低應(yīng)變率下改性雙基推進(jìn)劑壓縮特性研究

魏曉林，周建輝，舒慧明，李宏巖，劉所恩

(1.西安近代化學(xué)研究所，西安 710065；2.山西北方興安化學(xué)工業(yè)有限公司，太原 030008)

固體推進(jìn)劑作為火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的一個(gè)工程構(gòu)件，與殼體一樣，在生產(chǎn)、運(yùn)輸和飛行過程中，要承受溫度、振動(dòng)、加速過載和點(diǎn)火增壓等載荷的作用。同時(shí)，還必須經(jīng)受長(zhǎng)期貯存和工作準(zhǔn)備狀態(tài)中的各種環(huán)境考驗(yàn)，要求推進(jìn)劑藥柱在一定范圍的溫度和應(yīng)變速率下，具有相對(duì)寬松的力學(xué)響應(yīng)行為，否則推進(jìn)劑出現(xiàn)裂紋，導(dǎo)致燃燒過程失控，以致發(fā)動(dòng)機(jī)損壞。

改性雙基推進(jìn)劑裝藥具有特征信號(hào)低的顯著優(yōu)點(diǎn)，能夠有效降低對(duì)激光、紅外制導(dǎo)信號(hào)的干擾，是現(xiàn)役戰(zhàn)術(shù)武器的重要推進(jìn)劑，在中小口徑火箭彈和燃?xì)獍l(fā)生器中得到廣泛應(yīng)用。研究發(fā)現(xiàn)這類發(fā)動(dòng)機(jī)在固化冷卻、環(huán)境變遷、氣動(dòng)加熱等各種溫度載荷下，均可能給裝藥施加不同程度的壓縮載荷，導(dǎo)致其力學(xué)性能下降，限制了該型推進(jìn)劑的發(fā)展和應(yīng)用。因此，研究推進(jìn)劑在壓縮情況下的力學(xué)特性是非常必要的。

鑒于含HMX改性雙基推進(jìn)劑在壓縮載荷下的力學(xué)響應(yīng)研究較少，本文采用萬能試驗(yàn)機(jī)，在不同溫度下對(duì)含HMX的星孔結(jié)構(gòu)改性雙基推進(jìn)劑裝藥開展不同應(yīng)變速率的抗壓試驗(yàn)，獲得改性雙基推進(jìn)劑的壓縮力學(xué)行為，基于該型推進(jìn)劑力學(xué)行為的相關(guān)特性，描述了其在不同溫度以及應(yīng)變速率下的力學(xué)規(guī)律，以期為溫度載荷條件下高固體含量推進(jìn)劑裝藥結(jié)構(gòu)完整性分析提供數(shù)據(jù)支撐。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1)材料及儀器

材料：硝化棉(NC)，北方化學(xué)工業(yè)股份有限公司；HMX，805廠；硝化甘油(NG)、催化劑，山西北方興安化學(xué)工業(yè)有限公司；炭黑，新疆；三氧化二鋁，鄭州；凡士林，天津。

設(shè)備與儀器：壓縮試驗(yàn)在微機(jī)控制高低溫電子式萬能試驗(yàn)機(jī)上完成。

2)配方組成及制備工藝

本試驗(yàn)所用推進(jìn)劑基礎(chǔ)配方如表1所示，采用常規(guī)無溶劑吸收工藝，經(jīng)溝槽壓延、螺旋壓伸制備而得星孔結(jié)構(gòu)改性雙基推進(jìn)劑裝藥，裝藥橫截面形狀如圖1所示。推進(jìn)劑試樣沿藥柱軸向均勻獲取，經(jīng)加工處理成標(biāo)準(zhǔn)圓柱壓縮試件。

