溫度影響下固體火箭發動機復合材料殼體實驗研究①

樊 鈺，葉定友，，史宏斌

(1．第二炮兵工程大學，西安 710025;2．中國航天科技集團公司四院，西安 710025)

0 引言

航天技術的發展對材料在溫度影響下的力學性能提出了很高要求。材料的力學性能隨溫度的變化規律各不相同，在室溫下具有優良力學性能的材料，不一定能夠滿足在高溫或低溫下長時服役對力學性能的要求。如何評價導彈固體火箭發動機用復合材料的高低溫力學性能，并運用這些力學性能評估材料構件的安全性和壽命，是一個非常復雜的課題。

長期以來，國內外學者［1－5］針對復合材料及其組分的力學性能開展了大量研究，研究了該類材料的強度、模量、斷裂韌性、沖擊韌性以及疲勞性能等，這些研究為認識該材料的本征特性、設計、生產及使用過程中提供了一個龐大的數據信息庫。然而，由于復合材料纏繞方式的多樣性、生產工藝的復雜性及研究方向的分散性，即便經過多年的探索，也未見針對環氧基炭纖維復合材料在高低溫環境下力學性能［6－8］的系統研究數據。

本文結合工程實踐，對固體火箭發動機用復合材料在高低溫環境下的細觀和宏觀力學性能進行了系統的實驗研究。設計了該材料在高低溫環境下的力學性能實驗測定方案;分析了溫度對環氧樹脂基體、復合材料單向板力學性能的影響;結合工程實際，研究了溫度對復合材料容器及實際產品爆破壓強的影響，獲得了材料的破壞特性及在各種載荷下的破壞機理。實驗結果為建立典型微結構特征和宏觀力學性能的定量關系提供了驗證數據，也為航天固體火箭發動機復合材料殼體結構設計提供了重要材料參數。

1 實驗

1．1 實驗原料

根據固體火箭發動機殼體的使用情況，將目前廣泛應用的炭纖維/環氧樹脂復合材料作為實驗研究對象。

1．2 溫度研究范圍

由于高速飛行的導彈武器在研制、生產、運輸、貯存過程中可能遇到各種氣候環境因素，即－40～60℃工作溫度;同時，在飛行過程中彈體要承受氣動加熱帶來的高溫、沖刷影響，導彈動力裝置固體火箭發動機殼體必須進行外熱防護，受熱力耦合作用，復合材料殼體所能承受的界面溫度為200～400℃。結合以上2個因素，確定影響固體火箭發動機復合材料殼體的溫度范圍為－40～200℃。

1．3 實驗裝置與實驗方法

1．3．1 高低溫實驗裝置介紹

高低溫實驗箱由加熱系統、制冷系統、控制系統、溫度系統、傳感器系統和空氣循環系統組成。其工作原理是仿真產品在氣候環境溫濕組合條件下檢測產品本身的適應能力與特性是否改變。試件、容器及殼體專用高低溫實驗箱見圖1。

圖1 高低溫實驗箱Fig．1 Experimental case of high and low temperature

1．3．2 實驗方法

復合材料細觀力學主要是以纖維、基體為基本單元進行力學性能分析，分析相當復雜。同時，由于實際復合材料纖維形狀的不完全規則和排列不完全均勻，制造工藝上的差異和材料內部存在的孔隙等情況，細觀分析方法不能完全反映材料實際狀況。因此，采用細觀力學與宏觀力學相結合的實驗方法進行研究。

所研究的炭纖維由有機纖維經高溫炭化而成，耐高溫、耐疲勞且熱穩定性好，是良好的高溫隔熱材料。從美國國家標準技術研究院(NIST)給出的數據，很好地說明了纖維材料在低溫環境下力學性能變化不大。因此，本次實驗不單獨對炭纖維進行高低溫條件下性能測定。但溫度變化會導致高聚物基體材料環氧樹脂部分化學添加劑發生不可逆轉的反應，影響其性能和使用質量。玻璃化溫度是衡量該材料的一項重要指標。因此，對環氧樹脂基體進行動態力學性能分析，測定其玻璃化溫度點;在所研究的溫度范圍內，選取關鍵點進行基體材料力學性能實驗，主要包括拉伸、壓縮、彎曲的強度和模量測試。

對于正交各向異性層合板而言，其基本剛度和強度特性可通過環形試件和薄平板試件進行測定。由于環形試件只能測定材料的拉伸性能，而不能排除附加彎曲的影響。因此，將采用環形試件與薄平板試件相結合的辦法測定性能數據。主要測試在溫度影響下，材料拉伸、壓縮、彎曲、剪切的強度和模量值。

