張鎮(zhèn)國，張宏亮，侯 曉，閻 濤,郜 婕

(1.中國航天科技集團(tuán)有限公司四院四十一所,燃燒、流動和熱結(jié)構(gòu)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710025；2.空軍裝備部駐西安地區(qū)第八軍事代表室，西安 710025;3.中國航天科技集團(tuán)有限公司四院四十四所，西安 710025)

0 引言

目前廣泛使用的HTPB復(fù)合固體推進(jìn)劑是一種由金屬顆粒、氧化劑粒子與具有粘彈性的高分子粘結(jié)劑基體復(fù)合而成的一種顆粒增強(qiáng)含能復(fù)合材料，各組分間有明顯的界面，細(xì)觀結(jié)構(gòu)不均勻，屬于非均質(zhì)材料。相關(guān)研究表明[1-2]顆粒增強(qiáng)復(fù)合推進(jìn)劑的界面“脫濕”是微孔洞、微裂紋形成并導(dǎo)致推進(jìn)劑損傷破壞的主要形式，是影響固體推進(jìn)劑力學(xué)性能的關(guān)鍵因素。

HTPB推進(jìn)劑中的增強(qiáng)體固體顆粒的彈性模量遠(yuǎn)高于HTPB粘結(jié)劑基體的彈性模量[3]，這就使得對于施加于推進(jìn)劑的應(yīng)變載荷，傳遞到顆粒界面時所產(chǎn)生的拉/壓應(yīng)力只能使顆粒產(chǎn)生極小的應(yīng)變，其顆粒體積可認(rèn)為幾乎不變；而對于HTPB基體而言，其泊松比達(dá)0.499 1以上，具有典型的超彈特性[4-5]，可近似認(rèn)為不可壓縮；所以一般認(rèn)為HTPB推進(jìn)劑的宏觀體積膨脹本質(zhì)上是其內(nèi)部增強(qiáng)體顆粒與HTPB基體的粘接界面“脫濕”形成孔洞的結(jié)果，因此通過測量推進(jìn)劑的宏觀體積膨脹來表征其“脫濕”性能是一種直接有效的途徑。早期研究人員[6-7]使樣品在流體介質(zhì)中經(jīng)受應(yīng)變，通過毛細(xì)管液位來測定顆粒填充復(fù)合材料在靜應(yīng)變條件下的體積變化；為提高測量精度，有學(xué)者[8]提出了利用比重測量體積變化的浮力技術(shù)，這種技術(shù)通過測量樣品在發(fā)生應(yīng)變時引起的密度變化來獲得膨脹數(shù)據(jù)，該方法精度有所提高，但操作繁雜，花費(fèi)時間長，應(yīng)變增量間的數(shù)據(jù)難以獲取；Farris等[9-11]基于體積膨脹原理率先研制出一種測量高聚物體積膨脹行為的膨脹計(jì)，該儀器根據(jù)試驗(yàn)腔與參考腔的壓差變化來間接計(jì)算推進(jìn)劑體積的變化量，并通過研究指出高聚物內(nèi)空穴及微裂紋的產(chǎn)生和發(fā)展是導(dǎo)致材料力學(xué)性能降低的重要影響因素；國內(nèi)學(xué)者趙伯華等[12-13]利用其研制的實(shí)時體積形變測量系統(tǒng)給出了固體推進(jìn)劑的體積蠕變?nèi)崃俊Ⅲw積松弛模量和材料的初始?xì)饪茁?，但沒有開展推進(jìn)劑“脫濕”導(dǎo)致的體積膨脹研究。

本文簡單介紹了推進(jìn)劑“脫濕”測量裝置的原理及結(jié)構(gòu)組成，并基于該裝置開展了不同應(yīng)變率及不同配方下的推進(jìn)劑“脫濕”性能研究，給出了推進(jìn)劑在拉伸過程中的實(shí)時體積膨脹率曲線。本文對藥柱結(jié)構(gòu)完整性分析、藥柱力學(xué)性能預(yù)示及可靠性評估均具有重要實(shí)用意義。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)及試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

推進(jìn)劑“脫濕”性能試驗(yàn)的主要目的在于獲得其受拉時的實(shí)時體積膨脹數(shù)據(jù)，根據(jù)體積膨脹數(shù)據(jù)再進(jìn)一步分析其“脫濕”性能。本文主要參考?xì)怏w膨脹計(jì)原理，將推進(jìn)劑密封于測試腔內(nèi)，通過測量測試腔與參考腔的壓差變化數(shù)據(jù)得到體積變化數(shù)據(jù)。試驗(yàn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成示意圖如圖1所示。

