HTPB推进剂“脱湿”性能表征及影响因素试验研究 ①

2020-08-01张镇国张宏亮

固体火箭技术 2020年3期

张镇国，张宏亮，侯晓，阎涛,郜婕

(1.中国航天科技集团有限公司四院四十一所,燃烧、流动和热结构国家重点实验室，西安 710025；2.空军装备部驻西安地区第八军事代表室，西安 710025;3.中国航天科技集团有限公司四院四十四所，西安 710025)

0 引言

目前广泛使用的HTPB复合固体推进剂是一种由金属颗粒、氧化剂粒子与具有粘弹性的高分子粘结剂基体复合而成的一种颗粒增强含能复合材料，各组分间有明显的界面，细观结构不均匀，属于非均质材料。相关研究表明[1-2]颗粒增强复合推进剂的界面“脱湿”是微孔洞、微裂纹形成并导致推进剂损伤破坏的主要形式，是影响固体推进剂力学性能的关键因素。

HTPB推进剂中的增强体固体颗粒的弹性模量远高于HTPB粘结剂基体的弹性模量[3]，这就使得对于施加于推进剂的应变载荷，传递到颗粒界面时所产生的拉/压应力只能使颗粒产生极小的应变，其颗粒体积可认为几乎不变；而对于HTPB基体而言，其泊松比达0.499 1以上，具有典型的超弹特性[4-5]，可近似认为不可压缩；所以一般认为HTPB推进剂的宏观体积膨胀本质上是其内部增强体颗粒与HTPB基体的粘接界面“脱湿”形成孔洞的结果，因此通过测量推进剂的宏观体积膨胀来表征其“脱湿”性能是一种直接有效的途径。早期研究人员[6-7]使样品在流体介质中经受应变，通过毛细管液位来测定颗粒填充复合材料在静应变条件下的体积变化；为提高测量精度，有学者[8]提出了利用比重测量体积变化的浮力技术，这种技术通过测量样品在发生应变时引起的密度变化来获得膨胀数据，该方法精度有所提高，但操作繁杂，花费时间长，应变增量间的数据难以获取；Farris等[9-11]基于体积膨胀原理率先研制出一种测量高聚物体积膨胀行为的膨胀计，该仪器根据试验腔与参考腔的压差变化来间接计算推进剂体积的变化量，并通过研究指出高聚物内空穴及微裂纹的产生和发展是导致材料力学性能降低的重要影响因素；国内学者赵伯华等[12-13]利用其研制的实时体积形变测量系统给出了固体推进剂的体积蠕变柔量、体积松弛模量和材料的初始气孔率，但没有开展推进剂“脱湿”导致的体积膨胀研究。

本文简单介绍了推进剂“脱湿”测量装置的原理及结构组成，并基于该装置开展了不同应变率及不同配方下的推进剂“脱湿”性能研究，给出了推进剂在拉伸过程中的实时体积膨胀率曲线。本文对药柱结构完整性分析、药柱力学性能预示及可靠性评估均具有重要实用意义。

1 试验系统及试验方案

1.1 试验系统

推进剂“脱湿”性能试验的主要目的在于获得其受拉时的实时体积膨胀数据，根据体积膨胀数据再进一步分析其“脱湿”性能。本文主要参考气体膨胀计原理，将推进剂密封于测试腔内，通过测量测试腔与参考腔的压差变化数据得到体积变化数据。试验系统的结构组成示意图如图1所示。

由于力传感器的引入会使测试腔内的温度发生波动，继而引起测试腔内气体压力升高，增大测试误差，本文所研制装置没有加入力传感器。另外限于实际情况，本文所研制装置没有加入温控系统及压力控制系统，目前装置只能用于常温常压下的推进剂“脱湿”性能测试。

图1 试验加载装置结构示意图

1-Fixture；2-Specimen；3-Fixture；4-Micrometer；5-Pedestal；6-Displacement sensor；7-Moving beam of material； 8-Stretching；9-Internal screw；10-First pipe；11-Seccond pipe；12-Differential pressure transducer；13-Test chamber；14-Static beam of the material testing machine；15-Reference chamber。

1.2 测量原理

在试验过程中，随着轴向不断被拉伸，试件体积不断膨胀，测试腔内气体体积和压力会同步发生变化，但由于测试腔是完全密闭的，故根据克拉伯龙方程有

(p1+Δp)(V1+ΔV)=n1RT1=p1V1

(1)