盡管通過以上實驗可獲取炭纖維/環氧樹脂復合材料在高低溫環境下的力學性能數據，但卻無法全面反映固體火箭發動機回轉體殼體在高低溫環境下的容器特性，即pV/W。為了更加真實地模擬復合材料殼體在高低溫情況下的受力狀況，設計直徑φ150 mm復合材料容器進行高低溫實驗。在溫度實驗箱中，將容器保溫后，設計有效保溫措施，通過實驗測定并評估溫度隨時間的損失效率，確保容器內外壁溫度在水壓爆破實驗前能滿足－40～200℃的溫度范圍。同時，按照溫度需求，合理設計并選擇爆破實驗溶劑，以確保實現實驗容器的內外恒溫要求。

為驗證材料實驗結果與容器實驗結果的關聯性，利用高低溫實驗箱，對某型發動機復合材料殼體進行高、低、常溫下的水壓爆破實驗，計算纖維殼體特性pV/W，進行材料性能對比。

2 結果與討論

2．1 溫度對環氧樹脂基體力學性能影響研究

對環氧樹脂基體性能進行動態力學分析，測定其玻璃化溫度，測試結果見圖2。

從圖2可看出，50℃以上試件的損耗角正切值基本保持平穩，略呈上升，120℃左右損耗角正切值開始快速上升，140℃時達到最大值。在ISO標準中，一般認為損耗模量峰所對應的溫度為材料的玻璃化溫度，即Tg。但在工程上，為保證結構質量具有較大安全性，在以Tg表征結構材料最高使用溫度時，用切線法將儲存模量曲線上的折點所對應的溫度定義為Tg。這樣能保證材料在適用溫度范圍內模量不出現大的變化，從而保證結構材料尺寸與形狀的穩定性。為確保發動機殼體在使用過程中具有安全性，從以上實驗結果可知，環氧樹脂玻璃化溫度約為130℃。

圖2 環氧樹脂玻璃化溫度測試結果Fig．2 Diagram of glass transition temperature experimental results of epoxy resin

選取低溫 －40、－20℃、常溫(20℃)、高溫(50、100、125、150、200 ℃)幾個溫度點，每個溫度點對 5 個環氧樹脂澆鑄體骨形件在高低溫箱內進行拉伸、壓縮及彎曲實驗測試，其強度和模量隨溫度變化曲線見圖3、圖4。

實驗數據表明，低溫－40℃下，環氧樹脂材料的壓縮、彎曲強度與常溫相當，且略有升高，主要是由于材料變脆，提高了抵抗變形的能力;拉伸強度有所降低，保持率約是常溫的2/3，說明樹脂基體在低溫下材料變脆，塑性性能較差，此時基體易出現裂紋。拉伸、壓縮及彎曲模量基本保持不變，比常溫有所提升。高溫環境下，環氧樹脂的拉伸、壓縮及彎曲強度和模量均隨溫度升高而降低，尤其是在樹脂材料玻璃化溫度后，材料從高彈態向玻璃態轉變，強度急劇下降，力學性能發生變化。

圖3 環氧樹脂拉伸、壓縮及彎曲強度隨溫度變化曲線Fig．3 Variation curves of epoxy resin tensile compression and bending strength with temperature

圖4 環氧樹脂拉伸、壓縮及彎曲模量隨溫度變化曲線Fig．4 Variation curves of epoxy resin tensile compression and bending modulus with temperature

2．2 溫度對復合材料板形件力學性能影響研究

采用相同條件下同一批纏繞的炭纖維/環氧樹脂復合材料層合板，進行不同溫度下的力學性能測試，見圖5和圖6。由于試樣在溫度影響下(尤其是高溫)的脫落情況較嚴重，導致數據離散性較大，但可獲取基本變化趨勢。

圖5 板形件拉壓彎剪強度隨溫度變化趨勢Fig．5 Variation curves of flat specimen tensile compression bending and shear strength with temperature

從圖5可看出，低溫下層合板材料的拉伸、壓縮、彎曲、剪切強度與常溫相當，均有上升趨勢，說明低溫邊界條件－40℃對炭纖維/環氧樹脂復合材料的強度沒有影響，可作為結構件的設計條件。隨溫度升高，材料強度下降，主要在樹脂材料玻璃化溫度后復合材料強度急劇下降。150℃時拉伸強度的保持率為33．6%;壓縮強度的保持率為51．9%;彎曲強度的保持率為9．6%;剪切強度的保持率為21%，樹脂材料性能下降直接影響復合材料在該溫度下的力學特性。從圖6可知，低溫下板形件材料的拉伸、壓縮、彎曲、剪切模量與常溫相當，除拉伸模量外，其余略有上升，但變化不大。隨著溫度的升高，模量也呈下降趨勢，玻璃化溫度后下降較明顯。

