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。     

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。     

纳米碳酸盐对复合固体推进剂燃烧性能的影响

研究了纳米碳酸盐对丁羟三组元、丁羟四组元、低燃速NEPE推进剂燃烧性能的影响。结果表明:纳米碳酸盐使丁羟三组元推进剂在高压(10～18MPa)和低压(4～10MPa)段的压强指数降低到0.2以下,同时使燃速明显降低;使丁羟四组元推进剂在高压段(10～18MPa)的压强指数降低到0.26左右;使低燃速NEPE推进剂的的压强指数(4～9MPa)从0.77左右降至0.55以下。从研究结果可以看出,添加该纳米碳酸盐是降低复合推进剂压强指数行之有效的途径。     

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。     

基于原位X射线成像的推进剂损伤演化表征

为实现对硝酸酯增塑聚醚（NEPE）固体推进剂的细观损伤及其演化行为的可视化表征，基于自主研制的原位力学试验系统与第3代高分辨同步辐射X射线三维成像技术，对拉伸速率为0.1 mm/s下的NEPE固体推进剂单调拉伸过程进行三维成像原位观测和表征，获取初始状态固体推进剂的细微观形貌及其随拉伸载荷的演化特征，提取并分析其内部典型损伤的体积与球度随载荷的演化规律。结果表明：同步辐射原位成像技术能够准确获取NEPE固体推进剂的细观结构特征，可以基于灰度差异对固体推进剂的AP颗粒、Al颗粒、基体以及缺陷等实现特征的准确识别。研究发现，NEPE固体推进剂内部缺陷主要有2种，一种为颗粒内的孔洞，一种为AP颗粒/基体界面的初始脱湿。推进剂细观损伤首先表现为初始的界面脱湿形成的孔隙：在拉伸载荷较小时，推进剂的损伤形式主要表现为较大的AP颗粒脱湿形成的孔隙；在拉伸载荷较大时，除AP颗粒脱湿外可以观察到Al颗粒的脱湿，大量的AP颗粒脱湿后形成的孔隙相互融合，最终导致固体推进剂宏观断裂。对固体推进剂内部孔隙定量化表征的结果表明，孔隙体积随着拉伸载荷增大而增加，而球度变化与初始缺陷相关，有初始缺陷时，球度呈现单调减...     

NEPE高能推进剂凝相燃烧产物的特性分析

通过改进固体推进剂凝相燃烧产物收集装置,在降低系统复杂程度的同时实现了对工作压强的稳定控制。对NEPE高能推进剂在三种工作压强下产生的凝相产物进行了收集,采用粒度分析仪、扫描电镜、X射线能谱仪和X射线衍射仪对获得的凝相燃烧产物进行了深入分析。结果表明,对于NEPE高能推进剂,工作压强对峰值粒度的影响不大,各压强下的平均峰值粒度均在1μm至2μm之间;大部分粒子呈规则球形,少数大粒子会发生形状改变;铝粒子在燃烧室中一般不会全部被氧化成Al2O3。     

氧化剂含量和粒度对NEPE推进剂燃速影响的模型化

以高能固体推进剂热分解特性和燃烧模型的研究成果为基础,建立了由化学结构参数计算NEPE推进剂的燃速和压强指数的公式,计算了氧化剂组分含量和粒度对燃烧性能的影响。经验证,计算结果与实测燃速值的偏差全部在±20%以内,其中80%的偏差在±10%以内。这说明所建立的模型基本合理,编制的NEPE类推进剂燃速计算程序基本可行。     

扩链剂对NEPE推进剂力学性能的影响

采用单向拉伸性能测试研究了三类扩链剂对NEPE推进剂力学性能的影响，并用交联密度和凝胶分散测定，以及小角X射线散实验的方法，研究分析了扩链剂的作用机理，结果表明：由于扩链剂消耗了部分固化剂N－100，导致NEPE推进剂的伸长度增加，拉伸强度下降；通过调节扩链剂的含量，提高固化参数及改变推进剂的制备工艺可以提高扩链剂的作用效果，扩链剂可以在拉伸强度少量降低的情况下大幅度提高NEPE推进剂的伸长率；NEPE推进剂力学性能的提高不是由于微相分离，而是由于扩链剂改善了推进剂的网络结构。     