表1 推進(jìn)劑基礎(chǔ)配方

圖1 裝藥橫截面形狀示意圖

3)測(cè)試方法

抗壓強(qiáng)度按GJB—770B—2005 方法415.1“抗壓強(qiáng)度 壓縮法”測(cè)試。

抗壓藥柱：直徑(16±0.1)mm×高度(20±0.1)mm。

試驗(yàn)方案：試驗(yàn)前，將試件在50 ℃環(huán)境下保溫12 h，然后自然冷卻，以去除機(jī)加工的殘余應(yīng)力。-40 ℃、20 ℃、40 ℃、50 ℃和60 ℃時(shí)，在3個(gè)壓縮速率下考察推進(jìn)劑的力學(xué)性能，壓縮速率分別為1 mm·min、2.5 mm·min和10 mm·min，相對(duì)應(yīng)的應(yīng)變率為0.833×10s、2.083×10s和8.333×10s。每組5個(gè)試件，經(jīng)分組每組試件尺寸差別相對(duì)較小，以確保試驗(yàn)數(shù)據(jù)的一致性與穩(wěn)定性。工程應(yīng)力和工程應(yīng)變由測(cè)得的負(fù)荷和變形數(shù)據(jù)計(jì)算得到，如式(1)所示。在均勻變形場(chǎng)假定下，真實(shí)應(yīng)力、真實(shí)應(yīng)變與工程應(yīng)力、工程應(yīng)變可采用式(2)進(jìn)行換算。

(1)

=(1-)

=-ln(1-)

(2)

式中，和分別為樣品的初始橫截面積和初始長(zhǎng)度，和分別為時(shí)刻施加于樣品的軸向力和樣品的長(zhǎng)度。

2 結(jié)果與討論

2.1 應(yīng)力-應(yīng)變曲線平行性試驗(yàn)分析

為驗(yàn)證測(cè)試數(shù)據(jù)的有效性，有必要考察試件加載期間真實(shí)應(yīng)變率是否恒定以及試驗(yàn)結(jié)果重復(fù)性，圖2給出了在20 ℃、1 mm/min壓縮速率下的五次平行試驗(yàn)數(shù)據(jù)。從圖中可以看出，平行試驗(yàn)的穩(wěn)定性和一致性較好，曲線趨勢(shì)吻合。因此可以得出結(jié)論，采用微機(jī)控制高低溫電子式萬能試驗(yàn)機(jī)測(cè)得的應(yīng)力-應(yīng)變數(shù)據(jù)能夠?qū)Ω男噪p基推進(jìn)劑的壓縮力學(xué)行為提供可靠的描述。

圖2 20 ℃、1 mm/min應(yīng)變率下壓縮的五次平行試驗(yàn)曲線

2.2 常溫下典型應(yīng)力-應(yīng)變曲線分析

常溫下試驗(yàn)所得的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖3。由圖看出，可以將改性雙基推進(jìn)劑的應(yīng)力-應(yīng)變曲線大致分為4個(gè)階段：線彈性階段Ⅰ，即在應(yīng)變量較小的情況下，應(yīng)力-應(yīng)變呈線性關(guān)系變化，在該階段，推進(jìn)劑的基體材料NC/NG主要承受載荷，分子鏈在外載荷的作用下發(fā)生彈性流動(dòng)行為，材料處于線性粘彈狀態(tài)，彈性模量為常數(shù)，此時(shí)，材料發(fā)生彈性形變，如果卸除外界載荷，試樣可以回彈至原狀；屈服增至應(yīng)變軟化階段Ⅱ，在該區(qū)間內(nèi)，推進(jìn)劑材料的彈性剛度開始降低，應(yīng)力的增長(zhǎng)趨勢(shì)開始出現(xiàn)減緩現(xiàn)象甚至應(yīng)力保持不變或減小，此時(shí)材料內(nèi)部開始出現(xiàn)初始損傷現(xiàn)象，進(jìn)而演化為一系列的微孔洞和微裂紋，引起基體材料的分子鏈承受較高的應(yīng)力并重新分布，達(dá)到新的平衡，在曲線上表現(xiàn)出應(yīng)力保持不變或下降的趨勢(shì)，此時(shí)推進(jìn)劑斷裂特性由線性向非線性轉(zhuǎn)變；應(yīng)變強(qiáng)化階段Ⅲ，應(yīng)變繼續(xù)增加，材料開始強(qiáng)化，并產(chǎn)生塑性流動(dòng)，應(yīng)力變化明顯，載荷卸除后樣品無法恢復(fù)原狀；破壞階段Ⅳ，當(dāng)應(yīng)變(應(yīng)力)達(dá)到極限后，應(yīng)力隨著應(yīng)變的增加開始減小，直至樣品斷裂破壞。

