低温动态准双轴拉伸加载下HTPB推进剂的热老化性能

刘 畅，王哲君，强洪夫，徐卫昌，韩奎侠

(1. 火箭军士官学校，青州 262500；2. 火箭军工程大学，西安 710025)

0 引 言

目前军事科技发展日新月异，导弹武器系统作为现代战争中武器装备重要组成部分，对其战术性能要求也不断提高，尤其是针对强环境下导弹武器系统的安全工作的可靠性变得十分重要。自1980年开始，国内外开展战术导弹的研发过程时，不断发生固体火箭发动机(Solid rocket motor, SRM)在低温热试车时发生爆炸事故[1-4]，而低温条件下点火瞬态推进剂结构完整性的失稳是导致战术导弹SRM事故的重要起因[5-6]。目前，国内外所发射的战术导弹所采用燃料大多都是经不同时间的贮存老化后的推进剂[7-8]。综上，研究贮存老化后战术导弹SRM固体推进剂在低温条件点火瞬态结构完整性是导弹武器发展进步中亟待完成的任务。

国内外研究指出，点火瞬态条件下，固体推进剂药柱安全系数较低的部位往往是内孔表面[9-10]。D’Andrea等[11]研究表明，点火瞬态推进剂内孔表面成近似双向拉伸加载。因此，为更好研究固体推进剂的结构完整性，就需要对双向拉伸条件下推进剂的力学性能和细观损伤开展实验。张丽华等[12]通过利用自主设计的试验夹具，成功在准静态单轴试验机上开展了固体推进剂的双轴拉伸试验，验证了试验方法的可行性并发现了推进剂的力学各向异性。强洪夫等[13]通过减小十字形推进剂中部的厚度，将固体推进剂加载在低速双轴拉伸开展试验。贾永刚等[14]在原推进剂十字件的拉伸臂段开槽开展低速双向拉伸试验，通过试验可以发现推进剂在双轴拉伸影响下力学性能发生改变。Jalocha[15]通过将双向连接区域半径增大的推进剂加载在低速双向拉伸机开展实验，得出在一定应变时双向拉伸加载下对推进剂非线性黏弹性的影响。但这些已开展的研究主要集中于不同温度条件下应变率小于1 s-1的准静态拉伸加载时，固体推进剂力学性能随温度和应变率的变化情况。目前几乎未开展在低温环境下高速拉伸对固体推进剂的研究，特别是当温度与拉伸速度共同作用时单一因素对固体推进剂影响的分析。目前，文献[16-17]通过对常温和低温准静态加载下固体推进剂拉/压强度比进行研究发现，推进剂在不同温度条件下更容易因为拉伸加载而失效。但文献[18-21]提出固体推进剂的性能对分析真实低温点火条件下战术导弹SRM药柱的结构完整性具有更重要的作用。综上，开展低温条件下固体推进剂的高速拉伸试验可以为分析低温环境时固体发动机点火瞬间结构完整性提供数据支持。

王志存[22]通过分析计算发现，利用板条试验件可近似实现固体推进剂应力比为1∶2的双轴拉伸。结合板条试验件以及新型单轴高性能试验机，文献[23-24]首次开展了未老化HTPB推进剂的动态(1～102s-1)准双轴拉伸试验，但针对该加载状态下推进剂的老化性能还未进行研究。因此，在上述研究基础上进一步开展热加速老化后HTPB推进剂的准双轴拉伸试验，分析热加速老化时间、温度以及应变率对推进剂宏观力学性能的影响规律。同时，针对拉伸断面开展扫描电镜(Scanning electron microscope, SEM)观察试验，分析不同条件下推进剂的细观损伤等细观性能变化，进而深入讨论宏观力学性能的变化。

1 试验材料及方法

以典型战术导弹SRM用固体颗粒(AP/Al)填充质量分数88%的三组元端羟基聚丁二烯(Hydroxyl-terminated polybutadience, HTPB)推进剂为研究对象，根据文献[23-24]的试验方法制作板条试验件。为缩短试验周期，采用高温热加速老化方法研究长期贮存后HTPB推进剂的老化性能。参考GJB770B-2005《火药试验方法》，将板条试验件放入防爆油浴烘箱，进行油浴70 ℃热加速老化0 d、32 d、74 d和98 d处理。热加速老化后，开展25 ℃、-30 ℃和-50 ℃以及0.0152 m/s、0.038 m/s、0.152 m/s和0.543 m/s(应变率分别为0.40 s-1、1.00 s-1、4.00 s-1和14.29 s-1)条件下的拉伸试验。-30 ℃和-50 ℃条件下拉伸试验前，对推进剂进行低温冷冻24 h。试验件与试验机的连接如图1所示，拉伸过程与单轴拉伸时相类似[25]。

