基于数字图像处理的复合固体推进剂细观损伤行为研究①

2022-04-06杨秋秋徐胜良蔡如琳强福智黄志萍

固体火箭技术 2022年1期

杨秋秋，徐胜良，蔡如琳，张箭，强福智，黄志萍

(1.航天化学动力技术重点实验室，襄阳 441003；2.湖北航天化学技术研究所，襄阳 441003)

0 引言

固体推进剂是一种高固体填充的含能复合材料，其宏观力学性能强烈依赖于细观结构。在外载作用下，微裂纹的产生、扩展及固体填充颗粒与粘合剂基体的界面及其邻近区域产生很高的局部应力应变场，使固体颗粒与粘合剂基体粘结的细观结构改变，从而导致沿颗粒界面出现孔洞的显微结构，宏观力学性能也随之变化。从细观力学的角度研究固体推进剂在载荷作用下推进剂结构的变化规律，可以揭示推进剂损伤和失效的机理，为推进剂力学性能预示提供依据和分析方法。

对三种复合固体推进剂HTPB、NEPE和GAP推进剂而言，组分不同，粘合剂基体性质差异较大，其力学性能等必然存在差异。RAMSHORST等的研究表明，HTPB/AP/Al推进剂在拉伸前即存在孔隙和裂纹，且粘合剂基体与AP颗粒界面脱粘是破坏的主要原因。GIUSEPPE等的研究表明HTPB 推进剂拉伸过程裂纹集中在大粒径的AP颗粒附近。ZHANG Jiangtao等研究了微粒填充的聚合物复合材料的细观结构破坏过程。结果表明，细观破坏首先由粘合剂和粘合剂/颗粒界面间的初始裂纹扩展引起，随应变增加，细观结构破坏最终导致样品破坏。

李敬明等的研究表明，NEPE推进剂在静态拉伸应力作用下的破坏首先是大颗粒与粘合剂界面脱粘形成微裂纹，微裂纹沿附近的大颗粒扩展形成宏观裂纹，同时粘合剂断裂，最终导致NEPE推进剂整体断裂。宋丹平等进一步表明，固体颗粒含量越高、粒径越大，脱湿程度越严重。陈煜等在定性观察NEPE推进剂损伤过程的基础上，采用分形维数定量表征了损伤演化情况。结果表明，分形维数可以作为研究NEPE推进剂损伤演化的定量指标。刘新国等利用分形维数描述了老化过程HTPB推进剂的损伤程度，随温度持续降低，应变率持续升高及热老化时间增长，推进剂盒维数值最终保持在1.866附近，即推进剂的细观损伤程度不再发生改变。职世君等的研究表明，双折线损伤模型可以近似表征复合固体推进剂的脱湿损伤。他们进一步分析了双折线损伤模型参数对复合固体推进剂细观损伤及宏观非线性力学性能的影响，损伤起始应力、界面初始刚度和界面失效距离对复合固体推进剂力学性能均有影响。应变速率主要影响复合固体推进剂颗粒与基体之间产生初始损伤的界面数量和界面损伤演化速率。

周水平等发现含GAP 的推进剂的细观破坏由粘合剂基体拉丝、断裂以及粘合剂与固体填料之间的“脱湿”两种因素共同作用。进一步的研究发现，GAP推进剂损伤首先发生在大粒径的AP颗粒堆积处。仿真模拟结果表明，高体积分数固体含量的复合固体推进剂中，颗粒-基体界面脱湿容易出现在大颗粒及颗粒比较密集的区域，且应变率越高，推进剂内部越容易出现损伤。

本文通过实验研究对HTPB、NEPE和GAP复合固体推进剂未拉伸时和拉伸过程中微裂纹的产生及演变进行了较为系统的研究，结合数字图像处理方法和分形维数理论，根据分形维数与应变曲线的导数描述损伤演化过程。实时、直观地记录拉伸到不同伸长率时推进剂的表观形貌，确定固体推进剂损伤破坏的薄弱点，揭示三类复合固体推进剂在细观层面的损伤演化特点，为推进剂力学性能研究提供理论参考。

1 实验

1.1 材料

HTPB推进剂，固含量88%，含Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ类AP，分别约为330、230和130 μm，固化剂为TDI。NEPE推进剂，固含量74.5%，其中Ⅳ类AP含量为8%。GAP推进剂，主要含Ⅲ类、Ⅳ类AP、CL-20(≈40 μm)、Al粉以及键合剂等组分。

1.2 仪器及实验方法

实验仪器及实验条件：装载有原位拉伸装置Microtest-2000的Quanta 650扫描电镜；束流3.5，电压15 kV，拉伸台最大位移为10 mm，拉伸速率为0.4 mm/min，原位拉伸装置如图1所示。拉伸实验在室温下进行。实验方法见文献[13]。

