不同温度和拉伸速率下复合推进剂力学性能及破坏模式分析

2019-07-31李高春李树谦王玉峰

固体火箭技术 2019年3期

李高春，李树谦，郭宇，刘铁，王玉峰

(1. 海军航空大学，烟台 264001；2. 中国航天科工集团公司六院四十一所，呼和浩特 010010)

0 引言

复合推进剂药柱是固体火箭发动机的能量来源，又是固体火箭发动机的一个工程构件，在全寿命使用剖面中，要承受热应力、冲击、振动、加速度和点火压力等载荷的作用。由于复合推进剂为粘弹性材料，其力学性能不仅与环境温度有关，而且与加载速率等因素有关。国内外对复合推进剂的粘弹特性进行了大量的研究，王玉峰等[1]对HTPB复合推进剂在不同拉伸速率下的力学性能进行了测试，研究发现，推进剂材料具有明显的应变率效应。王亚平等[2]采用扫描电子显微镜试验手段，研究了拉伸速率对丁羟推进剂拉伸性能的影响，并对不同拉伸速率下丁羟推进剂的破坏机理进行了分析。Tussiwand等[3]研究了推进剂在不同温度下裂纹扩展行为，研究发现在低温情况下裂纹尖端的损伤区和裂纹张开位移明显增加。常新龙等[4]通过扫描电镜试验研究了不同老化和拉伸条件下推进剂拉伸断口形貌以及低温失效机理。王哲君等[5]采用高应变率液压伺服试验机对不同温度和拉伸速率下推进剂力学性能进行试验研究，并分析了温度和应变率对推进剂力学性能的影响，从而为固体火箭发动机药柱点火瞬态条件下结构完整性分析提供依据。从文献研究来看，由于受试验条件和费用限制，主要侧重于给定温度或拉伸速率下性能测试和断口观察，对不同温度和拉伸速率下的失效准则及破坏模式研究较少。近年来，随着固体火箭发动机使用环境越来越复杂，出现了低温条件下发动机点火爆炸的情况。因此，有必要分析推进剂在低温、高拉伸速率条件下的力学特性及破坏模式[6-9]，从而为固体火箭发动机低温点火过程中装药结构完整性分析提供参考依据。

本文采用高速拉伸试验机，进行不同温度和拉伸速率条件下推进剂单向拉伸力学性能试验，分析推进剂力学性能及其变化规律；基于时温等效原理，建立推进剂拉伸破坏的主曲线和破坏包络线。在此基础上，根据获得的推进剂扫描电镜图片，分析推进剂在不同温度和拉伸速率下的细观失效模式，特别是在低温、高拉伸速率条件下推进剂呈现不同失效模式，为装药低温结构完整性分析提供参考。

1 试验方法

1.1 单向拉伸试验

推进剂试件的制取按照GJB 770B—2005所规定的方法执行，试件的形状为哑铃形。采用高速拉伸试验机进行测试，拉伸试验条件：试验温度分别为65、45、15、-25、-45 ℃；拉伸速率为0.5、2、100、500、2000、5000 mm/min。试件在不同温度条件下保温2 h后，采用高速拉伸试验机进行试验。试验采用计算机控制，加载时可保持恒速。通过对应力-应变曲线处理，得到推进剂各项力学性能：初始模量、抗拉强度和断裂伸长率等。

1.2 扫描电镜观察试验

将拉伸断裂后的推进剂试件断口在常温下送入扫描电镜中进行形貌观察，试验采用JSM-5410LV型扫描电子显微镜，加速器电压5 kV。为便于观察对比，拍取放大倍数为50的扫描电镜图像，根据获得的扫描电镜图片分析推进剂在不同温度、拉伸速率下的细观损伤破坏模式。

2 试验结果及分析

2.1 单向拉伸力学性能分析

图1(a)为-25 ℃时不同拉伸速率下推进剂拉伸应力-应变曲线。可以看出，不同拉伸速率下的应力-应变关系呈现基本相同的趋势，在拉伸开始阶段，拉伸应变达到10%之前，其应力-应变线性关系较好，之后应力-应变曲线出现平台区，斜率逐渐减少，呈现非线性关系，最后出现断裂，推进剂的应力-应变曲线具有强烈的非线性。

图1(b)为拉伸速率500 mm/min时不同温度下推进剂的拉伸应力-应变曲线。可以看出，相对于常温拉伸情况，低温条件下推进剂的应力-应变曲线具有以下几个典型特征：初始模量和抗拉强度随温度降低逐渐增大；断裂伸长率随拉伸速率增加而增加，在-45 ℃时断裂伸长率相对于-25 ℃时明显降低。

