压电阻抗技术监测固体推进剂老化研究

为了进一步研究表面粘贴式的主动传感技术——压电阻抗技术(EMI, Electro-Mechanical Impedance)监测固体推进剂的老化,构建了基于线粘弹杆结构的一维机电耦合模型,根据粘弹性波的理论与边界条件进行分析,建立一种线粘弹结构动态模量与其机械阻抗的表征关系,并对构建的机电耦合阻抗模型进行了数值计算及试验验证。针对HTPB固体推进剂开展高温热加速老化试验及压电主动激励试验,根据监测所得导纳频谱并通过提取结构机械阻抗进行分析,结果表明:压电陶瓷片与推进剂结构在高频机电耦合运动时(300kHz,280kHz)有明显的共振现象,结构固有频率高于机电耦合共振频率,并且在200kHz～400kHz频段与700kHz～900kHz频段内,结构机械阻抗频谱峰值会因固体推进剂的热老化时间增长而降低,且与热老化时间之间满足线性关系。由此可见,压电阻抗法能够与固体推进剂在力学性能上建立表征关系,通过得到固体推进剂结构机械阻抗能够监测其老化损伤。     

NEPE类推进剂老化的动态力学性能

用动态热机械分析仪测定了高能交联复合推进剂NP-1的动态力学性能，并表征了在75℃下老化不同时间的力学性能。NP-1推进剂的损耗角正切tamδ曲线存在两个松弛（α和β松驰），卢松弛是由混合增塑剂NG／BTTN的分子运动导致的，而α松弛则是与聚醚-聚氨酯（PET／N100）的粘合剂分子运动有关。tans的d松弛峰极值随老化时间的增加而增大，tanδ的α和β松弛峰温都随增塑剂NG／BTTN含量的变化而改变。此外，初步分析了NP-1推进剂失效的主要原因。     

低温动态加载下老化HTPB推进剂强度准则研究

为获得低温动态加载下老化后HTPB推进剂强度准则,开展了低温动态加载下不同热老化时间后HTPB推进剂单轴与准双轴拉伸试验,根据试验结果获得的力学性能参数,基于双剪强度理论构建了推进剂强度极限线及故障包络线。研究发现:随着温度的降低和热老化时间的延长,HTPB推进剂强度极限线范围变大,即推进剂强度增强;随着热老化时间的延长,HTPB推进剂故障包络线缩小,即推进剂抵抗破坏能力逐渐减弱。研究结果可为低温点火条件下战术导弹药柱结构完整性分析提供数据支持。     

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。     

动态热机械法研究天然橡胶硫化胶的热氧老化性能

介绍了用动态热机械分析仪测定天然橡胶（NR）硫化胶耐老化性能的原理及方法。通过测定胶料在160℃、恒温30min下的动态模量谱，来评估硫化胶的耐老化性能。同时测定硫化胶力学性能随老化时间的变化情况。结果显示：老化后储能模量减少，损耗模量和损耗因子tanδ总体呈增加趋势。力学性能随老化时间的延长呈先增加而后下降趋势。     

高载下不同试样尺度复合材料的动态黏弹性

 采用EPLEXOR500高载动态热机械分析仪(DMTA)在三点弯曲方式下考察了静态载荷和动态载荷对不同试样尺度T300/环氧648复合材料储能模量和损耗角正切的影响。结果表明，复合材料储能模量随动载增大而降低，随静载增大而升高，损耗角正切则随载荷增大而减小。减小试样跨距，增大厚度或宽度则会强化这一影响，尤其是对于储能模量。这一结果是由于试样内各种静态应力对其动态应变均存在“抑制作用”。这种作用再加上附加剪应变的影响导致试样尺寸对黏弹性影响规律存在一个过渡区，当静载/动载载荷比低于该过渡区时，储能模量随跨距的增大、厚度或宽度的减小而升高，高于此过渡区时储能模量变化规律完全相反。     