图1 安装于扫描电镜中的拉伸加载装置DEBEN Microtest-2000Fig.1 Tensile loading device DEBEN Microtest-2000 installed in SEM

2 结果与讨论

2.1 初始表观形貌

HTPB、NEPE及GAP推进剂初始表观形貌如图2～图4所示。

(a)Position Ⅰ 500× (b)Position Ⅱ 500× (c)Position Ⅲ 500×图2 HTPB推进剂初始表观形貌Fig.2 Initial apparent images of HTPB propellant

(a)500× (b)1000×图3 NEPE推进剂初始表观形貌Fig.3 Initial apparent images of NEPE propellant

(a)500× (b)1000×图4 GAP推进剂初始表观形貌Fig.4 Initial apparent images of GAP propellant

由图2可见，HTPB推进剂中固体颗粒基本被粘合剂基体均匀覆盖，即粘合剂与固体颗粒粘接较为紧密，少量固体颗粒裸露于粘合剂基体以外。由图2(a)、(b)可见，粒径较大的AP颗粒表面被切削成平面，图2(b)中粒径为250 μm的AP颗粒发生破裂，这都可能成为拉伸过程HTPB推进剂破坏的起始点。

由图3可见，NEPE推进剂中AP颗粒在推进剂内分散均匀，图3(a)中圆圈所示，部分大粒径AP颗粒破裂；由图3(b)可见，粘合剂基本均匀覆盖固体颗粒，部分固体颗粒裸露在外，少量固体颗粒在推进剂表面呈松散状。NEPE推进剂中粘合剂与固体颗粒粘接较好。

由图4可见，GAP推进剂中存在两种初始损伤形式。图4(a)中，椭球形固体颗粒为AP，梭形固体颗粒为CL-20；推进剂表面存在凹坑，这是制样过程中切削力作用下大粒径AP脱落所致；图4(b)中，推进剂表面较为粗糙，未被粘合剂基体均匀覆盖，固体颗粒与粘合剂基体粘接界面处存在细微初始孔穴，亦可见固体颗粒之间较为松散。

对比可知，三者中，HTPB推进剂和NEPE推进剂粘合剂基体与固体颗粒AP粘接较好，而GAP粘合剂与AP颗粒粘接较差。

2.2 拉伸过程

2.2.1 力-伸长率曲线

拉伸过程三种推进剂受力与伸长率的关系如图5所示，曲线上力短暂下降后回升的过程为暂停拉伸进行扫描电镜采集图像时产生的应力松弛。图5中，三种推进剂拉伸过程所受的力与伸长率曲线差异较大，HTPB推进剂拉伸到约为20%后力缓慢增加，达到平台，直到推进剂断裂。从初始状态到伸长率为20%的拉伸过程，HTPB推进剂内部为弹性扩张，此时停止拉伸，推进剂内部能较好地恢复到初始状态；超过20%以后，推进剂中出现不可逆性损伤，推进剂受力增加的幅度减小；拉伸过程的应力松弛现象越到拉伸后期越明显。拉伸到伸长率为70%时，推进剂断裂。

图5 三类推进剂拉伸过程力-伸长率关系曲线Fig.5 Force-elongation curves of 3 kinds of propellants during tensile process

NEPE推进剂在拉伸限定的10 mm内未发生断裂，实验在伸长率为98%时停止拉伸。由图5可知，拉伸过程无如HTPB推进剂的明显拐点，拉伸初期力随伸长率的变化相对较快，推进剂内部弹性扩张，应力松弛现象亦不明显；随拉伸进行，推进剂中不可逆损伤增加，受力增加幅度减小，出现明显的应力松弛现象。

GAP推进剂拉伸过程的力-伸长率曲线与NEPE推进剂相似，但其受力相对较小，断裂过程无明显拐点，拉伸到伸长率约为55%时推进剂断裂。

2.2.2 拉伸过程推进剂表观形貌

(1)HTPB推进剂

图6为HTPB推进剂在拉伸过程的两个位置处的形貌变化。其中，图6(a)～(d)为位置Ⅰ，图6(e)～(h)为位置Ⅱ。

如图6(a)～(d)所示，拉伸过程中AP颗粒两极位置粘合剂变形成为丝状，如图6(d)所示，推进剂位置Ⅰ处直至断裂也未见脱粘。由图6(e)可知，位置Ⅱ初始时(=0)右下角大粒径AP颗粒断裂(如箭头所示)。由图6(f)～(h)可见，拉伸时断裂的AP碎片被分离开形成微孔穴，随拉伸进行微孔穴逐渐增大。

