固体火箭发动机橡胶绝热层粘接分析

介绍固体火箭发动机金属壳体、绝热层、胶粘剂表面特征,并对其各界面粘接问题进行分析。阐明绝热层配方设计与界面粘接关系。确定胶粘剂研制、选用原则,分析界面脱粘类型及原因。控制工艺要点、降低界面缺陷,提高粘接性能,以满足发动机装药结构完整性和使用可靠性的要求。     

界面粘接性能的影响因素

从绝热层，衬层，推进剂，工艺等四个方面讨论了影响绝热层／衬层／推进推进剂量面粘接性能的因素，并提出了改善界面粘接性能的技术途径。     

Zn(MAA)_2和Mg(MAA)_2用量对绝热层与金属粘接性能的影响

将Zn(MAA)2和Mg(MAA)2分别添加到EPDM/NBR橡胶中,制成强粘接型柔性绝热层材料,分别研究了其各自用量对绝热层材料与45#钢之间粘合性能的影响.结果显示,即使不使用任何表面粘合剂,向EPDM/NBR橡胶中添加少量Zn(MAA)2或Mg(MAA)2后,均能显著提高绝热层与45#钢之间的粘接强度;但随着Zn(MAA)2用量增加,绝热层材料与金属的扯离强度先增加后急剧降低,当Zn(MAA)2用量为2 phr时,粘接强度达最佳值,扯离试样的破坏方式主要为界面破坏;而随着Mg(MAA)2用量增加,绝热层与45#钢之间的粘接强度不断增大,且均大于添加相同量Zn(MAA)2时的强度,粘接试样的破坏形式均为橡胶本体破坏,当Mg(MAA)2用量为2～7 phr时,粘接强度均高于4.58 MPa.     

大气等离子体处理对三元乙丙绝热层表面性能的影响

为解决三元乙丙(EPDM)绝热层机械打磨效率低、噪音大、粉尘多，以及溶剂清洗带来的安全、操作人员的健康等问题，探究大气等离子体处理技术取代机械打磨的可行性。运用大气等离子体对EPDM绝热层进行表面处理，通过傅里叶红外光谱、扫描电子显微镜-能量色散谱仪、表面能测量仪对处理前后EPDM绝热层表面形貌、化学元素组成和表面润湿性进行表征，采用万能材料试验机对处理前后EPDM绝热层和衬层的界面粘接性能进行测试。实验结果表明，等离子体处理后的EPDM绝热层表面新增含氧基团，表面氧元素含量增加，表面形貌更加均匀，表面能由25.43 mN/m升高到43.06 mN/m, EPDM绝热层/衬层的界面粘接强度由1.89 MPa提高到2.16 MPa,证明了大气等离子体处理技术取代机械打磨具有可行性。     

固体发动机界面粘接性能的非线性超声无损评价

壳体/绝热层界面衬层的粘接性能会影响固体发动机最终性能。基于超声纵波透射法,结合衬层样本的红外光谱图,研究衬层固化过程中超声非线性系数与微观组织结构间的关系。铌酸锂晶片的滤波特性,有效减少前端仪器的非线性,提高了测量数据的鲁棒性。实验结果表明,随着固化度增加,超声非线性系数逐渐减小,界面粘接性能越好。因此,利用超声非线性系数,可对界面的粘接性能进行超声无损评价。     

固体火箭发动机推进剂/衬层/绝热层粘接界面细观损伤过程数值模拟研究

为了研究固体火箭发动机推进剂/衬层/绝热层粘接界面的细观损伤特点,建立了其细观代表性体积单元.针对推进剂内部颗粒夹杂的特点,采用分子动力学方法对其进行了颗粒填充处理.将基于表面粘结损伤的粘性接触算法用于粘接界面推进剂一侧内部颗粒脱湿的模拟,采用最大主应力准则用于模拟粘合剂基体的损伤与失效过程.研究结果表明,数值模拟结果...     

