松弛谱表征NEPE推进剂的老化

为研究NEPE推进剂的老化情况,探讨了运用连续松弛谱表征NEPE推进剂老化进程的方法.分别对在80℃,75℃,70℃,65℃下加速老化的NEPE推进剂进行动态力学分析试验,数据表明,NEPE推进剂的连续松弛谱可以直观全面表征推进剂高分子多层结构的粘弹性特性,且同一加速老化温度下随老化时间增加动态粘弹性连续松弛谱频率分布范围逐步收窄,结合推进剂老化机理分析,该变化趋势可以表征推进剂老化进程.     

基于累积损伤模型的NEPE推进剂温度及率相关破坏准则研究

建立考虑温度及应变率因素的适用于粘弹性固体推进剂的破坏准则,通过对NEPE复合推进剂试件在6组不同环境温度(-50~50℃)下进行了5组不同拉伸速率(1~500mm/min)的等速率拉伸破坏试验,结合试验数据获取损伤模型参数,建立了考虑温度及应变率因素的基于累积损伤的结构强度准则。并利用建立的损伤模型来预测推进剂试件在选定温度(20℃,-50℃)及应变率条件下(20mm/min,200mm/min)的破坏情况,预测结果与试验数值吻合较好,说明该损伤模型能够较好地描述NEPE推进剂材料的破坏过程,可在一定温度(-50~50℃)及应变率(1~500mm/min)范围内作为一种普遍适用的推进剂破坏准则。     

RDX含量对改性双基推进剂动态力学性能的影响

利用动态热机械分析研究了一组不同RDX含量的改性双基推进剂的动态力学性能。根据"时间-温度"等效原理的WLF方程获得了该推进剂体系α松弛的粘弹系数Cg1,Cg2和主曲线叠合的垂直位移因子bT以及松弛过程的活化能Ea。结果表明,随着固体填料(RDX)含量的增加,该推进剂的储能模量下降,α松弛的损耗角正切(tanδ)的峰温逐渐降低,以tanδ为代表的力学损耗强度逐渐增大,而β转变所对应的温度不变。用自由体积理论解释了固体含量对改性双基推进剂动态力学性能的影响。     

考虑细观脱湿损伤的NEPE推进剂粘弹性本构模型研究

为了描述NEPE(Nitrate Ester Plasticized Polyether Propellant)复合固体推进剂的非线性粘弹性力学行为，基于粘弹性脱湿准则及所建立的粘弹性时间-损伤等效原理，将颗粒脱湿所造成的材料损伤以折算时间的形式引入至线性粘弹性本构关系中，从而建立起可考虑细观颗粒脱湿影响的NEPE复合固体推进剂非线性粘弹性本构模型。通过定制配方NEPE材料在不同温度(-50， -35， -20， 0， 20， 35及50°C)、不同应变水平(5%， 10%， 15%， 20%， 25%以及30%)的应力松弛试验及单轴拉伸试验，结合反演技术，获取了本构模型参数。最后利用Matlab软件平台实现了本构模型对于NEPE单轴拉伸力学行为的数值预测，数值计算结果与试验曲线较为吻合，预测数值与试验值差值在15%以内，说明所建本构模型能够较好地描述NEPE推进剂在一定应变率范围内(3.333×10-4～0.1s-1)的粘弹性力学行为，为预测具有复杂细观结构的复合固体推进剂的宏观力学行为提供了一条较为简单便利的实现方式。     

HTPB复合固体推进剂粘弹特性研究——主松弛模量的时间、温度依赖性

本文通过对HTPB复合固体推进剂在宽广温度范围内、定应变条件下单轴应力松弛的实验测定,根据线性粘弹及热流变简单性的基本假设,将-50℃到80℃间 一个温度下的应力松弛曲线,采用时间～温度折合变量的数据处理方法,迭加成-40℃、20℃及70℃三个参考温度下主松弛模量随推进剂时间特性的变化曲线,并用Prony级数式及修正的幂函数式描述;还通过玻璃化转变温度的测定和图解法求出的时间～温度偏移因子建立了该推进剂材料修正的WLF方程;同时就端部粘木试样和传统的哑铃形试样对试验结果的影响进行了比较。     

