改性双基推进剂高低应变率下压缩特性试验研究

孙朝翔，鞠玉涛，郑健，郑亚，张君发

(南京理工大学 机械工程学院，江苏 南京210094)

0 引言

与双基推进剂不同，改性双基推进剂是一种以双基推进剂为基体，在其中添加固体炸药黑索今(RDX)、固体氧化剂高氯酸氨、金属燃烧颗粒铝粉等，采用螺压工艺制造而成的高能推进剂。从微观结构上看，由于这些颗粒的加入，改性双基推进剂变成一种不均匀的异质推进剂。研究这种异质材料的力学特性变成当前研究领域的一个热点。

从改性双基推进剂固体颗粒/粘合剂界面性质的角度，文献[1]分析了不同RDX 表面包覆材料对推进剂的延伸强度和撞击感度等特性的影响;文献[2]研究了工业级不同RDX 粒度大小对改性双基推进剂的力学性能、燃烧特性等的影响;文献[3]利用动态热机分析仪分析不同RDX 含量对推进剂粘弹特性的影响;文献[4]研究了不同粒度填料的表面和界面性能对推进剂力学性能的影响。从连续损伤角度，文献[5]进行改性双基推进剂准静态下等速拉伸破坏试验，获得其损伤演化方程。

综上所述，目前对改性双基推进剂的研究主要集中在基体/颗粒界面性能对推进剂宏观力学性能的影响上，且这里的宏观力学参数都是在材料试验机上进行的准静态试验结果。推进剂在其生命周期中除了受到低应变率载荷问题，如药柱制造、装配、存储过程中的静态机械载荷问题，也会受到高应变率载荷问题，如运输过程中震动冲击、点火冲击、发射过载等。因此为进行此类推进剂结构完整性分析，需考虑到静动态过程，即高、低应变率2 类情况[6]。当前分离式霍普金森压杆(SHPB)的广泛应用提供了研究材料高应变率下动态特性的手段[7]。而改性双基推进剂在高应变率下力学特性的研究相对较少。如HO 利用SHPB 研究了HTPB/AP 推进剂高应变率下累计损伤效应和点火敏感性[8]。

因此，为获得改性双基推进剂高低应变率下力学行为，作为装药结构完整性分析的基础，本文从宏观力学角度出发，把改性双基推进剂当作连续介质，利用SHPB 和材料试验机进行某改性双基推进剂高低应变率下单轴压缩试验，分析其力学特性，以期为从事药柱结构完整性分析的人员提供数据支持。

1 材料制备和试验方法

1.1 材料制备

因为单轴压缩力学试验简单、可靠，且也为后续建立材料准确地本构模型研究考虑，本文采用单轴压缩试验。试验得到的工程应力—应变曲线通过等体积假设直接转换为真实应力—应变曲线。

本文研究为固体颗粒含量大于50%的某型改性双基推进剂，采用螺压工艺制造成管状药。改性双基推进剂为异质推进剂，试验中发现不同取材方向的试件其力学特性有一定差异。本文中所有的试验试件均沿药柱的轴向取材，经机加工成2 种圆柱压缩试件。静态下试件公称尺寸为φ10 mm×15 mm，动态下试件公称尺寸为φ10 mm ×5 mm.机加工成型后，将试件放入保温箱中在50 ℃下保温24 h，以消除机加工产生的残余应力。

1.2 试验方法及过程

研究中所有试验均在室温20 ℃下进行，静态单轴压缩试验在万能材料试验机上进行。试验进行5 种不同速率的等速压缩试验，试验机夹头速率分别为0.1 mm/min，1 mm/min，10 mm/min，100 mm/min和500 mm/min.试验夹具采用万向联轴器，以保证试件的力加载方向与其几何中心线同轴。

动态试验在南京理工大学火箭技术试验室的SHPB 试验台上进行。改性双基推进剂较金属软，为了改善试件和压杆阻抗严重不匹配造成的透射信号较弱的问题，本试验压杆均选用铝杆[9]:LC4 超高强度铝合金(超硬铝)，屈服极限应力490 MPa，比例极限370 MPa.子弹长300 mm，入射杆和透射杆均长1 400 mm.试验过程中，注意在压杆和试件接触界面处涂上粘性润滑油，以减小或消除摩擦效应对材料应力—应变曲线的影响[10]。

为促使试件内尽快实现应力均匀性和恒应变率，试验中采用脉冲整形技术[11]。值得注意的是，目前大量的SHPB 试验中脉冲整形采用紫铜片，但这不是唯一确定的材料。脉冲整形器的本质是消除试验中高频信号，同时提升入射脉冲上升沿时间，促使试件内的应力均匀化和得到反射波平台来实现恒应变率。本试验中根据不同应变率下波形选择不同材料整形，主要选用了纸片、石棉片和紫铜片3 种材料。动态下进行5 组不同应变率下的试验，每种应变率下试验3 次，进行重复性校验以保证试验数据的可靠性。如图1 所示改性双基推进剂在SHPB 试验中的典型波形图。

