高溫加速老化HTPB推進劑的超聲波參數(shù)變化規(guī)律試驗研究①

李 劍，黃留春*，艾德文，趙 亮，吳 超，李博俊

(1.火箭軍工程大學(xué)，西安 710025；2.海軍裝備部，北京 100000)

0 引言

復(fù)合固體推進劑在貯存和使用過程中會受到物理、化學(xué)等多種因素的綜合作用，其力學(xué)、能量、燃燒等性能會逐漸發(fā)生劣化，一種不可逆的變化過程[1]，最終會導(dǎo)致固體火箭發(fā)動機工作失效，造成嚴重的經(jīng)濟損失和安全問題。在復(fù)合固體推進劑的全壽命周期中，貯存占據(jù)比例較大，常常要求其在長期貯存過程中始終保持良好的力學(xué)性能[2]。研究人員不斷探索檢測、評估和監(jiān)測復(fù)合固體推進劑貯存老化狀態(tài)的新方法，為復(fù)合固體推進劑長壽命設(shè)計和貯存狀態(tài)診斷提供有效途徑。

針對復(fù)合固體推進劑的貯存老化狀態(tài)，多數(shù)學(xué)者主要開展了以力學(xué)老化特征為主的相關(guān)研究。李松年、羅天元、常新龍等[3-5]對HTPB固體推進劑在自然老化、濕老化、熱老化不同貯存條件下的力學(xué)性能等老化特征進行了研究；在此基礎(chǔ)上，程吉明等[6]開展了HTPB固體推進劑在70 ℃熱力耦合條件下的加速老化試驗，采用動態(tài)熱機械分析儀測定動態(tài)力學(xué)參數(shù)，結(jié)果表明貯存期的預(yù)應(yīng)變對推進劑動態(tài)力學(xué)性能有較大影響；劉暢等[7]開展了在不同熱加速老化時間、不同溫度和應(yīng)變率條件下HTPB固體推進劑的準雙軸拉伸力學(xué)性能試驗，結(jié)果表明隨著熱加速老化時間的增長，最大抗拉強度呈速率不斷減小的非線性增長趨勢，最大伸長率呈速率不斷降低的非線性降低趨勢。

隨著研究的深入，部分學(xué)者發(fā)現(xiàn)獲取力學(xué)老化特征主要局限于力學(xué)性能試驗，這種方法不僅需要制備大量的試樣, 而且具有破壞性，造成一定的經(jīng)濟損失，有一定的局限性。因此，如何利用無損檢測技術(shù)來檢測、評估和監(jiān)測復(fù)合固體推進劑貯存老化狀態(tài)成為了研究熱點。任寧莉等[8]驗證了光致正電子湮滅檢測技術(shù)用于HTPB固體推進劑老化微損傷性能無損檢測的可行性；RAO等[9]采用無損壓痕技術(shù)建立了HTPB固體推進劑力學(xué)性能評估方法。然而，相較于其他無損技術(shù)，超聲波檢測技術(shù)具有檢測效率高、檢測成本低、對人體無害等獨特的優(yōu)點，而且常被用于物質(zhì)材料性能方面的檢測、評估和監(jiān)測[10-15]。JOHNSON等[16]研究了利用推進劑力學(xué)性能的超聲波測量來監(jiān)測推進劑的狀況和固化程度的可行性，研究結(jié)果表明峰值頻率數(shù)據(jù)的變化與固化程度相關(guān)。

本文采用超聲波無損檢測技術(shù)，開展不同時間的高溫加速老化后HTPB固體推進劑超聲波檢測試驗，并結(jié)合單軸拉伸力學(xué)性能試驗的力學(xué)性能參數(shù)，重點研究超聲波傳播速度和衰減系數(shù)隨高溫貯存老化時間的變化規(guī)律，探尋超聲傳播速度和衰減系數(shù)與推進劑力學(xué)性能參數(shù)之間的表征關(guān)系，為復(fù)合固體推進劑力學(xué)老化狀態(tài)的無損檢測、評估和監(jiān)測奠定基礎(chǔ)。

1 聲學(xué)參數(shù)與力學(xué)性能理論推導(dǎo)

超聲波是一種頻率超過20 kHz的機械波，通常由高頻電振蕩激勵壓電晶體產(chǎn)生，依靠介質(zhì)中相鄰質(zhì)點的相互作用實現(xiàn)振動進行傳播。通常將質(zhì)點振動方向與波傳播方向相同的波稱為縱波，將質(zhì)點振動方向與波傳播方向垂直的波稱為橫波，本文提出的超聲波傳播速度包括縱波速度和橫波速度。超聲波的衰減是指當波在介質(zhì)中傳播時，隨著傳播距離的增加，其聲能量逐漸減弱的現(xiàn)象，本文提出的衰減系數(shù)主要為散射衰減系數(shù)和吸收衰減系數(shù)之和[17]。對于彈性材料，已有理論研究表明，超聲波的傳播速度與材料的密度和材料的彈性常數(shù)(彈性模量、泊松比等)相關(guān)[18]；對于復(fù)合固體推進劑材料，它是一種粘彈性材料，本構(gòu)關(guān)系較為復(fù)雜，為簡化分析，以三元件標準線性體模型(一個彈性元件和一個Kelvin體串聯(lián)組合)為參考(如圖1所示)，并推導(dǎo)了粘彈體波動方程。