HTPB推进剂断裂的起始点在AP颗粒破裂形成的微裂纹处。如图7(a)和(b)所示，随拉伸进行，推进剂中大量较大粒径的AP颗粒断裂形成微孔穴，如图中示意的曲线所示，孔穴逐渐扩大，粘合剂断裂后微孔穴合并，裂纹扩展。表明HTPB推进剂中AP颗粒与粘合剂粘接较好，力学性能薄弱点为大粒径AP颗粒本身。与文献[1]不同，其中AP粒径为200 μm，而本实验中AP粒径最大为330 μm，粒径更大，拉伸过程中AP粒径越大，自身越易断裂形成推进剂力学性能薄弱点。

(a)PositionⅠ,ε=0 (b)PositionⅠ,ε=18% (c)PositionⅠ,ε=45% (d)PositionⅠ,ε=65%

(a)140× (b)160×图7 拉伸过程HTPB推进剂中裂纹Fig.7 Cracks at surface of HTPB propellant in tensile fracture process

(2)NEPE推进剂

NEPE推进剂拉伸过程中部分伸长率下表观形貌如图8所示。图8(a)所示为拉伸前，方框中为多个固体颗粒堆积区域。由图8(b)开始，固体颗粒迅速被拉离形成明显的孔洞。图8(a)～(i)示意的圈中所示为同一AP颗粒，随拉伸进行，AP颗粒与粘合剂在拉伸方向上脱粘，形成孔穴。可见，NEPE推进剂在拉伸过程中微裂纹的产生从固体颗粒AP与粘合剂的脱粘开始，也有少量颗粒堆积区域因颗粒被拉离形成的孔穴。在拉伸应变为98%以内，未见明显的粘合剂基体撕裂。

(a)ε=0 (b)ε=30% (c)ε=40%

如图9所示，拉伸过程NEPE推进剂中粒径较小的固体颗粒也出现“脱湿”，说明NEPE推进剂中粘合剂基体的断裂强度大于粘合剂基体与固体颗粒的粘接强度，其拉伸过程的薄弱点为固体颗粒与粘合剂基体的脱粘。

图9 放大倍数为500×NEPE推进剂表观形貌Fig.9 NEPE propellant morphology at magnification of 500

(3)GAP推进剂

GAP推进剂拉伸过程部分伸长率下的表观形貌如图10所示。可见，与HTPB推进剂和NEPE推进剂相比，GAP推进剂表面较为粗糙，固体颗粒之间有较多孔洞，这是由于GAP推进剂中固体颗粒未被粘合剂基体完全包裹，拉伸时，固体颗粒随粘合剂基体被拉离而形成孔洞。拉伸过程GAP推进剂中固体颗粒与粘合剂基体粘接较好，但粘合剂基体被拉成丝状。

GAP推进剂断裂发生的起始点为固体颗粒脱落形成的凹坑处以及固体颗粒堆积处。表明GAP推进剂拉伸过程的薄弱点为GAP粘合剂基体的断裂。

综上可知，HTPB推进剂拉伸过程破坏的起始点为大粒径的固体颗粒AP破裂形成的微裂纹；NEPE推进剂主要的破坏形式是固体颗粒与粘合剂基体的“脱湿”。GAP推进剂破坏的主要形式是粘合剂基体的断裂。三种推进剂拉伸损伤行为表现出明显差异。

2.3 损伤过程定量化描述

分形几何能定量化描述自然界不规则、杂乱无章的复杂现象。鲁涛等计算了炸药颗粒的表面分形维数并与摩擦感度等性能进行了关联，亦有研究成功利用分形维数对NEPE推进剂和GAP推进剂拉伸过程裂纹扩展进行定量化描述。在计算分形维数前，采用Matlab软件对得到的SEM灰度图进行数字化处理，首先采用中值滤波对获得的SEM图像进行降噪处理，再利用阈值化方法对图像进行分割，设定适当的灰度阈值，超过阈值部分的灰度以最小灰度(即黑色)代替，低于阈值部分的灰度以最大灰度(白色)代替，将灰度图转化为黑白二值图，处理过程阈值选取至关重要。

(a)ε=0 (b)ε=20% (c)ε=30%

由于实验中不同伸长率时SEM图像灰度和亮度略有差异，每一张图像以图像中最明显的孔穴或裂纹为参照选定阈值，通过不断改变阈值直到孔穴或裂纹边界清晰为止的方法选定最优阈值。

三种推进剂拉伸过程部分伸长率下推进剂黑白二值图如图11所示。其中，11(a)～(e)、11(f)～(j)和11(k)～(o)分别为HTPB、NEPE和GAP推进剂拉伸过程部分伸长率下的黑白二值图。

