双基固体推进剂药柱非线性蠕变特性实验研究

研究了某双基固体推进剂药柱的非线性蠕变性能。依据固体推进剂药柱试件在不同温度、应力水平条件下的蠕变实验,分析其蠕变行为的非线性特性。实验结果表明,其力学性能与时间、温度、应力强烈相关。构建了参考温度20℃和参考应力5 MPa水平条件下的蠕变柔量主曲线。理论和数值计算表明,较高温度和应力水平下的固体推进剂药柱短期蠕变实验,可用于预测其在较低温度和应力水平下的长期蠕变行为。利用5级Prony级数模拟的蠕变柔量函数与实验叠合主曲线能很好吻合。     

GAP高能推进剂燃速数值模拟

分析了缩水甘油叠氮聚醚(GAP)的热分解特性和燃烧特性,提出了GAP燃烧初期热分解反应的假说,建立了由化学结构特性计算GAP单元推进剂及GAP高能推进剂的燃速公式,并计算了不同配比GAP高燃速推进剂的燃速特征.计算结果与实测值吻合得很好,大部分偏差在±10%以内,且全部误差在±15%以内.这说明所建立的模型基本合理,编制的GAP高能推进剂燃速计算程序基本可行.     

纤维缠绕壳体材料的粘弹性蠕变性能

在各种载荷条件下测量了用于固体火箭发动机壳体的 S-901玻璃纤维/环氧树脂复合材料的粘弹蠕变特性。试样从纤维缠绕发动机壳体的前封头,纤维缠绕角为±20°和±70°的区域内切取。在不同的拉伸应力和四点梁弯曲应力水平的条件下对试样进行测试。通过几次蠕变——恢复周期来确定材料的蠕变特性。为了测定材料在较低的应力水平下的滞后现象也用四点梁弯曲试验进行了等位移速率试验。发现材料的特性在许多方面类似于从前在等同条件下试验的气压釜固化的平板试样的特性。蠕变特性随时间的变化服从如下幂定律:D=D_0+D_1f~n式中:D 为蠕变柔量(磅/英寸~2~(-1))D_0为初始弹性蠕变柔量。D_1和 n 确定了材料的粘弹响应特性。在线性粘弹性范围,n=0.19。这与环氧树脂本身得出的数据完全一致。在较高应力水平下,由于复合材料内部产生的微裂纹而使 n 值增加。在第一次和第二次加载循环之间,蠕变——恢复特性出现最大差值,而在随后的加载条件下 n 值稍许降低。     

PBT弹性体微相分离及对其力学性能的影响研究

为了获得微相分离对宽温PBT叠氮聚醚弹性体力学性能的影响规律,用红外光谱分析法(FT-IR)和动态热力学分析法(DMA)研究了PBT叠氮聚醚弹性体产生微相分离的机理和影响因素。用调节硬段含量、交联参数的方法调控其微相分离,控制适当的微相分离程度可显著改善推进剂的力学性能。研究结果表明:在二元醇扩链的弹性体体系中,当硬段含量约为15%时,弹性体发生相对最大比例的微相分离,体现出较佳的综合力学性能。通过微相分离的调控可获得宽温范围内综合力学性能较好的叠氮聚醚推进剂用粘合剂基体材料。     

钙和稀土对AE41合金压缩蠕变行为的影响

在Mg-4A1-RE合金（简称AE41合金）基础上添加一定质量分数的钙和不同类型的稀土,制得不同成分的镁合金试样,随后在自制的实验装置上进行压缩蠕变行为研究,采用光学显微镜、X射线衍射仪和带能谱的扫描电镜对合金压缩蠕变前后的组织进行了分析。结果表明：加入少量的钙可使合金组织细化,显著提高AE41合金的蠕变性能,且蠕变性能随钙含量的增加而升高;在特定含Ca量基础上改变稀土类型后对合金的压缩蠕变性能也有一定的影响,AEX4108合金（NdPr混合稀土）的蠕变性能优于AEX4108合金（LPC混合稀土）;铸态AE41合金中的组成相主要为α—Mg固溶体基体和针状Al11Nd3相,经高温蠕变后,不稳定的Al11Nd3相会分解析颗粒或短杆状Al2Nd相和易软化的Mg17Al12相;加入钙后有骨骼状Al2Ca相和颗粒状Al2Nd相生成,且随含Ca量的增加而增加,蠕变前后组成相变化不大。     

