基于Hopkinson技术的CMDB推进剂动态起裂韧性实验

为了研究改性双基（CMDB）推进剂的动态起裂韧性,利用Hopkinson实验技术对CMDB推进剂的含切缝半圆形（NSCB）试件进行了冲击实验.运用脉冲整形技术,获得了CMDB推进剂的载荷-位移曲线.采用改进型柔度变化率法得到NSCB推进剂试件的起裂点.通过ABAQUS有限元软件对NSCB试件的无量纲结构因子进行了标定,并获得了NSCB的动态起裂韧性.利用电镜扫描设备分析了NSCB试件断裂的微观机理,研究结果表明:在加载率为5.41×105~8.94×105MPa·m1/2·s-1范围内,CMDB推进剂的动态起裂韧性具有显著的加载率敏感性.结合电镜扫描图分析,随着加载率的增大,断面内部颗粒微观结构的破坏形貌逐渐恶化,消耗的能量相应增大.      

双基推进剂的切口强度及切口敏感性

为了获取双基推进剂的切口强度及切口敏感性,在环境温度为(20±1)℃,应变率为10-4 s-1条件下,进行了双基推进剂板条状双边U型切口试件及标准试件的单轴拉伸试验.结果表明:在一定的范围内,双基推进剂的切口强度随着切口试件的应力集中系数的变化而变化.当应力集中系数小于切口敏感因子(1.99~2.22)时,板条状双边U形切口试件的切口强度受应力集中系数影响不大,近似等于材料的抗拉强度,材料对切口不敏感.用标准试件单轴拉伸的试验结果对双基推进剂的切口强度及切口敏感因子进行预测,预测结果与试验结果较吻合,验证了这种预测方法的有效性.     

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。     

基于内聚力模型的改性双基推进剂断裂特性研究

为了研究改性双基推进剂的Ⅰ型断裂性能,进行了该推进剂材料的三点弯曲试验及单轴拉伸试验,初步获取了材料的断裂强度及断裂能参数。基于内聚力模型构建材料断裂本构方程,应用于三点弯曲断裂有限元仿真分析,得到仿真加载点载荷-位移曲线,并采用反演优化算法对内聚参数进行修正,获取最终准确模型参数。为验证模型准确性,进行了不同初始裂纹长度下的三点弯曲试验及仿真。结果表明模型能够较好地描述实际裂纹扩展过程中的载荷-位移特性及裂纹扩展特性,仿真结果与试验结果误差小于7.6%,证明该模型的有效性。     

基于累积损伤的双基推进剂强度准则及实验

国内在对固体火箭发动机装药结构完整性分析时,强度判断准则基本采用传统的结构强度准则,这些强度准则并不能很好地反映固体推进剂材料的强度破坏过程。该文对双基推进剂试件进行了若干不同拉伸速率下的等速率拉伸破坏试验,结合试验数据获得损伤方程参数,建立了基于累积损伤的结构强度准则。并利用损伤方程预测试件破坏情况,和试验值吻合较好,说明该基于累积损伤的强度准则能够较好地判断双基推进剂材料的破坏。     

含高氮化合物BTATz的CMDB推进剂特性

以新型高氮化合物3,6-双(1-氢-1,2,3,4-四唑-5-氨基)-1,2,4,5-四嗪(BTATz)取代RDX制得了BTATz-CMDB推进剂试样,获得了燃速结果,并利用TG-DTG,PDSC,单幅照相、燃烧波温度分布和熄火表面形貌及元素含量测试技术对推进剂的热分解特性及燃烧特性进行了系统研究。结果发现,BTATz的氧平衡值较低,用其取代双基推进剂中的NC和NG后,推进剂的各能量特性参量出现不同程度的降低,因此,BTATz在推进剂中的含量不宜太高。BTATz-CMDB推进剂适用于常规无溶剂成型工艺进行制造;BTATz在燃速提升方面具有突出潜力,尤其在对推进剂主放热反应催化加速的催化体系(邻苯二甲酸铅、己二酸铜和炭黑的混合物)作用下,燃速提升效果更加明显;BTATz-CMDB推进剂燃烧时的火焰符合双基系推进剂火焰的一般特征,但由于BTATz不存在类似RDX那样的熔融过程,该类推进剂燃烧产生了发散火焰束,燃烧表面由熔融状变为疏松珊瑚状,火焰强度增强;随着压强升高,燃烧表面产生发散火焰束的活性点增多,暗区迅速变薄,增加了火焰区向燃烧表面的热反馈,加速了燃烧反应;催化体系对推进剂燃烧反应的气相区影响不大,它加强了凝聚相及表面附近的放热反应,改变了推进剂燃烧表面的结构,在推进剂燃烧过程中,催化剂(新生态)在推进剂的燃烧表面富集,催化了推进剂的分解和燃烧,促进了推进剂燃速的提高。     