圖1 三元件標準線性體模型

三元件標準線性體的本構(gòu)方程：

(1)

(2)

(3)

式中ui為位移分量；ρ為介質(zhì)密度。

式(1)結(jié)合運動方程(2)和幾何方程(3)，可得

(4)

設(shè)一平面波的形式：

u(x,t)=Aei(kx-ωt)

(5)

其中，平面縱波(a)和橫波(b)可表示為

(6)

將其代入式(4)，可得

(7)

式中k為波數(shù)，其復(fù)數(shù)形式為k=kr+αi；ω為波的角頻率。

解得超聲波傳播速度和衰減系數(shù)公式(以縱波為例)：

(8)

基于三元件標準線性體模型的波動方程推導(dǎo)結(jié)果，可知粘彈體中的超聲波傳播速度和衰減系數(shù)均與介質(zhì)密度、彈性模量、粘滯系數(shù)有關(guān)。

2 試驗

2.1 超聲波檢測系統(tǒng)

超聲波發(fā)射/接收硬件系統(tǒng)主要包括CTS-8077PR超聲波脈沖發(fā)生接收儀、工控機、前置放大器、A/D采集卡、頻率為1 MHz和直徑為20 mm的直探頭，超聲波檢測專用耦合劑等，設(shè)定檢測系統(tǒng)的采樣頻率為50 Hz。超聲波檢測系統(tǒng)平臺如圖2，其工作原理如圖3。

圖2 超聲波檢測系統(tǒng)試驗平臺

圖3 超聲波檢測系統(tǒng)工作原理圖

2.2 試樣制備

取同一批出廠的HTPB固體推進劑試樣作為試驗對象，因其一平行對面有包覆層，故采用兩種不同尺寸的推進劑，取3對不同厚度的平行對面用于檢測，方形試樣尺寸約為150 mm×149 mm×60 mm，矩形試樣尺寸約為100 mm×40 mm×30 mm，如圖4所示。

圖4 HTPB固體推進劑試樣

老化試樣分為6組(編號0～5)，第0組試樣不老化，其余5組試樣分別進行18、36、54、73、90 d老化。

2.3 超聲波檢測試驗

采用穿透法檢測，原理如圖5所示。左端探頭T用于發(fā)射超聲波，右端探頭R用于接收超聲波，分別放置在推進劑試樣的兩個平行對面上，并采用專用夾具使發(fā)射探頭和接收探頭保持在同一軸線上，并提供穩(wěn)定且近似等大的耦合壓力；用游標卡尺測量推進劑厚度，即超聲波的透射距離，記為D。

圖5 聲速測量的原理示意圖

根據(jù)聲速測量原理，測量超聲波從發(fā)射探頭傳播至接收探頭所需時間，記為t，則縱波速度為

(9)

根據(jù)超聲波衰減理論，當平面波在介質(zhì)中傳播時，距離波源x處的振幅Ax為

Ax=A0e-αx

(10)

式中A0為波源的起始幅值；e為自然對數(shù)的底；x為測量點到波源的距離；α為介質(zhì)的衰減系數(shù)。

對式(10)兩邊取自然對數(shù)，可改寫為線性關(guān)系式：

H=αx+H0

(11)

3 試驗結(jié)果與討論

3.1 聲學(xué)參數(shù)測量結(jié)果與討論

為提高試驗結(jié)果精度和準確度，在進行縱波速度測量試驗時，對于每個老化試樣測量4個不同的位置，取對應(yīng)厚度和時間比值所得的聲速，再求平均聲速，結(jié)果數(shù)據(jù)如表1所示；在進行衰減系數(shù)測量試驗時，每1組老化試樣測量3對不同間距的平行平面，通過調(diào)節(jié)增益旋鈕，使每次檢測的波形結(jié)果峰值高度均達到示波屏滿刻度的80%，結(jié)合式(11)進行線性擬合，結(jié)果數(shù)據(jù)如表2所示。

表1 縱波速度測量數(shù)據(jù)結(jié)果

表2 衰減系數(shù)測量數(shù)據(jù)結(jié)果

為了更加直觀地觀察試驗測量數(shù)據(jù)，作進一步分析，并結(jié)合表示推進劑性能-時間關(guān)系的數(shù)學(xué)模型，采用擬合函數(shù)分別對縱波平均速度和衰減系數(shù)與老化時間的對數(shù)值進行擬合?？v波平均速度和衰減系數(shù)隨老化時間的變化趨勢如圖6，擬合結(jié)果如圖7和圖8，擬合關(guān)系式如式(12)和式(13)。

圖6 縱波速度和衰減系數(shù)隨老化時間的變化趨勢

圖7 縱波速度-老化時間

圖8 衰減系數(shù)-老化時間

C=0.01858lgt+1.795

(12)

α=-0.1046lgt+0.5969

(13)