由于力傳感器的引入會使測試腔內(nèi)的溫度發(fā)生波動，繼而引起測試腔內(nèi)氣體壓力升高，增大測試誤差，本文所研制裝置沒有加入力傳感器。另外限于實(shí)際情況，本文所研制裝置沒有加入溫控系統(tǒng)及壓力控制系統(tǒng)，目前裝置只能用于常溫常壓下的推進(jìn)劑“脫濕”性能測試。

圖1 試驗(yàn)加載裝置結(jié)構(gòu)示意圖

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 測量原理

在試驗(yàn)過程中，隨著軸向不斷被拉伸，試件體積不斷膨脹，測試腔內(nèi)氣體體積和壓力會同步發(fā)生變化，但由于測試腔是完全密閉的，故根據(jù)克拉伯龍方程有

(p1+Δp)(V1+ΔV)=n1RT1=p1V1

(1)

式中p1為測試腔氣體介質(zhì)初始壓強(qiáng)；Δp為測試腔內(nèi)氣體介質(zhì)壓強(qiáng)變化量；V1為測試腔氣體介質(zhì)初始體積；ΔV為測試腔內(nèi)氣體介質(zhì)體積變化量；n1為測試腔內(nèi)氣體介質(zhì)摩爾數(shù)；R為氣體常數(shù)；T1為測腔內(nèi)氣體初始溫度。

將式(1)進(jìn)一步變換得到式(2)：

(2)

通過查閱文獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)Δp在1000 Pa的范圍以內(nèi)變化，即Δp<1000 Pa，又p1大致約為一個大氣壓，則：

(3)

(4)

式(4)中的參數(shù)k和c可通過標(biāo)定試驗(yàn)獲得；Δp為測試腔與參考腔的壓差，通過高精度(測量精度為0.2%)光敏壓差傳感器直接測量得到。

1.3 試驗(yàn)方案

本文主要研究常溫常壓下不同配方、不同應(yīng)變率這兩個因素對HTPB推進(jìn)劑“脫濕”性能的影響，試驗(yàn)時認(rèn)為溫度恒定，不考慮溫度波動的影響。

傳統(tǒng)的力學(xué)測試試件為啞鈴型，試驗(yàn)時其兩端部分仍會出現(xiàn)體積膨脹，給試驗(yàn)帶來較大影響。因此，本文在啞鈴型試件的基礎(chǔ)上，切除兩端的部分，以達(dá)到提高測試精度目的，如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)所用試件

同時為提高試件和夾具的粘接效果，保留試件兩端的圓弧部分。試驗(yàn)考慮0.5、20、50、100、200 mm/min 五種拉伸速率，由試件總長為70 mm，則所對應(yīng)的應(yīng)變率分別為1.19×10-4、4.76×10-3、1.19×10-2、2.38×10-2、4.76×10-2s-1。三種HTPB推進(jìn)劑的具體配方如表1所示。

表1 推進(jìn)劑中各組分的體積分?jǐn)?shù)

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 推進(jìn)劑的典型“脫濕”特性

采用所研制的“脫濕”性能測試裝置進(jìn)行試驗(yàn)，推進(jìn)劑試樣為配方1，拉伸速度為20 mm/min，所得到的推進(jìn)劑的體積膨脹率與應(yīng)變的原始數(shù)據(jù)如圖3所示。圖3中的局部放大圖顯示了實(shí)際測量得到的數(shù)據(jù)點(diǎn)具有明顯的漲落特性，但數(shù)據(jù)分布較為集中。經(jīng)過LOWESS算法濾波之后的推進(jìn)劑膨脹率與應(yīng)變的典型關(guān)系曲線如下圖4所示。

從圖4可看到，推進(jìn)劑的體積膨脹率在開始一段應(yīng)變內(nèi)幾乎為零，這表明此階段推進(jìn)劑內(nèi)部還沒有發(fā)生“脫濕”，即AP、Al等增強(qiáng)體顆粒與HTPB基體的粘結(jié)界面還沒有發(fā)生破壞，但由于推進(jìn)劑基體并非理想超彈體，其體積仍可能存在微小膨脹，使得推進(jìn)劑整體的體積在開始階段存在微小膨脹量；在應(yīng)變載荷逐漸增加的過程中，推進(jìn)劑內(nèi)部的界面會出現(xiàn)損傷并累積，直到應(yīng)變增大到某一臨界點(diǎn)，推進(jìn)劑的體積膨脹率開始顯著增大，體積膨脹率曲線進(jìn)入到過渡區(qū)，這表示在推進(jìn)劑內(nèi)部已經(jīng)存在顆粒界面失效，內(nèi)部產(chǎn)生了空穴、微裂紋等缺陷；隨著應(yīng)變繼續(xù)增長，體積膨脹率曲線逐步進(jìn)入到穩(wěn)定增長區(qū)，該階段體積膨脹率曲線的斜率變化幅度較小，表明推進(jìn)劑內(nèi)部空穴增長速率達(dá)到了一個相對穩(wěn)定值。

