低温动态加载下老化HTPB推进剂细观损伤研究

采用扫描电镜(SEM)对低温动态单轴拉伸后的HTPB推进剂断面形貌进行了观察,分析了不同加载条件下推进剂的细观损伤形式。结合盒维数数值方法,进一步讨论了推进剂的细观损伤程度变化情况。结果表明,热老化后HTPB推进剂在低温动态加载时,其细观损伤更复杂、更严重;温度、应变率和热老化均能改变推进剂的细观损伤形式,存在细观损伤发生改变的临界加载条件;随温度持续降低、应变率持续升高及热老化时间增长,盒维数值最终保持在1.866附近,即推进剂的细观损伤程度不再发生改变。研究结果对分析低温点火时战术导弹固体火箭发动机药柱的结构完整性具有一定参考价值。     

HTPB推进剂温度及率效应的累积损伤模型研究

为揭示机械载荷作用下HTPB推进剂的力学性能变化规律和破坏机理,利用单轴拉伸法研究了温度及应变率对HTPB推进剂力学性能的影响。运用单轴拉伸方法,研究了5组不同应变率(0. 000 333～0. 167 s-1)和不同环境温度(-50～35℃)下HTPB推进剂的恒速率单轴拉伸破坏试验。通过试验数据获取损伤模型参数,并最终建立了含应变率和温度因子的累积损伤模型。利用建立的累积损伤模型来预测HTPB推进剂在特定温度及应变率(0.000 333～0.167 s-1)条件下的失效情况,计算结果与试验结果吻合较好。此累积损伤模型可为固体推进剂装药结构完整性分析方法和HTPB推进剂损伤和破坏研究提供一定依据。     

复合推进剂微裂纹损伤本构模型研究

基于线弹性断裂理论，提出了一个适合复合固体推进剂的脱湿微裂纹损伤发展方程，通过部分单向定速拉伸试验数据拟合确定其主要的细观参数，从而得到了复合固体推进剂在细观水平上完整且封闭的本构方程组。该模型不仅得到了单向拉伸试验结果的验证，而且在较大范围内可有效地预测不同应变率下的单轴定速拉伸力学性能。     

固体推进剂装药低温应力等效加速试验方法研究

为评估持久应变载荷下固体推进剂装药在贮存过程中的结构完整性,采用定应变断裂和热力耦合加速老化相结合的试验方法,获得了宽应变区域内固体推进剂松弛破坏时间模型,联合装药在长期贮存/低温应力加速状态下危险部位的最大持久应变,计算出装药的低温应力加速系数和等效加速试验时间,确定了其在长期贮存和低温应力加速状态的等效关系,在此基础上建立了固体推进剂装药低温应力等效加速试验方法。采用此方法,开展了NEPE推进剂■200 mm圆管发动机装药的低温应力等效加速试验,试验温度为-48℃,试验时间分别为365 d和517 d,试验后装药均保持结构完整。结果表明,仅考虑机械应力情况下装药贮存12 a和17 a后结构完整,已应用于某型号固体推进剂发动机装药寿命评估、定寿和延寿。     

固体推进剂宽温-气体围压试验系统设计与试验

针对固体推进剂常压条件下力学性能满足要求,而发动机药柱结构完整性破坏频发的难题,研制了固体推进剂宽温-气体围压试验系统,对某HTPB推进剂进行了不同环境压力、温度和拉伸速率下的定速拉伸试验,获得了环境压力、温度和拉伸速率对推进剂应力-应变曲线的影响规律。研究表明,围压环境下推进剂应力-应变曲线没有明显的"脱湿"点,推进剂的抗拉强度明显提高;快速拉伸条件下,围压环境极大地降低了推进剂的延伸率,23℃常温8 MPa围压环境1000mm/min拉伸速率条件下推进剂最大延伸率相对常压条件降低45%;低温围压快速拉伸条件下推进剂的力学性能最为恶劣,-50℃低温8 MPa围压环境500 mm/min拉伸速率条件下推进剂最大延伸率降至11%。相关方法和结论可为固体发动机精细结构完整性分析和贮存寿命预估提供参考。     

HTPB复合固体推进剂粘弹性应变能及非线性本构模型

为了准确表征HTPB复合固体推进剂在有限变形条件下的力学性能,针对推进剂粘弹性应变能及本构模型进行研究。提出了推进剂粘弹性应变能函数和非线性本构方程的一般形式,并通过一元非线性回归方法拟合不同应变率下的拉伸试验数据,得到了材料参数关于应变率的函数,并由此建立了推进剂单轴拉伸变形下的应变能函数和本构方程,预测了不同应变率下的应力曲线,与试验结果和已有模型的预测结果进行了对比。结果表明,材料参数与应变率之间呈现幂函数关系;推进剂应变能密度随变形量的增大呈非线性单调增长,同一变形条件下,应变率越高,推进剂的应变能密度越大;本构方程可准确描述推进剂拉伸变形的应力应变关系,且尤其适用于表征低应变率下,材料在有限变形内的粘弹特性。     

