双基固体推进剂率相关性研究

张建彬，鞠玉涛，周长省

（南京理工大学 机械工程学院，南京210094）

固体推进剂药柱在生产、贮存、运输和使用过程中，将承受各种复杂的载荷，这些载荷很可能会使推进剂药柱内部产生应力和应变，如果超过其力学性能的允许范围，很可能造成药柱破裂、变形和药柱及壳体粘结面的脱粘，从而破坏固体推进剂装药的结构完整性，导致发动机工作性能严重恶化，甚至引起整个发动机爆炸[1].众所周知，材料的力学性能与其变形温度、应变率、应力状态等因素有关[2].文献[3～5]在单向拉伸下对复合推进剂的力学性能和本构方程进行了研究；李吉祯等通过试验研究了改性推进剂成分对其力学性能的影响[6]；文献[7]从燃烧机理对双基推进剂的性能进行了研究；HERDER G等用DMA测试了双基推进剂的存储模量和损耗模量，并与传统拉伸试验机的测试结果进行了对比分析[8].双基推进剂燃烧产物均为气体，是一种清洁的固体推进剂燃料，常作为各类导弹燃气动力系统的能源.而国内外对双基推进剂的屈服响应和断面形貌系统性的研究较少.本文对某双基推进剂在不同温度和应变率下的力学性能进行了试验研究，并分析了其屈服响应及其试样断面的变化规律，以便为以后的双基推进剂的选择和装药的结构完整性分析奠定基础.

1 试验部分

1.1 推进剂试样

主要原料：硝化棉（NC，56%）、硝化甘油（NG，26.7%）、二硝基甲苯（DNT，11.3%），其它（6%）.本试验采用的试件取制于某双基推进剂药柱，根据航天部标准QJ924－85将药柱采用机械加工方法制成哑铃状试样，如图1所示.

图1 双基推进剂试样（单位：mm）

1.2 仪器及试验条件

机加工后，所有试样在323.15 K温度下保温48h，以消除机加工时的残余应力.试验前，拉伸试样再在恒温箱里实验温度下保温4h.试验时，拉伸试样及夹具置于具有温控箱的QJ211B型电子万能试验机上，同时在试样的标距内安装上纵向引伸计.试验温度分别为233.15K、288.15K、323.15K，而应变率分别为50.5×10－4s－1、126.25×10－4s－1、252.5×10－4s－1、1 262.5×10－4s－1，每组试验需5个试样.试验前检查计算机程序设置无问题时，启动计算机程序实时记录推进剂单向拉伸应力和试样的变形值.

2 结果分析

2.1 应力应变与温度及应变率的相关性

本研究对该双基推进剂试样在3种温度、4种应变率下做了单向拉伸试验.该双基推进剂哑铃试样在3种温度、4种应变率下，单向拉伸直到试样断裂为止的5次试验的平均拉伸应力－应变曲线如图2所示.图3为在不同温度T下，试样的断裂强度σ和断裂延伸率的散差与应变率的关系.

图2 不同温度和应变率下应力－应变曲线

图3 不同温度下断裂性能散差直方图

由图2、图3可见，在同一环境温度下，随着应变率的增加，断裂强度随之增大，在低温（233.15K）时断裂延伸率随之减小，并且每组的断裂强度和断裂延伸率的散差相对较大，而在常温（288.15K）和高温（323.15K）时断裂延伸率无明显差异，并且每组的断裂强度和断裂延伸率的散差相对较小，产生这种情况的原因可能是双基推进剂在低温（233.15K）时近似为脆性材料，而在常温（288.15K）和高温（323.15K）时为粘弹塑性材料；在同一应变率下，随着环境温度的增加，断裂强度随之降低，而断裂延伸率随之增大.所得试验结果与双基推进剂力学性能现存的主要问题（高温强度低、低温延伸率低[1]）相一致.在低温（233.15K）下不论低速还是高速拉伸时应力增长都很明显，应力－应变近似为线性关系.在常温（288.15K）和高温（323.15K）下单向拉伸时，当应变在某一较小范围内时，应力与应变基本上呈线性关系，应力在此范围内有显著的变化，而延伸率变化不太明显；当应变超出这一范围时，应力与应变偏离线性关系，且随着应变的增大，偏离程度增大，接着出现粘塑性流动现象，其流动应力随应变率的增高而增大，在此非线性范围内应力变化较缓慢，而延伸率变化相对较快.

比较这3种环境温度下的应力－应变曲线可以发现，常温（288.15K）与高温（323.15K）不同应变率下，应力－应变曲线可分为2个阶段：起始阶段，应力应变呈近似的线性关系；平台阶段，在此区域应力变化比较平缓，而应变则随着加载时间的延长而逐渐增大，直到试样断裂，随着环境温度的增加，应力平台阶段更为明显.而低温（233.15K）拉伸应力－应变曲线没有平台区，其应力－应变曲线近似呈线性关系，说明该推进剂在低温（233.15K）环境下进入了玻璃化状态，可近似为脆性材料.通过以上分析可知，该双基固体推进剂的应力－应变与温度和应变率都有明显的相关性.

2.2 断裂性能与应变率的相关性

由图2、图3可知，随着应变率的增加，断裂值随之增加，推进剂的断裂强度和断裂延伸率与应变率的对数成线性关系，如图4所示.