硝酸酯增塑GAP推进剂网络结构断键薄弱点表征

硝酸酯增塑的叠氮聚醚(GAP)推进剂是固体推进剂的重点发展方向之一,研究其网络结构的特性,可为推进剂配方研制提供理论依据和技术支持。为弄清硝酸酯增塑的GAP推进剂网络结构老化过程中的化学组成变化及其断键薄弱点,采用索氏提取法和酸溶解法,制备出了纯的GAP推进剂凝胶。通过采用红外光谱、元素分析、热重差示扫描量热同步热分析、热重红外联用和环境扫描电子显微镜等分析技术,表征出了推进剂老化前后网络结构的化学组成及其断键薄弱点。结果表明,推进剂网络结构的化学组成为叠氮聚醚聚氨酯,老化后网络结构羟基量增多,叠氮基量减弱,且网络结构颜色由米白色变为红色,网络链易被氧化断裂,网络中的空洞变大,断裂部位首先发生在叠氮基上,其次发生在高分子主链上的氨基甲酸酯键和碳氧碳键。     

国外GAP推进剂研制现状

综述了缩水甘油叠氮聚醚(GAP)及其推进剂的热、力学及弹道性能,GAP推进剂有较高的燃速和能量,但其燃速压强指数和温度敏感系数偏高。GAP推进剂的力学性能较差,改性GAP和支化GAP更具吸引力。GAP推进剂可用于燃气发生剂、微烟推进剂、高能推进剂及改性双基推进剂。     

吸湿聚醚推进剂拉伸断面填料粒子/基体微细观形貌和表征

开展了聚醚推进剂在常温、不同相对湿度下湿老化试验,研究了试验过程中推进剂试样的含湿率、力学性能和拉伸断面微细观形貌变化及之间关系。结果表明,推进剂吸湿后力学性能变化与含湿率存在单一相关性,可用特定数学模型描述,与相对湿度无关。采用数字图像分析方法,对聚醚推进剂试样拉伸断面"脱湿"AP粒子占整个拉伸断面比例("脱湿"率)进行了定量研究,建立了聚醚推进剂吸湿后力学性能与"脱湿"率的数学表达式,发现聚醚推进剂"脱湿"率与含湿率具有相关性。     

叠氮增塑剂与粘合剂的相容性

叠氮增塑剂由于有正的生成热、密度高、成气性好,可作为复合固体推进剂的含能增塑剂,与缩水甘油叠氮基聚合物(GAP)一样,加入推进剂中可以组成叠氮复合固体推进剂。本文对聚(叠氮环氧丙烷)二硝酸酯(AZP-2)和端叠氮基聚(叠氮环氧丙烷)(AZP-3)与多种粘合剂做了相客性研究。在80℃下的热失重试验结果表明,含叠氮基(-N_3)的增塑剂对含烯键合剂和含氰基粘合剂化学不相容;粘合剂中的羧基对叠氮基分解有催化作用。这些结果为叠氮推进剂配方设计和研制提供了重要依据。     

铅盐、铜盐及其碳黑复合物对叠氮/硝胺推进剂燃烧性能的影响

研究了LA铅盐、GT铜盐及其碳黑复合物对硝胺/叠氮推进剂燃烧性能的影响。结果表明：GT铜盐可提高叠氮/硝胺推进剂的燃速,质量分数1%的GT铜盐能提高推进剂燃速1.5～2.4 mm/s;LA铅盐、GT铜盐及其碳黑复合物可降低叠氮/硝胺推进剂压强9～19 MPa下的压强指数,推进剂中加入质量分数3%的该复合催化剂,压强9～...     