(a)-25 ℃

(b) 500 mm/min

图2为推进剂初始模量、抗拉强度和断裂伸长率等力学性能随温度、拉伸速率的变化曲线。研究发现，推进剂在不同温度和拉伸速率下的初始模量、抗拉强度和伸长率等力学性能呈现出不同的变化规律。从图2(a)～(d)可以看出，相同拉伸速率下，随温度的降低，初始模量和抗拉强度增加；相同温度，初始模量和抗拉强度随拉伸速率的增加而增加。在低温、高拉伸速率下，推进剂呈现高模量、高抗拉强度。对比拉伸速率和温度对推进剂力学性能影响可知，降低温度与提高拉伸速率具有相同的效应，也就是具有时温等效。

(a)初始模量-温度 (b)初始模量-拉伸速率

(c)抗拉强度-温度 (d)抗拉强度-拉伸速率

(e)断裂伸长率-温度 (f)断裂伸长率-拉伸速率

对于推进剂断裂伸长率，在不同温度和拉伸速率下，呈现较大的分散性。在低温、高拉伸速率下，断裂伸长率降低。

2.2 力学性能主曲线分析

采用WLF方程对各个温度下的时温转换因子进行拟合，结果如式(1)所示:

(1)

根据获得的WLF，将横坐标表示为

(2)

式中L0为试样初始工程标距，mm；V为拉伸速率，mm/min。

纵坐标分别为初始模量、抗拉强度和伸长率等，基于时温等效原理，将不同温度和拉伸速率下的数据平移得到主曲线的散点图，采用不同函数对其进行拟合，得到的力学性能主曲线拟合关系式，具体见表1和图3。

表1 推进剂力学性能主曲线

(a)初始模量 (b)抗拉强度 (c)断裂伸长率

分析表1和图3可知：初始模量、抗拉强度主曲线呈现指数递减趋势，在高温、低拉伸速率情况下，其值减少；断裂伸长率的主曲线呈现多项式关系，在低温和高拉伸速率下，伸长率下降，上述现象容易引起固体火箭发动机在低温条件下工作结构完整性的失效。

由不同温度和拉伸速率下的抗拉强度和断裂伸长率得到破坏包络线，见图4。破坏包络线提供了不同温度和拉伸速率下推进剂失效判据，在曲线的左边推进剂不发生破坏，右边则发生破坏。破坏包络线综合断裂时的应力和应变，相对于最大延伸率等单一参数失效判据更加全面。

图4 推进剂破坏包络线

2.3 破坏模式分析

图5给出了典型温度和拉伸速率下推进剂拉伸断裂断口的SEM图像。从图5(a)、(b)可看出：推进剂在较高温度下拉断时，推进剂的断口可观察到突出的推进剂颗粒和颗粒拔出后留下的凹坑，颗粒表面比较光滑，几乎未见推进剂颗粒发生破碎。表明在这些条件下，颗粒与基体的界面脱粘是其主要破坏形式。

在低温拉伸下(图5(c)～(g))，推进剂断口形貌表现为颗粒断裂、界面脱粘等多种损伤破坏形式。颗粒由完整颗粒变为非完整颗粒，颗粒内部存在微裂纹，颗粒产生了明显的破碎，在较大的颗粒上还能观察到放射状裂纹。温度相同条件下，拉伸速率越高，颗粒破碎越严重；拉伸速率相同，温度越低，颗粒破碎就越严重，在-45 ℃、5000 mm/min下推进剂几乎全部颗粒发生了断裂(图5(h))。

通过观察推进剂低温、高拉伸速率下断口可看出，颗粒断面大部分与拉伸断口表面平齐，部分颗粒表面存在台阶，上述台阶的形成是由于颗粒的取向是无序的，当两个不在同一平面上的断口，通过撕裂作用会形成台阶。

拉伸断口分析可知，在低温、高拉伸速率下，颗粒产生了明显的破碎，呈现与常温颗粒脱湿之间不同失效模式。由脱湿临界应力公式[11-12]可知，在体积分数、颗粒半径不变的情况下，推进剂基体模量增加时，其界面的脱粘应力增加。由于低温和高应变率下基体的硬化作用，其模量提高，颗粒与基体临界脱湿应力增加。在拉伸情况下不易出现脱粘，颗粒内部受力更加严重，容易发生颗粒破碎。低温条件下颗粒更容易发生脆断，从而使低温下颗破碎更加明显。