基于原位X射線成像的推進(jìn)劑損傷演化表征

王龍，劉岳勛，吳圣川，*，侯傳濤，張峰濤

1.北京強(qiáng)度環(huán)境研究所 可靠性與環(huán)境工程技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100076

2.西南交通大學(xué) 牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610031

3.湖北航天化學(xué)技術(shù)研究所 航天化學(xué)動(dòng)力技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，襄陽(yáng) 441003

復(fù)合固體推進(jìn)劑是一種由聚合物基體與填料顆粒通過物理吸附及化學(xué)作用相結(jié)合的顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料，廣泛用于固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室裝藥［1］。在貯存或運(yùn)用中，藥柱結(jié)構(gòu)承受多種復(fù)雜的載荷作用，固體推進(jìn)劑內(nèi)部細(xì)微觀結(jié)構(gòu)由此會(huì)發(fā)生變化，進(jìn)而影響藥柱的宏觀力學(xué)性能和完整性［2］。同時(shí)，作為一種典型的含能材料，內(nèi)部細(xì)觀損傷會(huì)顯著影響固體推進(jìn)劑的感度，而外部載荷作用下的損傷演化將導(dǎo)致材料劣化［3-4］。因此，細(xì)觀損傷與失效行為的研究是近年來各類固體推進(jìn)劑研究的熱點(diǎn)和前沿課題［5-6］。

然而，實(shí)現(xiàn)細(xì)觀損傷的觀測(cè)與表征是研究固體推進(jìn)劑損傷演化與失效行為的基礎(chǔ)［7］。Rothon［8］認(rèn)為顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料內(nèi)部的微孔洞形成以及損傷破壞的主要形式是界面脫濕。Rae等［9-10］采用光學(xué)顯微鏡（Optical Microscope，OM）研究了PBX9501炸藥的細(xì)觀結(jié)構(gòu)形態(tài)，在填料顆粒內(nèi)部發(fā)現(xiàn)了大量?jī)?nèi)部缺陷，且在顆粒與基體的界面處也發(fā)現(xiàn)了大量微孔洞；與此同時(shí)，在準(zhǔn)靜態(tài)拉伸加載條件下，還觀察到裂紋主要沿著較大填充顆粒的邊緣進(jìn)行擴(kuò)展。進(jìn)而，Ide等［11］采用掃描電子顯微鏡（Scanning Electron Microscope，SEM）對(duì)未老化及不同條件下加速老化的HTPB推進(jìn)劑在拉伸作用下的斷面特征進(jìn)行研究，結(jié)果表明填料顆粒與基體的界面脫濕形成的微孔洞將在裂紋擴(kuò)展過程中合并，且伴隨HTPB基體纖維的失效，使裂紋銳化，隨著應(yīng)變?cè)龃?，在裂紋尖端形成新的損傷區(qū)。王亞平和王北海［12］同樣采用SEM對(duì)HTPB推進(jìn)劑的單調(diào)拉伸后斷面形貌進(jìn)行分析，研究表明在慢速拉伸下，脫濕是樣品斷裂的主因。宋丹平［13］使用原位拉伸SEM裝置對(duì)多種顆粒填率的NEPE推進(jìn)劑進(jìn)行拉伸試驗(yàn)并開展成像觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)HMX、Al及AP這3種固體顆粒的體積分?jǐn)?shù)及大小對(duì)推進(jìn)劑細(xì)觀結(jié)構(gòu)損傷演化的影響各不相同，其中AP顆粒的破壞方式為界面的脫濕及粘合劑基體的斷裂這2種方式共存，但基體的斷裂為主導(dǎo)方式。

然而，目前對(duì)于細(xì)觀損傷的研究均基于OM或者SEM，這些技術(shù)手段只能獲得樣品表面的局域信息，對(duì)于損傷表征局限于二維形貌，且難以對(duì)加載過程中固體推進(jìn)劑的內(nèi)部損傷演化進(jìn)行三維數(shù)據(jù)的定量化研究。X射線顯微成像技術(shù)（X-ray Computed Tomography，X-CT）能夠無損獲得材料內(nèi)部微細(xì)觀結(jié)構(gòu)、缺陷及損傷的三維圖像，能夠?qū)崿F(xiàn)在三維空間上的定性與定量分析［14-16］。Withers［17-18］和吳圣川［19］等認(rèn)為，這種試驗(yàn)方法已從過去的定性成像技術(shù)發(fā)展到近年的定量分析技術(shù)。根據(jù)X射線源及亮度差異，XCT可分為實(shí)驗(yàn)室CT（Laboratory Computed Tomography，Lab-CT）與同步輻射CT（Synchrotron Radiation Micro Computed Tomography，SR-μCT）。