胶粘剂对固体发动机复合材料壳体多材料界面处粘接强度的影响

针对固体火箭发动机复合材料壳体多材料界面可能产生脱粘的问题,对钛合金/碳纤维复合材料(CFRP)层/橡胶绝热层/胶粘剂的界面粘接性能进行研究。对比不同胶粘剂粘接的钛合金与橡胶(丁腈橡胶(NBR)、三元乙丙橡胶(EPDM))、CFRP与橡胶、CFRP与钛合金层间剪切强度试验测试结果及破坏形式,并结合吸附理论、橡胶与胶粘剂分子结构、反应机理分析测试结果产生差异的原因。结果表明,采用730胶粘接的NBR/钛合金、NBR/CFRP层间强度明显高于Chemlok 252胶粘接的EPDM/钛合金、EPDM/CFRP层间强度,分别提高了224.24%、102.91%。对于CFRP/钛合金界面,Chemlok 252胶粘接后层间强度反而比730胶粘接的层间强度提高了92.34%,这是由于730胶溶剂挥发后为弹性体,层间剪切强度主要是弹性体本身强度,而Chemlok 252挥发后为薄膜,层间强度主要由环氧树脂提供。     

发动机绝热层粘接质量超声自动检测系统设计

针对壳体椭圆度较大且内壁采用喷砂处理的某型大口径固体火箭发动机壳体／绝热层界面粘接质量检测问题,采用水浸式脉冲回波超声检测方法作为检测手段,设计了具有两自由度支撑结构的粘接质量自动检测系统。通过对试件进行螺旋C扫描,获得了发动机粘接质量图像。基于对检测图像噪声的分析,采用中值滤波法提高了扫描图的信噪比。对有制作人工缺陷的发动机自动检测的结果表明,系统较为准确地计算出人工缺陷的位置及面积,其检测分辨率达到了Ф3 mm。     

基于Micro-CT的NEPE推进剂装药界面细观结构

NEPE推进剂装药界面粘接问题是制约NEPE推进剂推广应用的技术瓶颈之一,急需有效的细观结构表征技术,以揭示NEPE推进剂装药界面形成机理。采用Micro-CT技术,开展了NEPE推进剂/衬层/绝热层界面细观结构研究,发现Micro-CT图像可明显区分界面各相以及各相的基体与填充物,可识别不同的固体填充物;绝热层/衬层界面存在有锯齿状的镶嵌结构的扩散层,厚度不超过10μm;推进剂与衬层之间有一定的扩散,存在明显的推进剂与衬层基体富集层,在推进剂一侧,还形成40~80μm的HMX颗粒富集层。     

JH103胶粘剂后硫化粘接EPDM/石棉绝热材料与金属的试验研究

本文介绍了使用JH103胶粘剂后硫化粘接三元乙丙橡胶绝热材料与金属的试验研究结果.研究表明,橡胶组成及其力学性能、表面特性和胶粘剂性能及粘接工艺等因素,对EPDM-金属后硫化粘接性能有明显影响.适宜的表面制备技术和工艺条件,可使JH103胶粘剂粘接的EPDM/石棉-金属接头显示理想的胶裂破坏,获得比硫化粘接更稳定、耐久的接头,应用于固体发动机内绝热层制造,可望提高发动机寿命和可靠性.     

无机粘接技术的应用

通过对磷酸型无机粘接剂jW—1物理性能的分析及粘接强度的测定,论证了固化温度、粘接件表面粗糙度、介质等因素对粘度强度的影响。得出了在具有套、槽接结构形式;粗糙的被粘接表面;配合间隙为0.2～0.3毫米(双面)的条件下,采用选定的粘接工艺规范能获得理想粘接效果的结论,剪切强度可达71.95～81.33MPa。总结了在生产实践中使用JW—1无机粘接剂粘接加长立铣刀、加长钻头、硬质合金盘铣刀,粘补铸件砂眼缺陷,修复废品等方面的实践经验及所取得的经济效益。     

HTPB/IPDI推进剂装药界面弱粘接增强技术

采用红外光谱、三维光学变形分析、凝胶含量及界面粘接性能测试等方法,研究了HTPB/IPDI推进剂装药界面弱粘接的增强技术。研究表明,衬层成型前,采用表面处理剂(STA-7),对绝热层表面进行预处理,可抑制近界面推进剂弱强度层的形成,显著提高界面粘接强度。绝热层表面预处理后,近界面推进剂的凝胶含量可提高约90%,联合扯离强度提高400 k Pa以上,达到与推进剂本体强度相当的水平,试件破坏形式与其等效应力云图相符。     

固体发动机推进剂/绝热层界面I型脱粘力学行为试验与仿真研究

为了准确描述和预测固体发动机界面的粘接性能,为固体发动机结构完整性分析提供有效参考,通过商业有限元软件ABAQUS用户子程序(UEL)对基于势函数的PPR内聚力单元进行了二次开发,设计了固体发动机推进剂/绝热层界面Ⅰ型脱粘试验方案,并基于试验的反演分析获得PPR内聚力模型对应的特征参数,对不同加载速率下粘接界面的断裂与损伤特性进行了相关研究。研究表明,PPR内聚力模型能够较好地描述界面脱粘过程,且粘接界面的力学行为具有显著的率相关性,随着加载速率的增大,粘接界面的内聚能和内聚强度均增大,法向初始刚度和损伤起始位移均减小。此外,I型界面脱粘试验过程中加载力随位移的变化可分为强化阶段和损伤演化阶段,粘接界面的速率相关性主要体现在损伤演化阶段。     

