摘要： 過渡層作為固體推進劑主體材料與包覆層之間的關鍵連接層，其存在能顯著提升兩者間的粘接性能。過渡層在推進劑表面的鋪展、滲透及覆蓋狀況直接影響推進劑的服役效率與可靠性。本研究采用動態接觸角法系統評估了不同過渡層在固體推進劑表面的鋪展滲透行為。通過計算推進劑的表面能并測定過渡層液體的表面張力，深入分析了推進劑及過渡層的組成與其鋪展滲透作用之間的內在聯系，并據此對過渡層組成進行了優化。研究結果表明：固體推進劑的表面能越高，越有利于過渡層在其表面的鋪展；當推進劑表面能為97.62 mJ/m2時，水和甘油在其表面的接觸角均顯著小于表面能為55.83 mJ/m2的樣品。過渡層的組成對其表面張力影響顯著，通過調控組成可將其表面張力從48.7 mN/m有效降低至約24.8 mN/m。因此，通過對推進劑表面進行改性以及優化過渡層組成，可以有效改善過渡層在推進劑表面的鋪展滲透效果，進而增強推進劑與包覆層間的界面粘接強度。

1. 引言

固體推進劑作為一種含能復合材料，其結構完整性與工作可靠性是確保武器系統安全穩定運行的關鍵。在實際應用中，為了滿足特定的燃燒性能和力學性能要求，通常需要在推進劑藥柱表面包覆一層惰性的包覆層。然而，由于推進劑與包覆層在化學組成、物理性質上存在顯著差異，兩者間的直接粘接往往難以達到理想狀態，容易出現脫粘、裂紋等界面失效問題，嚴重影響推進劑的儲存壽命和使用安全性。

為解決這一難題，工程實踐中普遍采用在推進劑與包覆層之間引入一層“過渡層”的技術方案。過渡層如同橋梁一般，一端能與推進劑基體發生良好的化學或物理作用，另一端則能與包覆層形成牢固的結合，從而顯著提升整體界面的粘接強度。因此，過渡層能否在固體推進劑表面實現充分的鋪展、滲透和均勻覆蓋，是決定其能否有效發揮“橋梁”作用、保障推進劑服役效率的先決條件。提高過渡層的鋪展均勻性和在推進劑內部的滲透性，有助于增強其與推進劑表面的相互作用，進而保證包覆層與推進劑之間的可靠粘接。

影響過渡層在固體推進劑表面鋪展滲透行為的因素是復雜且多元的，主要可歸納為三個方面：一是固體推進劑本身的表面性質，如表面能、粗糙度、化學組成等；二是過渡層液體自身的物理化學屬性，包括粘度、表面張力、分子結構與極性等；三是外部工藝條件，如施加溫度、壓力等。其中，固體表面能是表征固體表面性質的一項核心熱力學參數。它定義為在一定溫度和壓力下，固體物質生成單位面積新表面時吉布斯自由能的增量。表面能的大小直接反映了固體表面分子間、界面間相互作用的強弱。因此，深入研究推進劑的表面能，對于認識其表面特性、分析過渡層在其表面的潤濕與鋪展行為、預測其與包覆層的粘接性能具有至關重要的指導意義。同時，推進劑的表面能也為篩選合適的過渡層溶劑、優化過渡層配方提供了理論依據。

目前，改善過渡層在推進劑表面的鋪展滲透行為主要有兩條技術路徑：一是對推進劑表面進行改性處理，例如李東峰等人的研究表明，使用不同的表面處理劑可以提高端羥基聚丁二烯（HTPB）推進劑的表面能，從而改變測試液在其表面的接觸角和鋪展情況，但對粘接強度的影響存在差異；二是優化過渡層自身的組成。然而，現有的研究大多集中于推進劑表面改性，且操作工藝相對復雜，而針對過渡層組成優化的系統性研究尚顯不足。

鑒于此，本研究旨在通過一種簡單有效的動態接觸角法，系統考察不同過渡層在固體推進劑表面的鋪展滲透情況，并精確測定固體推進劑的表面能。在此基礎上，本研究將進一步探討過渡層組成與其表面張力、鋪展行為之間的關系，并據此對過渡層配方進行優化，以期為提升過渡層的應用效果、改善推進劑與包覆層的粘接性能提供理論依據和技術支撐。

2. 實驗部分

2.1 主要材料、試劑與儀器

本研究所用的主要原材料包括：甲苯二異氰酸酯（TDI）及聚合二苯基甲烷二異氰酸酯（PAPI，PM200型），均為工業級，購自萬華化學集團股份有限公司；二月桂酸二丁基錫，化學純，產自天津市津科精細化工研究所；甲苯、乙酸乙酯、環己烷，均為分析純，分別由天津市科密歐化學試劑有限公司、上海阿拉丁生化科技股份有限公司提供；甘油，分析純，來自上海笛柏生物科技有限公司；甲醇，分析純，購自上海麥克林生化科技股份有限公司；去離子水及端羥基預聚體為實驗室自制。

實驗所用儀器包括：85-2型恒溫磁力攪拌器，用于過渡層液體的混合制備；DSA-25型接觸角測試儀（德國克呂士科學儀器有限公司），用于測量各液體在固體表面的動態接觸角；Nicolet iS20型傅里葉變換紅外光譜儀（美國賽默飛世爾科技公司），用于分析推進劑表面的化學組成；以及芬蘭Kibron EZ-Pi Plus便攜式動態表面張力儀，用于測定過渡層液體及溶劑的表面張力。

2.2 實驗方法

2.2.1 過渡層的制備

按照預設的比例，將TDI、PAPI、催化劑二月桂酸二丁基錫、特定溶劑（甲苯或乙酸乙酯）以及端羥基預聚體進行混合，制備出三種不同組成的過渡層液體，分別記為過渡層1、過渡層2和過渡層3。其中，過渡層1的組分分子量相對較高，分子結構中剛性較強的苯環單元較多；而過渡層2和過渡層3的組分分子量則相對較小。在催化劑作用下，過渡層中的異氰酸酯基團（-NCO）會與過渡層自身組分、預聚體乃至推進劑表面的羥基（-OH）發生化學反應，形成穩定的化學鍵合，這是實現良好粘接的基礎。

2.2.2 性能測試

接觸角測試： 采用DSA-25接觸角測試儀，在室溫環境下測量不同液體在固體推進劑樣品表面的動態接觸角。選用去離子水和甘油作為標準參考液，并以不同組成的過渡層液體及各類溶劑作為實驗液。測試時，將待測液滴滴加于樣品表面，利用高速攝像系統記錄液滴形態隨時間的變化，每個樣品至少重復測試5次，并對數據進行統計分析，剔除異常值后取平均值。

表面張力測定： 采用芬蘭Kibron EZ-Pi Plus便攜式動態表面張力儀，運用經典的吊環法，在（25±0.2）℃的恒定溫度下單點測定過渡層液體及相關溶劑的表面張力。測試前，所有待測液體均需在恒溫水浴鍋中保溫30分鐘以確保溫度均勻，并使用去離子水對儀器進行校準，以保證數據的準確性。