式中p1为测试腔气体介质初始压强；Δp为测试腔内气体介质压强变化量；V1为测试腔气体介质初始体积；ΔV为测试腔内气体介质体积变化量；n1为测试腔内气体介质摩尔数；R为气体常数；T1为测腔内气体初始温度。

将式(1)进一步变换得到式(2)：

(2)

通过查阅文献，发现Δp在1000 Pa的范围以内变化，即Δp<1000 Pa，又p1大致约为一个大气压，则：

(3)

(4)

式(4)中的参数k和c可通过标定试验获得；Δp为测试腔与参考腔的压差，通过高精度(测量精度为0.2%)光敏压差传感器直接测量得到。

1.3 试验方案

本文主要研究常温常压下不同配方、不同应变率这两个因素对HTPB推进剂“脱湿”性能的影响，试验时认为温度恒定，不考虑温度波动的影响。

传统的力学测试试件为哑铃型，试验时其两端部分仍会出现体积膨胀，给试验带来较大影响。因此，本文在哑铃型试件的基础上，切除两端的部分，以达到提高测试精度目的，如图2所示。

图2 试验所用试件

同时为提高试件和夹具的粘接效果，保留试件两端的圆弧部分。试验考虑0.5、20、50、100、200 mm/min 五种拉伸速率，由试件总长为70 mm，则所对应的应变率分别为1.19×10-4、4.76×10-3、1.19×10-2、2.38×10-2、4.76×10-2s-1。三种HTPB推进剂的具体配方如表1所示。

表1 推进剂中各组分的体积分数

2 试验结果分析

2.1 推进剂的典型“脱湿”特性

采用所研制的“脱湿”性能测试装置进行试验，推进剂试样为配方1，拉伸速度为20 mm/min，所得到的推进剂的体积膨胀率与应变的原始数据如图3所示。图3中的局部放大图显示了实际测量得到的数据点具有明显的涨落特性，但数据分布较为集中。经过LOWESS算法滤波之后的推进剂膨胀率与应变的典型关系曲线如下图4所示。

从图4可看到，推进剂的体积膨胀率在开始一段应变内几乎为零，这表明此阶段推进剂内部还没有发生“脱湿”，即AP、Al等增强体颗粒与HTPB基体的粘结界面还没有发生破坏，但由于推进剂基体并非理想超弹体，其体积仍可能存在微小膨胀，使得推进剂整体的体积在开始阶段存在微小膨胀量；在应变载荷逐渐增加的过程中，推进剂内部的界面会出现损伤并累积，直到应变增大到某一临界点，推进剂的体积膨胀率开始显著增大，体积膨胀率曲线进入到过渡区，这表示在推进剂内部已经存在颗粒界面失效，内部产生了空穴、微裂纹等缺陷；随着应变继续增长，体积膨胀率曲线逐步进入到稳定增长区，该阶段体积膨胀率曲线的斜率变化幅度较小，表明推进剂内部空穴增长速率达到了一个相对稳定值。

图4 滤波处理后的膨胀率曲线

为进一步刻画推进剂的“脱湿”性能，本文采用起始“脱湿”点、特征“脱湿”点和特征“脱湿”速率来表征其“脱湿”性能。参考国外相关研究[9-11]，本文定义当推进剂的体积膨胀率达到0.001 5时所对应的应变点为起始“脱湿”点，如式(5)所定义：

(5)

式中 ΔV为体积膨胀量；V0为初始体积；Ds为起始“脱湿”点。

推进剂的体积膨胀率与应变的关系曲线的一次导数表征“脱湿”速率的大小，其最大导数定义为特征“脱湿”速率，如式(6)所示：

(6)

式中Dk为特征“脱湿”速率。

通过体积膨胀率曲线的一次导数最大值所在的位置点，以Dk为斜率做直线，该直线称为特征“脱湿”线，特征“脱湿”线与横轴的交点定义为特征“脱湿”点，以Dg表示，如图4所示。起始“脱湿”点、特征“脱湿”点和特征“脱湿”速率均为无量纲数，对于确定的推进剂而言，其起始“脱湿”点、特征“脱湿”点和特征“脱湿”速率具有统计确定性。起始“脱湿”点表征推进剂内部开始“脱湿”时的对应应变，其大小与体积膨胀率判断阈值的设定有关；特征“脱湿”点表征推进剂发生起始“脱湿”损伤的难易程度，特征“脱湿”点越大表示该推进剂越不容易发生起始“脱湿”；特征“脱湿”速率表征推进剂发生起始“脱湿”后，“脱湿”损伤发展的快慢程度。