圖3 20 ℃下改性雙基推進(jìn)劑壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線

固體推進(jìn)劑是一種高分子復(fù)合材料，表現(xiàn)出較強(qiáng)的粘彈性。在粘彈性本構(gòu)模型領(lǐng)域，可歸納分為線性和非線性2種。線粘彈性是指在一定范圍內(nèi)的應(yīng)力極限下，應(yīng)力隨應(yīng)變呈線性關(guān)系變化。當(dāng)固體推進(jìn)劑形變量不大時(shí)，可認(rèn)為其為線粘彈性材料，線粘彈性本構(gòu)模型可用于分析固體推進(jìn)劑在載荷下的力學(xué)響應(yīng)，是目前應(yīng)用最廣泛的一種模型。在裝藥結(jié)構(gòu)完整性分析中，第Ⅰ階段可以采用線粘彈性理論，但由于材料中加入了大量固體填充顆粒，隨著形變量的逐漸增加，其內(nèi)部的基體、顆粒填充物以及各界面的力學(xué)性能愈加復(fù)雜，材料的非線性逐漸明顯，這使得現(xiàn)有的線性粘彈性理論不能夠真實(shí)有效的表征推進(jìn)劑的力學(xué)性能。近幾十年來關(guān)于非線性粘彈性本構(gòu)模型的研究很多，宏觀上按照非線性的產(chǎn)生原因可分為不含損傷的非線性粘彈性本構(gòu)模型和含損傷的粘彈性本構(gòu)模型。目前，國內(nèi)外在線性粘彈性本構(gòu)關(guān)系的研究方面已經(jīng)比較成熟，但是對(duì)非線性本構(gòu)關(guān)系的研究較緩慢，特別是國內(nèi)關(guān)于含損傷的非線性粘彈性本構(gòu)的二次開發(fā)較少，缺乏關(guān)于推進(jìn)劑非線性粘彈性特性及損傷破壞特性的深入研究。因此，為了更真實(shí)地反應(yīng)推進(jìn)劑的力學(xué)特性，必須發(fā)展并深入研究非線性粘彈理論。

2.3 不同溫度下改性雙基推進(jìn)劑壓縮特性分析

在不同溫度下、壓縮速率為1 mm/min的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖4，圖(b)為圖(a)的局部放大圖。在1 mm/min的壓縮速率下，加載速度較為緩慢，可以認(rèn)為材料彈性變形產(chǎn)生的熱量有充足的時(shí)間與外界交換，即在試驗(yàn)過程中試樣的溫度是基本保持不變的。由圖4可知，隨著溫度的升高，材料初始彈性模量減小，隨之屈服應(yīng)力呈下降趨勢(shì)，應(yīng)變軟化和應(yīng)變強(qiáng)化均發(fā)生改變。在高溫60 ℃時(shí)應(yīng)變軟化現(xiàn)象不明顯，應(yīng)變強(qiáng)化現(xiàn)象較明顯，而在低溫-40 ℃時(shí)屈服后應(yīng)力下降較突出。由圖(b)可以看出，應(yīng)變強(qiáng)化段的斜率隨著溫度的升高而降低，這說明隨著溫度的升高，改性雙基推進(jìn)劑的應(yīng)變軟化和應(yīng)變強(qiáng)化效應(yīng)均降低，但應(yīng)變強(qiáng)化占主導(dǎo)地位。屈服后材料的最大強(qiáng)度隨著溫度的升高而下降，表明隨著溫度的升高推進(jìn)劑材料是逐漸軟化的，這與雙基推進(jìn)劑的壓縮特性是相似的。