船用柴油机压电喷油器执行器动态特性试验研究

压电式喷油器可充分利用压电叠堆执行器驱动力大、响应速度快、功耗低的优势,已成为新一代电控喷油技术的研究热点。为探究热-电场下压电喷油器内部执行器动态特性变化规律,建立了压电执行器热-电-力多场加载动态测试系统,分析了在不同电场和热场下压电执行器的动态响应特性和位移特性的变化规律,结果表明：压电执行器响应速度随充放电过程峰值电流的增加而增加,其最大稳定位移随驱动电压增加也基本呈现线性增加的趋势,电压由100V增加到160V,最大稳定输出位移增加了约57.9%,但充放电时间有所增加;当电流超过14A、电压超过140V时变化趋势减缓;温度低于100℃时,压电执行器的最大稳定位移随温度升高基本呈现线性增加的趋势,尽管充放电过程峰值电流有所增加,但受执行器材料等效电阻和电容的变化影响,响应特性仍变差;当温度超过100℃时,由于逐渐接近材料的居里温度点,执行器输出位移急剧减小,且响应时间明显增加,不利于压电执行器的快速响应。     

NEPE推进剂动态力学特性分析

为了研究NEPE推进剂在不同温度和频率激励作用下的动态力学性能,利用DMAELF3200动态热机械分析仪测定了材料动态力学参数。通过试验,获得了推进剂的储能模量、损耗模量及损耗因子温度谱。由分子运动理论得到了玻璃化转活化能。基于时间-温度等效原理对NEPE推进剂动态粘弹性参数进行等效叠加,得到了移位因子随试验温度变化的规律。结果表明:损耗模量的温度谱曲线在低温段只存在一个峰值(玻璃化转变峰),玻璃化转变温度对频率有依赖性,在1Hz加载频率下转变温度为-62℃;玻璃化转变所需要的活化能为163.8k J·mol-1;移位因子和温度之间的关系遵循Williams-Landel-Ferry(WLF)方程,随试验温度升高,移位因子下降。     

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。     

丁腈橡胶/酚醛树脂/受阻酚AO80三元阻尼橡胶的结构与性能

在丁腈橡胶(NBR)中添加酚醛(PR)和受阻酚AO80,制备NBR/PR/AO80三元共混橡胶.采用DSC,FTIR和扫描电子显微SEM镜等方法表征了NBR/ PR/ AO80三元共混橡胶的结构,研究了其阻尼性能和力学性能.结果表明,AO80与丁腈橡胶和酚醛树脂有较好的相容性,动态力学性能温度谱中损耗角正切tanδ呈现单峰特征,并且随AO80含量增加,三元共混橡胶的阻尼峰值提高;硫化胶的拉伸强度呈现先增加后降低趋势.与NBR/PR硫化橡胶相比,添加AO80的三元共混橡胶保持了几乎相同的阻尼温域,但却具有更高的阻尼峰值.     

HTPB推进剂凝胶分解特性与老化性能的相关性

研究了贮存老化过程中 HTPB推进剂凝胶的氧化反应热效应与推进剂力学性能之间的相关性。实验表明 ,HTPB推进剂贮存老化过程中 ,凝胶的氧化反应热效应与推进剂最大强度下的延伸率 ,二者之间存在很好的线性相关性 ,为进一步快速预估 HTPB推进剂的贮存寿命 ,提供了一种样品用量少、快速简便的新方法     

HTPB推进剂定应变老化性能实验

通过HTPB推进剂定应变老化实验,采用单向拉伸法测定其力学性能和溶胀法测定其凝胶百分数、相对交联密度等性能参数,对其定应变老化性能规律进行了研究。研究表明:HTPB推进剂定应变老化力学性能是由热氧老化和粘合剂/填料界面损伤两个因素共同作用决定的,其随老化时间的延长大体可分为三个阶段,一是热氧老化占主导的阶段;二是由粘合剂/填料界面损伤占主导的阶段;三是热氧老化占主导的阶段。并且,若HTPB推进剂在定应变老化过程中产生了较为严重的粘合剂与填料间的界面损伤时,则凝胶百分数、相对交联密度随老化时间的变化规律与力学性能的变化规律不同。     

HTPB复合固体推进剂含损伤和老化本构研究

通过热氧老化实验、声发射损伤检测实验和蠕变柔量测试实验确定HTPB复合固体推进剂非线性本构关系，并与Schapery非线性本构方程进行比较，结果表明，含损伤老化模型较好地解释了HTPB复合固体推进剂的非线性特征，可以应用分析HTPB复合固体推进剂的力学特性。     

HTPB推进剂老化断裂性能试验

为研究老化对HTPB推进剂断裂性能的影响,开展了HTPB推进剂高温加速老化试验,测定了不同老化时间、老化温度下推进剂含Ⅰ型裂纹的断裂韧性值,并利用扫描电镜观测了推进剂断面微观形貌。结果表明：随着老化时间和老化温度的不断增加,推进剂断裂韧性值不断下降;老化时间越长和老化温度越大,拉伸速率越小,推进剂拉伸断面＂脱湿＂越严重,裂纹尖端处的＂脱湿＂较内部断面更严重。     

