温度对 Butyl - Nena 和 Polyethylene - GlycolDimethacrylate 两种钝感剂的扩散深度影响较大，而浓度和时间的影响相对较小。由于两种钝感剂的扩散系数都很小，最终扩散深度差异不大，这意味着它们在硝化纤维素中具有良好的扩散稳定性。在推进剂的储存和老化过程中，这些钝感剂能保持稳定，不会降低推进剂的效率，从而保证了推进剂的发射性能。
此外，研究还发现，增加 Butyl - Nena 的浓度会使其在较大半径处的浓度分布显著增加，且在老化的推进剂中，更高浓度的 Butyl - Nena 能更快地穿透硝化纤维素并达到更高浓度，这可能是因为推进剂在老化过程中聚合物结构发生变化，导致渗透性增加。同时，加热 NC 至 71°C 并延长渗透时间会影响钝感剂的行为，表明热活动增加有助于钝感剂的渗透过程。随着渗透深度增加，钝感剂 “A” 的浓度再次降低，且斜率更低，浓度值低于新鲜状态。
这项研究对于优化推进剂的性能具有重要意义。它不仅让我们更深入地了解了钝感剂在不同环境条件下的行为，还有助于设计人员和研究人员开发更有效的方法，系统、优化地在聚合物成分中使用钝感剂。这对于开发具有优异弹道性能、足够功能寿命和使用寿命的 “半双基” 推进剂至关重要，也为下一代高性能中小口径弹药推进剂的设计提供了关键的理论支持。目前，相关研究仍在继续，旨在进一步提高此类推进剂的性能和抗老化能力，包括用敏感性较低的含能增塑剂替代 NC，以及寻找扩散潜力更低的聚合物钝感剂，如交联聚合物等。