圖4 濾波處理后的膨脹率曲線

為進(jìn)一步刻畫推進(jìn)劑的“脫濕”性能，本文采用起始“脫濕”點(diǎn)、特征“脫濕”點(diǎn)和特征“脫濕”速率來表征其“脫濕”性能。參考國外相關(guān)研究[9-11]，本文定義當(dāng)推進(jìn)劑的體積膨脹率達(dá)到0.001 5時所對應(yīng)的應(yīng)變點(diǎn)為起始“脫濕”點(diǎn)，如式(5)所定義：

(5)

式中 ΔV為體積膨脹量；V0為初始體積；Ds為起始“脫濕”點(diǎn)。

推進(jìn)劑的體積膨脹率與應(yīng)變的關(guān)系曲線的一次導(dǎo)數(shù)表征“脫濕”速率的大小，其最大導(dǎo)數(shù)定義為特征“脫濕”速率，如式(6)所示：

(6)

式中Dk為特征“脫濕”速率。

通過體積膨脹率曲線的一次導(dǎo)數(shù)最大值所在的位置點(diǎn)，以Dk為斜率做直線，該直線稱為特征“脫濕”線，特征“脫濕”線與橫軸的交點(diǎn)定義為特征“脫濕”點(diǎn)，以Dg表示，如圖4所示。起始“脫濕”點(diǎn)、特征“脫濕”點(diǎn)和特征“脫濕”速率均為無量綱數(shù)，對于確定的推進(jìn)劑而言，其起始“脫濕”點(diǎn)、特征“脫濕”點(diǎn)和特征“脫濕”速率具有統(tǒng)計(jì)確定性。起始“脫濕”點(diǎn)表征推進(jìn)劑內(nèi)部開始“脫濕”時的對應(yīng)應(yīng)變，其大小與體積膨脹率判斷閾值的設(shè)定有關(guān)；特征“脫濕”點(diǎn)表征推進(jìn)劑發(fā)生起始“脫濕”損傷的難易程度，特征“脫濕”點(diǎn)越大表示該推進(jìn)劑越不容易發(fā)生起始“脫濕”；特征“脫濕”速率表征推進(jìn)劑發(fā)生起始“脫濕”后，“脫濕”損傷發(fā)展的快慢程度。

對于圖4所示的試驗(yàn)數(shù)據(jù)而言，其起始“脫濕”應(yīng)變?yōu)?.094 5，特征“脫濕”點(diǎn)為0.135 8，特征“脫濕”速率為0.358 6。

2.2 應(yīng)變率對“脫濕”性能的影響

對同一配方的推進(jìn)劑在不同應(yīng)變率下進(jìn)行“脫濕”性能試驗(yàn)，選用3號配方的推進(jìn)劑。將得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)過LOWESS算法濾波之后繪制成圖5。

圖5 不同應(yīng)變率下的膨脹率曲線

按照2.1節(jié)對起始“脫濕”點(diǎn)、特征“脫濕”點(diǎn)和特征“脫濕”速率的定義，數(shù)據(jù)處理后得到的具體“脫濕”性能參數(shù)整理成表2?？煽吹狡鹗肌懊摑瘛秉c(diǎn)與特征“脫濕”點(diǎn)具有一定的依從關(guān)系，以起始“脫濕”點(diǎn)作為自變量，特征“脫濕”點(diǎn)作為因變量，對表2數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到：

Dg=0.641 76Ds+0.160 79

(7)

本文著重從特征“脫濕”點(diǎn)和特征“脫濕”速率的情況分析其“脫濕”性能，將特征“脫濕”點(diǎn)與特征“脫濕”速率的變化情況繪成圖6。結(jié)合圖5和圖6可看到推進(jìn)劑的“脫濕”性能具有明顯的率相關(guān)性，應(yīng)變率越高，則其特征“脫濕”點(diǎn)越小，特征“脫濕”速率越大。

表2 不同應(yīng)變率下的“脫濕”性能數(shù)據(jù)

根據(jù)圖6還可看出隨著應(yīng)變率的增大，推進(jìn)劑的特征“脫濕”點(diǎn)減小的速率越來越小，特征“脫濕”速率增大的速率也越來越小。進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，速率越大其膨脹率曲線末端呈現(xiàn)線性增長的特征越明顯，這可能意味著推進(jìn)劑內(nèi)部的“脫濕”速率存在一個上限，達(dá)到上限后，“脫濕”速率不再增加，宏觀呈現(xiàn)出體積膨脹率與應(yīng)變呈線性增加的特征。

