摘要： 过渡层作为固体推进剂主体材料与包覆层之间的关键连接层，其存在能显著提升两者间的粘接性能。过渡层在推进剂表面的铺展、渗透及覆盖状况直接影响推进剂的服役效率与可靠性。本研究采用动态接触角法系统评估了不同过渡层在固体推进剂表面的铺展渗透行为。通过计算推进剂的表面能并测定过渡层液体的表面张力，深入分析了推进剂及过渡层的组成与其铺展渗透作用之间的内在联系，并据此对过渡层组成进行了优化。研究结果表明：固体推进剂的表面能越高，越有利于过渡层在其表面的铺展；当推进剂表面能为97.62 mJ/m²时，水和甘油在其表面的接触角均显著小于表面能为55.83 mJ/m²的样品。过渡层的组成对其表面张力影响显著，通过调控组成可将其表面张力从48.7 mN/m有效降低至约24.8 mN/m。因此，通过对推进剂表面进行改性以及优化过渡层组成，可以有效改善过渡层在推进剂表面的铺展渗透效果，进而增强推进剂与包覆层间的界面粘接强度。

1. 引言

固体推进剂作为一种含能复合材料，其结构完整性与工作可靠性是确保武器系统安全稳定运行的关键。在实际应用中，为了满足特定的燃烧性能和力学性能要求，通常需要在推进剂药柱表面包覆一层惰性的包覆层。然而，由于推进剂与包覆层在化学组成、物理性质上存在显著差异，两者间的直接粘接往往难以达到理想状态，容易出现脱粘、裂纹等界面失效问题，严重影响推进剂的储存寿命和使用安全性。

为解决这一难题，工程实践中普遍采用在推进剂与包覆层之间引入一层“过渡层”的技术方案。过渡层如同桥梁一般，一端能与推进剂基体发生良好的化学或物理作用，另一端则能与包覆层形成牢固的结合，从而显著提升整体界面的粘接强度。因此，过渡层能否在固体推进剂表面实现充分的铺展、渗透和均匀覆盖，是决定其能否有效发挥“桥梁”作用、保障推进剂服役效率的先决条件。提高过渡层的铺展均匀性和在推进剂内部的渗透性，有助于增强其与推进剂表面的相互作用，进而保证包覆层与推进剂之间的可靠粘接。

影响过渡层在固体推进剂表面铺展渗透行为的因素是复杂且多元的，主要可归纳为三个方面：一是固体推进剂本身的表面性质，如表面能、粗糙度、化学组成等；二是过渡层液体自身的物理化学属性，包括粘度、表面张力、分子结构与极性等；三是外部工艺条件，如施加温度、压力等。其中，固体表面能是表征固体表面性质的一项核心热力学参数。它定义为在一定温度和压力下，固体物质生成单位面积新表面时吉布斯自由能的增量。表面能的大小直接反映了固体表面分子间、界面间相互作用的强弱。因此，深入研究推进剂的表面能，对于认识其表面特性、分析过渡层在其表面的润湿与铺展行为、预测其与包覆层的粘接性能具有至关重要的指导意义。同时，推进剂的表面能也为筛选合适的过渡层溶剂、优化过渡层配方提供了理论依据。

目前，改善过渡层在推进剂表面的铺展渗透行为主要有两条技术路径：一是对推进剂表面进行改性处理，例如李东峰等人的研究表明，使用不同的表面处理剂可以提高端羟基聚丁二烯（HTPB）推进剂的表面能，从而改变测试液在其表面的接触角和铺展情况，但对粘接强度的影响存在差异；二是优化过渡层自身的组成。然而，现有的研究大多集中于推进剂表面改性，且操作工艺相对复杂，而针对过渡层组成优化的系统性研究尚显不足。

鉴于此，本研究旨在通过一种简单有效的动态接触角法，系统考察不同过渡层在固体推进剂表面的铺展渗透情况，并精确测定固体推进剂的表面能。在此基础上，本研究将进一步探讨过渡层组成与其表面张力、铺展行为之间的关系，并据此对过渡层配方进行优化，以期为提升过渡层的应用效果、改善推进剂与包覆层的粘接性能提供理论依据和技术支撑。

2. 实验部分

2.1 主要材料、试剂与仪器

本研究所用的主要原材料包括：甲苯二异氰酸酯（TDI）及聚合二苯基甲烷二异氰酸酯（PAPI，PM200型），均为工业级，购自万华化学集团股份有限公司；二月桂酸二丁基锡，化学纯，产自天津市津科精细化工研究所；甲苯、乙酸乙酯、环己烷，均为分析纯，分别由天津市科密欧化学试剂有限公司、上海阿拉丁生化科技股份有限公司提供；甘油，分析纯，来自上海笛柏生物科技有限公司；甲醇，分析纯，购自上海麦克林生化科技股份有限公司；去离子水及端羟基预聚体为实验室自制。

实验所用仪器包括：85-2型恒温磁力搅拌器，用于过渡层液体的混合制备；DSA-25型接触角测试仪（德国克吕士科学仪器有限公司），用于测量各液体在固体表面的动态接触角；Nicolet iS20型傅里叶变换红外光谱仪（美国赛默飞世尔科技公司），用于分析推进剂表面的化学组成；以及芬兰Kibron EZ-Pi Plus便携式动态表面张力仪，用于测定过渡层液体及溶剂的表面张力。

2.2 实验方法

2.2.1 过渡层的制备

按照预设的比例，将TDI、PAPI、催化剂二月桂酸二丁基锡、特定溶剂（甲苯或乙酸乙酯）以及端羟基预聚体进行混合，制备出三种不同组成的过渡层液体，分别记为过渡层1、过渡层2和过渡层3。其中，过渡层1的组分分子量相对较高，分子结构中刚性较强的苯环单元较多；而过渡层2和过渡层3的组分分子量则相对较小。在催化剂作用下，过渡层中的异氰酸酯基团（-NCO）会与过渡层自身组分、预聚体乃至推进剂表面的羟基（-OH）发生化学反应，形成稳定的化学键合，这是实现良好粘接的基础。

2.2.2 性能测试

接触角测试： 采用DSA-25接触角测试仪，在室温环境下测量不同液体在固体推进剂样品表面的动态接触角。选用去离子水和甘油作为标准参考液，并以不同组成的过渡层液体及各类溶剂作为实验液。测试时，将待测液滴滴加于样品表面，利用高速摄像系统记录液滴形态随时间的变化，每个样品至少重复测试5次，并对数据进行统计分析，剔除异常值后取平均值。

表面张力测定： 采用芬兰Kibron EZ-Pi Plus便携式动态表面张力仪，运用经典的吊环法，在（25±0.2）℃的恒定温度下单点测定过渡层液体及相关溶剂的表面张力。测试前，所有待测液体均需在恒温水浴锅中保温30分钟以确保温度均匀，并使用去离子水对仪器进行校准，以保证数据的准确性。