图1 试验件与试验机装配图Fig.1 HTPB propellant sample with the testing machine INSTRON VHS 160/100-20 in place

板条试验件拉伸时，沿外载荷方向(或竖直方向)对推进剂部分直接施加拉伸应力。同时，由于上下支撑板限制了推进剂部分沿水平方向收缩，则在水平方向对推进剂施加第二拉伸应力，最终实现双轴拉伸。板条试验件拉伸过程中，其中心区域的受力状态与点火建压等载荷下固体推进剂药柱中部内孔表面相似。因此，基于板条试验件获得的低温动态准双轴加载下固体推进剂的老化性能，更能直接真实反映长期贮存后SRM药柱在低温点火条件下的受力状态和失效行为，并有助于对其进行结构完整性分析。其次，板条试验件形状相较十字形试验件更简单，且无需对推进剂进行专门雕刻、开槽等危险加工处理，相较文献[13-15]的试验方法降低了试验件失效风险，有益于获得更好的试验结果。第三，图1所示的夹具和装配方式，相较张丽华等[12]的试验方法更简单，便于夹具的加工以及开展大量试验件的拉伸试验。

2 试验结果分析

2.1 应力应变曲线分析

沿试验机拉伸方向(竖直方向)的热老化后HTPB推进剂的典型应力-应变曲线如图2所示，所有图中纵坐标均为归一化处理后无量纲数据，Cσ,CEbt与Cσbmt为归一化因子。

由图2可知：1)老化后推进剂的拉伸曲线均呈现弹性段、损伤段和破坏段三段特性，推进剂力学性能仍受温度和应变率影响明显。2)随温度持续降低和应变率不断升高，应力在较低应变处达到峰值，然后迅速下降。3)相比未老化时的情况[23]，老化后HTPB推进剂在低温动态准双轴拉伸时并未出现“双峰”现象(如图2(c)～图2(d)所示)，这进一步说明不同热老化时间下固体推进剂的双轴力学性能有明显区别。上述有关现象将在后文讨论。

图2 不同温度、应变率条件准双轴拉伸加载下热老化HTPB推进剂的应力-应变曲线Fig.2 Quasi-biaxial tensile stress-strain curves of thermal aged HTPB propellant at various temperatures and strain rates

2.2 温度和应变率对老化后力学性能的影响分析

以热加速老化32 d后HTPB推进剂的典型力学性能参数变化进行分析，如图3所示。由图3可知，热加速老化后，推进剂的准双轴拉伸典型力学性能参数随温度和应变率的变化关系与未老化时保持一致。即热加速老化后，初始弹性模量Ebt和最大抗拉强度σbmt仍随温度降低和应变率升高而不断增大，且在0.4～14.29 s-1应变率范围内，这两个参数与应变率之间存在明显的线性对数关系。但最大伸长率εbmt随温度降低以及应变率升高而不断减小，-50 ℃、14.29 s-1加载条件下的数值为室温0.40 s-1条件下数值的28.79%。

图3 不同温度下老化后HTPB推进剂的力学性能参数与应变率之间的关系Fig.3 Relationships of mechanical parameters for aged HTPB propellant and strain rate at various temperatures

2.3 热加速老化时间对典型力学性能的影响分析

图4和图5为准双轴拉伸时HTPB推进剂的力学性能参数随热加速老化时间变化的典型关系图。由图4和图5可知，最大抗拉强度σbmt随老化时间增长呈非线性增大关系，且增大速率不断减小。但最大伸长率εbmt随老化时间增长而不断降低，且减小速率不断减小。

