短切碳纖維對AP/HTPB底排推進劑力學(xué)性能的影響

劉志林, 姚文進, 王曉鳴, 李文彬, 高 翔

(南京理工大學(xué)智能彈藥技術(shù)國防重點學(xué)科實驗室, 江蘇 南京 210094)

1 引 言

底部排氣彈(簡稱底排彈)減阻增程的原理是在常規(guī)炮彈底部附加一個排氣裝置,向底部低壓區(qū)排入低動量高溫氣體,改變底部低壓區(qū)的流動狀態(tài),達到提高底部壓力、減小底阻、增大射程的目的。目前研制的底排彈,可使底部阻力減小約75%,射程增大25%～30%[1]。底排彈在火炮膛內(nèi)運動過程中,底排推進劑要經(jīng)受諸如環(huán)境溫度、火炮膛內(nèi)點火沖擊、膛內(nèi)高溫高壓的火藥氣體沖刷、軸向過載、徑向過載、切向過載、炮口瞬態(tài)卸載等復(fù)雜載荷的聯(lián)合作用。底排彈出炮口時,底排裝置內(nèi)高壓氣體急劇變化為環(huán)境壓力,并繼續(xù)泄壓至負壓狀態(tài)。在該超常環(huán)境下,高氯酸銨(AP)/羥基聚丁二烯(HTPB)底排推進劑結(jié)構(gòu)完整性容易被破壞,進而影響底排裝置的正常工作性能,如掉藥、掉彈、近彈、單發(fā)跳動和散布大等現(xiàn)象,對底排彈的正常使用產(chǎn)生了嚴重的不利影響,底排推進劑的力學(xué)性能的提高,對提高底排彈工作性能至關(guān)重要[2]。

目前常用的底排推進劑是以高分子粘合劑HTPB為基體,不同粒徑AP為氧化劑,甲苯二異氰酸(TDI)為固化劑以及添加劑組成的高分子復(fù)合材料,即AP/HTPB底排推進劑[3]。國內(nèi)外對AP/HTPB固體火箭推進劑力學(xué)特性做了大量研究[4-7],但對AP/HTPB底排推進劑力學(xué)性能的研究鮮有報道,與固體火箭推進劑相比,底排推進劑不含黑索今和金屬鋁粉等,且粘合劑HTPB的含量也不相同,其力學(xué)性能與固體推進劑存在一定的區(qū)別。Gauchoux Jacques[8]研究了AP/HTPB底排推進劑中組分含量對其拉伸性能以及其燃燒性能的影響。于洪江等[9]研究了環(huán)境濕度對AP/HTPB底排推進劑拉伸性能的影響,提出了儲存AP/HTPB底排推進劑最優(yōu)濕度條件。劉志林等[10]研究了AP/HTPB底排推進劑在應(yīng)變率為10-3和103兩個量級的單軸壓縮力學(xué)性能,實驗結(jié)果表明AP/HTPB底排推進劑具有典型的粘彈性,其力學(xué)性能隨應(yīng)變率和溫度、時間的變化會發(fā)生明顯的變化。

碳纖維是碳含量90%以上的纖維狀碳材料,具有耐熱性、化學(xué)穩(wěn)定性、電熱傳導(dǎo)性、熱膨脹性低、耐摩擦、吸附性以及良好的力學(xué)性能,其中良好的熱傳導(dǎo)、耐摩擦、吸附性以及力學(xué)性能使其擁有應(yīng)用于推進劑的潛質(zhì)[11]。碳纖維由于其制造工藝較為簡單,價格也較便宜,其高抗拉強度和高模量等優(yōu)越性,使其成為較為常用的復(fù)合材料的增強體[12-13],但其在AP/HTPB底排推進劑中的應(yīng)用還無先例。

本研究針對AP/HTPB底排推進劑在發(fā)射過程中常出現(xiàn)的碎藥、掉藥等結(jié)構(gòu)完整性不足的問題,提出用短切碳纖維作為AP/HTPB底排推進劑的改性劑,研究了短切碳纖維增強的AP/HTPB底排推進劑的力學(xué)性能,并分析短切碳纖維對其增強機理,為新型AP/HTPB底排推進劑的研究提供理論基礎(chǔ)。

2 實驗

2.1 材料及儀器

原料為: 2 mm短切碳纖維,南京緯達復(fù)合材料有限公司生產(chǎn),其基本性能參數(shù)見表1; AP/HTPB底排推進劑,遼寧慶陽特種化工廠生產(chǎn)。

儀器: Instron 1185 材料試驗機,JSM-5610LV型掃描電子顯微鏡。

表1 短切碳纖維物理性能

Table 1 Physical property of short carbon fibers

carboncontent/%tensilestrength/MPatensilemodulus/GPadensity/g·cm-3diameter/μmsectionalshapebulkdensity/g·cm-3>9538002201.767circular0.4