實(shí)驗(yàn)室CT已經(jīng)被用于復(fù)合固體推進(jìn)劑的細(xì)觀研究。Collins［20］和Lee［21］等較早使用實(shí)驗(yàn)室CT技術(shù)開展固體推進(jìn)劑三維細(xì)觀形貌的研究，并重構(gòu)獲得了推進(jìn)劑在拉伸過程中裂紋萌生及擴(kuò)展的過程。劉新國(guó)等［22］采用實(shí)驗(yàn)室CT對(duì)HTPB推進(jìn)劑進(jìn)行了掃描試驗(yàn)，根據(jù)評(píng)價(jià)平均灰度值及孔隙率這2種指標(biāo)對(duì)推進(jìn)劑的脫濕損傷演化過程進(jìn)行定量表征，并基于唯象理論建立了孔隙率與單軸拉伸應(yīng)變的四次非線性關(guān)系。李世奇等［23］基于實(shí)驗(yàn)室CT對(duì)低速拉伸下HTPB的細(xì)觀損傷演化進(jìn)行表征，提取獲得樣品內(nèi)部孔隙的三維分布，研究認(rèn)為AP顆粒/基體界面脫濕形成的孔洞及大量孔洞匯合是樣品最終宏觀失效的原因。

相對(duì)于實(shí)驗(yàn)室CT，第3代同步輻射光源具有高精度、高亮度、高準(zhǔn)直、非破壞及平行束等優(yōu)點(diǎn)，基于同步輻射X射線的三維成像亦即同步輻射CT技術(shù)已經(jīng)被廣泛用于先進(jìn)材料的損傷行為研究中［24-27］。然而，當(dāng)前基于同步輻射CT的復(fù)合固體推進(jìn)劑研究仍未見報(bào)道。Yeager等［28］應(yīng)用同步輻射CT對(duì)模型PBX炸藥的微細(xì)觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜態(tài)成像試驗(yàn)，觀察到界面、裂紋、孔隙等細(xì)觀特征。Kalman等［29］應(yīng)用同步輻射CT對(duì)HTPB固體推進(jìn)劑內(nèi)部的Al顆粒在火箭發(fā)動(dòng)機(jī)條件下的團(tuán)聚行為進(jìn)行觀察，首次以非破壞性的方式獲得在發(fā)動(dòng)機(jī)壓力下的高保真顆粒尺寸分布。

本文基于高分辨同步輻射CT技術(shù)及自主研發(fā)的原位力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)火箭NEPE固體推進(jìn)劑的初始狀態(tài)及在拉伸速率為0.1 mm/s的單軸拉伸載荷作用下的內(nèi)部細(xì)觀損傷演化行為進(jìn)行成像試驗(yàn)?；诠腆w推進(jìn)劑初始狀態(tài)的同步輻射CT成像結(jié)果，依據(jù)吸收襯度成像原理，定性分析NEPE推進(jìn)劑內(nèi)部的細(xì)觀結(jié)構(gòu)特征，即推進(jìn)劑的填料顆粒分布及初始缺陷；基于固體推進(jìn)劑在不同加載狀態(tài)下的細(xì)觀形貌，分析NEPE固體推進(jìn)劑隨單調(diào)拉伸載荷作用的細(xì)觀損傷演化行為；最后，基于三維重構(gòu)結(jié)果，提取固體推進(jìn)劑內(nèi)部典型損傷的球度與體積，對(duì)典型損傷隨拉伸應(yīng)變的演化行為進(jìn)行定量表征與統(tǒng)計(jì)。

1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)用樣品材料是由某研究所提供的新型NEPE固體推進(jìn)劑。圖1為材料示意圖與試樣設(shè)計(jì)。如圖1（a）所示為試驗(yàn)所用樣品材料的各組分組成示意圖。NEPE固體推進(jìn)劑是一種典型的聚合物基體顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料，主要作為推進(jìn)劑增強(qiáng)相的材料是AP與Al顆粒。由于原位拉伸試驗(yàn)是在自主研究的原位試驗(yàn)設(shè)備上開展，目前還難以依據(jù)相關(guān)的固體推進(jìn)劑單調(diào)拉伸試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行試樣設(shè)計(jì)?；谧灾餮兄频脑涣W(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)，配合本研究的原位單調(diào)拉伸試驗(yàn)特別設(shè)計(jì)的微型非標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣如圖1（b）和圖1（c）所示。其中，樣品全長(zhǎng)為33 mm，最寬處為10 mm，充分考慮同步輻射X射線對(duì)材料的穿透能力及同步輻射X射線的光斑尺寸，試驗(yàn)樣品標(biāo)距段長(zhǎng)度為1 mm，寬度與厚度為2 mm，考慮樣品的寬度在10 ～2 mm的過渡段中可能由于幾何形狀而導(dǎo)致局部應(yīng)力集中，在樣品中設(shè)計(jì)半徑分別為10 mm及5 mm的2段過渡圓弧。