定应变贮存条件下HTPB推进剂填料/黏合剂界面性能

为研究定应变贮存条件下HTPB推进剂的主要失效原因,基于单轴拉伸实验,得到HTPB推进剂的宏观力学性能。基于扫描电镜观察和测试探测液在填料AP,黏合剂基体上的接触角方法,表征了微观界面性能。实验结果显示,随老化时间的延长,最大延伸率显著降低,填料与黏合剂基体黏结变差,黏附功Wa减小,界面张力γsl增大。HTPB推进剂填料与黏合剂基体的界面黏结情况可由填料与黏合剂基体的黏附功、界面张力来表征。定应变作用下推进剂老化后黏附功的值远低于无应变热老化的值,界面张力的值远高于无应变热老化的值,定应变的存在严重影响了推进剂填料/基体界面的黏结。宏观-微观性能的相关性研究表明,最大延伸率和黏附功存在线性相关关系,最大延伸率的降低主要由界面黏结的劣化引起的。     

燃速调节剂对RDX/AP/HTPB推进剂热分解的影响

利用高压差示扫描量热法（DSC）研究了含不同燃速调节剂（亚铬酸铜、草酸铵、碳纤维）的RDX／AP／HTPB推进剂热分解性能，研究发现，调速剂对推进剂燃速的影响与其对推进剂主要组分（RDX、AP和HTPB）峰温、推进剂初始放热量的影响密切相关，燃烧催化剂亚铬酸铜和碳纤维使RDX，AP的分解峰温降低，使推进剂的初始分解阶段放热量增大，分解放热峰增多，故导致推进剂燃速增加，而草酸铵使RDX的分解峰温升高，使推进剂的初始分解阶段放热量降低，所以导致推进剂燃速降低。     

AP/HTPB推进剂凝聚相反应对燃速的影响

W.G.Schmidt[1]和K.Kishore等人[2、3]从推进剂实际燃烧过程发生在气相,而推进剂组分相对又不挥发的观点出发,得出在固相中必定要先发生一系列产生气态产物的凝聚相反应的结论。由于气相反应比凝聚相反应快得多,因而得出凝聚相反应是推进剂燃烧过程的主要控制步骤。      

HTPB推进剂贮存寿命的理论预估

以ＨＴＰＢ推进剂化学老化机理及其氧化反应动力学为依据,导出了推进剂应变保留值与贮存老化时间的关系,由推进剂中氧化剂ＡＰ低温分解反应和ＨＴＰＢ固化体经反应的动力学参数,计算出了在不同应变保留值时的推进剂的贮存寿命。当推进剂的应变保留值在３０％～５０％之间时,其贮存寿命的理论计算值与高温加速老化实验值之间的相对误差小于１６％。     

基体特性对HTPB推进剂力学性能的影响

按工程生产工艺要求，制得hydroxyl terminated polybutadiene (HTPB)固化胶片，通过控制试验环境温度（-50、-35、-20、0、20、35℃），得到了基于Prony级数形式的具有不同松弛特性的复合基体材料的松弛行为描述，为细观模型的建立提供了必要参数。随后基于分子动力学方法，结合具有内聚本构的黏接单元，建立了推进剂的细观计算模型。为验证所建数值模型的准确性，对固体推进剂在常温条件下进行宏观松弛力学试验，将仿真结果与试验数值的对比，试验结果与仿真结果相差在20%范围之内。最后对具有不同随机分布及不同基体松弛特性的推进剂细观模型进行有限元计算，结果表明:颗粒随机性不影响推进剂的宏观力学行为，而基体松弛特性显著影响固体推进剂的宏观力学性能，基体松弛特性获取环境温度与推进剂的宏观初始模量、延伸率以及强度均呈指数型关系。      

定应变下丁羟推进剂贮存寿命预估

采用高温加速老化法,研究了中燃速丁羟推进剂在受力（１５％定应变）状态下力学性能变化,预体了推进剂的受力与非受力（０％应变）状态下贮存寿命。结果表明：定应变的作用对推进剂的贮存寿命影响较大,推进剂在受力状态下的贮存寿命比非受力条件下的贮存寿命缩短了４年左右。