低应变率下改性双基推进剂压缩特性研究

魏晓林，周建辉，舒慧明，李宏岩，刘所恩

(1.西安近代化学研究所，西安 710065；2.山西北方兴安化学工业有限公司，太原 030008)

固体推进剂作为火箭发动机的一个工程构件，与壳体一样，在生产、运输和飞行过程中，要承受温度、振动、加速过载和点火增压等载荷的作用。同时，还必须经受长期贮存和工作准备状态中的各种环境考验，要求推进剂药柱在一定范围的温度和应变速率下，具有相对宽松的力学响应行为，否则推进剂出现裂纹，导致燃烧过程失控，以致发动机损坏。

改性双基推进剂装药具有特征信号低的显著优点，能够有效降低对激光、红外制导信号的干扰，是现役战术武器的重要推进剂，在中小口径火箭弹和燃气发生器中得到广泛应用。研究发现这类发动机在固化冷却、环境变迁、气动加热等各种温度载荷下，均可能给装药施加不同程度的压缩载荷，导致其力学性能下降，限制了该型推进剂的发展和应用。因此，研究推进剂在压缩情况下的力学特性是非常必要的。

鉴于含HMX改性双基推进剂在压缩载荷下的力学响应研究较少，本文采用万能试验机，在不同温度下对含HMX的星孔结构改性双基推进剂装药开展不同应变速率的抗压试验，获得改性双基推进剂的压缩力学行为，基于该型推进剂力学行为的相关特性，描述了其在不同温度以及应变速率下的力学规律，以期为温度载荷条件下高固体含量推进剂装药结构完整性分析提供数据支撑。

1 实验部分

1)材料及仪器

材料：硝化棉(NC)，北方化学工业股份有限公司；HMX，805厂；硝化甘油(NG)、催化剂，山西北方兴安化学工业有限公司；炭黑，新疆；三氧化二铝，郑州；凡士林，天津。

设备与仪器：压缩试验在微机控制高低温电子式万能试验机上完成。

2)配方组成及制备工艺

本试验所用推进剂基础配方如表1所示，采用常规无溶剂吸收工艺，经沟槽压延、螺旋压伸制备而得星孔结构改性双基推进剂装药，装药横截面形状如图1所示。推进剂试样沿药柱轴向均匀获取，经加工处理成标准圆柱压缩试件。

表1 推进剂基础配方

图1 装药横截面形状示意图

3)测试方法

抗压强度按GJB—770B—2005 方法415.1“抗压强度 压缩法”测试。

抗压药柱：直径(16±0.1)mm×高度(20±0.1)mm。

试验方案：试验前，将试件在50 ℃环境下保温12 h，然后自然冷却，以去除机加工的残余应力。-40 ℃、20 ℃、40 ℃、50 ℃和60 ℃时，在3个压缩速率下考察推进剂的力学性能，压缩速率分别为1 mm·min、2.5 mm·min和10 mm·min，相对应的应变率为0.833×10s、2.083×10s和8.333×10s。每组5个试件，经分组每组试件尺寸差别相对较小，以确保试验数据的一致性与稳定性。工程应力和工程应变由测得的负荷和变形数据计算得到，如式(1)所示。在均匀变形场假定下，真实应力、真实应变与工程应力、工程应变可采用式(2)进行换算。

(1)

=(1-)

=-ln(1-)

(2)

式中，和分别为样品的初始横截面积和初始长度，和分别为时刻施加于样品的轴向力和样品的长度。

2 结果与讨论

2.1 应力-应变曲线平行性试验分析

为验证测试数据的有效性，有必要考察试件加载期间真实应变率是否恒定以及试验结果重复性，图2给出了在20 ℃、1 mm/min压缩速率下的五次平行试验数据。从图中可以看出，平行试验的稳定性和一致性较好，曲线趋势吻合。因此可以得出结论，采用微机控制高低温电子式万能试验机测得的应力-应变数据能够对改性双基推进剂的压缩力学行为提供可靠的描述。

图2 20 ℃、1 mm/min应变率下压缩的五次平行试验曲线

2.2 常温下典型应力-应变曲线分析

常温下试验所得的应力-应变曲线如图3。由图看出，可以将改性双基推进剂的应力-应变曲线大致分为4个阶段：线弹性阶段Ⅰ，即在应变量较小的情况下，应力-应变呈线性关系变化，在该阶段，推进剂的基体材料NC/NG主要承受载荷，分子链在外载荷的作用下发生弹性流动行为，材料处于线性粘弹状态，弹性模量为常数，此时，材料发生弹性形变，如果卸除外界载荷，试样可以回弹至原状；屈服增至应变软化阶段Ⅱ，在该区间内，推进剂材料的弹性刚度开始降低，应力的增长趋势开始出现减缓现象甚至应力保持不变或减小，此时材料内部开始出现初始损伤现象，进而演化为一系列的微孔洞和微裂纹，引起基体材料的分子链承受较高的应力并重新分布，达到新的平衡，在曲线上表现出应力保持不变或下降的趋势，此时推进剂断裂特性由线性向非线性转变；应变强化阶段Ⅲ，应变继续增加，材料开始强化，并产生塑性流动，应力变化明显，载荷卸除后样品无法恢复原状；破坏阶段Ⅳ，当应变(应力)达到极限后，应力随着应变的增加开始减小，直至样品断裂破坏。

