不同溫度和拉伸速率下復(fù)合推進(jìn)劑力學(xué)性能及破壞模式分析

李高春，李樹謙，郭 宇，劉 鐵，王玉峰

(1. 海軍航空大學(xué)，煙臺(tái) 264001；2. 中國(guó)航天科工集團(tuán)公司六院四十一所，呼和浩特 010010)

0 引言

復(fù)合推進(jìn)劑藥柱是固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的能量來源，又是固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的一個(gè)工程構(gòu)件，在全壽命使用剖面中，要承受熱應(yīng)力、沖擊、振動(dòng)、加速度和點(diǎn)火壓力等載荷的作用。由于復(fù)合推進(jìn)劑為粘彈性材料，其力學(xué)性能不僅與環(huán)境溫度有關(guān)，而且與加載速率等因素有關(guān)。國(guó)內(nèi)外對(duì)復(fù)合推進(jìn)劑的粘彈特性進(jìn)行了大量的研究，王玉峰等[1]對(duì)HTPB復(fù)合推進(jìn)劑在不同拉伸速率下的力學(xué)性能進(jìn)行了測(cè)試，研究發(fā)現(xiàn)，推進(jìn)劑材料具有明顯的應(yīng)變率效應(yīng)。王亞平等[2]采用掃描電子顯微鏡試驗(yàn)手段，研究了拉伸速率對(duì)丁羥推進(jìn)劑拉伸性能的影響，并對(duì)不同拉伸速率下丁羥推進(jìn)劑的破壞機(jī)理進(jìn)行了分析。Tussiwand等[3]研究了推進(jìn)劑在不同溫度下裂紋擴(kuò)展行為，研究發(fā)現(xiàn)在低溫情況下裂紋尖端的損傷區(qū)和裂紋張開位移明顯增加。常新龍等[4]通過掃描電鏡試驗(yàn)研究了不同老化和拉伸條件下推進(jìn)劑拉伸斷口形貌以及低溫失效機(jī)理。王哲君等[5]采用高應(yīng)變率液壓伺服試驗(yàn)機(jī)對(duì)不同溫度和拉伸速率下推進(jìn)劑力學(xué)性能進(jìn)行試驗(yàn)研究，并分析了溫度和應(yīng)變率對(duì)推進(jìn)劑力學(xué)性能的影響，從而為固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)藥柱點(diǎn)火瞬態(tài)條件下結(jié)構(gòu)完整性分析提供依據(jù)。從文獻(xiàn)研究來看，由于受試驗(yàn)條件和費(fèi)用限制，主要側(cè)重于給定溫度或拉伸速率下性能測(cè)試和斷口觀察，對(duì)不同溫度和拉伸速率下的失效準(zhǔn)則及破壞模式研究較少。近年來，隨著固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)使用環(huán)境越來越復(fù)雜，出現(xiàn)了低溫條件下發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火爆炸的情況。因此，有必要分析推進(jìn)劑在低溫、高拉伸速率條件下的力學(xué)特性及破壞模式[6-9]，從而為固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)低溫點(diǎn)火過程中裝藥結(jié)構(gòu)完整性分析提供參考依據(jù)。

本文采用高速拉伸試驗(yàn)機(jī)，進(jìn)行不同溫度和拉伸速率條件下推進(jìn)劑單向拉伸力學(xué)性能試驗(yàn)，分析推進(jìn)劑力學(xué)性能及其變化規(guī)律；基于時(shí)溫等效原理，建立推進(jìn)劑拉伸破壞的主曲線和破壞包絡(luò)線。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)獲得的推進(jìn)劑掃描電鏡圖片，分析推進(jìn)劑在不同溫度和拉伸速率下的細(xì)觀失效模式，特別是在低溫、高拉伸速率條件下推進(jìn)劑呈現(xiàn)不同失效模式，為裝藥低溫結(jié)構(gòu)完整性分析提供參考。

1 試驗(yàn)方法

1.1 單向拉伸試驗(yàn)

推進(jìn)劑試件的制取按照GJB 770B—2005所規(guī)定的方法執(zhí)行，試件的形狀為啞鈴形。采用高速拉伸試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行測(cè)試，拉伸試驗(yàn)條件：試驗(yàn)溫度分別為65、45、15、-25、-45 ℃；拉伸速率為0.5、2、100、500、2000、5000 mm/min。試件在不同溫度條件下保溫2 h后，采用高速拉伸試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)采用計(jì)算機(jī)控制，加載時(shí)可保持恒速。通過對(duì)應(yīng)力-應(yīng)變曲線處理，得到推進(jìn)劑各項(xiàng)力學(xué)性能：初始模量、抗拉強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率等。