圖4 不同溫度下改性雙基推進(jìn)劑的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線

2.4 不同加載速率下改性雙基推進(jìn)劑壓縮特性分析

對(duì)不同溫度、3種壓縮速率下推進(jìn)劑的抗壓強(qiáng)度和壓縮率進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如表2所示，和為每種工況下5個(gè)試件試驗(yàn)結(jié)果的平均值?？梢钥闯觯谙嗤臏囟认?，隨著壓縮速率的增大，推進(jìn)劑的增大而減小，如20 ℃時(shí)，由1 mm·min的22.8 MPa增大到10 mm·min的42.6 MPa，增加幅度約為87%，同時(shí)由38.2%降低至31.6%。壓縮過程實(shí)際上是高分子材料的松弛過程，由于松弛時(shí)間大于外力的作用時(shí)間，松弛落后于外力的變化，因此壓縮速率越快，推進(jìn)劑形變需要的外力就越大，而形變量卻越小。

表2 不同壓縮速率下改性雙基推進(jìn)劑的力學(xué)參數(shù)

20 ℃時(shí)，不同加載速率下的真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖5。由圖5可以看出，在不同的加載速率下3條曲線線性階段靠攏較為緊湊，說明改性雙基推進(jìn)劑在壓縮載荷下的初始彈性模量隨壓縮速率的升高略有增加，變化卻不明顯。這是因?yàn)樵谛?yīng)變下，材料以彈性應(yīng)變?yōu)橹?，隨著加載速率的增加，試驗(yàn)時(shí)間縮短，試樣沒有形成熱量聚集，所以小應(yīng)變下加載速率對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響不大。

圖5 不同加載速率下改性雙基推進(jìn)劑壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線

同時(shí)發(fā)現(xiàn)，雖然試樣發(fā)生屈服時(shí)的屈服應(yīng)力和屈服應(yīng)變均隨應(yīng)變率的增加而增加，但屈服應(yīng)力變化明顯，而屈服應(yīng)變變化較小，比如屈服應(yīng)力在1 mm/min應(yīng)變率下約為10 MPa，在10 mm/min應(yīng)變率下則為97 MPa，增加了將近9倍，屈服應(yīng)變僅由3.6%增加至10.4%。這是因?yàn)楫?dāng)材料發(fā)生塑性變形時(shí)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)變即為屈服應(yīng)變，當(dāng)應(yīng)變值達(dá)到材料塑性變形點(diǎn)時(shí)，試樣就會(huì)發(fā)生屈服，與應(yīng)變速率關(guān)系不大。試樣在屈服后的變形階段主要表現(xiàn)為應(yīng)變強(qiáng)化，分析認(rèn)為試驗(yàn)研究用改性雙基推進(jìn)劑配方中加入30%左右HMX，NC/NG基體能夠承受一定外力，并且試驗(yàn)應(yīng)變速率較低，HMX顆粒不易破碎，表現(xiàn)出一定的韌性，對(duì)材料力學(xué)響應(yīng)表現(xiàn)為強(qiáng)化作用。

3 結(jié)論

1)改性雙基推進(jìn)劑在壓縮情況下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線可以分為4個(gè)階段：初始彈性段、屈服增至應(yīng)變軟化階段、應(yīng)變強(qiáng)化段和破壞階段。

2)溫度對(duì)改性雙基推進(jìn)劑力學(xué)性能的影響較大，隨著溫度的升高，材料初始彈性模量減小，屈服應(yīng)力下降。

3)改性雙基推進(jìn)劑的初始彈性模量、屈服應(yīng)力和屈服應(yīng)變具有較強(qiáng)的應(yīng)變率相關(guān)性，隨著應(yīng)變率的增加，初始彈性模量、屈服應(yīng)力和屈服應(yīng)變均逐漸增加，屈服應(yīng)力變化更明顯，應(yīng)變率由1 mm/min升高至10 mm/min后，屈服應(yīng)力增加近9倍。

通過對(duì)含HMX改性雙基推進(jìn)劑的低應(yīng)變率單軸壓縮試驗(yàn)研究，定量描述了壓縮力學(xué)行為的應(yīng)變率相關(guān)性，可為溫度載荷條件下高固體含量推進(jìn)劑裝藥結(jié)構(gòu)完整性分析供借鑒。