高温老化过程中推进剂模量变化对药柱结构完整性的影响

将NEPE推进剂在65℃,70℃,75℃下分别老化不同时间后,用动态力学分析仪测定其动态力学性能。利用测试得到的推进剂动态力学特性参数,经计算得出推进剂的平衡模量。随着老化时间增加,其平衡模量值逐渐降低。利用有限元方法,分析在老化过程中推进剂平衡模量的变化对药柱结构完整性的影响,即在高温老化过程中,当NEPE推进剂的平衡模量降低至某一值时,固体火箭发动机药柱的结构完整性破坏。     

NEPE推进剂激光辐照下点火燃烧性能研究

采用CO2激光器、高速摄像机和红外热像仪等设备研究了NEPE推进剂激光辐照下点火燃烧过程和推进剂表面温度分布,分析了激光热流密度对点火延迟时间的影响以及NEPE推进剂对激光卸载的动态响应。结果表明:增大激光热流密度可以减小点火延迟时间,当热流密度小于6.7×105W·m-2时,点火延迟时间随热流密度的增大而显著减小,而热流密度大于该值时,点火延迟时间随热流密度的增大而变化微小。激光辐照对NEPE推进剂的燃烧有显著影响,使火焰明亮并伴有大量火花,推进剂表面的温度大大提高。激光卸载后,推进剂表面温度并未立即下降,而是在短暂的迟滞后跌落,随后又出现小幅度的缓慢上升。     

RDX含量对改性双基推进剂动态力学性能的影响

利用动态热机械分析(DMA)研究了一组不同黑索今(RDX)含量的改性双基推进剂的低温动态力学性能。β松弛的峰温几乎不受固体填料加入的影响。认为RDX含量超过一定值时,在低温下将起到辅助增塑作用,β松弛tanδ峰值与"等效增塑剂"的含量有关。经拟合得到"等效增塑剂"的含量。从推进剂的动态模量主曲线获得了β松弛的粘弹系数Cg1,Cg2以及松弛过程(分子构象变化)的活化能Ea,以及"脆化参数"m,并用线性方程关联了"脆化参数"m与低温抗拉强度σm和延伸率εm。     

相分离对NEPE推进剂性能的影响

采用低温贮存及性能测试的方法研究了相分离对NEPE推进剂力学性能、危险性能以及燃烧性能的影响规律。在-20℃贮存条件下,增塑比小于等于2 8时NEPE推进剂存在相分离,相分离程度随增塑比降低及低温贮存时间增加而增大。发生相分离以后,NEPE推进剂的低温力学性能下降并且最大伸长率的波动幅度增大;NEPE推进剂的冲击感度显著降低,摩擦感度有轻微增加;NEPE推进剂在2 94～8 83MPa范围内的燃速升高了0 3～0 7mm/s。为了稳定NEPE推进剂的性能,应采取有效措施控制NEPE推进剂的相分离。     

纤维素甘油醚硝酸酯粘合剂及其推进剂的力学性能

利用X-ray衍射、拉伸实验和动态力学性能DMA实验研究了纤维素甘油醚硝酸酯(NGEC)的结晶度、NGEC及其推进剂的力学性能和动态力学性能,借助扫描电镜观察了NGEC基改性双基推进剂的断裂形貌,并通过流动性实验探索了NGEC全部与部分取代NC的改性双基推进剂的热加工工艺性能。结果表明:与NC相比,NGEC的结晶度和力学强度略低、延伸率较高、玻璃化转变温度低且转变温度范围宽;加入NGEC,可降低高固体含量改性双基推进剂的脱湿现象,有利于提高其力学性能;粘合剂体系中NGEC的含量对其改性双基推进剂的玻璃化转变的α松弛影响较大,随着NGEC含量的增加α松弛温度明显降低,而对β松弛的影响较小;与NC相比,NGEC的加入降低了改性双基推进剂的流动性实验出药压力,提高了出药速度,具有良好的热塑性及热加工安全性。     