2.2 實驗方法

本研究在AP/HTPB推進劑中添加一定質(zhì)量分數(shù)(0.3%,0.5%)的長度為2 mm的短切碳纖維(見圖1),充分攪拌后,抽真空并在真空環(huán)境下注入模具,于恒溫箱養(yǎng)護一個星期后取出試件。靜態(tài)壓縮試驗試件尺寸為Φ10 mm×20 mm的圓柱型試件; 靜態(tài)拉伸試件為標準啞鈴型試件,尺寸見圖2。

圖1 2 mm短切碳纖維的堆積狀態(tài)

Fig.1 Stacking state of 2 mm short carbon fibers

分別根據(jù)GJB770B-2005方法413.1、415.1,對三種AP/HTPB底排推進劑(2 mm短切纖維質(zhì)量分數(shù)分別為0,0.3%,0.5%編號依次為1#,2#,3#)進行靜態(tài)拉伸和靜態(tài)壓縮力學(xué)性能測試,每種配方推進劑試件均進行5次平行試驗,取重復(fù)性好的三個試驗結(jié)果的平均值作為此配方測試結(jié)果,其中拉伸速度為100 mm·min-1,壓縮速度為5 mm·min-1。

圖2 靜態(tài)拉伸試件尺寸

Fig.2 The size of uniaxial tensile specimens

3 結(jié)果與討論

AP/HTPB底排推進劑中添加的碳纖維含量不宜過高: 因為提高碳纖維含量會降低AP/HTPB底排推進劑的流動性,增加AP/HTPB底排推進劑試件的澆注難度, 并且攪拌過程中會出現(xiàn)碳纖維團聚導(dǎo)致攪拌不均勻。因此,本研究選取0.3%和0.5%兩種碳纖維質(zhì)量分數(shù),在攪拌前進行碳纖維表面處理,提高碳纖維與HTPB基體的黏結(jié)性能[14-15]。

3.1 拉伸力學(xué)性能

20 ℃室溫下,未添加碳纖維與碳纖維含量為0.3%和0.5%質(zhì)量分數(shù)的AP/HTPB底排推進劑的拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線實驗結(jié)果見圖3。由圖3可見,三種AP/HTPB底排推進劑樣品的應(yīng)力應(yīng)變曲線都呈現(xiàn)了三個變化階段: 線彈性階段; 類金屬硬化階段; 試件失效階段。應(yīng)力應(yīng)變曲線的三個階段的示意圖見圖4[16],基于非金屬材料力學(xué)性能參數(shù)的確定方法[17-18],得到材料的屈服應(yīng)力σ0,對應(yīng)的應(yīng)變ε0; 最大拉伸應(yīng)力σm,對應(yīng)的應(yīng)變εm。屈服應(yīng)力與最大拉伸應(yīng)力分別為第一階段與第二階段的分界點和第二階段與第三階段的分界點。

圖3 三種樣品的拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線

Fig.3 Tensile stress-strain curves of three different sample

圖4 三種樣品的拉伸應(yīng)力應(yīng)變?nèi)A段示意圖

Fig.4 Three stages schematic diagram of tensile stress-strain curve of three different sample

三種配方的底排推進劑最大拉伸強度、對應(yīng)的應(yīng)變見表2。表2顯示,2#樣品和3#樣品的拉伸強度比1#樣品分別提高了11.7%和33.0%; 2#樣品和3#樣品比1#樣品的延伸率要低,碳纖維含量的增加延伸率略有下降。靜態(tài)拉伸實驗結(jié)果表明,碳纖維的摻入會增加底排推進劑的拉伸強度,同時會增加底排推進劑的彈性模量。

表2 不同含量短切碳纖維的AP/HTPB底排推進劑力學(xué)性能測試結(jié)果

Table 2 Test results of mechanical properties for AP/HTPB base bleed propellant under different short carbon fiber content

samplefibercontent/%E/MPaσ0/MPaε0σm/MPaεm1#04.500.530.130.940.592#0.35.950.630.121.050.493#0.56.780.890.141.250.44

Note:Eis the elastic modulus,σ0is the yield stress,ε0is the strain corresponding toσ0,σmis the maximum stress,εmis the strain corresponding toσm.

3.2 壓縮力學(xué)性能

圖5顯示了1#、2#和3#樣品的壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線,碳纖維的摻入會增加底排推進劑的壓縮強度和剛度。三種配方的底排推進劑最大壓縮強度分別為2.86,2.92,3.08 MPa; 2#和3#樣品的壓縮強度比不含纖維的底排推進劑分別提高了2.1%和7.8%; 纖維對底排推進劑壓縮性能的提升幅度要小于對底排藥拉伸性能的提高幅度,拉伸強度依舊是AP/HTPB底排推進劑的薄弱項,提高拉伸強度是提高AP/HTPB底排推進劑力學(xué)性能的關(guān)鍵。