图3 20 ℃下改性双基推进剂压缩应力-应变曲线

固体推进剂是一种高分子复合材料，表现出较强的粘弹性。在粘弹性本构模型领域，可归纳分为线性和非线性2种。线粘弹性是指在一定范围内的应力极限下，应力随应变呈线性关系变化。当固体推进剂形变量不大时，可认为其为线粘弹性材料，线粘弹性本构模型可用于分析固体推进剂在载荷下的力学响应，是目前应用最广泛的一种模型。在装药结构完整性分析中，第Ⅰ阶段可以采用线粘弹性理论，但由于材料中加入了大量固体填充颗粒，随着形变量的逐渐增加，其内部的基体、颗粒填充物以及各界面的力学性能愈加复杂，材料的非线性逐渐明显，这使得现有的线性粘弹性理论不能够真实有效的表征推进剂的力学性能。近几十年来关于非线性粘弹性本构模型的研究很多，宏观上按照非线性的产生原因可分为不含损伤的非线性粘弹性本构模型和含损伤的粘弹性本构模型。目前，国内外在线性粘弹性本构关系的研究方面已经比较成熟，但是对非线性本构关系的研究较缓慢，特别是国内关于含损伤的非线性粘弹性本构的二次开发较少，缺乏关于推进剂非线性粘弹性特性及损伤破坏特性的深入研究。因此，为了更真实地反应推进剂的力学特性，必须发展并深入研究非线性粘弹理论。

2.3 不同温度下改性双基推进剂压缩特性分析

在不同温度下、压缩速率为1 mm/min的应力-应变曲线如图4，图(b)为图(a)的局部放大图。在1 mm/min的压缩速率下，加载速度较为缓慢，可以认为材料弹性变形产生的热量有充足的时间与外界交换，即在试验过程中试样的温度是基本保持不变的。由图4可知，随着温度的升高，材料初始弹性模量减小，随之屈服应力呈下降趋势，应变软化和应变强化均发生改变。在高温60 ℃时应变软化现象不明显，应变强化现象较明显，而在低温-40 ℃时屈服后应力下降较突出。由图(b)可以看出，应变强化段的斜率随着温度的升高而降低，这说明随着温度的升高，改性双基推进剂的应变软化和应变强化效应均降低，但应变强化占主导地位。屈服后材料的最大强度随着温度的升高而下降，表明随着温度的升高推进剂材料是逐渐软化的，这与双基推进剂的压缩特性是相似的。

图4 不同温度下改性双基推进剂的压缩应力-应变曲线

2.4 不同加载速率下改性双基推进剂压缩特性分析

对不同温度、3种压缩速率下推进剂的抗压强度和压缩率进行了统计，结果如表2所示，和为每种工况下5个试件试验结果的平均值。可以看出，在相同的温度下，随着压缩速率的增大，推进剂的增大而减小，如20 ℃时，由1 mm·min的22.8 MPa增大到10 mm·min的42.6 MPa，增加幅度约为87%，同时由38.2%降低至31.6%。压缩过程实际上是高分子材料的松弛过程，由于松弛时间大于外力的作用时间，松弛落后于外力的变化，因此压缩速率越快，推进剂形变需要的外力就越大，而形变量却越小。

表2 不同压缩速率下改性双基推进剂的力学参数

20 ℃时，不同加载速率下的真实应力-应变曲线如图5。由图5可以看出，在不同的加载速率下3条曲线线性阶段靠拢较为紧凑，说明改性双基推进剂在压缩载荷下的初始弹性模量随压缩速率的升高略有增加，变化却不明显。这是因为在小应变下，材料以弹性应变为主，随着加载速率的增加，试验时间缩短，试样没有形成热量聚集，所以小应变下加载速率对试验结果的影响不大。

图5 不同加载速率下改性双基推进剂压缩应力-应变曲线

同时发现，虽然试样发生屈服时的屈服应力和屈服应变均随应变率的增加而增加，但屈服应力变化明显，而屈服应变变化较小，比如屈服应力在1 mm/min应变率下约为10 MPa，在10 mm/min应变率下则为97 MPa，增加了将近9倍，屈服应变仅由3.6%增加至10.4%。这是因为当材料发生塑性变形时所对应的应变即为屈服应变，当应变值达到材料塑性变形点时，试样就会发生屈服，与应变速率关系不大。试样在屈服后的变形阶段主要表现为应变强化，分析认为试验研究用改性双基推进剂配方中加入30%左右HMX，NC/NG基体能够承受一定外力，并且试验应变速率较低，HMX颗粒不易破碎，表现出一定的韧性，对材料力学响应表现为强化作用。

3 结论

1)改性双基推进剂在压缩情况下的应力-应变曲线可以分为4个阶段：初始弹性段、屈服增至应变软化阶段、应变强化段和破坏阶段。

2)温度对改性双基推进剂力学性能的影响较大，随着温度的升高，材料初始弹性模量减小，屈服应力下降。

3)改性双基推进剂的初始弹性模量、屈服应力和屈服应变具有较强的应变率相关性，随着应变率的增加，初始弹性模量、屈服应力和屈服应变均逐渐增加，屈服应力变化更明显，应变率由1 mm/min升高至10 mm/min后，屈服应力增加近9倍。

通过对含HMX改性双基推进剂的低应变率单轴压缩试验研究，定量描述了压缩力学行为的应变率相关性，可为温度载荷条件下高固体含量推进剂装药结构完整性分析供借鉴。