SHPB 试验是基于一维应力波理论，试验过程中要求试件满足应力均匀性假设

式中:εi(t)、εr(t)和εt(t)分别为压杆中入射、反射和透射信号的应变历史。

图1 SHPB 试验中的典型波形图Fig.1 Representative pulse signals in SHPB experiment

在满足应力均匀性后，试件应变率、应变和应力的时间历史可由(2)式～(4)式得到:

其中:A0为压杆的横截面积;E0为压杆材料的杨氏模量;c0分别为压杆材料的弹性波波速;As为试件原始横截面积;ls为试件原始长度。

根据(2)式～(4)式处理数据时，只需入射波、透射波和反射波3 个信号中的2 个信号即可得到试件应力—应变曲线，此为二波法。本文数据均为取反射波和透射波的二波法处理。

注意以上得到的是工程应力－应变曲线，真实应力－应变曲线由(5)式～(6)式得到[12]:

其中:ε(t)为工程应变;σ(t)为工程应力。

总辐射年最大值为1 112.I7 W/m2：观测期间净辐射年平均 48.24 W/m2，春季 65.01 W/m2，夏季93.79 W/m2，秋季 30.39 W/m2，冬季 2.42 W/m2，最大 807.98 W/m2，最小 186.99 W/m2。

2 试验结果及力学特性分析

2.1 低应变率试验及力学特性分析

万能材料试验机上获得的改性双基推进剂低应变率下真实应力－应变曲线如图2 所示。试验机夹具速率0.1 mm/min 对应试件的应变率为1.1 ×10－4s－1，依次类推，静态试验应变率范围为1.1 ×10－4～5.5 ×10－1s－1.可看出，改性双基推进剂的压缩特性具有明显的应变率相关性，表现出粘弹塑性。真实应力－应变曲线具有相同的变化规律，主要表现为初始弹性段、屈服阶段、塑性变形阶段和最后的压缩破坏阶段。

图2 低应变率下真实应力－应变曲线Fig.2 True stress－strain curves at low strain rate

从图2 可看出，随着应变率的增加，改性双基推进剂的初始线性弹性模量增加，由1.1 ×10－4s－1下的220 MPa 变为5.5 ×10－1s－1下的416 MPa，增加了约90%;且发生屈服时的屈服应力和屈服应变也随着应变率的增加而增加，屈服应力在1.1 ×10－4s－1应变率下约为6 MPa，在5.5 ×10－1s－1应变率下则为14.1 MPa，屈服应力强化明显。材料在屈服后的塑性变形阶段主要表现为应力随着应变的增加而持续增加，直至破坏，表现为应变强化效应。这与双基推进剂的静态压缩特性[13]有着明显的不同。

双基推进剂是一种均质推进剂，其特性与聚碳酸酯和有机玻璃等非晶态聚合物的特性类似，存在明显的应变软化阶段[14]。应变软化是聚合物材料主分子链运动的表现之一，主分子链运动包括主链上的短链段运动和长链段运动，主链上杂原子的运动和整链运动(液－液转变)等。而本文研究的改性双基推进剂中由于加入了大量固体颗粒，如同基体材料中镶嵌着固体颗粒，基体能承受力发生变形，且静态下，载荷加载速率慢，颗粒不易破碎，能承受一定的载荷而发生变形，表现出一定的颗粒延展性，对材料宏观力学特性有强化的作用，这就是改性双基推进剂静态载荷下表现为应变强化而没有观察到应变软化的原因。

2.2 高应变率试验及力学特性分析

SHPB 试验的2 个基本假定:1)压杆和试件内的一维应力波假定;2)试验中试件应力处于均匀状态。同时试验要求试件在试验早期就实现恒应变率[15]。如图3 所示试验透射波和利用(1)式计算得到的透射波的波形比较图。可看出，在整个应力波载荷时间历程中试验测得透射波和计算得到透射波吻合很好，说明试件内满足了应力均匀性假设。此外，还可看出反射波在加载早期就实现了反射波平台，其达到平台的时间较短预示着在试验初期，即实现了应变率的恒定。

图3 SHPB 中透射波比较图Fig.3 Comparison curves of transmitted waves in SHPB experiment

为进一步说明该点，如图4 所示，给出了利用前述“二波法”处理得到的真实应力－应变曲线以及对应的应变率随应变的变化历程。可看出，应变率在上升到A 点后(对应应变2.1%)基本实现了应变率的恒定，约为4 100 s－1.A 点在应力－应变曲线中即对应B 点，可看出，B 点开始材料发生屈服进入塑性流动阶段。在SHPB 试验中，OA 段是试件内应力波反复传播，实现试件内应力均匀性和恒应变率的过程，这个阶段内的应力－应变曲线OB 段不能反映材料的真实特性。由此说明SHPB 试验中，应力—应变曲线的初始弹性模量可信度不高。