目前，根据测试数据变化规律，国内外研究学者主要采用线性模型、指数模型以及对数模型描述老化后固体推进剂的力学性能参数随老化时间的变化[26-27]。

由图4和图5可知，目前提出的的线性模型以及对数模型[26-27]不能描述准双轴拉伸加载下热老化时间0～98 d内HTPB推进剂的最大抗拉强度σbmt和最大伸长率εbmt随老化时间的非线性变化，而指数模型拟合效果(或相关系数)低于采用式(1)所示的改进模型。如表1所示，提供Levenberg-Marquardt算法得出式(1)中的参数。根据式(2)计算相关系数。

图4 -30 ℃条件下最大抗拉强度与热老化时间关系Fig.4 Relationships between the maximum tensile stress and thermal aging time at -30 ℃

图5 -30 ℃条件下最大伸长率与热老化时间关系Fig.5 Relationships between the maximum elongation and thermal aging time at -30 ℃

P=P0+K·exp(-tα/β)

(1)

式中：K和β均为与温度有关的性能变化速度常数；tα为热加速老化时间(d)。该模型更适合描述1～100 s-1应变率范围内动态加载时的情况。

(2)

表1 -30 ℃条件下典型力学性能参数与热老化时间的关系式Table 1 Relationships between the typical mechanical parameters and thermal aging time at -30 ℃

2.4 细观损伤研究

图6为典型加载条件下热老化后HTPB推进剂的拉伸断面电镜扫描图片。由图6可知，相同热老化时间，常温低应变率条件下，推进剂的细观损伤以AP颗粒发生“脱湿”为主，随应变率升高，“脱湿”现象逐渐减弱。低温较低应变率条件下，推进剂内部出现AP颗粒断裂，随应变率升高，AP颗粒断裂的数量急剧增大，细观损伤变得更加严重；相同温度和应变率条件下，随热老化时间增长，推进剂以“脱湿”和AP颗粒断裂为表现形式的细观损伤程度也变得更加严重，但基体撕裂较未老化时有所减弱[24]。这表明温度和应变率依旧能够影响准双轴拉伸加载下热加速老化后HTPB推进剂的细观损伤(或细观性能)，同时，热加速老化也能明显影响低温动态准双轴拉伸加载下HTPB推进剂的细观损伤(或细观性能)，进而推进剂的宏观力学性能受到上述诸多因素的共同影响。

其次，相较低温动态单轴拉伸时老化后HTPB推进剂的细观损伤情况(如图6(f)和图6(i)所示)，准双轴拉伸条件下老化后推进剂的细观损伤形式没有发生改变，但损伤程度有所减弱，尤其是室温或较低应变率条件下的损伤情况。主要原因有以下两点：1)板条实验件拉伸时，沿试验机加载方向的应力大于沿水平方向的应力，且近似为2倍关系[22]。因此，推进剂内部细观结构微裂纹产生与扩展的方向与单轴拉伸时一致，导致两种应力状态下推进剂的细观损伤形式保持一致，进而使得准双轴拉伸时沿试验机加载方向的推进剂的应力-应变曲线特性与单轴拉伸时保持一致。2)拉伸加载条件下固体推进剂细观结构的界面破坏或固体填充颗粒的断裂，都属于张开型裂纹的产生与扩展。板条推进剂在高速拉伸作用下，固体推进剂基体的撕裂趋势与拉伸机加载方向相垂直，而水平方向的力学影响并不改变基体裂纹的产生与发展，但可以改变基体裂纹的横向扩展速率或阻碍加载方向上裂纹的发展情况。因此，准双轴拉伸时HTPB推进剂的细观损伤程度又弱于单轴拉伸时情况。低温或高应变率条件下，推进剂内部细观结构的损伤程度较高，应力状态以及热加速老化时间的影响变弱。因此，SEM图像区别不明显。正是由于动态单轴加载下和准双轴加载下老化后HTPB推进剂的细观损伤不同，进而影响推进剂的宏观力学性能。因此，进一步表明仅采用一维动态单轴拉伸试验获得的数据分析低温点火条件下战术导弹SRM药柱的结构完整性会带来较大的偏差，需要开展低温动态双轴加载下HTPB推进剂的老化性能研究。

图6 不同因素条件下老化后HTPB推进剂的拉伸断面SEM图(×200)Fig.6 SEM images of tensile fracture surface for aged HTPB propellant under different conditions (×200)

