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推进剂定应变老化损伤本构特性研究

为研究复合固体推进剂在定应变老化条件下的力学特性及本构行为,开展了HTPB推进剂方坯定应变加速老化试验。考虑到推进剂内部缺陷分布的随机性,建立了定应变老化条件下推进剂的统计损伤本构模型。在构建损伤变量方程时,通过引入初始损伤系数,将推进剂的老化过程等效看作是一种损伤过程。基于定应变加速老化试样的单轴拉伸试验数据,对模型进行了验证,结果显示理论模型与试验结果吻合较好,能准确地描述推进剂在定应变老化过程中的力学行为。通过对模型参数进一步分析发现:初始损伤系数方程能区分化学老化与定应变对推进剂的损伤作用。化学老化对推进剂的损伤效应随老化时间呈指数规律增大;同一老化时间段内,定应变对推进剂的损伤作用呈指数规律增大。化学老化不但影响本构模型曲线在损伤段强度的大小,还影响其形状特性,在55℃条件下,老化时间小于284d时,试样拉伸曲线具有明显的屈服区;老化时间大于284d时,没有明显的屈服区。定应变仅降低损伤段强度的大小,不改变其形状特性;在定应变老化过程中,损伤应变阈值随老化时间及定应变水平基本呈现线性关系下降。     

振动载荷对定应变HTPB推进剂力学性能影响

为了研究振动载荷对定应变HTPB推进剂力学性能的影响,通过60℃和70℃温度下HTPB推进剂10%定应变振动试验,采用单向拉伸法和扫描电镜观测法,对定应变HTPB推进剂在振动载荷作用下的宏观力学性能变化规律和细观损伤模式进行了研究。结果表明:定应变状态下振动载荷的作用使HTPB推进剂的抗拉强度减小(最大值超过5%),最大延伸率增大(最大值超过15%);老化初期振动载荷对高氯酸铵(AP)颗粒脱湿发展影响较小,当定应变状态下推进剂中的AP颗粒脱湿到一定程度时,振动载荷的作用会促进AP颗粒脱湿,降低固体颗粒的模量增强作用。     

HTPB推进剂湿热老化规律及损伤模式实验

通过HTPB推进剂湿热老化实验,采用测定单轴定速拉伸条件下标准哑铃形试件声发射(AE)信号的方法,结合扫描电镜(SEM)断面观察结果,对HTPB推进剂的湿热老化规律和损伤模式进行了研究,给出了一个描述湿热老化性能变化规律的三阶段模型。实验研究表明:声发射信号累积计数对时间的导数的大小对应基体开裂、脱湿和宏观断裂三种损伤模式;同时水份破坏粘合剂和氧化剂的界面是导致脱湿关键因素,且水份在推进剂中的浓度与脱湿严重程度呈正相关。     

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。     

低温高应变率条件下HTPB推进剂拉伸力学性能研究

为研究固体推进剂在低温高应变率条件下的力学性能,通过单轴拉伸实验和扫描电镜(SEM)断面观察,分别获取了HTPB推进剂在温度范围为-40~25℃及0.4~14.29s-1应变率下的应力-应变曲线和拉伸断面形貌。结果表明,HTPB推进剂的力学性能具有明显的温度和应变率效应。随温度降低和应变率升高,应力-应变曲线特性变得更加复杂,断面形貌基本上呈现"脱湿"越困难、颗粒断裂越明显的规律,低温和高应变率的"耦合"作用使得推进剂的损伤变得更加严重。初始弹性模量E和最大拉伸应力σm随温度的降低和应变率的升高而逐渐增加,且均与应变率具有相对较好的线性对数关系。低温和高应变率的"耦合"作用,使得-40℃及14.29s-1条件下的初始弹性模量和最大拉伸应力分别为25℃及0.4s-1条件下数值的1.6倍和3.2倍。与模量和强度相比,应变的规律性较复杂,其值随温度的升高而增加,且在常温下随应变率的升高而增加,但在低温下随应变率的升高而降低。通过双因素方差分析表明,低温高应变率条件下,温度和应变率均对最大拉伸应力有更显著的影响,同时温度较应变率对最大拉伸应力影响更加明显,而对模量则较弱。基于时温等效原理,得到了低温高应变率条件下HTPB推进剂的拉伸力学性能主曲线,该主曲线较大地拓宽了对推进剂力学性能的预测范围。     

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。     

HTPB复合固体推进剂率相关损伤机理分析与验证

固体发动机在点火过程中常由于结构完整性问题而出现爆炸或性能曲线异常等问题，结合发动机在点火状态下推进剂的受载情况，亟待探索固体推进剂的率相关损伤机理。本研究从某HTPB复合固体推进剂在宽温和宽应变率下单向定速拉伸试验的力学响应特征入手，针对应力-应变曲线呈现的“双峰”、“脱湿”点前后移位等现象阐释了推进剂的率相关界面损伤特性。然后，基于建立的推进剂细观有限元模型对推进剂的率相关损伤过程进行了仿真计算，通过提取有限元分析结果的损伤界面分析了推进剂的界面损伤机理。最后，通过高速摄像试验的结果对损伤机理进行了验证。结果表明，推进剂的界面损伤过程具有很强的率相关性，“双峰”和“脱湿”点前后移位均与推进剂在不同应变率下拉伸时内部的损伤演化过程有关。通过对比推进剂在不同应变率下拉伸时断裂前的形貌，高应变率下AP颗粒析出数量较多，在一定程度上印证了本研究对推进剂损伤机理的阐释。     

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。