基于分数阶三参数模型的HTPB推进剂粘弹性力学响应分析

为拓展分数阶粘弹性模型在端羟基聚丁二烯(HTPB)推进剂中的应用,研究分数阶粘弹性模型预示推进剂频域下的动态模量变化。推导了三维下的分数阶三参数模型,并结合Grünwald-Letnikov定义编写UMAT子程序。为标定本构参数,推导了带有预加载的蠕变、松弛响应的解析解,并采用遗传算法分别标定了0.4 MPa和0.6 MPa应力下蠕变实验以及10%和30%应变下松弛实验的本构参数。计算得到的有限元数值与解析解、解析解与实验值的时程相对误差均小于5%。采用分数阶三参数模型动态模量对-5、25、60℃下的动态力学实验(DMA)结果进行拟合得到本构参数,动态模量与实验结果误差小于2%,同时随着温度升高,本构参数均减小,体现出HTPB推进剂升温软化现象。结果表明,分数阶三参数模型能精确地描述不同温度下多种频率的HTPB推进剂模量变化,结合二次开发本构,可为后续HTPB推进剂复杂边界下的力学响应的研究提供材料本构模型。     

含能粘合剂研究的新进展

新型含能粘合剂的研发对提高固体火箭推进剂的能量及性能有着重要的作用。本文根据国内外近年来在新型含能粘合剂研究方面取得的新进展,按照聚合物侧链所含取代基的不同,分别介绍了叠氮基聚醚粘合剂、硝酸酯粘合剂及其他几种含能粘合剂,对这些粘合剂的应用及性能进行了综合比较与讨论,最后展望了含能粘合剂技术的发展趋势,认为GAP、PGN等粘合剂将是21世纪初高能推进剂、低特征信号推进剂使用的主要品种。     

新型降速剂对聚醚推进剂燃烧性能的影响

为了进一步降低聚醚推进剂燃烧速度,采用TG/DTA法分析了新型降速剂对推进剂主要组分(粘合剂、增塑剂、氧化剂)热分解行为的影响,并考察了降速剂在聚醚推进剂中的应用效果,研究了降速剂粒径、含量对推进剂燃烧性能的影响。研究表明:新型降速剂可以抑制PET、AP的热分解,使PET分解温度提高约40℃,使AP低温分解提高约30℃,使高温分解提高约15℃;新型降速剂在聚醚推进剂中降速效果明显,当用量为2%,压强为7 MPa下静态燃速由8.73 mm/s降低至6.26 mm/s,降幅为28.3%,动态燃速由10.85 mm/s降低至8.59mm/s,降幅为20.8%,效果优于碳酸钙、草酰胺等常用降速剂;提高降速剂含量、减小粒径,均有利于提高降速效果,但对降低压强指数没有作用。该降速方法可以推广到其他推进剂体系中。     

一步法制备BAMO-THF型热塑性弹性体及其力学特性

以一缩二乙二醇(DEG)为扩链剂,通过一步熔融聚合法,制备得到高含量3,3-二叠氮甲基氧丁环与四氢呋喃共聚醚(BAMO-THF)型含能热塑性弹性体(ETPE)。采用傅里叶变换红外光谱(FT-IR)和广角X-射线衍射仪(WXRD)表征制备的ETPE结构,动态力学热分析(DMA)、万能材料试验机、邵氏硬度仪研究其力学性质。结果表明,制备的BAMO-THF型ETPE具有明显的叠氮型聚醚聚氨酯弹性体特征。在加载应力和温度作用下,由于其线性分子链结构,ETPE试样蠕变程度较大。此外,扩链剂含量的增加并不利于ETPE延伸率和低温性能的提高。其中软段BAMO-THF含量达到93.3%,硬段含量仅为6.7%的D20试样力学性能较佳,抗拉强度和断裂伸长率分别为3.61 MPa和1 277%,低温玻璃化转变温度为-23.4℃。     