图4 真实应力－应变曲线及其应变率－应变曲线Fig.4 True stress－strain and strain rate－strain curves

对SHPB 试验中每个试件均进行应力均匀性和恒应变率校核，由此得到了改性双基推进剂高应变率下可靠的SHPB 试验数据，如图5 所示。

可看出，且随着应变率的增加，屈服应力增加，弹性模量也显著增加，约为7.7 GPa(虽然SHPB 中得到的弹性模量不可信，但是还是列出以供参考)。动态下改性双基推进剂的屈服应力相比静态下急剧增加，由1 050 s－1下的67 MPa 变为4 000 s－1下的84.6 MPa，具有显著的应变率强化特性。动态下与静态下的改性双基推进剂也存在显著不同，应力－应变曲线主要有初始粘弹段、屈服及随后的塑性流动阶段。塑性流动阶段表现为随着应变的增加，应力开始降低，直至破坏，表现为应变软化效应。

图5 高应变率下真实应力－应变曲线Fig.5 True stress－strain curves at high strain rate

改性双基推进剂高低应变率下的屈服应力随着应变率对数的变化规律如图6 所示。可看出，改性双基推进剂的屈服应力随着应变率的增加而增加，是对数应变率的双线性关系，且在高应变率下斜率更大，屈服应力增加地更快，具有比低应变率下更高的应变率敏感性。

3 破坏形态分析

图6 屈服应力与对数应变率的变化曲线Fig.6 Yield stress versus logarithm strain rate

试验观察发现，改性双基推进剂在万能材料试验机上不同压缩速率下破坏均呈现相同的破坏特征:破坏断面的法线与轴线大致成45° ～55°的倾角，如图7(a)所示。且由图2 可看出，静态下随着应变率的升高，改性双基推进剂发生破坏时的应力也增加，应变也增大。在应变率1.1 ×10－4s－1下，应变约为13%时开始发生破坏;而在应变率1.1 ×10－1s－1下，破坏应变达到30%以上，说明改性双基推进剂压缩性能表现出一定的延展性。但最终在到达一极限值时，发生45° ～55°斜面破坏。这也说明其压缩强度准则为最大剪应力破坏准则，与铸铁压缩特性十分类似。

改性双基推进剂高应变率下试件的破坏分为2 种:1)当应变率很大时，试件直接破碎解体;2)一般高应变率下，试件呈现“喇叭”型变形，如图7(b)所示。由于高应变率载荷加载本质是应力波的加载，而试件在压缩应力波作用下会产生的这种特有的形貌，如果平头柱形金属圆杆高速撞击刚性壁产生的变形一样，即和Taylor 杆试验试件形貌相同。

图7 试件压缩破坏形态Fig.7 Compression failure forms of specimens

4 结论

利用材料万能试验机和SHPB 试验台进行了某改性双基推进剂在应变率1.1×10－4～4.0×103s－1的压缩力学特性试验，并对SHPB 试验数据进行了应力均匀性和恒应变率校核，确定了高应变率数据的有效性。

试验结果表明:改性双基推进剂具有明显的应变率相关性。低应变率下，改性双基推进剂真实应力－应变曲线规律一致，主要由初始粘弹性段、屈服阶段、应变强化阶段及最后的破坏阶段组成。随着应变率的增加，材料的初始弹性模量增加，屈服应力增加。高应变率下，改性双基推进剂应力－应变曲线与静态不同，主要有初始弹性段、屈服阶段和其后的应变软化阶段组成。动态下改性双基推进剂弹性模量相比静态下明显提高，由最低220 MPa 变为7.7 GPa.改性双基推进剂屈服应力表现出对数应变率的双线性关系，且在高应变率下斜率更大，具有比低应变率下更大的应变率敏感性。

由于改性双基推进剂中含有大量固体颗粒，使得其在低应变率下应力应变曲线屈服后表现为应变强化、高应变率下表现为应变软化，这主要因为低应变率下固体颗粒能承受一定的力而发生变形，而高应变率下颗粒易碎，发生破坏。

改性双基推进剂低应变率的破坏均表现为沿45°～55°斜面破坏，为最大剪应力破坏准则，且随着应变率的增加，破坏应变和破坏应力也相应增加。高应变率下破坏特性分为试件破碎和“喇叭”型变形2 种，是改性双基推进剂在压缩应力波作用下的特有形貌。

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