雙基固體推進(jìn)劑率相關(guān)性研究

張建彬，鞠玉濤，周長省

（南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，南京210094）

固體推進(jìn)劑藥柱在生產(chǎn)、貯存、運(yùn)輸和使用過程中，將承受各種復(fù)雜的載荷，這些載荷很可能會使推進(jìn)劑藥柱內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力和應(yīng)變，如果超過其力學(xué)性能的允許范圍，很可能造成藥柱破裂、變形和藥柱及殼體粘結(jié)面的脫粘，從而破壞固體推進(jìn)劑裝藥的結(jié)構(gòu)完整性，導(dǎo)致發(fā)動機(jī)工作性能嚴(yán)重惡化，甚至引起整個發(fā)動機(jī)爆炸[1].眾所周知，材料的力學(xué)性能與其變形溫度、應(yīng)變率、應(yīng)力狀態(tài)等因素有關(guān)[2].文獻(xiàn)[3～5]在單向拉伸下對復(fù)合推進(jìn)劑的力學(xué)性能和本構(gòu)方程進(jìn)行了研究；李吉禎等通過試驗研究了改性推進(jìn)劑成分對其力學(xué)性能的影響[6]；文獻(xiàn)[7]從燃燒機(jī)理對雙基推進(jìn)劑的性能進(jìn)行了研究；HERDER G等用DMA測試了雙基推進(jìn)劑的存儲模量和損耗模量，并與傳統(tǒng)拉伸試驗機(jī)的測試結(jié)果進(jìn)行了對比分析[8].雙基推進(jìn)劑燃燒產(chǎn)物均為氣體，是一種清潔的固體推進(jìn)劑燃料，常作為各類導(dǎo)彈燃?xì)鈩恿ο到y(tǒng)的能源.而國內(nèi)外對雙基推進(jìn)劑的屈服響應(yīng)和斷面形貌系統(tǒng)性的研究較少.本文對某雙基推進(jìn)劑在不同溫度和應(yīng)變率下的力學(xué)性能進(jìn)行了試驗研究，并分析了其屈服響應(yīng)及其試樣斷面的變化規(guī)律，以便為以后的雙基推進(jìn)劑的選擇和裝藥的結(jié)構(gòu)完整性分析奠定基礎(chǔ).

1 試驗部分

1.1 推進(jìn)劑試樣

主要原料：硝化棉（NC，56%）、硝化甘油（NG，26.7%）、二硝基甲苯（DNT，11.3%），其它（6%）.本試驗采用的試件取制于某雙基推進(jìn)劑藥柱，根據(jù)航天部標(biāo)準(zhǔn)QJ924－85將藥柱采用機(jī)械加工方法制成啞鈴狀試樣，如圖1所示.

圖1 雙基推進(jìn)劑試樣（單位：mm）

1.2 儀器及試驗條件

機(jī)加工后，所有試樣在323.15 K溫度下保溫48h，以消除機(jī)加工時的殘余應(yīng)力.試驗前，拉伸試樣再在恒溫箱里實驗溫度下保溫4h.試驗時，拉伸試樣及夾具置于具有溫控箱的QJ211B型電子萬能試驗機(jī)上，同時在試樣的標(biāo)距內(nèi)安裝上縱向引伸計.試驗溫度分別為233.15K、288.15K、323.15K，而應(yīng)變率分別為50.5×10－4s－1、126.25×10－4s－1、252.5×10－4s－1、1 262.5×10－4s－1，每組試驗需5個試樣.試驗前檢查計算機(jī)程序設(shè)置無問題時，啟動計算機(jī)程序?qū)崟r記錄推進(jìn)劑單向拉伸應(yīng)力和試樣的變形值.

2 結(jié)果分析

2.1 應(yīng)力應(yīng)變與溫度及應(yīng)變率的相關(guān)性

本研究對該雙基推進(jìn)劑試樣在3種溫度、4種應(yīng)變率下做了單向拉伸試驗.該雙基推進(jìn)劑啞鈴試樣在3種溫度、4種應(yīng)變率下，單向拉伸直到試樣斷裂為止的5次試驗的平均拉伸應(yīng)力－應(yīng)變曲線如圖2所示.圖3為在不同溫度T下，試樣的斷裂強(qiáng)度σ和斷裂延伸率的散差與應(yīng)變率的關(guān)系.

