NEPE推进剂/衬层粘接界面细观力学性能/结构研究

研究了不同组成的NEPE推进剂/衬层粘接界面细观力学性能和结构的差异,以及对应粘接界面贮存过程中粘接性能和破坏方式的变化规律,探索了粘接界面的细观力学性能、结构与破坏方式的内在关联,初步提出NEPE推进剂/衬层粘接界面失效模式。试验结果表明,粘接界面细观力学性能、结构与界面粘接质量相关,是影响界面失效模式的主要因素。粘接界面具有高模量、高硬度层,N元素含量高且有明显梯度变化时,粘接质量较好,发生内聚破坏,反之发生界面破坏或混合破坏;老化过程中,粘接界面的模量和硬度降低、N元素的含量明显降低决定粘接界面依次发生内聚破坏、混合破坏和界面破坏。     

NEPE推进剂/衬层界面研究进展

装药界面是固体火箭发动机故障高发部位。NEPE固体推进剂活性组分多,界面化学物理过程复杂,装药界面粘接问题更加突出。重点开展了界面结构表征、界面粘接与老化失效机理两个方面的研究,发现NEPE推进剂/衬层界面区域在微观尺度上存在多层次结构,推进剂一侧形成40~80μm的HMX及其键合剂富集区,衬层HTPB粘合剂向NEPE推进剂方向扩散,在物理分界衬层侧形成粘合剂基体富集层。系统分析了影响界面粘接的主要因素,确定了影响界面粘接的主反应,阐明了两个主反应的竞争关系。揭示了界面粘接的主要副反应,即工艺助剂YS与固化剂的反应。发现了NEPE推进剂/衬层粘接界面老化降解的关键化学过程,界面老化降解主要发生在PEG与N100反应形成的氨基甲酸酯结构的C—O键,氮氧化物的残余含量决定老化反应的速率。     

组分迁移对NEPE推进剂界面粘接性能的影响

根据70℃下加速老化试验中粘接性能的变化和界面区域迁移组分含量的变化,研究了NEPE推进剂中硝酸酯、功能助剂的迁移对粘接性能的影响。结果表明,随着衬层粘合剂的极性增大,推进剂中硝酸酯和功能助剂AD1、AD2向衬层的迁移量增加;AD1、AD2的迁移对界面粘接性能有显著影响。     

固体火箭发动机粘接界面湿热老化与寿命评估

通过对固体火箭发动机衬层-推进剂粘接界面的湿热加速老化试验以及不同老化时间下粘接界面的扯离强度测量,分析了不同湿热老化条件下试验件扯离强度随老化时间的变化规律。综合运用Eyring模型与Arrhenius模型,建立了粘接界面湿热老化寿命模型,预测了正常贮存条件下发动机的贮存寿命。研究结果表明,粘接界面平均扯离强度随老化时间呈下降趋势,中间有一个强度趋于稳定的平台期;在温度为20℃,湿度为65%RH条件下,粘接界面的强度半衰期寿命为12.8 a。     

湿热老化对PBO纤维/环氧树脂单向复合材料弯曲性能的影响

研究了在湿热老化过程中,PBO纤维/环氧树脂单向复合材料弯曲性能的变化规律,发现PBO纤维/环氧树脂复合材料具有不同于一般的纤维增强树脂复合材料的湿热老化特点。研究发现PBO纤维/环氧树脂单向复合材料在湿热老化过程中,相比温度而言,湿度对复合材料弯曲性能的影响更为显著,复合材料在老化过程中吸水率增加的同时,弯曲性能相应降低。其主要原因在于PBO纤维的表面为化学惰性,表面形貌光滑,与环氧树脂浸润性不好,界面粘接力主要是较弱的范德华力。在湿热老化过程中,水分的吸收和渗透造成PBO纤维与环氧树脂基体之间的界面的破坏,构成了该类复合材料独特的湿热老化特性。     

固体火箭发动机药柱结构完整性研究进展

从推进剂及粘接界面力学性能、推进剂及粘接界面失效、发动机药柱及推进剂数值仿真方法、发动机药柱结构试验技术四方面，对药柱结构完整性发展现状进行了全方位多角度的评述，分析了目前固体发动机药柱结构完整性研究所面临的挑战，指出未来应重点发展推进剂和粘接界面力学特性及失效的多尺度表征和测试方法、先进数值仿真方法和发动机药柱结构试验技术，以及开发药柱结构完整性评估一体化平台。     

钢与胶粘剂粘接界面的XPS分析

结合氩离子枪刻蚀技术，用X射线电子能谱(XPS)对钢与胶粘剂粘接的界面进行研究，分析了粘接过程中元素的化学环境变化，并对粘接机理进行了探讨。结果表明，胶粘剂中酚醛树脂在界面区域与钢之间存在化学结合，而氯化橡胶与钢之间以范德华力粘接。     