HTPB复合固体推进剂粘弹特性研究——动态抗张模量的时间、温度依赖性

利用RHEOVIBRN DDV-Ⅲ-EA型动态粘弹谱仪,在频率为110,35、11,3.5Hz,温度为-150～200℃及频率为0.3,0.03,0.01Hz,温度为-80～30℃的恒定频率,测定了HTPB复合固体推进剂动态抗张特性温度谱.以线性粘弹及热流变简单性作为基本假设,采用折合变量的数据处理方法,将恒定频率的动态抗张模量温谱曲线迭加成参考温度为20℃时的动态抗张模量主曲线,并用一般化的Maxwell模型级数式给予定量的数学描述;还将图解得到的偏移因子温度曲线处理成修正的WLF方程,从而为药柱强度分析提供该推进剂材料的动态粘弹参数.     

PBT固体推进剂低温力学性能研究

为考察PBT固体推进剂低温力学性能，采用单轴拉伸实验方法研究了固化参数、交联参数、固化时间三种因素对PBT固体推进剂-40℃下力学性能的影响。玻璃化温度测试结果表明，全部样品玻璃化温度处于-51.3～-53.6℃，推进剂在-40℃下处于高弹态；单轴拉伸测试结果表明：PBT固体推进剂在低温状态下硬度、抗拉强度与固化参数、交联参数、固化时间呈正相关，伸长率与固化参数、交联参数、固化时间呈负相关。低温力学性能受固化参数、交联参数影响显著性低于常温力学性能；低温下固化参数在1.00～1.05内与伸长率呈现一定线性关系。     

NEPE推进剂的高压燃烧特性研究

应用高压燃速测试、微热电偶测温及燃烧火焰单幅摄影等技术,研究了NEPE推进剂的高压燃烧特性与燃烧机理。实验结果表明:NEPE推进剂高压压强指数出现拐点;且随压强以及AP含量升高,燃烧波由硝胺-CMDB向AP-CMDB推进剂转变。分析认为硝酸酯基的含量及AP单元推进剂的扩散火焰是控制NEPE推进剂燃速及压强指数的主要因素。     

宽温宽频宽动态位移下ZN-33材料的黏弹行为

对ZN-33黏弹阻尼材料进行温度、频率和动态位移的扫描实验和不同温度、载荷下蠕变实验。研究了材料在宽温、宽频、宽动态位移下的动态阻尼特性。得到了ZN-33材料复模量和损耗因子随温度、频率和动态位移变化的规律。同时对该材料的蠕变特性进行了研究,揭示其蠕变行为的非线性特性,进行了蠕变柔量的时间—应力等效性描述。     

压电阻抗法表征固体推进剂老化的研究

为了更好地得到压电阻抗法（EMI, Electro-mechanical impedance）监测固体推进剂老化规律并从物理特性上对其科学性、可靠性及有效性进行验证，采用理论推导分析方法将压电阻抗电学性能参数与动态力学性能参数进行联系；对热老化HTPB推进剂进行EMI试验及动态热机械分析（DMA, Dynamic thermomechanical analysis）测试，并根据结果分析进行验证。结果表明：压电阻抗电学性能与动态力学性能能够通过动态模量与导纳之间的关系以及电压电流滞后角与力学损耗角之间的关系进行联系；热老化HTPB推进剂在不同测试频率下力学损耗因子温度谱峰值随老化的变化规律一致，均随热老化时间的延长而降低；电压电流滞后角正切值能够很好反映HTPB推进剂的老化，共振频率处的滞后角正切值随热老化时间的延长而降低，并且与损耗因子峰值呈现出明显的线性关系。     

含氟聚醚醚酮改性环氧树脂形状记忆性质的动态热力学机理研究

使用动态力学分析仪(DMA)、扫描电子显微镜(SEM)对具有形状记忆的含氟聚醚醚酮(6F-PEEK)改性环氧树脂的动态热力学行为和组分之间的相分离形貌进行了研究.动态力学-温度谱图表明,在130℃和223℃存在两个内耗峰,分别对应6F-PEEK和环氧树脂的玻璃化转变温度.具有较低玻璃化转变温度的6F-PEEK充当可逆相,具有较高玻璃化转变温度的环氧树脂充当固定相.材料在变形时,6F-PEEK的能量变化主要是熵的变化,而环氧树脂主要是内聚能的变化.熵值增大和内聚能的释放是材料完成形状记忆过程的驱动力.随6F-PEEK含量的增加,动态力学-温度谱图上的内耗峰的强度增加,表明在变形温度下有更多的6F-PEEK分子链段发生运动,材料的弯曲变形幅度增大.     