(a)HTPB,ε=0 (b)HTPB,ε=14% (c)HTPB,ε=20% (d)HTPB,ε=30% (e)HTPB,ε=50%

采用差分盒维数算法计算黑白二值图的分形维数：以边长为的正方形网格去覆盖整个裂缝分布区域，统计出含有裂缝的网格数目()，通过不断改变网格尺寸改变网格密度，并计数覆盖有裂缝的格子数目()，绘制lg()-lg(1/)关系曲线。若曲线满足线性关系，则证明裂缝生长具有自相似性，可利用分形几何理论进行研究，分形维数由式(1)估计：

=lg()lg(1)

(1)

利用Matlab软件编程计算三种推进剂的lg()-lg(1/)关系曲线，如图12所示。图12(a)～(c)分别为HTPB、NEPE和GAP拉伸实验中不同伸长率的lg()-lg(1/)关系曲线。由图12可知，所有的lg()与lg(1/)的线性相关系数均在0.97以上，具有良好的线性相关性，表明三类推进剂裂纹生长过程具有自相似的分形特性，用分形理论进行研究。

图12中各直线斜率即为图像的分形维数，求得分形维数对伸长率作图，如图13所示。图13(a)～(c)分别为HTPB、NEPE和GAP推进剂拉伸过程分形维数随伸长率的变化曲线。由图13可知，未拉伸时推进剂分形维数均不为1，表明了初始微孔隙的存在。随伸长率增加，初始微孔隙的扩展和新裂纹的萌生使推进剂裂纹增加，图像分形维数逐渐增大。

(a)HTPB propellant (b)NEPE propellant (c)GAP propellant图12 三种推进剂的lgN(L)-lg(1/L)关系曲线Fig.12 Curves of lgN(L)-lg(1/L)relationship of the three kinds of propellants

(a)HTPB propellant (b)NEPE propellant (c)GAP propellant图13 三种推进剂分形维数与伸长率的关系曲线Fig.13 Curves of fractal dimension with strain of the three kinds of propellants

三种推进剂拉伸过程分形维数变化趋势稍有差异，图14为三种推进剂的分形维数与伸长率的一阶导数曲线，可很好地描述分形维数变化趋势。由图14可知，HTPB推进剂分形维数与伸长率的一阶导数曲线在伸长率约为20%时有一极值，分形维数在20%时有一拐点，即伸长率小于20%时，随拉伸进行分形维数增加的幅度较大，HTPB推进剂中裂纹主要为弹性扩张，粘合剂被拉成丝状，此期间内HTPB推进剂中破裂的AP碎片较易被拉离，孔穴扩展较快。伸长率大于20%后，分形维数对伸长率的导数曲线呈逐渐下降的趋势，即分形维数的增加趋于缓慢，此时主要为粘合剂基体撕裂，裂纹逐渐增多，但增加幅度相对较小。裂纹增加到一定程度推进剂整体断裂。

图14 分形维数与伸长率的一阶导数曲线Fig.14 First derivative curves of fractal dimension and elongation

由图14可知，NEPE推进剂拉伸过程分形维数对伸长率的导数曲线在拉伸初始状态时具有最大值，在伸长率约为10%以内下降较为迅速，说明分形维数增加幅度逐渐变小。此时，NEPE推进剂中裂纹扩展主要是破碎的AP颗粒被拉离形成的孔穴以及粘合剂的弹性扩展。10%以后曲线基本平稳，分形维数以一定斜率均匀增加。此过程中，固体颗粒不断“脱湿”，裂纹逐渐增加。

由图14还可知，GAP推进剂拉伸过程曲线约在拉伸初始状态时具有最大值，其后逐渐下降，伸长率为25%以后曲线基本平稳。表明在由初始状态到伸长率为25%这一区间分形维数快速增加，但增加幅度逐渐变小，伸长率25%以后分形维数以一定斜率缓慢增加。这可能是因为拉伸前期推进剂由松弛状态到施加载荷时，其中初始缺陷的弹性扩张使得微裂纹迅速增加，表现为分形维数快速增加；此时，一旦停止施加载荷可迅速还原。伸长率在约25%以后，初始孔穴的非弹性形变以及粘合剂基体的断裂出现，拉伸过程中在载荷作用方向上推进剂伸长，微裂纹扩展、生成；在垂直于载荷作用方向上推进剂的宽度逐渐减小，固体颗粒与粘合剂基体之间相互挤压、移动使部分微小裂纹闭合，微小裂纹闭合与裂纹的扩展产生相互竞争，裂纹的产生起主导作用，表现为分形维数逐渐增大。拉伸到一定程度，应力集中于颗粒堆积区域的粘合剂基体，细微裂纹快速合并形成宏观裂纹，推进剂发生断裂。