柔性无卤含磷体系EPDM绝热层在固体火箭发动机中的应用

介绍了所研制的柔性无卤含磷体系EPDM绝热层在某固体火箭发动机中的应用,包括绝热层的主要性能指标,绝热层与推进剂的化学相容性,绝热层界面粘接性能;绝热层模压制件工艺实验结果及绝热层在地面静止试验发动机上的试验情况,实验结果表明,该绝热层密度低、烧蚀性能和成型工艺性良好,并且环保、特征信号低完全满足某固体火箭发动机的绝热问题。     

丁羟推进剂粘接体系中的组分迁移

用浸泡增重法研究了衬层、绝热层对DOS和T27的吸收能力,用气相色谱仪研究了HTPB推进剂/HTPB衬层/EPDM绝热层粘接体系中DOS、T27和GFP的迁移。结果表明,HTPB衬层和EPDM绝热层对DOS和T27的吸收能力很强;粘合剂的极性增大或交联密度升高,衬层对DOS、T27的吸收能力下降,但粘合剂的极性增大,对衬层与HTPB推进剂的界面粘接性能不利;在HTPB推进剂/HTPB衬层/EPDM绝热层粘接体系中,DOS、T27或GFP的迁移平衡浓度为粘合剂相的平衡浓度。     

基于二次谐波技术的固体火箭发动机界面粘接质量的超声无损评价

提出了一种用于固体火箭发动机粘接界面质量评价的非线性超声检测方法。常规超声纵波可用于粘接界面缺陷的检测,但不适用于粘接质量的评价。超声与界面相互作用产生的非线性效应,使得粘接界面的质量评价成为可能。表征界面超声波非线性响应的参数称为二次谐波激发效率,二次谐波激发效率的不同表示界面粘接质量的不同。实验结果表明,将二次谐波激发效率作为特征,可有效评价界面的粘接质量。     

高耐热型填料改性EPDM绝热层性能研究

以三元乙丙橡胶(EPDM)为基体,中空聚酰亚胺纤维为耐热型纤维,分别从低密度高成炭、高耐热以及分子链催化成炭三方面出发,通过机械共混法制备了酚醛空心微球(HPM)、聚酰亚胺树脂(PIR)以及含不饱和双键环磷腈衍生物(CPD)复合的EPDM绝热层,并对这三种绝热层进行了硫化性能、力学性能、与金属界面粘接性能以及耐烧蚀性能...     

推进剂药柱界面粘接优化工艺

为了提高某推进剂药柱界面粘接的可靠性,对粘接工艺进行了优化:调整工艺流程,改变JX胶粘剂的固化条件,使用表面处理剂,测试了界面粘接强度,完成了发动机的工艺试验。对粘接好的产品进行了振动、冲击、离心等环境试验及火箭撬试验。结果表明,优化工艺后,可以获得良好的粘接强度和工艺性能,能够满足使用条件苛刻的带NBR绝热套推进剂药柱与发动机壳体之间的粘接,达到总体技术要求。     

硅烷偶联剂对粘接性能的影响

介绍了硅烷偶联剂的作用和机理，指出了硅烷偶联剂对不同的表面状态所产生的不同效果。对不同的胶粘剂采用不同的硅烷偶联剂的选择实验过程以及硅烷偶联剂的各种使用方法。实验结果表明：采用硅烷偶联剂可以改善胶接界面的粘接性能，提高接头的粘接强度和粘接的可靠性。     

固体火箭发动机粘接界面湿热老化与寿命评估

通过对固体火箭发动机衬层-推进剂粘接界面的湿热加速老化试验以及不同老化时间下粘接界面的扯离强度测量,分析了不同湿热老化条件下试验件扯离强度随老化时间的变化规律。综合运用Eyring模型与Arrhenius模型,建立了粘接界面湿热老化寿命模型,预测了正常贮存条件下发动机的贮存寿命。研究结果表明,粘接界面平均扯离强度随老化时间呈下降趋势,中间有一个强度趋于稳定的平台期;在温度为20℃,湿度为65%RH条件下,粘接界面的强度半衰期寿命为12.8 a。