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。     

NEPE推进剂／衬层粘接界面层厚度表征方法研究

采用纳米压痕分析法和超声波扫描显微镜分析法,研究了NEPE推进剂/衬层粘接界面层的厚度。纳米压痕分析结果表明,界面层与粘接物的细观力学性能有明显差异,差异区域的厚度约为80μm;超声波扫描显微镜分析结果表明,界面层是非均匀性的复杂实体,计算出未老化粘接界面的厚度为84.94μm。计算结果和测试值基本一致,认为NEPE推进剂/衬层粘接界面层的厚度为80~85μm。     

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。     

HTPB/TDI衬层与NEPE推进剂的界面反应机理

采用富立叶变换红外光谱(FTIR)和全反射红外光谱(FTIR/ATR),研究了半固化的HTPB/TDI衬层表面的活性基团以及不同的—NCO基团与不同羟基的反应速率。结果表明,半固化的HTPB/TDI衬层表面含有大量的—NCO基团;HTPB/TDI衬层和NEPE推进剂粘合剂相的—NCO基与—OH的交叉反应速度较NEPE推进剂的固化反应速度快得多。HTPB/TDI衬层与NEPE推进剂界面的化学反应机理是粘合剂相中—OH基和—NCO基的交叉反应,其中衬层中TDI分子的—NCO基与PEG分子的—OH基的反应速度稍快于NEPE推进剂中N100分子的—NCO基与HTPB分子的—OH基的反应;在界面区域,HTPB/TDI衬层与NEPE推进剂通过氨基甲酸酯键形成化学粘接。     

NEPE推进剂粘接界面迁移组分定性分析

应用气相色谱-质谱(GC-MS),采用不同的色谱实验条件,用二氯甲烷萃取,对NEPE推进剂/衬层/绝热层ф25 mm圆柱标准粘接试件粘接界面不同沸点的迁移组分进行了定性分析研究。研究结果表明,推进剂中迁移组分主要有增塑剂硝化甘油(NG)、丁三醇三硝酸酯(BTTN)、稳定剂AD和燃速催化剂辛基二茂铁(ODCI),这些迁移组分可向衬层和绝热层迁移;衬层中迁移组分为增塑剂癸二酸二辛酯(DOS),该组分只向绝热层迁移,不向推进剂中迁移。     

NEPE推进剂/衬层界面化学组成的XPS分析

针对NEPE推进剂/衬层界面化学组成复杂,缺乏有限表征手段的问题,采用XPS对其进行了分析测试,并对测试结果进行了系统分析。综合分析了XPS测试特点与NEPE推进剂配方组成,揭示了XPS定量测试结果与配方理论值的差异的原因,对C、N元素各化学态的XPS特征峰进行了合理的归属。研究结果表明,硝酸酯因为在建立高真空过程中挥发,XPS检测不到;固体填料因为表面包覆,XPS检出结果比配方含量小1~2个数量级;NEPE推进剂/衬层界面存在NPBA富集;AD1和AD2向衬层迁移较深,且呈明显的梯度分布。     

HTPB/IPDI推进剂装药界面弱粘接增强技术

采用红外光谱、三维光学变形分析、凝胶含量及界面粘接性能测试等方法,研究了HTPB/IPDI推进剂装药界面弱粘接的增强技术。研究表明,衬层成型前,采用表面处理剂(STA-7),对绝热层表面进行预处理,可抑制近界面推进剂弱强度层的形成,显著提高界面粘接强度。绝热层表面预处理后,近界面推进剂的凝胶含量可提高约90%,联合扯离强度提高400 k Pa以上,达到与推进剂本体强度相当的水平,试件破坏形式与其等效应力云图相符。     

BDNPA/F增塑聚醚推进剂/衬层粘接界面的加速老化研究

界面粘接性能直接决定固体发动机装药的结构完整性和工作可靠性。为实现BDNPA/F增塑聚醚推进剂装药产品的工程化应用,采用高温加速老化试验方法,比较研究了衬层和模拟迁入含能增塑剂BDNPA/F的衬层分别在自由状态、绝热层环境下加速老化时的热稳定性以及衬层本体力学性能和BDNPA/F增塑聚醚推进剂/衬层界面粘接性能的变化规律。结果表明:在70℃加速老化过程中,本体衬层抗拉强度和伸长率呈增大趋势,BDNPA/F增塑聚醚推进剂/衬层界面在加速老化22周后仍具有良好的粘接性能,扯离强度和剥离强度分别为0.66MPa(药本体破坏)和20.1N·cm-1,能够满足产品使用要求。     