圖1 材料示意圖與試樣設(shè)計(jì)Fig.1 Material schematic and specimen design

三維原位成像拉伸試驗(yàn)基于自主研制的原位力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)（最大載荷3 kN），在上海光源X射線成像及生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用光束線站（BL13W1）開展。圖2為基于同步輻射X射線的原位拉伸試驗(yàn)示意圖，基于同步輻射X射線的三維透射成像試驗(yàn)原理如圖2（a）所示。原位力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)物照片如圖2（b）所示，試驗(yàn)機(jī)的視場(chǎng)高度為40 mm，可確保平行X射線束可以經(jīng)過加載裝置視場(chǎng)部位的PMMA罩穿透試樣到達(dá)Hamamastu Flash 4.0 sCMOS探測(cè)器。裝載試樣的加載裝置固定于高精度Kohzu樣品臺(tái)上，成像時(shí)樣品與加載裝置隨樣品臺(tái)旋轉(zhuǎn)180°，旋轉(zhuǎn)角度增量為0.25°。

圖2 基于同步輻射X射線的原位拉伸試驗(yàn)示意圖Fig.2 Schematic diagram of in-situ tensile test based on synchrotron radiation X-ray

在進(jìn)行原位三維成像試驗(yàn)時(shí)，首先對(duì)初始狀態(tài)時(shí)的推進(jìn)劑樣品進(jìn)行掃描。成像參數(shù)設(shè)定：光子能量為19 keV，試樣與探測(cè)器的距離為0.25 m，像素尺寸為3.25 μm，曝光時(shí)間為500 ms，完成1次掃描共計(jì)用時(shí)6 min。初始狀態(tài)掃描完成后進(jìn)行原位單調(diào)拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)裝置的加載模式為位移載荷，拉伸速率為0.1 mm/s，每加載0.16 mm進(jìn)行1次成像，相應(yīng)成像設(shè)定與初始態(tài)掃描設(shè)定完全一致，成像狀態(tài)分別為0.16、0.32、0.48、0.60、0.80、0.96 mm，試樣斷裂狀態(tài)時(shí)，即在1.12 mm進(jìn)行最后1次成像。試驗(yàn)在溫度為26 ℃、濕度為58%的室內(nèi)環(huán)境展開。

原位拉伸試驗(yàn)獲得的成像結(jié)果為多組二維投影圖像，每組共有720張投影圖像，然后將投影圖像導(dǎo)入PITRE及PITRE_BM后，最后經(jīng)相位恢復(fù)等算法處理后獲得多組8位灰度切片。三維重構(gòu)與表征基于專業(yè)重構(gòu)軟件進(jìn)行，將序列灰度切片導(dǎo)入重構(gòu)軟件，根據(jù)組分灰度差異對(duì)灰度切片內(nèi)不同組分進(jìn)行分割提取，可實(shí)現(xiàn)對(duì)試樣內(nèi)部損傷形貌的精細(xì)定量化表征。

為結(jié)合成像對(duì)樣品最終失效進(jìn)行分析，采用超景深顯微鏡對(duì)成像拉伸試樣斷面進(jìn)行掃描，獲得樣品斷面的三位形貌特征。

2 結(jié)果與討論

2.1 細(xì)觀結(jié)構(gòu)與損傷的定性分析

基于吸收襯度成像機(jī)制的X射線成像利用樣品對(duì)X射線的吸收以獲取其內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息，成像理論基礎(chǔ)為Beer-Lambert定律：

式中：（Ix，z）是出射X射線的光強(qiáng)；I（0x，z）是入射X射線的光強(qiáng)；μ為吸收系數(shù)；x為假設(shè)的水平方向；z是垂直方向；y是垂直于xz平面的方向。

吸收系數(shù)μ為

式中：ρ是質(zhì)量密度；K是常數(shù)；Z是原子序數(shù)；E是光子能量。

由式（2）可知，對(duì)于不同的組分，由于原子組成和密度不同，在相同光子能量下具有不同的吸收系數(shù)，進(jìn)而對(duì)應(yīng)不同的灰度值。對(duì)于同一組分，其原子序數(shù)一定，若密度發(fā)生變化，相應(yīng)的吸收系數(shù)也可能會(huì)發(fā)生變化，表現(xiàn)出不同的灰度值。灰度分布直接反映了試樣內(nèi)部X射線線性吸收的分布，不同的灰度特征即對(duì)應(yīng)不同的組分，相同的組分應(yīng)呈現(xiàn)相似的灰度特征。

對(duì)于NEPE固體推進(jìn)劑，其內(nèi)部主要組分為Al顆粒、AP顆粒以及高聚物粘合劑基體，由于Al密度與原子序數(shù)最大，故其灰度值最高。粘合劑為非晶態(tài)交聯(lián)高分子體系，主要組成元素包括C原子與O原子，其密度最低，故灰度在3種主要組分中最低。AP顆粒為晶體結(jié)構(gòu)，主要組成元素包括N原子、H原子、Cl原子以及O原子，AP顆粒的密度低于Al顆粒但大于基體，因此AP顆粒的灰度應(yīng)小于Al顆粒且大于基體。在固體推進(jìn)劑中除以上組分外，還存在一些初始缺陷，例如孔洞等，由于其基本不吸收X射線，故灰度值應(yīng)小于上述3種組分。