对于图4所示的试验数据而言，其起始“脱湿”应变为0.094 5，特征“脱湿”点为0.135 8，特征“脱湿”速率为0.358 6。

2.2 应变率对“脱湿”性能的影响

对同一配方的推进剂在不同应变率下进行“脱湿”性能试验，选用3号配方的推进剂。将得到的试验数据经过LOWESS算法滤波之后绘制成图5。

图5 不同应变率下的膨胀率曲线

按照2.1节对起始“脱湿”点、特征“脱湿”点和特征“脱湿”速率的定义，数据处理后得到的具体“脱湿”性能参数整理成表2。可看到起始“脱湿”点与特征“脱湿”点具有一定的依从关系，以起始“脱湿”点作为自变量，特征“脱湿”点作为因变量，对表2数据进行拟合，得到：

Dg=0.641 76Ds+0.160 79

(7)

本文着重从特征“脱湿”点和特征“脱湿”速率的情况分析其“脱湿”性能，将特征“脱湿”点与特征“脱湿”速率的变化情况绘成图6。结合图5和图6可看到推进剂的“脱湿”性能具有明显的率相关性，应变率越高，则其特征“脱湿”点越小，特征“脱湿”速率越大。

表2 不同应变率下的“脱湿”性能数据

根据图6还可看出随着应变率的增大，推进剂的特征“脱湿”点减小的速率越来越小，特征“脱湿”速率增大的速率也越来越小。进一步发现，速率越大其膨胀率曲线末端呈现线性增长的特征越明显，这可能意味着推进剂内部的“脱湿”速率存在一个上限，达到上限后，“脱湿”速率不再增加，宏观呈现出体积膨胀率与应变呈线性增加的特征。

图6 推进剂“脱湿”性能的率相关性

2.3 配方对“脱湿”性能的影响

对不同配方的推进剂在同一应变率下进行脱湿性能试验，分别为配方1、配方2和配方3，其具体的配方组成在2.2节的表1中已经列出，试验时的应变率均为4.76×10-3s-1。将得到的试验数据经过LOWESS算法滤波之后绘制成图7，其中的曲线为体积膨胀率数据，直线为其特征“脱湿”线。

图7 不同配方的膨胀率曲线

可看到不同配方的推进剂其膨胀率-应变曲线不同，也即其“脱湿”性能与配方有关；但不同配方的膨胀率-应变曲线又具有相同的特征，即初始阶段的膨胀率均为零，随着应变的增加，其膨胀率才逐渐变大直到稳定增长，这表明不同配方的推进剂的“脱湿”演化过程具有相同的规律。根据试验数据计算得到起始“脱湿”点、特征“脱湿”点和特征“脱湿”速率整理成表3。

表3 不同配方的脱湿性能参数

推进剂中的颗粒主要是Al和AP颗粒，Al颗粒的粒径较小，大概范围是10～30 μm，AP的粒径较大，粒径范围在100～300 μm，已有大量文献[14-15]证实“脱湿”首先发生在大颗粒处，也就是推进剂内部AP颗粒发生“脱湿”的概率要比Al颗粒发生“脱湿”的概率大的多，AP颗粒的含量对“脱湿”性能的影响占据主导作用。

三种配方中，配方1的AP颗粒含量最高，达到78%，其余两种配方的AP颗粒含量均为69%。从图6可见，配方1的特征“脱湿”点最小，即配方1最早发生“脱湿”，其特征“脱湿”速率最大，证实了HTPB推进剂的“脱湿”性能主要与大颗粒AP含量有关，AP含量越高则推进剂的特征“脱湿”点越小，特征“脱湿”速率越大；配方2和配方3的AP含量相同，但配方2的Al含量略低于配方3的Al含量，试验数据表明配方3的特征“脱湿”点要大于配方2的特征“脱湿”点，说明Al颗粒含量的提高可以延迟“脱湿”的发生，提高推进剂的特征“脱湿”点，但另一方面可以看到配方3的特征“脱湿”速率大于配方2的特征“脱湿”速率，这说明Al颗粒的加入会增大推进剂的特征“脱湿”速率。