固体火箭发动机钢壳体与硅橡胶基外防热涂层间用界面处理剂工艺及性能

为了从本质上提升钢壳体基材与硅橡胶基涂层间的粘接力,基于钢壳体发动机外表面物化特性以及硅橡胶基涂层材料组成、反应特性,研制了以有机硅化合物为主要组分的界面处理剂,采用FT-IR对界面处理剂的化学结构进行了归属。研究了界面处理剂的贮存时间、浓度、固化时间、固化温度以及耐有机溶剂等工艺性能。采用钢粘接试件对界面处理剂涂覆后的钢基材与硅橡胶基外防热涂层间粘接强度进行了研究。界面粘接强度测试结果表明,粘接强度2.0 MPa,大于未涂覆界面处理剂时的粘接强度1.2～1.3 MPa。动态电弧风洞试验结果表明,界面处理剂的涂覆可有效保证钢基材与硅橡胶基外防热涂层间界面粘接可靠性。界面处理剂在某型号发动机上工艺扩大试验表明,涂覆有界面处理剂的涂层体系粘接性能稳定、可靠,满足固体发动机的使用要求。     

固体火箭发动机推进剂/衬层/绝热层粘接界面细观损伤过程数值模拟研究

为了研究固体火箭发动机推进剂/衬层/绝热层粘接界面的细观损伤特点,建立了其细观代表性体积单元。针对推进剂内部颗粒夹杂的特点,采用分子动力学方法对其进行了颗粒填充处理。将基于表面粘结损伤的粘性接触算法用于粘接界面推进剂一侧内部颗粒脱湿的模拟,采用最大主应力准则用于模拟粘合剂基体的损伤与失效过程。研究结果表明,数值模拟结果的损伤形貌与试验结果吻合良好,建立的数值模型能较好地反映粘接界面细观损伤过程;对于初始粘接良好的粘接界面,颗粒的脱湿与粘合剂基体的损伤导致了拉伸过程中粘接界面应力应变曲线的非线性;为了提高粘接界面抵抗脱粘的能力,一方面应提高推进剂内部颗粒与粘合剂基体的粘接强度,另一方面颗粒脱湿之后,提高粘合剂基体的最大失效应力。     

振动载荷和定应变对HTPB推进剂基体/颗粒粘接界面影响

为研究振动载荷和定应变对HTPB推进剂基体/颗粒粘接界面的影响,进行了振动载荷和定应变作用下HTPB推进剂高温老化试验,测试了不同载荷和老化时间下推进剂的宏观力学性能,利用扫描电镜观测了推进剂的细观破坏过程,基于颗粒增强本构理论,分析了推进剂基体/颗粒粘接界面的损伤规律。结果表明,振动载荷和定应变的作用使HTPB推进剂的初始模量和抗拉强度均减小,高温老化、定应变和振动载荷的作用都会破坏推进剂基体/颗粒粘接界面、降低推进剂固体颗粒模量增强效果,定应变状态下振动载荷作用后,粘接界面损伤最严重。     

复合推进剂的细观失效机理分析

建立了颗粒填充复合推进剂的细观有限元模型,计算了颗粒与基体粘结完好和存在脱粘两种情况下颗粒与基体内的应力分布,分析了复合推进剂的细观失效机理。结果表明,在细观结构下,复合推进剂中的应力分布是不均匀的,推进剂一般首先在极区产生脱粘,颗粒的大小对推进剂的力学性能有较大影响。     

基于Micro-CT的NEPE推进剂装药界面细观结构

NEPE推进剂装药界面粘接问题是制约NEPE推进剂推广应用的技术瓶颈之一,急需有效的细观结构表征技术,以揭示NEPE推进剂装药界面形成机理。采用Micro-CT技术,开展了NEPE推进剂/衬层/绝热层界面细观结构研究,发现Micro-CT图像可明显区分界面各相以及各相的基体与填充物,可识别不同的固体填充物;绝热层/衬层界面存在有锯齿状的镶嵌结构的扩散层,厚度不超过10μm;推进剂与衬层之间有一定的扩散,存在明显的推进剂与衬层基体富集层,在推进剂一侧,还形成40~80μm的HMX颗粒富集层。     

溶剂对石英/酚醛复合材料RTM成型浸润过程及性能影响

对比研究乙醇、丙酮和四氢呋喃(THF)溶剂对RTM成型石英/酚醛复合材料溶液浸润过程和性能的影响。采用高效液相色谱(HPLC)和X射线电子能谱(XPS)研究酚醛树脂组成及其在石英纤维表面的动态吸附行为。结果表明,溶剂与酚醛树脂分子之间在石英纤维表面形成竞争性吸附,石英纤维表面硅烷偶联剂和不同酚醛树脂溶液组分间发生界面化学反应,从而影响树脂在RTM模具内部不同位置的分布和复合材料的力学性能。随着溶剂形成氢键能力的增强,其影响程度依次为四氢呋喃、丙酮、乙醇。     