不同温度和拉伸速率下复合推进剂力学性能及破坏模式分析

进行不同温度和拉伸速率下推进剂单向拉伸力学性能试验,并利用扫描电镜对拉伸断口形貌进行了观察,分析了温度和拉伸速率对推进剂力学性能的影响以及不同细观破坏模式,特别是低温、高拉伸速率下推进剂的失效机理;基于时温等效原理,给出了推进剂力学性能主曲线和破坏包络线。研究表明:初始模量、抗拉强度主曲线呈指数递减趋势,在高温、低拉伸速率下其值减少;断裂伸长率主曲线呈多项式关系,在低温、高拉伸速率下明显降低;力学性能主曲线和破坏包络线可以用于不同试验条件下失效应力的预测;推进剂在低温、高拉伸速率条件下内部颗粒产生了明显的破碎,相同温度条件下,拉伸速率越高,颗粒破碎越严重。     

振动载荷和定应变对HTPB推进剂基体/颗粒粘接界面影响

为研究振动载荷和定应变对HTPB推进剂基体/颗粒粘接界面的影响,进行了振动载荷和定应变作用下HTPB推进剂高温老化试验,测试了不同载荷和老化时间下推进剂的宏观力学性能,利用扫描电镜观测了推进剂的细观破坏过程,基于颗粒增强本构理论,分析了推进剂基体/颗粒粘接界面的损伤规律。结果表明,振动载荷和定应变的作用使HTPB推进剂的初始模量和抗拉强度均减小,高温老化、定应变和振动载荷的作用都会破坏推进剂基体/颗粒粘接界面、降低推进剂固体颗粒模量增强效果,定应变状态下振动载荷作用后,粘接界面损伤最严重。     

低温和应变率对HTPB推进剂压缩力学性能影响

采用单轴压缩实验方法,分析了低温(-40～25℃)和应变率(1/300～1/12 s-1)对HTPB推进剂压缩力学性能的影响,得到了不同温度和应变率条件下推进剂的压缩应力-应变关系。结果表明,推进剂压缩强度和压缩模量随温度的降低和应变率的增加而逐渐增加,且均与应变率具有良好的线性对数关系(lg[σ.k(T)]=a+blg.ε和lg[E.f(T)]=c+dlg.ε),利用该关系式可对推进剂压缩力学性能进行预测。通过双因素方差分析表明,低温和应变率均对推进剂压缩力学性能具有显著影响。其中,低温对压缩模量的影响更加显著,而应变率对压缩强度和压缩应变的影响更加显著。     

改性双基推进剂拉压不对称力学性能研究

针对改性双基推进剂在不同载荷条件下表现出不同力学响应的现象,对其进行了恒应变率拉伸和压缩试验及蠕变拉伸和压缩试验,获得了4组应变率下拉压应力-应变曲线和3组温度下拉压蠕变-时间曲线,使用应力和应变拉压不对称因子反映了拉伸和压缩曲线的不对称程度。结果表明,改性双基推进剂具有明显的拉压不对称力学性能,且该性能受到应变率和温度的影响。分析了改性双基推进剂具有拉压不对称性的内在成因,认为材料初始缺陷的扩展、材料分子链移动空间的变化、基体材料与填充颗粒材料力学性能的不同是导致改性双基推进剂具有拉压不对称力学性能的内在原因。     

HTPB推进剂宽泛应变率下粘弹性本构模型研究

为研究HTPB推进剂的率相关性力学性能,采用材料万能试验机、液压试验机和分离式霍普金森压杆(SHPB),分别开展了低(1.67×10~(-4)~1.67×10~(-1)s~(-1))、中(1~100 s~(-1))、高(700~2 500 s~(-1))应变率的单轴压缩实验。实验结果表明,HTPB推进剂的压缩力学性能是率相关性,随应变率的升高,给定应变下的应力逐渐增大。采用广义非线性ZWT本构模型描述HTPB推进剂宽泛应变率下的压缩力学行为,模型预测与实验数据对比表明,模型中至少需要4个麦克斯韦元件。     