為分析推進(jìn)劑的細(xì)觀結(jié)構(gòu)，選取初始狀態(tài)樣品1 600 μm×1 600 μm區(qū)域的重構(gòu)切片如圖3所示。觀察可得其中有明顯的4種灰度特征，基于上述分析將各組分分別標(biāo)注于圖3中?；诨叶忍卣骺梢暂^容易地從重構(gòu)切片中區(qū)分出Al顆粒與AP顆粒，2種不同的顆?；叶忍卣髋c幾何尺寸差異較大。AP顆粒尺寸遠(yuǎn)大于Al顆粒，但灰度小于Al顆粒，形態(tài)呈橢圓形，長(zhǎng)短軸尺寸相近，AP顆粒之間存在較大的尺寸差異?？梢杂^察到AP顆粒隨機(jī)地分布在推進(jìn)劑內(nèi)部，且除少數(shù)分布較集中的顆粒外，其他AP顆粒間或者單個(gè)AP顆粒與AP顆粒團(tuán)間均相距較遠(yuǎn)。Al顆粒基本為圓形，尺寸遠(yuǎn)小于AP顆粒，其灰度值最大，且數(shù)量遠(yuǎn)多于AP顆粒。大部分Al顆粒均勻地分布在基體中，然而觀察圖3中A、B與C區(qū)域可以發(fā)現(xiàn)，存在部分Al顆粒聚集分布的現(xiàn)象，這些顆粒集中分布在AP顆粒較少的區(qū)域。填料顆粒的幾何特征表明推進(jìn)劑內(nèi)部基本不存在細(xì)長(zhǎng)針狀顆粒。

圖3 NEPE固體推進(jìn)劑細(xì)觀形貌Fig.3 Meso-morphology of NEPE solid propellant

由于復(fù)合固體推進(jìn)劑內(nèi)不同組分的材料屬性差別較大，以及受生產(chǎn)過程中工藝的影響，在固體推進(jìn)劑內(nèi)部通常存在各種初始缺陷。根據(jù)樣品的重構(gòu)圖像判斷，固體推進(jìn)劑內(nèi)部的初始缺陷主要為2類：一種為填料顆粒內(nèi)部的孔洞，另一種為填料顆粒/基體粘接界面的損傷。在重構(gòu)的三維圖像中，孔洞的灰度特征表現(xiàn)為最暗的部分。圖4所示為固體推進(jìn)劑內(nèi)最典型的2類顆粒內(nèi)孔洞，可以看到孔洞對(duì)應(yīng)于整張圖像灰度最低的區(qū)域。圖4（a）為AP顆粒內(nèi)的孔洞，圖中可以清晰地觀察到2類典型孔洞，一種為顆粒內(nèi)單孔洞，另一種為顆粒內(nèi)多孔洞，圖4（b）為Al顆粒內(nèi)的孔洞。固體推進(jìn)劑內(nèi)最常見的孔洞類型為AP顆粒內(nèi)孔洞，Al顆粒較少發(fā)現(xiàn)初始缺陷。

圖4 固體推進(jìn)劑的典型特征缺陷Fig.4 Typical defects within solid propellant

填料顆粒/基體粘接界面損傷是指顆粒與基體的粘接在初始狀態(tài)時(shí)被破壞，稱為初始脫濕。如圖3中D與E所示，2個(gè)AP顆粒直接接觸，顆粒中間沒有粘合劑進(jìn)行粘接。由于低應(yīng)變率下固體推進(jìn)劑的損傷形式主要為AP顆粒/基體界面的脫濕行為，所以存在初始脫濕的區(qū)域在外載荷作用下易更快地形成細(xì)觀損傷?？紤]固體推進(jìn)劑的制備過程，需要使得粘合劑能夠充分浸潤(rùn)填料顆粒表面，所以顆粒/基體界面初始脫濕可能是制備過程中未達(dá)到充分浸潤(rùn)所致。

在不同的載荷條件下，固體推進(jìn)劑表現(xiàn)為不同的損傷形式，在低應(yīng)變率載荷作用下，固體推進(jìn)劑的損傷主要表現(xiàn)為AP顆粒/基體界面的脫濕，而在高應(yīng)變率載荷作用下，固體推進(jìn)劑的損傷形式表現(xiàn)為界面脫濕及AP顆粒的穿晶斷裂。在高應(yīng)變率的條件下，由于AP顆粒內(nèi)存在孔洞等初始缺陷，故其更容易出現(xiàn)細(xì)觀損傷，因此在進(jìn)行這種工況的分析時(shí)應(yīng)當(dāng)考慮AP顆粒的初始缺陷。由于Al顆粒的初始缺陷較少，且在0.1 mm/s的拉伸速率下并未觀察到Al顆粒發(fā)生穿晶斷裂，故認(rèn)為在該工況下進(jìn)行相應(yīng)地細(xì)觀損傷分析時(shí)可以忽略Al顆粒內(nèi)部的缺陷。