圖2 不同溫度和應(yīng)變率下應(yīng)力－應(yīng)變曲線

圖3 不同溫度下斷裂性能散差直方圖

由圖2、圖3可見，在同一環(huán)境溫度下，隨著應(yīng)變率的增加，斷裂強(qiáng)度隨之增大，在低溫（233.15K）時斷裂延伸率隨之減小，并且每組的斷裂強(qiáng)度和斷裂延伸率的散差相對較大，而在常溫（288.15K）和高溫（323.15K）時斷裂延伸率無明顯差異，并且每組的斷裂強(qiáng)度和斷裂延伸率的散差相對較小，產(chǎn)生這種情況的原因可能是雙基推進(jìn)劑在低溫（233.15K）時近似為脆性材料，而在常溫（288.15K）和高溫（323.15K）時為粘彈塑性材料；在同一應(yīng)變率下，隨著環(huán)境溫度的增加，斷裂強(qiáng)度隨之降低，而斷裂延伸率隨之增大.所得試驗結(jié)果與雙基推進(jìn)劑力學(xué)性能現(xiàn)存的主要問題（高溫強(qiáng)度低、低溫延伸率低[1]）相一致.在低溫（233.15K）下不論低速還是高速拉伸時應(yīng)力增長都很明顯，應(yīng)力－應(yīng)變近似為線性關(guān)系.在常溫（288.15K）和高溫（323.15K）下單向拉伸時，當(dāng)應(yīng)變在某一較小范圍內(nèi)時，應(yīng)力與應(yīng)變基本上呈線性關(guān)系，應(yīng)力在此范圍內(nèi)有顯著的變化，而延伸率變化不太明顯；當(dāng)應(yīng)變超出這一范圍時，應(yīng)力與應(yīng)變偏離線性關(guān)系，且隨著應(yīng)變的增大，偏離程度增大，接著出現(xiàn)粘塑性流動現(xiàn)象，其流動應(yīng)力隨應(yīng)變率的增高而增大，在此非線性范圍內(nèi)應(yīng)力變化較緩慢，而延伸率變化相對較快.

比較這3種環(huán)境溫度下的應(yīng)力－應(yīng)變曲線可以發(fā)現(xiàn)，常溫（288.15K）與高溫（323.15K）不同應(yīng)變率下，應(yīng)力－應(yīng)變曲線可分為2個階段：起始階段，應(yīng)力應(yīng)變呈近似的線性關(guān)系；平臺階段，在此區(qū)域應(yīng)力變化比較平緩，而應(yīng)變則隨著加載時間的延長而逐漸增大，直到試樣斷裂，隨著環(huán)境溫度的增加，應(yīng)力平臺階段更為明顯.而低溫（233.15K）拉伸應(yīng)力－應(yīng)變曲線沒有平臺區(qū)，其應(yīng)力－應(yīng)變曲線近似呈線性關(guān)系，說明該推進(jìn)劑在低溫（233.15K）環(huán)境下進(jìn)入了玻璃化狀態(tài)，可近似為脆性材料.通過以上分析可知，該雙基固體推進(jìn)劑的應(yīng)力－應(yīng)變與溫度和應(yīng)變率都有明顯的相關(guān)性.

2.2 斷裂性能與應(yīng)變率的相關(guān)性

由圖2、圖3可知，隨著應(yīng)變率的增加，斷裂值隨之增加，推進(jìn)劑的斷裂強(qiáng)度和斷裂延伸率與應(yīng)變率的對數(shù)成線性關(guān)系，如圖4所示.

圖4 斷裂性能與應(yīng)變率的相關(guān)性

由圖4可知，雙基推進(jìn)劑的斷裂強(qiáng)度和斷裂延伸率與對數(shù)應(yīng)變率呈線性關(guān)系，直線擬合方程的相關(guān)系數(shù)R接近1，說明直線擬合有很高的可信度.但是斷裂強(qiáng)度和斷裂延伸率的變化趨勢不完全一致，隨著應(yīng)變率的增加，斷裂強(qiáng)度隨之增大，在低溫（233.15K）時推進(jìn)劑近似為脆性材料，斷裂延伸率隨之減小，而在常溫（288.15K）和高溫（323.15K）時推進(jìn)劑為粘彈塑性材料，斷裂延伸率隨之變化比較平緩.可見雙基推進(jìn)劑的斷裂性能與應(yīng)變率有明顯的相關(guān)性.