1.2 掃描電鏡觀察試驗(yàn)

將拉伸斷裂后的推進(jìn)劑試件斷口在常溫下送入掃描電鏡中進(jìn)行形貌觀察，試驗(yàn)采用JSM-5410LV型掃描電子顯微鏡，加速器電壓5 kV。為便于觀察對(duì)比，拍取放大倍數(shù)為50的掃描電鏡圖像，根據(jù)獲得的掃描電鏡圖片分析推進(jìn)劑在不同溫度、拉伸速率下的細(xì)觀損傷破壞模式。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 單向拉伸力學(xué)性能分析

圖1(a)為-25 ℃時(shí)不同拉伸速率下推進(jìn)劑拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線?？梢钥闯?，不同拉伸速率下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系呈現(xiàn)基本相同的趨勢(shì)，在拉伸開始階段，拉伸應(yīng)變達(dá)到10%之前，其應(yīng)力-應(yīng)變線性關(guān)系較好，之后應(yīng)力-應(yīng)變曲線出現(xiàn)平臺(tái)區(qū)，斜率逐漸減少，呈現(xiàn)非線性關(guān)系，最后出現(xiàn)斷裂，推進(jìn)劑的應(yīng)力-應(yīng)變曲線具有強(qiáng)烈的非線性。

圖1(b)為拉伸速率500 mm/min時(shí)不同溫度下推進(jìn)劑的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線?？梢钥闯?，相對(duì)于常溫拉伸情況，低溫條件下推進(jìn)劑的應(yīng)力-應(yīng)變曲線具有以下幾個(gè)典型特征：初始模量和抗拉強(qiáng)度隨溫度降低逐漸增大；斷裂伸長(zhǎng)率隨拉伸速率增加而增加，在-45 ℃時(shí)斷裂伸長(zhǎng)率相對(duì)于-25 ℃時(shí)明顯降低。

(a)-25 ℃

(b) 500 mm/min

圖2為推進(jìn)劑初始模量、抗拉強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率等力學(xué)性能隨溫度、拉伸速率的變化曲線。研究發(fā)現(xiàn)，推進(jìn)劑在不同溫度和拉伸速率下的初始模量、抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率等力學(xué)性能呈現(xiàn)出不同的變化規(guī)律。從圖2(a)～(d)可以看出，相同拉伸速率下，隨溫度的降低，初始模量和抗拉強(qiáng)度增加；相同溫度，初始模量和抗拉強(qiáng)度隨拉伸速率的增加而增加。在低溫、高拉伸速率下，推進(jìn)劑呈現(xiàn)高模量、高抗拉強(qiáng)度。對(duì)比拉伸速率和溫度對(duì)推進(jìn)劑力學(xué)性能影響可知，降低溫度與提高拉伸速率具有相同的效應(yīng)，也就是具有時(shí)溫等效。

(a)初始模量-溫度 (b)初始模量-拉伸速率

(c)抗拉強(qiáng)度-溫度 (d)抗拉強(qiáng)度-拉伸速率

(e)斷裂伸長(zhǎng)率-溫度 (f)斷裂伸長(zhǎng)率-拉伸速率

對(duì)于推進(jìn)劑斷裂伸長(zhǎng)率，在不同溫度和拉伸速率下，呈現(xiàn)較大的分散性。在低溫、高拉伸速率下，斷裂伸長(zhǎng)率降低。

2.2 力學(xué)性能主曲線分析

采用WLF方程對(duì)各個(gè)溫度下的時(shí)溫轉(zhuǎn)換因子進(jìn)行擬合，結(jié)果如式(1)所示:

(1)

根據(jù)獲得的WLF，將橫坐標(biāo)表示為

(2)

式中L0為試樣初始工程標(biāo)距，mm；V為拉伸速率，mm/min。

縱坐標(biāo)分別為初始模量、抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率等，基于時(shí)溫等效原理，將不同溫度和拉伸速率下的數(shù)據(jù)平移得到主曲線的散點(diǎn)圖，采用不同函數(shù)對(duì)其進(jìn)行擬合，得到的力學(xué)性能主曲線擬合關(guān)系式，具體見表1和圖3。

表1 推進(jìn)劑力學(xué)性能主曲線

(a)初始模量 (b)抗拉強(qiáng)度 (c)斷裂伸長(zhǎng)率

分析表1和圖3可知：初始模量、抗拉強(qiáng)度主曲線呈現(xiàn)指數(shù)遞減趨勢(shì)，在高溫、低拉伸速率情況下，其值減少；斷裂伸長(zhǎng)率的主曲線呈現(xiàn)多項(xiàng)式關(guān)系，在低溫和高拉伸速率下，伸長(zhǎng)率下降，上述現(xiàn)象容易引起固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)在低溫條件下工作結(jié)構(gòu)完整性的失效。