從材料科學(xué)的角度出發(fā)，復(fù)合固體推進(jìn)劑是一類典型的顆粒增強(qiáng)型復(fù)合材料，其中填料顆粒為彌散相，聚合物基體為連續(xù)相，2種相通過物理吸附作用相結(jié)合。但是由于彌散相與連續(xù)相的力學(xué)與界面性能存在較大差異，在成型過程中經(jīng)歷的多種工藝均可能引入初始缺陷，如上述顆粒內(nèi)部的孔洞以及界面上的初始脫濕，這些初始缺陷直接反應(yīng)為結(jié)構(gòu)缺陷，也即這些缺陷會(huì)直接導(dǎo)致固體推進(jìn)劑的力學(xué)性能惡化。同樣地，從其作為一種直接應(yīng)用于航天工程的功能材料而言，固體推進(jìn)劑也是一種具有復(fù)雜組分構(gòu)成的典型含能材料，其主要的運(yùn)用環(huán)節(jié)在于執(zhí)行任務(wù)時(shí)能夠穩(wěn)定燃燒并提供推力，此時(shí)推進(jìn)劑的細(xì)觀結(jié)構(gòu)將直接影響其燃燒性能。

固體推進(jìn)劑內(nèi)的初始缺陷包括顆粒內(nèi)孔洞與初始脫濕，其將使推進(jìn)劑內(nèi)熱點(diǎn)源增加，從而提高推進(jìn)劑的感度，同時(shí)初始脫濕的存在將增加燃燒表面積，提高推進(jìn)劑的燃速，從而導(dǎo)致其燃燒異常，加速燃燒轉(zhuǎn)爆轟。除初始缺陷外，填料顆粒的細(xì)觀分布特征也會(huì)影響推進(jìn)劑的燃燒性能。

值得注意的是，本節(jié)對(duì)于推進(jìn)劑內(nèi)部細(xì)觀結(jié)構(gòu)的表征與分析均基于同步輻射CT的空間分辨率開展，即所有觀測(cè)識(shí)別的推進(jìn)劑結(jié)構(gòu)特征與缺陷在一維尺度上均＞3.25 μm。

2.2 細(xì)觀損傷演化的定性分析

在外部載荷作用下，復(fù)合固體推進(jìn)劑內(nèi)部的細(xì)觀結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，導(dǎo)致力學(xué)性能劣化和完整性變化。為直觀地表征固體推進(jìn)劑的內(nèi)部細(xì)觀損傷演化規(guī)律，基于三維重構(gòu)軟件對(duì)切片圖像進(jìn)行三維重構(gòu)，圖5所示為樣品在各成像狀態(tài)時(shí)的內(nèi)部細(xì)觀結(jié)構(gòu)。考慮到消除推進(jìn)劑加工及樣品制備過程對(duì)試樣表面的影響，因此選取推進(jìn)劑內(nèi)部2個(gè)典型損傷區(qū)域D1和D2所在的截面進(jìn)行分析，其中圖5（a）為D1區(qū)域?qū)?yīng)的截面，圖5（b）為D2區(qū)域?qū)?yīng)的截面。

圖5 不同加載位移下NEPE固體推進(jìn)劑細(xì)觀形貌Fig.5 Meso-morphology of NEPE solid propellant with different loading displacements

觀察發(fā)現(xiàn)，在初始狀態(tài)下，推進(jìn)劑內(nèi)部?jī)H存在少量初始缺陷，如2.1節(jié)所述，包括顆粒內(nèi)孔洞及初始脫濕，沿載荷方向的樣品內(nèi)部填料顆粒分布同樣不均勻。樣品內(nèi)部的主要缺陷為圖5（a1）中D1區(qū)域內(nèi)2顆粒間的初始脫濕，此處脫濕的位置位于沿AP顆粒的極區(qū)。