基于马尔克夫灰色残差GM(1,1)模型的HTPB推进剂贮存寿命预估

针对Arrhenius方程将活化能假设与温度无关的常数,给HTPB(端羟基聚丁二烯)推进剂寿命预估引入了误差的问题,提出了基于马尔克夫灰色残差GM(1,1)模型的寿命预估方法。对HTPB推进剂进行了高温加速寿命试验,以最大延伸率作为性能变化表征参数,根据老化反应速率常数随温度的变化关系,建立了马尔克夫灰色残差GM(1,1)模型,对常温条件下推进剂的老化反应速率常数进行了预测,并预估了HTPB推进剂在常温条件下的贮存寿命为11.74 a。     

提高IPDI丁羟推进剂低温力学性能研究

实验研究了IPDI丁羟推进剂低温力学性能不稳定且偏低的问题。结果表明，导致IPDI丁羟推进剂低温力学性能不稳定且偏低的原因是助剂TB与粘合剂系统不相容，从而命名较多的TBT同固体填料表面聚集；同时，因IPDI的反应活性低，导致能进入粘合剂网络的TB量较少，而使助剂H更多地进入粘合剂网络。这就使推进剂力学性能对助剂TB进入网络的量变化敏感，导致推进剂低温力学性能不稳定；另一方面，由于助剂TB与H没有产生如同TDI丁羟推进剂中的协同效应，也使其低温力学性能偏低。在此基础上，提出了解决该问题的技术途径。     

扩链剂对HTPB/IPDI推进剂力学性能的影响

研究了不同种类扩链剂对ＨＴＰＢ／ＩＰＤＩ推进力学性能的影响，结果表明，加入二醇类、两端含羟基的醚类扩链剂能改善丁羟推进剂力学性能，特别是大幅度提高推进剂低温最大伸长率；二胺类扩链剂使推进剂抗拉强度显著升高而伸长率显著下降。     

HTPB推进剂中增塑剂扩散系数计算

针对丁羟推进剂/衬层界面增塑剂的迁移问题,研究增塑剂的扩散特性。采用分子动力学方法模拟增塑剂在丁羟粘合剂体系中的运动,再通过爱因斯坦关系式求得扩散系数;采用对衬层加厚的粘接试件进行加速老化实验方法,再通过费克第二定律计算得到增塑剂的扩散系数;考察不同环境温度和不同增塑剂含量条件下癸二酸二辛酯的扩散系数的变化。分析认为,增塑剂在丁羟粘合体系高分子链段运动产生的间隙中,以"跳跃"方式发生空间位置迁移。结果表明,扩散系数模拟值和实验值基本一致,数量级为10-12m2/s;温度升高,增塑剂运动活性加强,有效活动空间增大,扩散系数增大;粘合体系与增塑剂的共容限量使得增塑剂含量大于3%时,模拟得到的扩散系数依次略有下降。分子动力学方法计算增塑剂扩散系数更具优势。     

MAPO·HAc衍生物对高燃速IPDI丁羟推进剂低温力学性能的影响

合成了一系列MAPO与HAc(乙酸 )比值不同的MH1～ 5,并考察了其对IPDI固化的高燃速丁羟推进剂低温力学性能的影响 ,研究发现MH对推进剂低温力学性能的影响和MAPO与HAc之比有关 ,初步认为MH对IPDI固化的高燃速丁羟推进剂低温力学性能没有明显改善作用。     

RDX/AP/HTPB推进剂热分解特性研究

利用高压差示扫描量热仪（PDSC）研究了RDX／AP／HTPB推进剂系列配方的热分解性能，发现配方组分的改变对RDX／AP／HTPB推进剂的热分解性能有影响，突出表现在RDX／AP／HTPB推进剂中RDX分解峰变宽，AP放热分解效应增强。推进剂中添加Al粉后，RDX的分解受到抑制，而AP的分解却得到增强。     

固体推进剂贮存寿命非破坏性评估方法(Ⅰ)--老化特征参数监测法

直观分析和统计检验的结果表明,HTPB和NEPE推进剂的力学性能参数与凝胶分数存在线性相关性.统计检验的结果同时证明,这种线性相关性是与老化温度无关的单一对应关系,可以将凝胶分数作为特征参数表征推进剂在贮存过程中的力学性能状态.给出了计算回归方程的方法,用来确定特征参数与力学性能参数的总回归关系,以此建立了以凝胶分数为特征参数的推进剂寿命非破坏性监测方法.     

工艺温度对丁羟推进剂力学性能的影响

研究了混合温度及固化温度工艺参数对高燃速ＨＴＰＢ／ＩＯＰＤＩ推进剂力学性能的影响，在现有的实验条件下随着合温度升高，推进剂力学性能下降，固化温度升高，推进剂这性能得到改善。