其中，縱波速度隨著老化時間的增加，總體呈增加趨勢，并且在老化36 d以前增加較為緩慢，在老化36～73 d之間增加較為迅速，在老化73 d以后略微減小，衰減系數(shù)隨著老化時間的增加，總體呈減小趨勢，并且在老化36 d以前減小較快，在老化36～73 d之間減小較慢，在老化73 d以后略微增加?？v波速度與老化時間的擬合相關(guān)系數(shù)為89.17%，置信區(qū)間95%，衰減系數(shù)與老化時間的擬合相關(guān)系數(shù)為88.56%，置信區(qū)間95%，擬合結(jié)果較好。

3.2 聲學(xué)參數(shù)與HTPB復(fù)合固體推進劑力學(xué)性能參數(shù)的相關(guān)性討論

HTPB 復(fù)合固體推進劑在高溫加速老化過程中，最大抗拉強度和最大伸長率隨老化時間的變化趨勢見圖9。HTPB推進劑在70 ℃高溫加速老化的條件下，在0～73 d的老化過程中，隨著老化時間的增加，最大抗拉強度呈現(xiàn)增加趨勢，最大伸長率呈現(xiàn)減小趨勢，在該階段HTPB推進劑主要發(fā)生后固化和氧化交聯(lián)反應(yīng)；90 d老化時，最大抗拉強度略微降低，HTPB推進劑可能發(fā)生降解斷鏈反應(yīng)[19]。

圖9 最大抗拉強度和最大伸長率隨老化時間的變化趨勢

分別作超聲波縱波速度和衰減系數(shù)與最大抗拉強度和最大伸長率的關(guān)系曲線。其中，由于最大伸長率在HTPB推進劑老化90 d時，測量結(jié)果有較大的降低幅度，而超聲縱波速度和衰減系數(shù)的變動幅度相對要小得多，故只針對二者在0～73 d的老化過程進行分析。采用合適的擬合函數(shù)進行擬合，擬合結(jié)果如圖10～圖13，擬合關(guān)系式如式(14)～式(17)。

圖10 最大抗拉強度-縱波聲速

圖11 最大抗拉強度-衰減系數(shù)

圖12 最大伸長率-縱波聲速

圖13 最大伸長率-衰減系數(shù)

σ=13.02C-22.74

(14)

σ=6.871×10-9α-18.66+0.9212

(15)

ε=-5.551×104C2+2.022×105C-1.841×105

(16)

ε=-3.966×10-15α-38.2+47.64

(17)

在0～90 d的老化過程中，最大抗拉強度-縱波速度的擬合相關(guān)系數(shù)為95.55%，置信區(qū)間95%，最大抗拉強度-衰減系數(shù)的擬合相關(guān)系數(shù)為97.97%，置信區(qū)間95%；在0～73 d的老化過程中，最大伸長率-縱波速度的擬合相關(guān)系數(shù)為93.96%，置信區(qū)間95%，最大伸長率-衰減系數(shù)的擬合相關(guān)系數(shù)為97.19%，置信區(qū)間95%，擬合結(jié)果均較吻合。

高溫加速老化使HTPB復(fù)合固體推進劑中聚合物的自由體積逐漸減小，大分子鏈的柔性降低，增塑劑等成分揮發(fā)速度加快；同時，氧化交聯(lián)反應(yīng)使得推進劑粘合劑基體中分子網(wǎng)絡(luò)生成新的交聯(lián)點，其高分子鏈長度及分子之間相互運動都受到影響，低于老化前的水平，彈性貯能有一定程度的增大。

需要說明的是，對用于超聲波檢測的HTPB復(fù)合固體推進劑由于生產(chǎn)配方、組分含量、質(zhì)量分數(shù)等多種因素的不同，所得的具體擬合關(guān)系式不同，但理論上變化趨勢一致。

4 結(jié)論

本文對高溫加速老化HTPB復(fù)合固體推進劑的超聲波參數(shù)變化規(guī)律進行了研究，得到以下結(jié)論：

(1)HTPB 復(fù)合固體推進劑在高溫加速老化過程中，隨著老化時間的增加，超聲波的縱波速度和最大抗拉強度總體均呈現(xiàn)上升趨勢，衰減系數(shù)和最大伸長率總體均呈現(xiàn)下降趨勢；通過建立縱波速度和衰減系數(shù)與最大抗拉強度和最大伸長率的擬合關(guān)系式，擬合度都較高，說明采用超聲縱波速度和衰減系數(shù)來檢測、評估推進劑的老化特性合理可行。

(2)隨著老化時間的增加，超聲縱波速度的相對變化量小于超聲衰減系數(shù)的相對變化量，推進劑的超聲衰減系數(shù)與其力學(xué)性能具有更高的相關(guān)性。

(3)70 ℃高溫加速老化90 d時，最大伸長率的降低幅度過大，超聲聲學(xué)參數(shù)變化幅度較小，二者相關(guān)性較差，后期應(yīng)深入研究高溫加速老化90 d后的超聲波聲學(xué)參數(shù)，進一步分析其與推進劑力學(xué)性能之間的相關(guān)性。