HTPB推進劑低溫拉伸/壓縮力學性能對比①

張曉軍，常新龍，賴建偉，胡 寬

(第二炮兵工程大學，西安 710025)

0 引言

固體推進劑藥柱是發動機結構的重要組成部分，在貯存和使用過程中，由于自重和內壓等因素影響，同時承受多種載荷，表現出復雜的力學特性，直接影響其使用性能［1］。國內外研究人員采用理論和實驗方法，從拉伸和壓縮角度對推進劑的力學行為開展了大量深入的研究［2－4］。由于推進劑材料拉/壓力學性能差異明顯，而目前針對推進劑單軸拉伸和壓縮兩種狀態力學性能對比研究較少［5］，特別是針對低溫條件下的對比分析尚未見公開報道，溫度和應變率對推進劑拉伸和壓縮性能影響的差異性并不清楚。因此，有必要進行相同溫度和應變率條件下HTPB推進劑單軸拉伸和壓縮力學性能對比研究。

本文開展了HTPB推進劑在不同低溫和應變率條件下的單軸拉伸/壓縮試驗，對比分析了拉伸/壓縮力學性能及其主曲線差異特點，并探討了低溫和應變率對力學性能拉壓比值的影響，可為低溫點火瞬態條件下固體火箭發動機藥柱結構完整性分析提供參考。

1 試驗內容

1.1 試樣

HTPB復合固體推進劑的固體填充顆粒(AP/Al)質量分數為0.84，其他組分質量分數為0.16。根據QJ 924—85《復合固體推進劑單向拉伸試驗方法》，將推進劑制成標準啞鈴形試樣用于單軸拉伸試驗;制成φ20 mm×20 mm圓柱形試樣用于單軸壓縮試驗。

1.2 試驗方法

將試樣放入設定溫度的低溫箱中保溫1 h后，進行不同溫度和應變率條件下的單軸力學性能試驗，試驗在電子萬能材料試驗機上進行，每個試驗條件進行3組重復試驗。試驗溫度分別為 25、－10、－20、－30、－40、－50 ℃，拉伸速率分別為 14、35、140、200 mm/min(1/300、1/120、1/30、1/21 s－1)，壓縮速率分別為 4、10、40、100 mm/min(1/300、1/120、1/30、1/12 s－1)。

2 試驗結果與分析

2.1 低溫拉伸/壓縮應力-應變曲線對比分析

根據單軸試驗結果，得到不同溫度和應變率條件下推進劑應力－應變曲線，－40℃時推進劑的拉伸/壓縮應力－應變曲線如圖1所示。

由圖1可知，推進劑在－40℃拉伸/壓縮時具有良好的粘彈特性，應力隨著應變的增加逐漸增加，拉伸條件下前期應力增加較快，后期(應變高于10%)應力增加逐漸變緩直至破壞;壓縮條件下前期應力增加較慢，后期(應變高于50%)應力增加較快，而且壓縮應力顯著高于拉伸應力。隨著應變率的增加，最大抗拉強度和斷裂伸長率逐漸增加。這是因為應變率越高，推進劑受載時間越短，內部裂紋沒有時間發生擴展，推進劑仍能承受較大的載荷而不破壞，因而抗拉強度較大。而高應變率相對于低應變率時“脫濕”現象發生更少，載荷主要由推進劑基體承受，而且內部缺陷對高應變率不敏感。因此，高應變率條件下延伸率較大。由于相同原因，壓縮條件下壓縮強度隨應變率的增加也逐漸增加，而由于壓縮時沒有最大載荷值，最大抗壓強度和斷裂伸長率無法準確衡量。

推進劑拉伸曲線表現出明顯的彈性段、“脫濕”損傷段和破壞段3階段變化規律，而推進劑壓縮曲線只表現出明顯的非線性，沒有呈現出拉伸時的3階段規律。為進一步分析壓縮曲線特征，考慮壓縮時的大變形情況，利用式(1)將工程應力轉化為真應力進行處理，得到準靜態壓縮下典型真應力－應變曲線如圖2所示。

式中 σ為真應力;F為加載力;S為試樣的原始橫截面積;ε為應變。

由圖2可知，利用轉折點A和B可將壓縮真應力－應變曲線劃分為彈性壓縮、應力硬化和失穩破壞3個階段，表現出和拉伸曲線類似的變形破壞過程。這是因為壓縮過程中圓柱體試樣周向承受拉伸載荷，最終失穩破壞是由周向拉伸載荷的縱向裂紋引起，這和推進劑拉伸具有類似性。為此，可參考推進劑單軸拉伸時力學參量的定義方法，將彈性階段的線性段斜率定義為壓縮模量，轉折點B處的應力定義為壓縮強度。

2.2 低溫拉伸/壓縮主曲線對比分析

推進劑在試驗的低溫和應變率范圍內仍具有較好的粘彈性，符合時溫等效原理，因而時間－溫度移位因子 αT服從 WLF 方程［6－7］:

式中 C1、C2為材料常數，由試驗數據擬合得到;T0為參考溫度。

由式(2)可知，t=t0·αT，等式兩邊分別對 dε求導，整理得到代入式(2)，可得:

式(3)反映了溫度－應變率等效關系，移位因子αT與溫度和應變率滿足等式兩邊同取對數，得到:

根據試驗數據，可得到不同溫度和應變率條件下HTPB推進劑拉伸/壓縮力學性能參量，參照 QJ 2487—93《復合固體推進劑單向拉伸應力松弛模量以及主曲線測定方法》，并結合式(3)和式(4)，得到溫度與移位因子lgαT的曲線和拉伸/壓縮力學性能－溫度－應變率主曲線，如圖3和圖4所示。

由圖3可知，拉伸/壓縮強度性能對應的WLF曲線基本重合，而模量性能對應的WLF曲線表現出較大差異，這說明溫度和應變率對推進劑拉伸和壓縮時的模量性能影響差異明顯，而對強度性能影響相同，這為強度理論中一般采用強度比作為拉壓特征值分析提供了理論依據［8］。通過圖4可看出，拉伸力學性能主曲線的lg(αT·)相比于壓縮主曲線較窄，而lg(αT·)反映的是溫度和應變率范圍，lg(αT·)范圍越寬，說明可預測的應變率或溫度范圍就越寬。因此，不論是采用拉伸，還是壓縮強度進行預測，其應變率范圍較窄，參考溫度下(25℃)應變率最大大約可預測至10 s－1，而采用模量進行預測則可達到 102、103s－1，對于常溫低速拉伸預測能力則基本相同，達到 10－2.5s－1。由此可見，采用模量主曲線可對更高應變率的力學性能進行預測，相比于強度主曲線預測范圍更寬。

根據圖4中拉伸/壓縮強度和模量與溫度和應變率的關系，采用二次函數對其進行擬合，擬合結果見表1。

表1 不同溫度下拉/壓強度及模量與應變率關系Table 1 Relationships of tensile and compression strength and modulus with strain rate

由表1可知，拉伸/壓縮主曲線關系式擬合相關性都較高，說明力學性能的溫度和應變率效應都十分顯著。主曲線關系式包含力學性能與溫度和應變率的關系，利用主曲線關系式，可對不同溫度和應變率條件下的力學性能進行預測，結合相關強度理論，可用于推進劑失效評價。

2.3 低溫力學性能拉壓比分析

相對于單一的拉伸或者壓縮性能，拉壓比可反映推進劑的抗拉和抗壓能力的差異性。為此，選擇相同溫度(－50～25 ℃)和應變率條件下(1/300～1/30 s－1)拉/壓試驗結果用于對比分析，計算得到推進劑拉伸/壓縮模量比(Et/Ec)和強度比(σt/σc)結果見表2。

由表2可看出，拉壓模量比和強度比與溫度和應變率條件有關，其值均小于1，說明推進劑在常溫和低溫條件下抗壓能力較強，不易出現壓縮破壞。拉壓模量比大于強度比，在低溫和高應變率條件下接近1，說明溫度越低和應變率越高，推進劑拉伸和壓縮模量越接近。隨著應變率增加和溫度降低，模量比和強度比沒有呈現出規律性的變化趨勢。

圖4表明，推進劑拉伸/壓縮強度曲線基本保持平行，而拉伸/壓縮模量曲線相交，說明了溫度和應變率對強度比和模量比的影響具有一定差別。為定量表征溫度和應變率對強度比和模量比的影響規律，采用雙因素方差分析方法對其進行分析。取顯著性水平為0.05，方差分析結果見表3。其中，Fcrit為F統計量的臨界值。

表2 拉伸/壓縮模量比和強度比結果Table 2 Results of strength ratio and modulus ratio

表3 雙因素方差分析結果Table 3 Results of variance analysis

由方差分析理論可知，F值大于Fcrit，說明因素對性能影響顯著，反之影響不明顯。由表3可看出，溫度對應的模量比 F值(25.269)大于 Fcrit(3.326)，應變率對應的模量比F 值(7.485)大于Fcrit(4.103)，說明溫度和應變率對模量比具有顯著影響;溫度對應的強度比F 值(4.493)大于 Fcrit(3.326)，應變率對應的強度比 F值(0.87)小于 Fcrit(4.103)，說明溫度對強度比影響較大，而應變率對其影響較小。文中的模量比是指彈性模量比值，此時推進劑處于彈性段，并未發生損傷和破壞，其值與破壞行為關系較小，而主要由材料本身性質決定。溫度越低，應變率越高，材料越硬，模量也就越大，但壓縮不能與拉伸一起同步增長，導致拉壓模量比變化較大。而推進劑強度除了與材料本身性質有關外，還與破壞行為有關。當推進劑受拉時，裂紋方向與載荷方向垂直，促進裂紋擴展;而推進劑受壓時，周向載荷促進垂直裂紋擴展，軸向載荷卻抑制水平裂紋的擴展。另外，溫度和應變率還直接影響“脫濕”損傷的程度，會對拉伸/壓縮強度造成顯著影響，因而強度比表現出和模量比不同的變化規律。

3 結論

(1)推進劑在低溫拉伸和壓縮條件下，應力－應變曲線均表現出顯著的3階段變化規律，但其破壞機理有一定差別;

(2)拉伸/壓縮模量主曲線比強度主曲線具有更強的預測能力，采用模量主曲線進行預測應變率可達到102、103s－1，比強度主曲線高出一個數量級。拉伸/壓縮模量和強度主曲線拓寬了應變率和溫度范圍，均適合低溫點火瞬態高應變率條件下推進劑性能預測和失效分析;

(3)低溫對拉壓強度比和模量比影響顯著，應變率對模量比影響顯著，而對強度比影響不明顯，這與推進劑材料性能和破壞機理有關。

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