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。     

NEPE推进剂燃烧表面铝团聚物动态行为研究

针对NEPE推进剂燃烧表面铝团聚物的动态行为，在1,2,3MPa的N2环境中，对NEPE推进剂中铝团聚物在燃烧表面和脱离燃面后的动态燃烧过程进行了研究，提出了燃面与铝颗粒联合运动的简化理论模型。结果表明，铝颗粒的团聚分为堆积、聚集和团聚三个过程，铝团聚物在燃烧表面以及脱离燃面后均可能发生二次团聚，铝团聚物的二次团聚过程通常会形成大尺寸的铝团聚物。通过燃面与铝颗粒协同运动的简化理论模型，认为铝团聚的团聚时间受到压强、铝颗粒的体积分数和半径的影响。同尺寸铝团聚物的团聚时间随着压强的增大而较小，且在高压环境中的影响程度降低，与理论模型一致。同时压强会影响铝团聚物脱离燃面后的随流运动速率，同一压强条件下，直径越小的初始团聚物随流运动速率越快，直径越大的初始团聚物随流运动速率越慢。     

考虑围压效应的N15固体推进剂本构模型

利用自制围压试验系统,完成了不同围压下N15固体推进剂的力学性能测试,结果显示:围压对推进剂初始模量影响不大,但最大抗拉强度、断裂强度、最大伸长率和断裂伸长率均随着围压的增大而增大;结合推进剂细观结构及断面分析,初步揭示了围压对推进剂力学性能的影响机理,由于围压的存在,推进剂内部颗粒脱湿度降低,孔洞由于受到压迫,其形成扩展过程延缓,裂纹萌发扩展被抑制,从细观结构上证明了围压对推进剂具有强化效果;根据弹性-黏弹性对应原理建立了考虑围压效应的N15推进剂本构模型,结果表明所建立的本构模型准确度较好,能够准确描述围压对N15推进剂力学性能的影响。      

丁羟固体推进剂力学性能模拟计算

提出了丁羟固体推进剂力学性能的三相结构模型(分散相-界面相-连续相),建立了丁羟固体推进剂力学性能与弹性母体的伸长率和弹性模量、推进剂组分固体含量、粒径、级配、粘合剂和键合剂等的数学关系,进行了编程计算;推进剂抗拉强度和伸长率的计算结果与实验值吻合较好,并用该软件计算研究了弹性母体的伸长率及模量?AP的粒径及级配?键合剂的含量等对推进剂力学性能的影响规律。     

应变控制下NEPE推进剂非线性疲劳损伤

为研究高能硝酸酯增塑聚醚(NEPE)推进剂的非线性疲劳损伤特性,基于损伤力学和黏弹性理论,建立了一种非线性疲劳损伤模型.该模型考虑了材料疲劳过程中刚度衰减的特征.建立的疲劳损伤模型,通过动态热机械分析仪(DMA)进行5组不同应变水平下的疲劳实验,获得模型参数,并对模型进行验证,利用电荷耦合器件图像传感器(CCD)进行显微观察,分析了应变加载历史对NEPE推进剂微观上的影响.结果表明:提出的损伤演化模型能够很好地描述NEPE推进剂应变控制下的非线性疲劳损伤;定应变往复拉伸造成了推进剂颗粒与基体的脱湿,在循环初期脱湿速度较快,随着循环周期增加,脱湿程度逐渐趋于稳定.      

NEPE高能推进剂力学性能模拟计算

将颗粒填充聚合物三相结构(颗粒相-中间相-基体相)和粘弹模型相结合,提出了NEPE高能固体推进剂三相结构粘弹模型,建立了NEPE高能推进剂力学性能与其配方组成、固体填料粒径及级配、弹性母体(基体)的拉伸强度和模量、界面层模量等参数的数学关系,进行了编程计算,其拉伸强度和伸长率90%的计算值和测试结果相对误差小于20%。     

纳米级碳酸铅在NEPE推进剂中的应用

研究了纳米级碳酸铅对ＮＥＰＥ推进剂燃速压力指数的影响。采用ＤＳＣ分析了纳米级碳酸铅与ＮＥＰＥ推进剂主要组分硝酸酯的相容性以及对推进剂固化反应的催化作用和对高氯酸铵、硝胺常压热分解的催化作用,并利用恒压静态燃速仪测试了推进剂在４ＭＰａ￣１１ＭＰａ的燃烧速度和燃速压力指数。发现纳米组碳酸锅表现出与硝酸酯良好的相容性,对推进剂的固化反应和硝胺的热分解均有很强的催化作用,对高氯酸铵的热分解则没有明显的影响     

自组装单分子膜技术在推进剂中的应用

简要介绍了自组装单分子膜（SAMs）技术，研究了该技术在丁羟和聚醚推进剂中铝粉表面改性的应用。结果表明：设计合成的DX系列和DZ系列能有效提高推进剂的延伸率，对推进剂的其它性能无不良影响。并就该技术在含能材料中的应用前景作了展望。