HTPB推进剂低温断裂性能试验研究

为研究温度和加载速率对HTPB推进剂断裂性能的影响,开展了HTPB推进剂低温断裂韧性试验,测定了不同温度和加载速率下含Ⅰ型裂纹推进剂试件的断裂韧性值,并研究了试件厚度对断裂韧性值的影响。结果表明:随着温度的降低和加载速率的增加,推进剂断裂韧性值逐渐增大,且断裂韧性值与加载速率的对数呈线性关系,温度越低,加载速率的变化对断裂韧性的影响越显著;在常温和-40℃下厚试件的断裂韧性值比薄试件要大,并且低温下这种变化更明显。最后得到了推进剂断裂韧性的二次函数主曲线。     

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。     

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。     

不同状态HTPB推进剂动态冲击损伤研究

针对HTPB推进剂长期服役中面临动态冲击的风险,以未老化、热老化和湿热老化三种不同状态HTPB推进剂为研究对象,研究动态冲击条件下HTPB推进剂损伤情况,采用细观检测设备(SEM,CT),以分形维数相结合的方式,定性和定量分析了损伤情况。研究结果表明,未老化和热老化HTPB推进剂动态冲击后,内部的损伤主要表现为颗粒穿晶断裂和破裂、基体与颗粒的界面损伤、基体撕裂、孔隙率增大等,经分析表明冲击时应力集中区易于在AP颗粒内部和颗粒/基体界面产生。而湿热老化HTPB推进剂在动态损伤后,表现为基体与颗粒的界面"脱湿"、基体撕裂和少量的颗粒断裂,冲击时应力集中区主要在颗粒/基体界面产生。采用分形维数对冲击后的损伤情况进行定量表达,损伤情况的严重程度由高到低依次是热老化、未老化和湿热老化,温度越低应变率越高,损伤越严重,同等实验条件下湿热老化的分形维数比未老化的情况减小了0.13%～4.82%,而热老化后的分形维数比未老化的情况提高了11.8%～15.0%。     

HTPB推进剂非线性粘弹特性的时温等效研究

为研究HTPB推进剂非线性粘弹特性的时温等效效应,推导了基于Schapery单积分非线性本构方程的HTPB推进剂时温等效理论表达式,给出了蠕变柔量主曲线的拟合方法。通过不同应力(0.1MPa,0.2MPa,0.3MPa)和不同温度(20℃,40℃,60℃,80℃)条件下HTPB推进剂蠕变试验,得到了参考温度(20℃)下的蠕变柔量主曲线。通过反复加载蠕变试验,分析了载荷变化对蠕变过程的影响。结果表明:不同温度下的蠕变柔量-时间对数曲线在稳定蠕变阶段具有良好的一致性,验证了HTPB推进剂非线性粘弹特性的时温等效效应;0.1MPa,0.2MPa和0.3MPa应力下的蠕变柔量主曲线时间尺度从试验测试的103s分别延伸到了10~(4.27)s,10~(4.17)s和10~(3.91)s;快速的应力释放和恢复加载过程不会影响整个蠕变过程,载荷变化蠕变过程的时温等效效应具有连续性。     

HTPB推进剂贮存寿命的理论预估

以ＨＴＰＢ推进剂化学老化机理及其氧化反应动力学为依据,导出了推进剂应变保留值与贮存老化时间的关系,由推进剂中氧化剂ＡＰ低温分解反应和ＨＴＰＢ固化体经反应的动力学参数,计算出了在不同应变保留值时的推进剂的贮存寿命。当推进剂的应变保留值在３０％～５０％之间时,其贮存寿命的理论计算值与高温加速老化实验值之间的相对误差小于１６％。     

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。     

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。     

提高HTPB推进剂贮存寿命技术途径

以HTPB推进剂应保留值与贮存时间之间的理论关系为依据，研究了氧化剂AP的含量、分解分数、低温分解反应速率常数及HTPB粘合剂体系的氧化反应速率常数对HTPB推进剂贮存寿命的影响，结果表明，氧化剂AP的含量变化对HTPB贮存寿命的影响不大，降低氧化剂AP低温下的最大分解分数和低温分解反应速率常数以及HTPB粘合剂体系氧化反应速率常数均能显著地提高HTPB推进剂的贮存寿命。     