圖6 推進(jìn)劑“脫濕”性能的率相關(guān)性

2.3 配方對“脫濕”性能的影響

對不同配方的推進(jìn)劑在同一應(yīng)變率下進(jìn)行脫濕性能試驗(yàn)，分別為配方1、配方2和配方3，其具體的配方組成在2.2節(jié)的表1中已經(jīng)列出，試驗(yàn)時的應(yīng)變率均為4.76×10-3s-1。將得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)過LOWESS算法濾波之后繪制成圖7，其中的曲線為體積膨脹率數(shù)據(jù)，直線為其特征“脫濕”線。

圖7 不同配方的膨脹率曲線

可看到不同配方的推進(jìn)劑其膨脹率-應(yīng)變曲線不同，也即其“脫濕”性能與配方有關(guān)；但不同配方的膨脹率-應(yīng)變曲線又具有相同的特征，即初始階段的膨脹率均為零，隨著應(yīng)變的增加，其膨脹率才逐漸變大直到穩(wěn)定增長，這表明不同配方的推進(jìn)劑的“脫濕”演化過程具有相同的規(guī)律。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算得到起始“脫濕”點(diǎn)、特征“脫濕”點(diǎn)和特征“脫濕”速率整理成表3。

表3 不同配方的脫濕性能參數(shù)

推進(jìn)劑中的顆粒主要是Al和AP顆粒，Al顆粒的粒徑較小，大概范圍是10～30 μm，AP的粒徑較大，粒徑范圍在100～300 μm，已有大量文獻(xiàn)[14-15]證實(shí)“脫濕”首先發(fā)生在大顆粒處，也就是推進(jìn)劑內(nèi)部AP顆粒發(fā)生“脫濕”的概率要比Al顆粒發(fā)生“脫濕”的概率大的多，AP顆粒的含量對“脫濕”性能的影響占據(jù)主導(dǎo)作用。

三種配方中，配方1的AP顆粒含量最高，達(dá)到78%，其余兩種配方的AP顆粒含量均為69%。從圖6可見，配方1的特征“脫濕”點(diǎn)最小，即配方1最早發(fā)生“脫濕”，其特征“脫濕”速率最大，證實(shí)了HTPB推進(jìn)劑的“脫濕”性能主要與大顆粒AP含量有關(guān)，AP含量越高則推進(jìn)劑的特征“脫濕”點(diǎn)越小，特征“脫濕”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，試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明配方3的特征“脫濕”點(diǎn)要大于配方2的特征“脫濕”點(diǎn)，說明Al顆粒含量的提高可以延遲“脫濕”的發(fā)生，提高推進(jìn)劑的特征“脫濕”點(diǎn)，但另一方面可以看到配方3的特征“脫濕”速率大于配方2的特征“脫濕”速率，這說明Al顆粒的加入會增大推進(jìn)劑的特征“脫濕”速率。

3 結(jié)論

基于氣體膨脹計(jì)原理成功研制了推進(jìn)劑“脫濕”性能測量裝置，并利用該裝置開展了常溫常壓下配方及應(yīng)變率對推進(jìn)劑“脫濕”性能的影響試驗(yàn)研究，定義了起始“脫濕”點(diǎn)、特征“脫濕”點(diǎn)和特征“脫濕”速率來表征“脫濕”性能，得到的主要結(jié)論如下：

(1) 推進(jìn)劑的“脫濕”性能具有明顯的率相關(guān)性，推進(jìn)劑在高速應(yīng)變載荷下更易“脫濕”，但是推進(jìn)劑的內(nèi)部“脫濕”速率存在一個上限。

(2) 推進(jìn)劑的“脫濕”性能與配方有關(guān)，推進(jìn)劑中的AP含量越高，其起始“脫濕”點(diǎn)和特征“脫濕”點(diǎn)越小，特征“脫濕”速率越大；推進(jìn)劑中的Al含量越高，其起始“脫濕”點(diǎn)和特征“脫濕”點(diǎn)越大，但特征“脫濕”速率也越大，意味著推進(jìn)劑越不容易發(fā)生“脫濕”，但“脫濕”發(fā)生后其內(nèi)部損傷累積會更快。

(3) 推進(jìn)劑的“脫濕”性能可以方便地采用起始“脫濕”點(diǎn)、特征“脫濕”點(diǎn)和特征“脫濕”速率來表征，該“脫濕”性能參數(shù)對于推進(jìn)劑的藥柱結(jié)構(gòu)完整性及配方設(shè)計(jì)均具有重要工程意義。

(4) 限于試驗(yàn)條件，本文只開展了常溫常壓下的“脫濕”性能試驗(yàn)研究，低溫、圍壓及高應(yīng)變率(拉伸速率大于500 mm/min)條件下的“脫濕”性能規(guī)律研究還有待進(jìn)一步開展。