2.3 屈服值與應(yīng)變率的相關(guān)性

由圖2可知，雙基推進(jìn)劑在低溫（233.15K）時近似為脆性材料，在常溫（288.15 K）和高溫（323.15K）單向拉伸時出現(xiàn)粘塑性流動現(xiàn)象，則雙基推進(jìn)劑此時屬于粘彈塑性材料，存在屈服現(xiàn)象，但是其應(yīng)力－應(yīng)變曲線不存在明顯的屈服降.屈服值只能通過沿應(yīng)力－應(yīng)變曲線的起始部分和最終部分做兩條切線，由切線夾角的平分線與曲線的交點來確定.常溫（288.15K）和高溫（323.15K）下屈服強(qiáng)度σy和屈服應(yīng)變εy與對數(shù)應(yīng)變率關(guān)系如圖5所示.

圖5 常溫和高溫時屈服值與應(yīng)變率的相關(guān)性

由圖5可看出，雙基推進(jìn)劑在常溫（288.15K）和高溫（323.15 K）不同應(yīng)變率下屈服值的變化趨勢不完全一致.在同一溫度下，隨著應(yīng)變率的增加，屈服強(qiáng)度隨之增加，而屈服應(yīng)變隨之減??；在同一應(yīng)變率下，隨著溫度的增加，屈服強(qiáng)度隨之減小，而屈服應(yīng)變隨之增加.

對金屬材料而言，屈服極限是表征材料抵抗塑性變形的能力，是設(shè)計和選材的主要依據(jù)之一，不容許有明顯塑性變形的零件，以屈服強(qiáng)度為強(qiáng)度設(shè)計指標(biāo).雙基推進(jìn)劑在一定條件下也表現(xiàn)出塑性變形，所以為了安全起見，設(shè)計固體推進(jìn)劑裝藥時應(yīng)該以屈服值為主要依據(jù)，也就是以推進(jìn)劑的屈服值為許用值來設(shè)計推進(jìn)劑的裝藥藥型和結(jié)構(gòu).

2.4 試樣斷面形貌分析

雙基推進(jìn)劑在不同的溫度條件下，所呈現(xiàn)的力學(xué)性能相差很大，在低溫（233.15 K）下近似可看成脆性材料，在單向拉伸時試樣很可能崩斷為好幾段，所以很難得到低溫下試樣的完整斷面.而在常溫（288.15K）和高溫（323.15K）時試樣在較低或較高應(yīng)變率下都不存在崩斷的現(xiàn)象，這與雙基推進(jìn)劑在常溫或高溫下是粘彈性材料相吻合，常溫和高溫不同應(yīng)變率下試樣斷面形貌如圖6所示.

平常所說的白痕在這里是指應(yīng)力發(fā)白，是推進(jìn)劑試樣在應(yīng)力作用下產(chǎn)生的大量微裂紋聚集區(qū)（根據(jù)應(yīng)力發(fā)白程度的大小和發(fā)生區(qū)域，可能包括一定數(shù)量的銀紋、裂紋和微孔），由于此區(qū)域折光指數(shù)降低而呈現(xiàn)白色，即應(yīng)力發(fā)白是產(chǎn)生微裂紋、微孔或銀紋化的結(jié)果.由圖6（a）可見，常溫（288.15K）下雙基推進(jìn)劑在較低應(yīng)變率下的斷面比較光滑，隨著應(yīng)變率的增加，斷面變得越來越粗糙；在較低應(yīng)變率下斷面處有個90°的圓弧白痕，隨著應(yīng)變率的增加，圓弧白痕逐漸變小，并且白痕越來越不明顯，而形貌變?yōu)?0°的橢圓弧.由圖6（b）可見，高溫（323.15K）下雙基推進(jìn)劑在不同應(yīng)變率下的斷面光滑程度相差不大，但是隨著應(yīng)變率的增加，斷面變得相對粗糙；斷面處有個半月牙弧的白痕，在較低應(yīng)變率下白痕比較明顯，隨著應(yīng)變率的增加，半月牙弧的白痕逐漸變小并且白痕越來越不明顯.而在低溫不同應(yīng)變率下，試樣崩斷很難得到完整的斷面，但是從常溫（288.15K）和高溫（323.15K）下的斷面可以推測，在低溫（233.15K）不同應(yīng)變率下，隨著應(yīng)變率的增加，斷面的光滑程度變得更差，斷面上的白痕變得越來越小，白色程度也變得相對較淺.試樣斷面形貌的規(guī)律也表明了雙基推進(jìn)劑的力學(xué)性能與環(huán)境溫度和應(yīng)變率有很緊密的聯(lián)系.