由于填料顆粒與基體2種材料的模量差異較大，在外載荷作用下，顆粒與基體變形不協(xié)調(diào)，且顆粒變形小于基體的變形，因此界面成為材料性能最薄弱的區(qū)域。同時(shí)，初始缺陷的存在易導(dǎo)致AP顆粒與基體界面發(fā)生損傷，所以此時(shí)在顆粒/界面損傷的前緣位置可能會(huì)形成應(yīng)力集中的區(qū)域，應(yīng)力集中會(huì)導(dǎo)致力學(xué)性能較差的界面在外部載荷作用下被快速破壞。在加載位移為0.16 mm時(shí)，圖5（a1）D1區(qū)域的初始脫濕進(jìn)一步生長(zhǎng)，AP顆粒與界面的損傷增大，此時(shí)推進(jìn)劑內(nèi)大部分細(xì)觀結(jié)構(gòu)完好，并未出現(xiàn)新的顆粒脫濕。注意此時(shí)脫濕的顆粒并非推進(jìn)劑內(nèi)尺寸最大的顆粒，而是在初始狀態(tài)時(shí)存在缺陷的顆粒，表明在此時(shí)的加載條件下，固體推進(jìn)劑的損傷演化行為主要受初始缺陷的影響。在加載位移達(dá)到0.32 mm時(shí)，除已經(jīng)出現(xiàn)界面損傷的顆粒處脫濕進(jìn)一步生長(zhǎng)外，出現(xiàn)新的AP顆粒界面損傷，如圖5（b3）中D2區(qū)域所示。此處界面損傷同樣位于2個(gè)AP顆粒的極區(qū)，初始狀態(tài)時(shí)D2區(qū)域內(nèi)2個(gè)AP顆粒不存在界面損傷。隨著外部載荷的逐漸增大，推進(jìn)劑內(nèi)出現(xiàn)界面損傷的顆粒逐漸增多，D1及D2這2個(gè)區(qū)域內(nèi)的孔隙隨之增大。當(dāng)加載位移增加到0.80 mm時(shí)，如圖5（b6）所示，推進(jìn)劑內(nèi)開始出現(xiàn)脫濕的Al顆粒。當(dāng)位移達(dá)到0.96 mm時(shí)，可以看到圖5（a7）與圖5（b7）中已出現(xiàn)大量的細(xì)觀損傷，多數(shù)AP顆粒/基體界面脫濕，同時(shí)可以觀察到圖5（a7）中出現(xiàn)部分聚集的脫濕Al顆粒?？梢宰⒁獾?，在D2區(qū)域內(nèi)，AP顆粒附近的部分Al顆粒/基體界面出現(xiàn)脫濕，與孤立的脫濕Al顆?；蛘邘讉€(gè)聚集的脫濕Al顆粒相比，后兩者與AP顆粒的脫濕區(qū)域相同，均位于顆粒的極區(qū)，而D2區(qū)域內(nèi)的Al顆粒/基體界面損傷位于Al顆粒側(cè)面，且形成的孔隙即與AP顆粒脫濕形成的大孔隙融合，此處Al顆粒/基體的界面應(yīng)該是AP顆粒脫濕后形成的孔隙在載荷作用下擴(kuò)展時(shí)被“撕開”的，這種現(xiàn)象應(yīng)該是大孔隙相互融合的產(chǎn)物。此時(shí)界面損傷主要是AP顆粒脫濕形成的孔隙在載荷作用下擴(kuò)展導(dǎo)致的，且通過觀察可以發(fā)現(xiàn)此時(shí)D2區(qū)域的孔隙顯然已經(jīng)融合其他顆粒脫濕形成的孔隙。如圖5（b8）所示，當(dāng)外部加載位移達(dá)到1.12 mm時(shí)，樣品最終斷裂，且斷面經(jīng)過D2區(qū)域的孔隙。綜合上述結(jié)果與分析可知，在完整的加載過程中，樣品內(nèi)未出現(xiàn)完全脫濕的顆粒，當(dāng)多數(shù)顆粒脫濕后，脫濕形成的孔隙相互融合，填料顆粒的增強(qiáng)作用被破壞，主要由粘合劑體積承受外部載荷，固體推進(jìn)劑最終的失效模式是粘合劑被拉伸至斷裂。

為證實(shí)固體推進(jìn)劑最終的失效方式，對(duì)試驗(yàn)后的樣品斷面進(jìn)行掃描，圖6所示為樣品斷面的三維掃描結(jié)果，圖6中的標(biāo)注處是AP顆粒脫濕后形成的凹坑。在斷面上可以觀察到大量裸露的填料顆粒，同時(shí)在凹坑的底部與側(cè)面可以觀察到裸露的Al顆粒，表明在較大的AP顆粒附近發(fā)生的脫濕孔隙融合事件中，有部分Al顆粒脫濕形成的孔隙參與其中，這些融合的孔隙共同形成了斷面上的凹坑。在斷面上并未觀察到存在斷裂的AP顆粒，表明在常溫低應(yīng)變率的載荷作用下，不存在填料顆粒穿晶斷裂的失效模式。

圖6 樣品斷面的三維形貌Fig.6 Three-dimensional morphology of fracture surface of specimen

2.3 細(xì)觀損傷演化的定量分析

為了對(duì)固體推進(jìn)劑內(nèi)的典型損傷及其演化過程進(jìn)行定量分析，提取D1與D2這2個(gè)區(qū)域內(nèi)的損傷進(jìn)行三維重構(gòu)，基于重構(gòu)軟件獲得2處典型損傷的體積與幾何特征，分析細(xì)觀損傷在固體推進(jìn)劑宏觀失效過程中對(duì)應(yīng)的演化規(guī)律。