NEPE推进剂粘接体系中的组分迁移及影响

采用高效液相色谱(HPLC)和等离子发射光谱(ICP),并结合粘接强度的变化,研究了NEPE推进剂粘接体系中组分的迁移及对粘接性能的影响.结果表明,NEPE推进剂中的硝酸酯和稳定剂向HTPB/TDI衬层中的迁移量,随氨基甲酸酯硬段含量的升高而增大;硝酸酯的迁移对衬层的粘接贮存性能无明显不利影响,但显著降低了HTPB/TDI衬层的力学贮存性能;NEPE推进剂中TPB的单向迁移降低了衬层/推进剂界面的粘接性能,稳定剂的单向迁移显著降低了界面的粘接贮存性能.     

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。     

丁羟推进剂粘接体系中的组分迁移

用浸泡增重法研究了衬层、绝热层对DOS和T27的吸收能力,用气相色谱仪研究了HTPB推进剂/HTPB衬层/EPDM绝热层粘接体系中DOS、T27和GFP的迁移。结果表明,HTPB衬层和EPDM绝热层对DOS和T27的吸收能力很强;粘合剂的极性增大或交联密度升高,衬层对DOS、T27的吸收能力下降,但粘合剂的极性增大,对衬层与HTPB推进剂的界面粘接性能不利;在HTPB推进剂/HTPB衬层/EPDM绝热层粘接体系中,DOS、T27或GFP的迁移平衡浓度为粘合剂相的平衡浓度。     

NEPE推进剂/衬层粘接界面XPS表征

运用XPS分析手段表征了NEPE推进剂/衬层粘接界面的化学组成和老化历程,通过研究界面区的化学组成及分布,得出了界面区各位置及老化前后主要组分的变化;探讨了界面老化过程中元素结合能变化与老化失效的关系,认为界面区域中结合能是286～287 eV的羟基和结合能是401～402 eV的N活性基团的含量降低,以及硝基的分解是粘接界面失效的主要原因.     

界面粘接性能的影响因素

从绝热层，衬层，推进剂，工艺等四个方面讨论了影响绝热层／衬层／推进推进剂量面粘接性能的因素，并提出了改善界面粘接性能的技术途径。     

丁羟衬层固化度工艺研究

依据环境湿含量变化,进行了衬层固化机理分析及固化参数和固化时间对衬层性能的影响实验,研究了衬层发软,不易脱模的问题。结果表明,衬层固化参数研和固化度直接影响燃烧室绝热层／衬层／推进剂界面的粘接;采用衬层胶片、钢／衬／药或钢／绝／衬／药试件监控衬层固化度,并调整衬层固化参数,可确保燃烧室内衬层与推进剂的同步固化。     

基于环境压强下NEPE固体推进剂双剪强度准则

基于双剪强度理论和已有的NEPE固体推进剂强度试验资料,提出了一个NEPE固体推进剂双剪强度准则的推广形式,探讨了该双剪强度准则相关参数的选取问题,验证了该双剪强度准则的合理性。研究表明,多轴应力状态下NEPE固体推进剂强度与应力相关,八面体剪应力随平均主应力的增加呈非线性增加;NEPE推进剂的破坏强度随拉伸速率的增加而提高。     

多种材料人工脱粘应力场分析

采有网格自动生成技术，给出了考虑多种材料结构的人工脱粘层前缘附近推进剂／衬层界面较为合理的疏密平滑过渡的计算网格，对整个药柱尤其是对头部人工脱粘前缘附近进行了详细的有限元计算，得出了与实际情况接近的有限元诸模型析应力，应变场，此外，还考虑不同模量绝热层（人工脱粘层）和衬层对人工脱粘层前缘附近推进剂／衬层界面应力的影响。     

NEPE推进剂在变温环境下的损伤结构及冲击波感度变化研究

为研究NEPE推进剂在变温环境条件下的损伤情况及损伤对其冲击波感度的影响,采用温度循环试验、温度冲击试验及液氮冲击试验对NEPE固体推进剂进行了变温环境考核,用力学性能测试、超声参量检测及CT成像法表征了其损伤结构的变化情况,并利用隔板试验对损伤前后NEPE推进剂的冲击波感度进行了测试.研究结果表明,NEPE推进剂在变温环境下其内部会出现一定损伤,且损伤程度随环境严酷程度的增大而增加,但NEPE推进剂内部的热裂纹对其冲击波感度的影响并不明显.