改性双基推进剂催化特征燃烧现象的实验研究

采用П形微热偶、铜台熄火、扫描电镜、单幅火焰照相等技术, 研究了改性双基推进剂催化燃烧特征,用以催化剂为中心的气泡理论,解释了催化剂产生超速燃烧的机理。发现催化燃烧推进剂燃烧表面不均匀,高压下泡沫区比低压下细密而长,泡沫区的物质为未燃烧推进剂;更高压力下泡沫区的消失导致平台燃烧区的出现等现象。还提出了均质推进剂固相多反应机理, 并指出压力不同固相反应机理基本相同, 但固相放热程度不同     

某些NTO盐的热分解特性及在固体推进剂中催化特性的相关性研究

采用高压差示扫描量热仪,研究了几种ＮＴＯ（３－硝基－１,２,４－三唑－５－酮）盐在不同压力下的热分解特性,同时测定了以ＮＴＯ盐为催化剂的固体推进剂的燃速特性。结果认为,这些ＮＴＯ盐的热分解特性与催化特性间存在某种联系,热分解行为压力不敏感的ＮＴＯ盐,可能会是较好的燃速催化剂。因此热分解行为可作催化能力的判据之一。     

高应变率下HTPB推进剂动态断裂性能研究

为研究HTPB推进剂在冲击载荷作用下的动态断裂特性与破坏机理,使用中心直裂纹圆盘试件,在分离式Hopkinson压杆实验系统上开展了推进剂动态断裂实验,得到了高应变率下HTPB推进剂的Ⅰ型动态起裂韧性值,利用扫描电镜观察了推进剂的断面形貌,并使用分形几何方法计算了断面分形盒维数。结果表明:本文的实验方法是有效的,推进剂的动态起裂韧性具有明显的应变率敏感性,在应变率400~1100s-1范围内,其值随着加载速率的增加呈现线性增长的关系;推进剂在高应变率条件下呈现颗粒破碎、穿晶断裂等脆性断裂特性,应变率越高,推进剂断面的分形盒维数越大,推进剂的颗粒破碎程度越严重,从微观层面验证了推进剂断裂韧性的应变率敏感性。     

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。     

AP/Al/CMDB推进剂的断裂特性实验研究

开展了关于AP/Al/CMDB推进剂在2mm/min拉伸速率下的断裂实验研究,利用CCD光学显微镜实时监测了裂纹的起裂与扩展过程,并阐述了裂尖材料的损伤演化机理;结合电镜扫描(SEM)技术对推进剂的断面形貌进行了表征,分析了大粒径高氯酸铵(AP)的微观结构演化机理;采用积分法获得推进剂的断裂能。结果表明:推进剂在起裂与扩展过程中裂尖区域材料存在明显的损伤现象,AP颗粒的脱湿行为主导着微孔洞和微裂纹的萌生、成核、长大、合并过程,表征着推进剂的断裂机理,并控制着推进剂的非线性断裂特性;采用积分法获得推进剂在2mm/min拉伸速率下的断裂能为1.765±0.025N/mm。     

改性双基推进剂主要组分对其烟雾特征信号影响研究

为研究改性双基推进剂(CMDB)组分变化对烟雾特征信号的影响,采用最小自由能原理和烟雾特征信号计算特征值模型对配方进行了计算,系统分析了改性双基推进剂中不同固体含量、不同高能添加剂、不同氧含量、催化剂及铝粉含量等对烟雾特征信号影响规律。结果表明,添加DNTF使得CMDB推进剂能量最大而烟雾特征信号最小;NC,NG以及RDX的含量变化对烟雾特征信号影响不明显;当Al含量小于4%时,含Al的CMDB推进剂烟雾类别为BA级,当Al含量大于4%时,配方体系烟雾类别为CA级;为保证CMDB推进剂为微烟,催化剂NTO铅(NTO-Pb)含量应小于3%。     