提高含硼富燃料推进剂在氧弹内燃烧效率的研究

为了解决含硼富燃料推进剂在氧弹内燃烧效率低、实验测试值不能正确表征实际燃烧热值的问题,研究了含硼富燃料推进剂燃烧热值测试过程中试样质量和充氧压强对测试结果的影响,在氧弹安全承载范围内,试样质量越大、充氧压强越大,含硼富燃料推进剂燃烧越完全。使用有机溶剂溶解后挥发的混合方式,将作为助燃剂的自制ZS与加工成20目含硼富燃料推进剂实现紧密结合,经过一系列工艺处理制得试样。根据含硼富燃料推进剂在氧弹内的燃烧特点设计加工了专用钨坩埚,使用改进型氧弹式量热仪对试样进行热值测试。实验结果表明,助燃法测试含硼富燃料推进剂的燃烧热值较为有效,解决了含硼富燃料推进剂在氧弹内燃烧不完全以及测试值不能正确表征理论燃烧热值的问题,具有较高的准确性和可靠性。     

固体推进剂体积形变实验研究

介绍和分析了自行研制的非接触测量体积形变测试系统。采用该系统测出了固体推进剂在不同温度下的体积松弛模量和体积蠕变柔量,并给出了相应的体积模量主曲线的数学表达式.该结果对药柱结构完整性分析、配方工艺研究和使用寿命预估均有实用意义。     

三维编织石英纤维热密封材料气密性能研究

引入三维编织石英纤维织物作为热密封材料,对三维四向、三维五向编织结构热密封材料试样进行了不同压缩率下透气性能试验。分析了三维编织结构热密封材料气体渗透量随压缩率、压差及编织工艺参数的变化规律。结果表明,通过优化编织结构,有利于提高试样的气密性能;试样的平均气体渗透量受纤维体积含量影响,随压缩率的增大而降低;在压缩率为10%与20%时,纤维体积含量为50%的三维四向试样相比气密性能更好,平均气体渗透量分别为1.14×10~(-6)、9.29×10~(-7)kg/(s·mm);当压缩率增加到30%时,试样出现明显剪切变形和碎裂,试样失效。通过合理设计,三维编织石英纤维织物可满足密封材料气密性能要求。     

NEPE推进剂主要组分催化分解的研究

应用原位红外光谱仪研究了NEPE推进剂主要组分HMX、AP、NG及聚醚胶在升温至爆燃过程中,凝聚相红外光谱的变化。并研究了对NEPE推进剂提高燃速明显的YB2-450和降低压强指数效果较好的B2Pb两种催化剂对上述分解过程红外谱图的影响。发现B2Pb主要催化了HMX的分解,YB2-450主要催化了NG的分解,YB2-450还可在高温下加速AP的分解。这些结果为解释NEPE推进剂的燃烧特性提供了一定的试验依据。     

氢键在丁羟推进剂湿老化与干燥恢复中的作用规律

回顾了丁羟推进剂湿老化与干燥恢复机理研究状况;指出了水分对氢键结构的影响;讨论了干燥条件下吸湿后的推进剂内部水分运行规律;以120mm×25 mm×10 mm的长方体丁羟推进剂试样为研究对象,在多种温度和相对湿度(RH)条件下进行了湿老化试验;以30℃、RH= 100％条件下湿老化5d的长方体试样为研究对象,采用无水氯...     

复合推进剂热降解机理的研究

为了系统地研究氧化剂在复合推进剂热降解过程中的作用曾作过试验计划。主要分析工具是扫描式电子显微镜(SEM),用以检测推进剂试样热降解破裂部位。试验配方变量为氧化剂纯度、粒度和氧化剂一粘合剂的粘结剂。整个试验期间粘合剂保持不变,均为饱和碳氢化合物。氧化剂为纯高氯酸铵、含氯酸盐的高氯酸铵、含砷酸盐的高氯酸铵和含磷酸盐的高氯酸铵。氧化剂粒度分布为:粗粒度60%,细粒度40%,采用两种二级配混合物;125—175 μ/<44 μ和175—250 μ/44—88 μ。用粘结剂时,其用量为0.15%左右。试验变量为温度和应力,温度用100℃、135℃和170℃,应力用0.29公斤/厘米~2和0.61公斤/厘米~2。试验数据表明,氧化剂纯度和粒度对热降解过程有显著影响。在高温和应力作用下,氧化剂粒度影响较大。用扫描式电子显微镜检查推进剂破裂部位表明,大颗粒氧化剂的破碎导致推进剂龟裂。