由不同溫度和拉伸速率下的抗拉強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率得到破壞包絡(luò)線，見圖4。破壞包絡(luò)線提供了不同溫度和拉伸速率下推進(jìn)劑失效判據(jù)，在曲線的左邊推進(jìn)劑不發(fā)生破壞，右邊則發(fā)生破壞。破壞包絡(luò)線綜合斷裂時(shí)的應(yīng)力和應(yīng)變，相對(duì)于最大延伸率等單一參數(shù)失效判據(jù)更加全面。

圖4 推進(jìn)劑破壞包絡(luò)線

2.3 破壞模式分析

圖5給出了典型溫度和拉伸速率下推進(jìn)劑拉伸斷裂斷口的SEM圖像。從圖5(a)、(b)可看出：推進(jìn)劑在較高溫度下拉斷時(shí)，推進(jìn)劑的斷口可觀察到突出的推進(jìn)劑顆粒和顆粒拔出后留下的凹坑，顆粒表面比較光滑，幾乎未見推進(jìn)劑顆粒發(fā)生破碎。表明在這些條件下，顆粒與基體的界面脫粘是其主要破壞形式。

在低溫拉伸下(圖5(c)～(g))，推進(jìn)劑斷口形貌表現(xiàn)為顆粒斷裂、界面脫粘等多種損傷破壞形式。顆粒由完整顆粒變?yōu)榉峭暾w粒，顆粒內(nèi)部存在微裂紋，顆粒產(chǎn)生了明顯的破碎，在較大的顆粒上還能觀察到放射狀裂紋。溫度相同條件下，拉伸速率越高，顆粒破碎越嚴(yán)重；拉伸速率相同，溫度越低，顆粒破碎就越嚴(yán)重，在-45 ℃、5000 mm/min下推進(jìn)劑幾乎全部顆粒發(fā)生了斷裂(圖5(h))。

通過觀察推進(jìn)劑低溫、高拉伸速率下斷口可看出，顆粒斷面大部分與拉伸斷口表面平齊，部分顆粒表面存在臺(tái)階，上述臺(tái)階的形成是由于顆粒的取向是無(wú)序的，當(dāng)兩個(gè)不在同一平面上的斷口，通過撕裂作用會(huì)形成臺(tái)階。

拉伸斷口分析可知，在低溫、高拉伸速率下，顆粒產(chǎn)生了明顯的破碎，呈現(xiàn)與常溫顆粒脫濕之間不同失效模式。由脫濕臨界應(yīng)力公式[11-12]可知，在體積分?jǐn)?shù)、顆粒半徑不變的情況下，推進(jìn)劑基體模量增加時(shí)，其界面的脫粘應(yīng)力增加。由于低溫和高應(yīng)變率下基體的硬化作用，其模量提高，顆粒與基體臨界脫濕應(yīng)力增加。在拉伸情況下不易出現(xiàn)脫粘，顆粒內(nèi)部受力更加嚴(yán)重，容易發(fā)生顆粒破碎。低溫條件下顆粒更容易發(fā)生脆斷，從而使低溫下顆破碎更加明顯。

(a) 65 ℃、100 mm/min (b) 15 ℃、5000 mm/min

(c) -25 ℃、500 mm/min (d) -25 ℃、5000 mm/min

(e) -45 ℃、2 mm/min (f) -45 ℃、100 mm/min

(g) -45 ℃、2000 mm/min (h) -45 ℃、5000 mm/min

3 結(jié)論

(1)初始模量、抗拉強(qiáng)度隨溫度的降低以及拉伸速率的增加而增加，而斷裂伸長(zhǎng)率規(guī)律不明顯，但在低溫、高拉伸速率下，伸長(zhǎng)率明顯降低。

(2)基于時(shí)溫等效原理，給出了推進(jìn)劑力學(xué)性能主曲線和破壞包絡(luò)線，為不同試驗(yàn)條件下失效預(yù)測(cè)提供基礎(chǔ)。

(3)不同溫度和拉伸速率條件下推進(jìn)劑呈現(xiàn)不同細(xì)觀破壞形式，在常溫下，推進(jìn)劑主要呈現(xiàn)顆粒與基體的脫粘，隨著溫度下降和拉伸速率的提高，從脫粘向顆粒的斷裂機(jī)制轉(zhuǎn)變，在低溫拉伸下，推進(jìn)劑內(nèi)部顆粒產(chǎn)生了明顯的破碎。