圖7所示為D1與D2這2個(gè)區(qū)域內(nèi)因填料顆粒的脫濕而形成的孔隙三維重構(gòu)示意圖。其中，圖7（a）～圖7（g）為D1區(qū)域的孔隙，圖7（h）～圖7（l）為D2區(qū)域的孔隙。應(yīng)注意，圖7中各孔隙的大小并不代表真實(shí)尺寸，僅為展示形貌。孔隙的體積由重構(gòu)軟件通過計(jì)算孔隙灰度值對(duì)應(yīng)的像素?cái)?shù)目乘以掃描的體素尺寸獲得，2處孔隙的體積隨拉伸載荷的變化如圖8所示。使用球度ψ量化孔隙的三維形貌特征，球度定義為

圖7 典型脫濕損傷的三維重構(gòu)結(jié)果Fig.7 Three-dimensional reconstruction results of typical debonding damage

圖8 典型脫濕損傷的體積與加載位移的關(guān)系Fig.8 Volume vs displacement for typical debonding damage

式中：V為孔隙的體積；S為孔隙的表面積；球度ψ的量綱為1。例如，圖9是2處孔隙的球度特征隨著拉伸載荷的變化，當(dāng)孔隙的體積為0 μm3時(shí)，球度也默認(rèn)為0。

圖9 典型脫濕損傷的球度與加載位移的關(guān)系Fig.9 Sphericity vs displacement for typical debonding damage

觀察D1區(qū)域與D2區(qū)域的孔隙，2處損傷都是由于2顆AP顆粒共同脫濕形成的，在脫濕的初期，孔隙的表面主要來自于顆粒與基體的界面撕裂，所以該時(shí)期孔隙表面的形狀基本與顆粒形狀一致，呈現(xiàn)為單面凹陷或雙面凹陷的圓餅。

由圖9可知，從初始狀態(tài)到加載位移為0.16 mm的過程中D1區(qū)域的孔隙球度從0.96減小至0.83。D1區(qū)域的孔隙在加載歷史早期的演化較緩慢，形貌變化較小，且由于此處的2個(gè)AP顆粒接觸面積較小，孔隙表面僅由顆粒表面與被撕開的基體表面組成，所以早期的孔隙外形比較光滑。從初始狀態(tài)到加載位移為0.16 mm的過程中，由于D2區(qū)域無初始缺陷且界面未出現(xiàn)損傷演化，所以該階段孔隙球度為0。在加載位移為0.32 mm時(shí)，由于D2區(qū)域2個(gè)AP顆粒的接觸面積較大，所以孔隙較D1而言更加扁平，D2區(qū)域孔隙的球度為0.55，D1區(qū)域孔隙的球度為0.81，D2區(qū)域孔隙的球度遠(yuǎn)小于D1處孔隙的球度。

圖7（c）～圖7（f）的紅框內(nèi)為D1處孔隙隨載荷增大而擴(kuò)展的部分，觀察加載位移從0.32～0.80 mm的過程，損傷的主要擴(kuò)展行為是AP顆粒脫濕面積的增大，此階段孔隙的表面光滑度變化較小，在孔隙表面未出現(xiàn)明顯的凹坑，表明D1區(qū)域在當(dāng)前加載過程中未出現(xiàn)Al顆粒脫濕，此階段孔隙的球度從0.81減小至0.57。當(dāng)加載位移達(dá)到0.96 mm時(shí)，D1區(qū)域的孔隙表面出現(xiàn)了微小凹坑，表明在此時(shí)已經(jīng)出現(xiàn)Al顆粒的脫濕，脫濕形成的小孔隙進(jìn)一步融合到大孔隙中。在整個(gè)加載過程中，D1區(qū)域孔隙的球度從0.96持續(xù)下降到0.52，由于此過程中該區(qū)域較少出現(xiàn)Al顆粒脫濕，所以認(rèn)為此現(xiàn)象應(yīng)該是AP顆粒界面脫濕形貌不規(guī)則導(dǎo)致的。

