低應變率下改性雙基推進劑壓縮特性研究

魏曉林，周建輝，舒慧明，李宏巖，劉所恩

(1.西安近代化學研究所，西安 710065；2.山西北方興安化學工業有限公司，太原 030008)

固體推進劑作為火箭發動機的一個工程構件，與殼體一樣，在生產、運輸和飛行過程中，要承受溫度、振動、加速過載和點火增壓等載荷的作用。同時，還必須經受長期貯存和工作準備狀態中的各種環境考驗，要求推進劑藥柱在一定范圍的溫度和應變速率下，具有相對寬松的力學響應行為，否則推進劑出現裂紋，導致燃燒過程失控，以致發動機損壞。

改性雙基推進劑裝藥具有特征信號低的顯著優點，能夠有效降低對激光、紅外制導信號的干擾，是現役戰術武器的重要推進劑，在中小口徑火箭彈和燃氣發生器中得到廣泛應用。研究發現這類發動機在固化冷卻、環境變遷、氣動加熱等各種溫度載荷下，均可能給裝藥施加不同程度的壓縮載荷，導致其力學性能下降，限制了該型推進劑的發展和應用。因此，研究推進劑在壓縮情況下的力學特性是非常必要的。

鑒于含HMX改性雙基推進劑在壓縮載荷下的力學響應研究較少，本文采用萬能試驗機，在不同溫度下對含HMX的星孔結構改性雙基推進劑裝藥開展不同應變速率的抗壓試驗，獲得改性雙基推進劑的壓縮力學行為，基于該型推進劑力學行為的相關特性，描述了其在不同溫度以及應變速率下的力學規律，以期為溫度載荷條件下高固體含量推進劑裝藥結構完整性分析提供數據支撐。

1 實驗部分

1)材料及儀器

材料：硝化棉(NC)，北方化學工業股份有限公司；HMX，805廠；硝化甘油(NG)、催化劑，山西北方興安化學工業有限公司；炭黑，新疆；三氧化二鋁，鄭州；凡士林，天津。

設備與儀器：壓縮試驗在微機控制高低溫電子式萬能試驗機上完成。

2)配方組成及制備工藝

本試驗所用推進劑基礎配方如表1所示，采用常規無溶劑吸收工藝，經溝槽壓延、螺旋壓伸制備而得星孔結構改性雙基推進劑裝藥，裝藥橫截面形狀如圖1所示。推進劑試樣沿藥柱軸向均勻獲取，經加工處理成標準圓柱壓縮試件。

表1 推進劑基礎配方

圖1 裝藥橫截面形狀示意圖

3)測試方法

抗壓強度按GJB—770B—2005 方法415.1“抗壓強度 壓縮法”測試。

抗壓藥柱：直徑(16±0.1)mm×高度(20±0.1)mm。

試驗方案：試驗前，將試件在50 ℃環境下保溫12 h，然后自然冷卻，以去除機加工的殘余應力。-40 ℃、20 ℃、40 ℃、50 ℃和60 ℃時，在3個壓縮速率下考察推進劑的力學性能，壓縮速率分別為1 mm·min、2.5 mm·min和10 mm·min，相對應的應變率為0.833×10s、2.083×10s和8.333×10s。每組5個試件，經分組每組試件尺寸差別相對較小，以確保試驗數據的一致性與穩定性。工程應力和工程應變由測得的負荷和變形數據計算得到，如式(1)所示。在均勻變形場假定下，真實應力、真實應變與工程應力、工程應變可采用式(2)進行換算。

(1)

=(1-)

=-ln(1-)

(2)

式中，和分別為樣品的初始橫截面積和初始長度，和分別為時刻施加于樣品的軸向力和樣品的長度。

2 結果與討論

2.1 應力-應變曲線平行性試驗分析

為驗證測試數據的有效性，有必要考察試件加載期間真實應變率是否恒定以及試驗結果重復性，圖2給出了在20 ℃、1 mm/min壓縮速率下的五次平行試驗數據。從圖中可以看出，平行試驗的穩定性和一致性較好，曲線趨勢吻合。因此可以得出結論，采用微機控制高低溫電子式萬能試驗機測得的應力-應變數據能夠對改性雙基推進劑的壓縮力學行為提供可靠的描述。

圖2 20 ℃、1 mm/min應變率下壓縮的五次平行試驗曲線

2.2 常溫下典型應力-應變曲線分析

常溫下試驗所得的應力-應變曲線如圖3。由圖看出，可以將改性雙基推進劑的應力-應變曲線大致分為4個階段：線彈性階段Ⅰ，即在應變量較小的情況下，應力-應變呈線性關系變化，在該階段，推進劑的基體材料NC/NG主要承受載荷，分子鏈在外載荷的作用下發生彈性流動行為，材料處于線性粘彈狀態，彈性模量為常數，此時，材料發生彈性形變，如果卸除外界載荷，試樣可以回彈至原狀；屈服增至應變軟化階段Ⅱ，在該區間內，推進劑材料的彈性剛度開始降低，應力的增長趨勢開始出現減緩現象甚至應力保持不變或減小，此時材料內部開始出現初始損傷現象，進而演化為一系列的微孔洞和微裂紋，引起基體材料的分子鏈承受較高的應力并重新分布，達到新的平衡，在曲線上表現出應力保持不變或下降的趨勢，此時推進劑斷裂特性由線性向非線性轉變；應變強化階段Ⅲ，應變繼續增加，材料開始強化，并產生塑性流動，應力變化明顯，載荷卸除后樣品無法恢復原狀；破壞階段Ⅳ，當應變(應力)達到極限后，應力隨著應變的增加開始減小，直至樣品斷裂破壞。