肼混合物胶体推进剂的热分解特性研究

为了评估肼混合物胶体推进剂的热安全性,采用差示扫描量热仪(DSC)和绝热加速量热仪(ARC),对肼混合物胶体推进剂的热分解特性进行了研究。DSC的实验结果表明,在2,5,10和20K·min-1四种升温速率下推进剂的初始热分解温度分别为185.73,227.20,230.37和245.19℃;根据DSC的试验结果,利用Kissinger法计算得到热分解活化能为181.80k J·mol-1。在ARC实验中,肼混合物胶体推进剂在理想绝热条件下的初始分解温度为180.58℃,最大温升速率达到0.6237°C·min-1,绝热温升为227.92℃,最高温度为408.50℃,计算得到其热分解活化能为121.77k J·mol-1。比较DSC与ARC的试验结果,两者基本一致;热分析试验中推进剂先经历相变吸热过程,再进行分解放热。     

基于热力学理论的固体推进剂粘弹-粘损伤本构模型

为了描述固体推进剂在不同应变率和围压环境下的非线性力学特性，首先通过假设推进剂非线性力学特性由损伤导致，基于不可逆热力学框架，推导出粘弹-粘损伤本构模型。在构建粘损伤模型时，以线性粘弹性应变能密度为损伤驱动力，并且引入了损伤历史、应变率和围压效应对于损伤增长的影响。然后利用文献中HTPB推进剂的围压实验数据对一维形式下的本构模型进行了参数获取、验证和预测误差分析。在获取损伤萌发参数S0时，基于时间-压强等效原理，构建了损伤萌发参数S0主曲线。最后采用NEPE推进剂单轴拉伸实验验证了本构模型对于当前固体推进剂大变形非线性力学性能的适用性。结果表明，损伤萌发参数S0随着围压和应变率的增加而增加。在应变率和围压的双重作用下，在相对压强5.516MPa，0.24s-1条件下的S0是相对压强0MPa，6×10-4s-1条件下数值的10.7倍。另外，模型对于HTPB推进剂抗拉强度的最大预测误差为6.15%，模型预测结果与两种实验数据重合较好，表明建立的粘弹-粘损伤本构模型可以很好地预测HTPB推进剂在不同应变率和不同围压环境下的力学响应和当前NEPE推进剂的大变形非线性力学行为，可为点火增压载荷下固体推进剂药柱结构完整性数值分析提供理论基础。     

环境压强对固体推进剂力学行为的影响

为了解环境压强对固体推进剂的力学行为的影响，以NEPE固体推进剂为研究对象，利用高压材料试验机，研究了室温中两种拉速条件下的NEPE推进剂力学行为变化规律。结果表明：NEPE推进剂的抗拉强度、伸长率、断裂伸长率均随环境压强的增加而增大。建立了环境压强对NEPE推进剂力学行为影响的数学模型，提出了力学性能压强指数的概念，并对测试结果进行了简要分析。     

推进剂药浆粘弹性特征研究

用ＣＶ２０Ｎ流变仪研究了ＨＴＰＢ推进剂、ＣＴＰＢ推进剂和聚醚推进剂药浆的粘弹性特征。结果表明：推进剂药浆为粘弹性流体,复合粘度随推进剂品种、配方特点、频率范围不同而呈不同变化规律,复合模量、损耗模量和贮能模量随频率增加均呈上升趋势;损耗模量一般比相应贮能模量高约一个数量级;贮能模量存在数个衰减峰;衰减峰与损耗角正切峰成对映。提出了推进剂药浆流体的结构模式,并用它解释了药浆的粘弹性。