图4 断裂性能与应变率的相关性

由图4可知，双基推进剂的断裂强度和断裂延伸率与对数应变率呈线性关系，直线拟合方程的相关系数R接近1，说明直线拟合有很高的可信度.但是断裂强度和断裂延伸率的变化趋势不完全一致，随着应变率的增加，断裂强度随之增大，在低温（233.15K）时推进剂近似为脆性材料，断裂延伸率随之减小，而在常温（288.15K）和高温（323.15K）时推进剂为粘弹塑性材料，断裂延伸率随之变化比较平缓.可见双基推进剂的断裂性能与应变率有明显的相关性.

2.3 屈服值与应变率的相关性

由图2可知，双基推进剂在低温（233.15K）时近似为脆性材料，在常温（288.15 K）和高温（323.15K）单向拉伸时出现粘塑性流动现象，则双基推进剂此时属于粘弹塑性材料，存在屈服现象，但是其应力－应变曲线不存在明显的屈服降.屈服值只能通过沿应力－应变曲线的起始部分和最终部分做两条切线，由切线夹角的平分线与曲线的交点来确定.常温（288.15K）和高温（323.15K）下屈服强度σy和屈服应变εy与对数应变率关系如图5所示.

图5 常温和高温时屈服值与应变率的相关性

由图5可看出，双基推进剂在常温（288.15K）和高温（323.15 K）不同应变率下屈服值的变化趋势不完全一致.在同一温度下，随着应变率的增加，屈服强度随之增加，而屈服应变随之减小；在同一应变率下，随着温度的增加，屈服强度随之减小，而屈服应变随之增加.

对金属材料而言，屈服极限是表征材料抵抗塑性变形的能力，是设计和选材的主要依据之一，不容许有明显塑性变形的零件，以屈服强度为强度设计指标.双基推进剂在一定条件下也表现出塑性变形，所以为了安全起见，设计固体推进剂装药时应该以屈服值为主要依据，也就是以推进剂的屈服值为许用值来设计推进剂的装药药型和结构.

2.4 试样断面形貌分析

双基推进剂在不同的温度条件下，所呈现的力学性能相差很大，在低温（233.15 K）下近似可看成脆性材料，在单向拉伸时试样很可能崩断为好几段，所以很难得到低温下试样的完整断面.而在常温（288.15K）和高温（323.15K）时试样在较低或较高应变率下都不存在崩断的现象，这与双基推进剂在常温或高温下是粘弹性材料相吻合，常温和高温不同应变率下试样断面形貌如图6所示.

平常所说的白痕在这里是指应力发白，是推进剂试样在应力作用下产生的大量微裂纹聚集区（根据应力发白程度的大小和发生区域，可能包括一定数量的银纹、裂纹和微孔），由于此区域折光指数降低而呈现白色，即应力发白是产生微裂纹、微孔或银纹化的结果.由图6（a）可见，常温（288.15K）下双基推进剂在较低应变率下的断面比较光滑，随着应变率的增加，断面变得越来越粗糙；在较低应变率下断面处有个90°的圆弧白痕，随着应变率的增加，圆弧白痕逐渐变小，并且白痕越来越不明显，而形貌变为90°的椭圆弧.由图6（b）可见，高温（323.15K）下双基推进剂在不同应变率下的断面光滑程度相差不大，但是随着应变率的增加，断面变得相对粗糙；断面处有个半月牙弧的白痕，在较低应变率下白痕比较明显，随着应变率的增加，半月牙弧的白痕逐渐变小并且白痕越来越不明显.而在低温不同应变率下，试样崩断很难得到完整的断面，但是从常温（288.15K）和高温（323.15K）下的断面可以推测，在低温（233.15K）不同应变率下，随着应变率的增加，断面的光滑程度变得更差，断面上的白痕变得越来越小，白色程度也变得相对较浅.试样断面形貌的规律也表明了双基推进剂的力学性能与环境温度和应变率有很紧密的联系.

图6 不同温度下试样典型断面形貌

3 结论

①双基推进剂药柱在低温（233.15 K）下基本处于玻璃化阶段，断裂强度较大，大约为45.33～54.44 MPa，断裂延伸率较低，其值为2.45%～4.02%；而在常温（288.15K）或高温（323.15K）阶段断裂强度相对较小，常温（288.15K）时大约为高温（323.15K）时的2倍，但是断裂延伸率相差不明显，都在11%～15%之间.

②双基推进剂药柱的力学性能与环境温度和应变率都有明显的相关性，在较低温度（233.15K）下近似为脆性材料，应力与应变大体上呈线性，而在常温（288.15K）和高温（323.15K）下呈现为明显的粘弹塑性材料，应力与应变存在明显的非线性关系，并且存在明显的应力平台区.

③本文提出了针对双基推进剂屈服值的判断方法.为安全起见，应以屈服值为许用值来设计推进剂装药药型和结构.

④双基推进剂低温（233.15 K）拉伸时存在崩断现象，而在常温（288.15K）和高温（323.15K）拉伸时不存在此现象.拉伸试样的断面存在应力发白现象，在同一温度、不同应变率下，随着应变率的增加，断面的光滑程度随之变差，断面上应力发白程度随之降低.在同一应变率、不同温度下，随着环境温度的升高，应力发白程度随之增加.

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