圖3 20 ℃下改性雙基推進劑壓縮應力-應變曲線

固體推進劑是一種高分子復合材料，表現出較強的粘彈性。在粘彈性本構模型領域，可歸納分為線性和非線性2種。線粘彈性是指在一定范圍內的應力極限下，應力隨應變呈線性關系變化。當固體推進劑形變量不大時，可認為其為線粘彈性材料，線粘彈性本構模型可用于分析固體推進劑在載荷下的力學響應，是目前應用最廣泛的一種模型。在裝藥結構完整性分析中，第Ⅰ階段可以采用線粘彈性理論，但由于材料中加入了大量固體填充顆粒，隨著形變量的逐漸增加，其內部的基體、顆粒填充物以及各界面的力學性能愈加復雜，材料的非線性逐漸明顯，這使得現有的線性粘彈性理論不能夠真實有效的表征推進劑的力學性能。近幾十年來關于非線性粘彈性本構模型的研究很多，宏觀上按照非線性的產生原因可分為不含損傷的非線性粘彈性本構模型和含損傷的粘彈性本構模型。目前，國內外在線性粘彈性本構關系的研究方面已經比較成熟，但是對非線性本構關系的研究較緩慢，特別是國內關于含損傷的非線性粘彈性本構的二次開發較少，缺乏關于推進劑非線性粘彈性特性及損傷破壞特性的深入研究。因此，為了更真實地反應推進劑的力學特性，必須發展并深入研究非線性粘彈理論。

2.3 不同溫度下改性雙基推進劑壓縮特性分析

在不同溫度下、壓縮速率為1 mm/min的應力-應變曲線如圖4，圖(b)為圖(a)的局部放大圖。在1 mm/min的壓縮速率下，加載速度較為緩慢，可以認為材料彈性變形產生的熱量有充足的時間與外界交換，即在試驗過程中試樣的溫度是基本保持不變的。由圖4可知，隨著溫度的升高，材料初始彈性模量減小，隨之屈服應力呈下降趨勢，應變軟化和應變強化均發生改變。在高溫60 ℃時應變軟化現象不明顯，應變強化現象較明顯，而在低溫-40 ℃時屈服后應力下降較突出。由圖(b)可以看出，應變強化段的斜率隨著溫度的升高而降低，這說明隨著溫度的升高，改性雙基推進劑的應變軟化和應變強化效應均降低，但應變強化占主導地位。屈服后材料的最大強度隨著溫度的升高而下降，表明隨著溫度的升高推進劑材料是逐漸軟化的，這與雙基推進劑的壓縮特性是相似的。

圖4 不同溫度下改性雙基推進劑的壓縮應力-應變曲線

2.4 不同加載速率下改性雙基推進劑壓縮特性分析

對不同溫度、3種壓縮速率下推進劑的抗壓強度和壓縮率進行了統計，結果如表2所示，和為每種工況下5個試件試驗結果的平均值。可以看出，在相同的溫度下，隨著壓縮速率的增大，推進劑的增大而減小，如20 ℃時，由1 mm·min的22.8 MPa增大到10 mm·min的42.6 MPa，增加幅度約為87%，同時由38.2%降低至31.6%。壓縮過程實際上是高分子材料的松弛過程，由于松弛時間大于外力的作用時間，松弛落后于外力的變化，因此壓縮速率越快，推進劑形變需要的外力就越大，而形變量卻越小。

表2 不同壓縮速率下改性雙基推進劑的力學參數

20 ℃時，不同加載速率下的真實應力-應變曲線如圖5。由圖5可以看出，在不同的加載速率下3條曲線線性階段靠攏較為緊湊，說明改性雙基推進劑在壓縮載荷下的初始彈性模量隨壓縮速率的升高略有增加，變化卻不明顯。這是因為在小應變下，材料以彈性應變為主，隨著加載速率的增加，試驗時間縮短，試樣沒有形成熱量聚集，所以小應變下加載速率對試驗結果的影響不大。

圖5 不同加載速率下改性雙基推進劑壓縮應力-應變曲線

同時發現，雖然試樣發生屈服時的屈服應力和屈服應變均隨應變率的增加而增加，但屈服應力變化明顯，而屈服應變變化較小，比如屈服應力在1 mm/min應變率下約為10 MPa，在10 mm/min應變率下則為97 MPa，增加了將近9倍，屈服應變僅由3.6%增加至10.4%。這是因為當材料發生塑性變形時所對應的應變即為屈服應變，當應變值達到材料塑性變形點時，試樣就會發生屈服，與應變速率關系不大。試樣在屈服后的變形階段主要表現為應變強化，分析認為試驗研究用改性雙基推進劑配方中加入30%左右HMX，NC/NG基體能夠承受一定外力，并且試驗應變速率較低，HMX顆粒不易破碎，表現出一定的韌性，對材料力學響應表現為強化作用。

3 結論

1)改性雙基推進劑在壓縮情況下的應力-應變曲線可以分為4個階段：初始彈性段、屈服增至應變軟化階段、應變強化段和破壞階段。

2)溫度對改性雙基推進劑力學性能的影響較大，隨著溫度的升高，材料初始彈性模量減小，屈服應力下降。

3)改性雙基推進劑的初始彈性模量、屈服應力和屈服應變具有較強的應變率相關性，隨著應變率的增加，初始彈性模量、屈服應力和屈服應變均逐漸增加，屈服應力變化更明顯，應變率由1 mm/min升高至10 mm/min后，屈服應力增加近9倍。

通過對含HMX改性雙基推進劑的低應變率單軸壓縮試驗研究，定量描述了壓縮力學行為的應變率相關性，可為溫度載荷條件下高固體含量推進劑裝藥結構完整性分析供借鑒。