Influence of freezing rate oscillations and convection on eutectic microstructure

As discussed in our review paper (Wilcox, W. R. and Regel, L. L., Microgravity Quarterly, 1994, 4, 147–156), the influence of microgravity on eutectic microstructure has been rather erratic and largely unexplained. Directional solidification in microgravity sometimes coarsened the structure, sometimes made it finer, and sometimes, even on the same system, had no measurable effect. Theoretical models predicted no influence of the weak buoyancy-driven convection that occurs in the vertical Bridgman technique on earth. Thus, we hypothesized that freezing rate fluctuations due to irregular convection might be responsible. For example, with a fibrous microstructure an increase in freezing rate must cause new fibers to form, either by branching or by nucleation. A decrease in freezing rate would cause fibers to terminate by overgrowth of the matrix phase. If the kinetics of fiber formation differs from that for fiber termination, an oscillatory freezing rate would cause the average fiber spacing to deviate from that at a steady freezing rate. We have been investigating this hypothesis both experimentally and theoretically. Vertical Bridgman experiments were performed on the MnBi–Bi eutectic with freezing rate oscillations caused by periodic electric current pulses passed through the material. With increased current amplitude, more and more grains exhibited irregular microstructures. Of the grains with continued quasi-regular rod structure, the microstructure became finer. This result was contrary to that expected from our hypothesis for this system. Numerical modeling also predicted that an oscillatory freezing rate should yield a finer microstructure. It was also predicted that freezing interface oscillations should cause the average melt composition at the freezing rate to deviate from the eutectic. This results in the formation of a composition boundary layer of sufficient thickness that it would become sensitive to convection. Hence we have arrived at a revised hypothesis. On earth, irregular convection causes freezing rate fluctuations that change the interfacial melt composition, leading to a thick composition boundary layer. Convection interacts with this boundary layer to change the interfacial melt composition, thereby altering the response of the system to freezing rate fluctuations.     

舵面-液压伺服机构连接刚度参数辨识

应用特征方程反问题的直接方法对舵面－液压伺服机构连接刚度参数进行了辨识。方法以动柔度矩阵特征方程为基础，通过界面位移求解界面内力，并由模态迭加法通过舵面上可测自由度振型，拟合扩充机构内部的不可测自由度振型，然后由界面位移和内力确定连接部位的刚度参数，对某导弹舵面－液压伺服机构建模，并辨识相应界面的连接参数，结果表明，该方法简便且精度高，为舵面－液压伺服机构的动力学建模和分析提供了有效方法。     

复合固体推进剂脱模型的研究

研究了复合固体推进剂颗粒界面的脱湿机理。运用弹笥－粘弹性对应笥原理建立了复合固体推进剂粘弹性脱湿两相球颗粒分析模型，利用能量守恒得到了脱湿时间的控制方程，并导出了以界面粘结能表示的临界脱湿应力的简洁表达式。计算结果表明，颗粒的体积分数、粒径和加载速率对脱湿时间有显著的影响。     

新一代运载火箭推进剂贮箱的冗余氦气增压系统

介绍了新一代运载火箭推进剂贮箱的冗余氦气增压系统组成和工作原理。分析了增压系统几种一度故障模式下的冗余功能。地面试验验证结果表明:该增压系统采用互为备份的增压主路和副路,副路是主路的完全冗余,有一度故障的容错能力,同时降低了对增压系统中减压阀性能的要求,减少了减压阀的设计难度,提高了氦气增压系统的可靠性。     

柔性无卤含磷体系EPDM绝热层在固体火箭发动机中的应用

介绍了所研制的柔性无卤含磷体系EPDM绝热层在某固体火箭发动机中的应用,包括绝热层的主要性能指标,绝热层与推进剂的化学相容性,绝热层界面粘接性能;绝热层模压制件工艺实验结果及绝热层在地面静止试验发动机上的试验情况,实验结果表明,该绝热层密度低、烧蚀性能和成型工艺性良好,并且环保、特征信号低完全满足某固体火箭发动机的绝热问题。     

几种高性能纤维的表面性能及其对界面粘接的影响

分别使用扫描电镜和X射线光电子能谱仪，对T-800炭纤雏、F-12有机纤维及新型超高强度PBO纤雏(聚对苯撑苯并双嗯唑)进行了物理与化学表征和分析，用SEM观察得出这三种纤雏表面物理形态差别清晰可见，T-800纤雏表面沟槽深且直径小，PBO纤雏表面极光滑且直径中等，F-12纤维直径最大且表面有微小沟槽。XPS定量分析表明，这三种纤维表面活性也不一样，T-800纤维表面活性较多，PBO纤维表面活性最差。纤维表面状态的差异体现在它们与树脂复合后的材料界面粘接性能上，T-800纤维的界面剪切强度(IFSS)高，F-12纤雏次之，PBO纤雏最差。