固体火箭发动机HTPB推进剂力学性能老化研究

为研究某型发动机高燃速端羟基聚丁二烯（HTPB）推进剂在寿命期内的力学性能,选择贮存2 a、5 a、8 a和10 a的发动机推进剂作为研究样本;通过应力松弛试验和3点弯曲断裂试验研究了不同贮存期的推进剂力学性能,结果表明：随着发动机贮存时间的延长,HTPB推进剂的松弛模量逐渐升高,而断裂韧度逐渐降低。     

提高高燃速丁羟推进剂低温伸长率研究

运用单向拉伸、交联密度测试、动态力学分析(DMA)等实验手段，研究了IPDI丁羟高燃速推进剂低温伸长率偏低的问题。结果表明：由于固化剂IPDI的分子结构特点和低反应活性造成粘合剂体系固化反应速度上的差别，加上防老剂H的刚性和物理交联作用使该类推进剂低温抗拉强度过高，是造成该类推进剂低温伸长率偏低的主要原因。在此基础上，通过添加网络调节剂，改善了推进剂粘合剂相的网络结构，解决了该问题。     

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固体推进剂老化性能检测新方法

引入了光致正电子湮灭分析方法 （PIPA,Photon Induced Positron Analysis）,对HTPB固体推进剂老化性能进行检测研究。介绍了PIPA的原理、PIPA试验平台的搭建以及PIPA的数值处理方法,并用511KeV能谱的FWHM值ε（半高宽,Full Width Half Maximum）表征HTPB固体推进剂老化引起的微观变化,所得结论与固体推进剂的常规测试一致,证明了PIPA用于固体推进剂老化性能无损检测的可行性。     

宽使用温度范围的丁羟高燃速推进剂配方研究

研究了细AP含量、增塑剂癸二酸二异辛酯（DOS）含量和键合剂LW1等因素对HTPB／IPDI高燃烧推进剂－55℃低温力学性能的影响，获得了一个使用范围广（－55℃－＋70℃）、综合性能优良的丁羟高燃速推进剂配方。该推进剂除具有能量高、燃速高等特点外，还有优良的力学性能。70℃最大抗拉强度（σm）蒺、MPa,25℃,70℃最大伸长率（εm）大于45％，－55℃时的伸长率大于30％。     

丁羟推进剂固化体系中活泼氢组分的反应活性研究

分别对端羟基聚丁二烯(HTPB)/苯异氰酸酯(PI),键合剂(BA-5)/PI和防老剂H(N,N′—二苯基对苯二胺)/PI在甲苯/二甲基亚砜混合溶液体系中进行了反应动力学研究,计算了相应体系的反应速率和活化能。结果表明,在相同的条件下,这三种体系中活泼氢组分的反应速率由大到小依次为:键合剂(BA-5)上的胺基、HTPB,BA-5上的羟基、防老剂H上的胺基。对上述活泼氢组分构成的四个不同配方用TD I固化并制成胶片,对固化时间不同的胶片进行了单向拉伸和溶胀比测试;力学性能和交联密度变化的结果验证了动力学结果,同时也表明BA-5和防老剂H都能有效提高丁羟推进剂的力学性能。     

硼酸酯键合剂在丁羟四组元推进剂中作用机理研究

采用反相气相色谱仪测试了BA-5键合剂,RDX,AP和HTPB-TDI胶片的表面酸碱性参数,并估算出各组分之间的界面相互作用焓。结果表明ΔHBA-RDX和ΔHBA-AP均显著大于ΔHBA-HTPB,证实键合剂BA-5与RDX,AP作用力远大于与粘合剂作用力,能在混合过程中优先迁移吸附在RDX,AP颗粒表面,并产生强烈吸附。采用电子能谱仪定性表征了RDX,AP从HTPB中吸附BA-5的情况。结果表明:随着电子束加速电压降低,测试厚度变小,AP样品中硼原子含量增加,证实BA-5是吸附在AP的表面。结合组分基团活性分析,阐述了BA-5键合剂的作用机理。