张兴高[26]指出，热加速老化后HTPB复合固体推进剂的拉伸初始弹性模量Ebt和最大抗拉强度σbmt总体上升高，而最大伸长率εbmt降低。由于低温动态加载下最大伸长率仍满足随热老化时间增长而不断下降的规律，且最大伸长率随温度、应变率和热加速老化时间的变化能反映推进剂内部细观损伤机理和损伤程度的变化。因此，可将最大伸长率定义为分析低温动态单轴加载下HTPB推进剂失效的判据。因此，可将最大伸长率εbmt定义为分析长期贮存后战术导弹SRM药柱结构完整性的失效准则。

低温动态准双轴拉伸加载时，HTPB推进剂的最大伸长率随热老化时间增长而不断降低，老化98 d后-50 ℃、14.29 s-1加载条件下的数值为未老化时室温、0.40 s-1条件下数值的25.63%。该参数的变化通常是对不同加载条件下固体推进剂物理性能变化和细观损伤变化的反映[28-29]，本文研究中其发生改变的主要原因如下：1)室温条件下，随应变率升高，裂纹来不及发生扩展，“脱湿”损伤程度较弱(见图6(b)和图6(g))，因而最大伸长率仍较高。2)低温条件下，粘合剂基体刚性变强，柔性减弱。因此，推进剂弹性模量和最大拉伸强度增大，但伸长率降低。同时，低温使得粘合剂与固体填充颗粒之间的界面粘接强度增强，则低温条件下HTPB推进剂的细观损伤以AP颗粒断裂为主(见图6(c)和图6(h))。随应变率升高，颗粒断裂数量增大，损伤程度变得更严重，则伸长率不断降低。在高应变率加载时，推进剂内部AP颗粒几乎全部断裂，损伤程度异常严重(见图6(d)和图6(j))。因此，相应加载下最大伸长率的数值非常小，且应力达到峰值后迅速下降，曲线特性与其它加载条件下不同。3)热加速老化时，HTPB推进剂基体粘合剂网络结构的氧化交联占主导地位，则随老化时间的增长，推进剂具有更低的伸长率。此外，热加速老化后，HTPB推进剂的玻璃转化温度升高。因此，推进剂高分子链和链段运动在更小应变率时被限制，即热加速老化后AP颗粒在更低应变率时易发生断裂，损伤程度增大，进而导致热加速老化后HTPB推进剂的拉伸曲线上不再出现“双峰”现象，推进剂的力学性能发生改变。

3 结 论

1) 低温动态准双轴拉伸加载下，热加速老化前后，HTPB推进剂的应力-应变曲线特性基本上保持一致。推进剂的最大抗拉强度随热加速老化时间增长呈增长速率不断减小的非线性增长趋势，但最大伸长率随热加速老化时间的增长呈减小速率不断降低的非线性减小趋势。热加速老化98 d内，改进型非线性模型能够更好地描述上述典型力学性能参数随热老化时间的变化关系。

2) 随温度降低，细观损伤形式由“脱湿”逐渐变为AP颗粒断裂。室温下，随应变率升高，推进剂的细观程度损伤减弱；低温下，随应变率升高，推进剂的细观损伤程度增强。准双轴拉伸加载下，热加速老化后HTPB推进剂的细观损伤程度相比单轴拉伸时有所减弱。此外，热加速老化时，HTPB推进剂基体粘合剂网络结构的氧化交联占主导地位。因此，随热加速老化时间的增长，推进剂最大伸长率降低。且由于热加速老化后HTPB推进剂的玻璃转化温度升高，AP颗粒更易发生断裂，损伤程度增大，最终导致热老化后推进剂的低温动态准双轴拉伸应力-应变曲线上不再出现“双峰现象”。但是通过观察SEM图片由于存在主观因素还无法进行量化分析，未来需要进一步采用更加有效的实验手段进行观察研究。

3) 根据实验结果，可将双轴拉伸加载下不同热老化时间时的最大伸长率定义为分析长期贮存后战术导弹SRM药柱在低温点火条件下结构完整性的失效准则，老化32 d、74 d和98 d后-50 ℃、14.29 s-1加载条件下的最大伸长率分别为未老化时室温、0.40 s-1条件下数值的28.79%、27.58%和25.63%。