不同铋化合物对双基系推进剂燃烧性能的影响

为研究环境友好型非铅类绿色燃烧催化剂的燃烧催化效果,对比5种不同铋化合物对双基系推进剂燃烧性能的影响.结果表明,芳香族的铋化物对双基推进剂有良好的催化作用,S-Gal-Bi对双基推进剂的燃烧催化效率最好,β-Bi可有效降低双基推进剂的压强指数.当含铋化合物双基推进剂中加入少量炭黑(CB)后,各催化剂的燃烧催化效率明显增强.β-Bi和CB复合,既能显著提高低压下的燃烧催化效率,又能降低高压下的压强指数.β-Bi/β-Cu/CB的复合不仅能提高双基推进剂低压下的燃速,而且也能使推进剂在高压区出现平台燃烧效应.S-Gal-Bi/CB的加入大大提高了RDX-CMDB推进剂的燃速,并显著降低了推进剂的压强指数,与少量的铜盐复合后推进剂燃速提高更多.     

热处理对Mo-Si系金属间化合物微观组织和断裂韧性的影响

以纯金属Mo与纯Si为原料,通过电弧熔炼法制备了Mo₃Si-Mo₅Si3共晶,Mo₅Si3-MoSi₂亚共晶和过共晶Mo-Si系金属间化合物。在1200℃分别对3种合金进行了12h、24h、48h和96h真空退火,观察层状结构在合金中的形成、变化及破坏。1200℃退火48h后,在Mo₅Si3-MoSi₂亚共晶合金中发现了发展完好的Mo₅Si3（D8m）/MoSi₂（C11b）层状结构,层间距为几百纳米;在Mo₅Si3-MoSi₂过共晶合金中,层状结构的层间距与体积百分含量在退火前后没有发生明显变化;在Mo₃Si-Mo₅Si3共晶合金中始终未观察到层状结构的存在。通过压痕法测量了各合金的断裂韧性（K_IC）,研究了微观结构与KIC之间的关系。     

成型工艺对复合材料I型断裂韧度的影响

采用双悬臂梁试验和假设检验的方法,对比分析了两种不同成型工艺对复合材料I型层间断裂韧度的影响,并采用有限元模型对这一过程进行了模拟。研究表明：硅橡胶软模成型试验件的I型断裂韧度均值略高于金属硬模成型试验件;而两种工艺试验件的I型断裂韧度方差不存在显著差异,且两种工艺成型的试验件的裂纹扩展过程相似。在试验的基础上建立了有限元模型,对裂纹扩展过程进行了模拟,与试验结果吻合良好,可以有效地预测裂纹扩展过程。     

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。     

Mg/Al合金对CMDB推进剂燃烧性能的影响

通过激光粒度仪分析了Mg/Al合金粉的粒径及粒度分布。利用TG-DSC热分析仪分析推进剂的热分解特性。用燃烧实验装置研究了推进剂的火焰结构,并对CMDB,Al-CMDB,Mg-CMDB和Mg/Al-CMDB推进剂四种火焰结构进行比较。用SEM和EDS研究了CMDB推进剂的熄火表面形貌和表面特征组成。结果表明:Mg/Al-CM-DB推进剂在DSC曲线上存在一放热峰660.3℃。Mg/Al合金粉改变了推进剂的燃烧状态,提高金属燃料Al粉的燃烧效率。     

HTPB复合推进剂燃速对固体火箭发动机内弹道性能影响

为准确预测不同贮存期HTPB复合推进剂燃速对固体火箭发动机内弹道性能影响,文章通过燃烧实验测量了贮存2a、5a、8a和10a发动机推进剂燃速,通过燃烧室—喷管一体化三维流场仿真技术计算了不同贮存期发动机内弹道性能.实验与计算结果表明,贮存时间越长,推进剂燃速越慢,发动机燃烧室内出现压力高峰的时间越滞后,并且压力峰值越下降.