對(duì)比分析D2區(qū)域的孔隙演化過程，早期的加載過程中，D2區(qū)域內(nèi)同樣主要是AP顆粒/基體界面持續(xù)被撕裂，脫濕的面積逐步增大。值得注意的是，該區(qū)域的孔隙隨著拉伸載荷的生長(zhǎng)傾向主要是沿著載荷方向的逐步伸長(zhǎng)，AP顆粒脫濕的面積與新增的體積相互匹配，在位移從0.32～0.80 mm的變化過程中，D2的孔隙球度基本保持在0.55～0.56。而隨著載荷進(jìn)一步增大，D2區(qū)域出現(xiàn)了Al顆粒/基體界面的損傷，這些顆粒脫濕形成的孔隙與AP顆粒形成的孔隙相互融合。觀察圖7（l）可以發(fā)現(xiàn)，在D2的孔隙表面出現(xiàn)了許多小凹坑，這些凹坑即是Al顆粒脫濕形成的孔隙。當(dāng)加載位移為0.80～0.96 mm時(shí)，D2區(qū)域孔隙的球度從0.55快速減小至0.39，表明此時(shí)是小凹坑增加的表面積導(dǎo)致孔隙的表面積快速增長(zhǎng)，所以球度出現(xiàn)明顯的下降，且D2區(qū)域孔隙的球度小于D1區(qū)域孔隙的球度。對(duì)比分析2處典型損傷形成的孔隙的體積變化可以發(fā)現(xiàn)，隨著拉伸載荷的不斷增大，2處典型區(qū)域的孔隙均相應(yīng)增大，且D2區(qū)域的孔隙的體積增長(zhǎng)速度快于D1區(qū)域的孔隙的體積增長(zhǎng)速度。

綜合上述結(jié)果與分析，在拉伸載荷下，NEPE固體推進(jìn)劑完整的損傷演化過程如圖10所示。固體推進(jìn)劑的主要細(xì)觀損傷形式為填料顆粒/基體脫濕形成的孔隙，在單調(diào)拉伸載荷作用下固體推進(jìn)劑內(nèi)部的細(xì)觀損傷演化主要表現(xiàn)為脫濕形成的孔隙隨載荷的演化。在推進(jìn)劑承受拉伸載荷作用的早期，細(xì)觀損傷的演化主要受推進(jìn)劑內(nèi)部的初始缺陷影響，存在初始脫濕的AP顆粒/基體界面處損傷首先生長(zhǎng)，隨著載荷增加，部分較大的AP顆粒開始脫濕，之后由于載荷的進(jìn)一步增加，尺寸遠(yuǎn)小于AP顆粒的Al顆也開始出現(xiàn)界面脫濕，較大的AP顆粒處脫濕形成的孔隙相互融合。其中AP顆粒附近的Al顆粒也出現(xiàn)界面脫濕，大孔隙的形成使填料顆粒失去增強(qiáng)能力，力學(xué)性能較差的粘合劑基體在拉伸載荷作用下發(fā)生強(qiáng)度失效，最終導(dǎo)致固體推進(jìn)劑發(fā)生宏觀斷裂。

圖10 單軸拉伸載荷作用下NEPE固體推進(jìn)劑細(xì)觀損傷演化示意圖Fig.10 Schematic diagram of meso-damage evolution of NEPE solid propellant under uniaxial tensile loading

3 結(jié) 論

基于高分辨同步輻射X射線三維成像技術(shù)，在自主研制的原位力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)上開展了NEPE固體推進(jìn)劑在單調(diào)拉伸加載下內(nèi)部細(xì)微觀損傷演化行為探索，得到如下結(jié)論：

1）應(yīng)用同步輻射CT技術(shù)獲取NEPE固體推進(jìn)劑內(nèi)部的細(xì)觀結(jié)構(gòu)，由于固體推進(jìn)劑內(nèi)不同組分對(duì)X射線的吸收系數(shù)不同，故可以基于灰度差異對(duì)固體推進(jìn)劑內(nèi)部的AP顆粒、Al顆粒、基體以及缺陷等細(xì)觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行識(shí)別。

2）三維成像結(jié)果表明，Al顆粒的灰度高于AP顆粒，AP顆粒的尺寸大于Al顆粒，AP顆粒呈現(xiàn)橢圓形，Al顆粒呈圓形，且Al顆粒分布比較集中。同時(shí)，研究表明NEPE固體推進(jìn)劑內(nèi)部主要有2類缺陷，一種為顆粒內(nèi)的孔洞，一種為AP顆粒/基體界面的初始脫濕。

3）在單軸拉伸載荷作用下，固體推進(jìn)劑的細(xì)觀損傷首先表現(xiàn)為初始界面脫濕形成的孔隙，在拉伸載荷作用的早期，固體推進(jìn)劑的損傷形式主要表現(xiàn)為較大的AP顆粒脫濕形成的孔隙，在拉伸載荷較大時(shí)，可以觀察到Al顆粒的脫濕。最后，大量的AP顆粒脫濕后形成的孔隙相互融合，導(dǎo)致固體推進(jìn)劑最終斷裂。

4）基于同步輻射CT技術(shù)的典型損傷三維重構(gòu)分析發(fā)現(xiàn)，可以采用球度與體積對(duì)脫濕損傷進(jìn)行定量表征。隨著拉伸載荷增大，脫濕形成孔隙的體積均隨之逐漸增大。而球度則表現(xiàn)為不同的變化形式，對(duì)于存在初始缺陷的顆粒，孔隙球度隨著拉伸載荷的增大而逐漸減??；對(duì)于不存在初始缺陷的顆粒，孔隙球度則隨拉伸載荷增大將先增大，達(dá)穩(wěn)定值后再逐漸減小。