實驗結果表明，復合材料單向板的拉伸強度受樹脂材料玻璃化溫度影響較大，但模量的保持率較好。彎曲及剪切力學性能受溫度影響較大，主要取決于復合材料中樹脂的性能。

圖6 板形件拉壓彎剪模量隨溫度變化趨勢Fig．6 Variation curves of flat specimen tensile compression bending and shear modulus with temperature

2．3 溫度對復合材料結構件力學性能影響研究

為了滿足容器在低溫－40℃及高溫200℃下的實驗條件，必須進行材料篩選，采取有效隔熱保溫措施;選取在低溫下不結冰、高溫下不揮發的加壓工作介質;調整好爆破實驗裝置系統，保證實驗的順利完成。

根據實驗方案，制作9發φ150 mm炭纖維/環氧樹脂復合材料容器，3發進行室溫20℃環境下爆破實驗，3發進行低溫－40℃環境下爆破實驗，3發進行高溫200℃爆破實驗，實驗結果見圖7。

圖7 φ150 mm容器高低溫實驗結果Fig．7 Experimental results of φ150 mm vessels on the high and low temperature

從圖7可看出，在相同工藝條件下制作的9發容器，低溫 －40℃環境下容器平均爆破壓強為37．6 MPa，與常溫容器平均爆破壓強35．9 MPa相差不大，且略有上升。說明炭纖維/環氧樹脂復合材料在低溫－40℃環境下纖維性能發揮較好。從破壞情況來看，殼體縱、環向同時破壞，纖維達到破壞強度。總體來說，容器在低溫下性能較好。但高溫200℃時，3發殼體平均爆破壓強較低，只有18．7 MPa，保持率約為常溫的52%，說明高溫下復合材料強度降低，殼體承內壓性能下降。

2．4 溫度對復合材料殼體性能影響研究

以某發動機復合材料殼體為研究對象，在高低溫實驗箱內，分別對3發產品進行高溫50℃、常溫、低溫－40℃爆破實驗，見表1。從實驗數據來看，3臺殼體在不同溫度下的爆破壓強非常接近，實驗離散性不大。從纖維環向應變數據分析，纖維基本發揮其最大強度，滿足環向應變小于1．5%的設計要求，該溫度范圍沒有對炭纖維/環氧樹脂復合材料強度造成影響，能適用－40～60℃的要求。遺憾的是高溫爆破實驗，殼體后封頭金屬件破壞了實驗箱裝置，無法進行高溫150℃及200℃爆破實驗，也無法獲得該材料玻璃化溫度后的殼體性能。

表1 某型號殼體在高、低、常溫下爆破實驗結果Table 1 Burst test experimental results of certain model on the high and low temperature

2．5 實驗結果分析

從以上實驗結果可看出，從單一的基體材料到復合材料試件，再到復合材料容器，以及全尺寸殼體，溫度對其力學性能具有較大影響。低溫下，不論是材料還是結構件，均對溫度不敏感。從容器和殼體的爆破壓強來看，低溫不影響結構件的設計。高溫下基體材料的玻璃化溫度基本決定了材料的性能，玻璃化溫度后，材料及結構件的力學性能均隨溫度升高而急劇下降，容器承內壓能力降低。因此，在復合材料結構件設計中，要重點考慮材料在高溫下的耐溫性能。

殼體是固體火箭發動機的主要承力件，其結構強度及穩定性設計對整彈來說具有舉足輕重的作用。材料強度是殼體內壓設計的關鍵指標，模量及泊松比是決定外載荷設計的關鍵參數。不同溫度下，材料性能變化將極大影響發動機及整彈的性能。因此，材料在溫度影響下的性能保持率對殼體結構設計非常重要。同時，對于飛行馬赫數較高的飛行器動力裝置來說，發動機殼體的材料性能還直接影響外防熱結構的設計。殼體材料耐溫性越好，承載能力越高，界面溫度值較低，防熱結構設計壓力就會越小。

3 結論

(1)根據工程需求，設計了一套完整的固體火箭發動機殼體用炭纖維/環氧樹脂復合材料高低溫力學性能實驗方法，完成了相關實驗，為全面考核復合材料在高低溫下的力學性能奠定了基礎。

(2)低溫－40℃下，炭纖維/環氧樹脂復合材料的強度、模量與常溫基本保持一致，說明復合材料具有較好的低溫力學性能。高溫200℃內，復合材料力學性能隨溫度升高而降低，在基體材料玻璃化溫度前后，力學性能急劇下降。因此，建議在實際工程中合理選用材料使用溫度，保證材料的安全系數。

(3)容器及殼體爆破實驗表明，炭纖維/環氧樹脂復合材料結構件對低溫－40～50℃環境不敏感;但高溫200℃下，由于材料強度下降，影響容器力學性能。

(4)在進行固體火箭發動機殼體結構設計時，若有環境溫度及氣動熱要求，首先應對所用材料進行溫度影響下的力學性能測定，減小研制成本。

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