單軸拉伸與壓縮實驗結(jié)果表明: AP/HTPB底排推進劑呈現(xiàn)非線性力學(xué)行為,其具有典型顆粒填充橡膠類材料的特殊性質(zhì)馬林斯效應(yīng),AP/HTPB底排推進劑與一般固體推進劑類似,其力學(xué)性能的非線性主要是馬林斯效應(yīng)與脫濕效應(yīng)共同作用結(jié)果[19-20]; 當微觀損傷到達一定程度時,AP顆粒與基體脫粘,推進劑的剛度開始降低,應(yīng)力應(yīng)變曲線開始呈現(xiàn)為非線性。壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線有類似于拉伸應(yīng)變應(yīng)變曲線的三個階段(如圖6所示),但壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線第二階段的應(yīng)力增幅遠大于拉伸時第二階段的應(yīng)力增幅。圖7與圖8為顆粒填充橡膠材料在單軸拉伸和壓縮載荷下的脫濕效應(yīng)的示意圖[7],在單軸拉伸載荷下AP脫粘時, AP顆粒與基體在拉伸方向分離且釋放應(yīng)力,AP顆粒在拉伸方向不再承受載荷; 與拉伸載荷下的脫粘過程不同,當AP在單軸壓縮載荷下脫粘時,脫粘后的AP顆粒在壓縮方向與基體還存在接觸,其還會承載一部分壓縮載荷,拉伸和壓縮脫粘過程的細觀描述解釋了AP/HTPB底排推進劑在拉伸和壓縮下的最大應(yīng)力不同的原因。不同碳纖維含量的AP/HTPB底排推進劑的壓縮最大應(yīng)力與拉伸最大應(yīng)力比值關(guān)系見圖9,結(jié)果顯示其壓縮強度約是拉伸強度的3倍,隨著碳纖維含量的增加,壓縮強度與拉伸強度的比值在逐漸降低,AP/HTPB底排推進劑呈現(xiàn)出脆性材料典型承壓而弱承拉特殊性質(zhì),2 mm短切碳纖維的摻入會增加其韌性。

圖5 三種樣品的壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線

Fig.5 Compression stress-strain curves of three different sample

圖6 三種樣品的壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線三階段示意圖

Fig.6 Three stages schematic diagram of compression stress-strain curve of three different sample

圖7 拉伸脫粘示意圖

Fig.7 Schematic diagram of tensile debonding

圖8 壓縮脫粘示意圖

Fig.8 Schematic diagram of compression debonding

圖9 三種樣品的壓縮與拉伸強度比值與纖維含量的關(guān)系

Fig.9 Relationship between the fiber content and the ratio of compression strength and tensile strength for three different sample

3.3 試件斷裂面微觀分析

圖10為3#樣品壓縮試驗后試件斷裂面電鏡圖,圖10a中可以看到脫粘后的AP顆粒,以及基體開裂后形成的裂縫,裂紋沿著AP顆粒與基體脫粘面發(fā)展,并終止于出現(xiàn)纖維的區(qū)域,斷口的碳纖維表面被黏性基體包覆。圖10b顯示了AP顆粒脫粘后形成的空洞,以及嵌留在斷裂面HTPB基體中的碳纖維,碳纖維只存在于HTPB基體中,且沒有出現(xiàn)明顯彎曲的現(xiàn)象。圖11是3#樣品拉伸試驗后試件斷裂面電鏡圖,圖中的碳纖維表面同樣是被黏性基體包覆,碳纖維與基體的黏結(jié)性能非常理想,不會產(chǎn)生滑移脫落的現(xiàn)象。

對試件斷裂面的電鏡觀察分析結(jié)果表明: (1)短切碳纖維分布在AP顆粒之間的HTPB基體中,對基體微裂紋的發(fā)展有抑制作用; (2)短切碳纖維的表面附有一層黏性基體,表明碳纖維與HTPB基體的黏結(jié)性能良好,也是碳纖維能提高AP/HTPB底排推進劑強度的重要因素。

a. macroscopic crack location

b. void location

圖10 3#樣品壓縮斷裂面電鏡圖

Fig.10 SEM images of the fracture surface of 3#sample after compression test

圖11 3#樣品拉伸斷裂面電鏡圖

Fig.11 SEM image of the fracture surface of 3#sample after test

4 結(jié) 論

(1) 在原始AP/HTPB底排推進劑中添加質(zhì)量分數(shù)分別為0.3%和0.5%的2 mm短切碳纖維,新型含短切碳纖維的AP/HTPB底排推進劑的靜態(tài)單軸拉伸強度分別提高11.7%和33.0%,其靜態(tài)單軸壓縮強度分別提高2.1%和7.8%。力學(xué)性能實驗結(jié)果表明,2 mm短切碳纖維是AP/HTPB底排推進劑的增強體。

(2) 斷口微觀分析結(jié)果表明,碳纖維與AP/HTPB推進劑的黏結(jié)性能良好,其均勻分布在AP顆粒之間的HTPB基體中,AP/HTPB 的破壞主要由AP顆粒脫粘引發(fā),0.3%和0.5%的2 mm短切碳纖維的摻入對HTPB基體微裂紋的發(fā)展有抑制作用。

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