圖6 不同溫度下試樣典型斷面形貌

3 結(jié)論

①雙基推進(jìn)劑藥柱在低溫（233.15 K）下基本處于玻璃化階段，斷裂強(qiáng)度較大，大約為45.33～54.44 MPa，斷裂延伸率較低，其值為2.45%～4.02%；而在常溫（288.15K）或高溫（323.15K）階段斷裂強(qiáng)度相對較小，常溫（288.15K）時大約為高溫（323.15K）時的2倍，但是斷裂延伸率相差不明顯，都在11%～15%之間.

②雙基推進(jìn)劑藥柱的力學(xué)性能與環(huán)境溫度和應(yīng)變率都有明顯的相關(guān)性，在較低溫度（233.15K）下近似為脆性材料，應(yīng)力與應(yīng)變大體上呈線性，而在常溫（288.15K）和高溫（323.15K）下呈現(xiàn)為明顯的粘彈塑性材料，應(yīng)力與應(yīng)變存在明顯的非線性關(guān)系，并且存在明顯的應(yīng)力平臺區(qū).

③本文提出了針對雙基推進(jìn)劑屈服值的判斷方法.為安全起見，應(yīng)以屈服值為許用值來設(shè)計推進(jìn)劑裝藥藥型和結(jié)構(gòu).

④雙基推進(jìn)劑低溫（233.15 K）拉伸時存在崩斷現(xiàn)象，而在常溫（288.15K）和高溫（323.15K）拉伸時不存在此現(xiàn)象.拉伸試樣的斷面存在應(yīng)力發(fā)白現(xiàn)象，在同一溫度、不同應(yīng)變率下，隨著應(yīng)變率的增加，斷面的光滑程度隨之變差，斷面上應(yīng)力發(fā)白程度隨之降低.在同一應(yīng)變率、不同溫度下，隨著環(huán)境溫度的升高，應(yīng)力發(fā)白程度隨之增加.

[1]李葆萱，王克秀.固體推進(jìn)劑性能[M].西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，1990.LI Bao－xuan，WANG Ke－xiu.Properties of solid propellant[M].Xi’an：Northwestern Polytechnical University Press，1990.（in Chinese）

[2]RUSINEK A，CHERIGUENE R.Dynamic behaveour of highstrength sheet steel in dynamic tension：experimental and numerical analyses[J].Journal of Strain Analysis for Engineering Design，2008，43（1）：37－53.

[3]郭翔.應(yīng)變率對NEPE推進(jìn)劑力學(xué)性能的影響[J].固體火箭技術(shù)，2007，30（4）：321－323，327.GUO Xiang.Effect of tensile rate on mechanical properties of NEPE propellant[J].Journal of Solid Rocket Technology，2007，30（4）：321－323，327.（in Chinese）

[4]王玉峰，李高春.應(yīng)變率和加載方式對 HTPB推進(jìn)劑力學(xué)性能及耗散特性的影響[J].含能材料，2010，18（4）：377－382.WANG Yu－feng，LI Gao－chun.Effect of strain rate and loading on mechanical properties and dissipated energy for HTPB propellant[J].Chinese Journal of Energetic Materials，2010，18（4）：377－382.（in Chinese）

[5]鄧凱，陽建紅，陳飛，等.HTPB復(fù)合固體推進(jìn)劑本構(gòu)方程[J].宇航學(xué)報，2010，31（7）：1 815－1 818.DENG Kai，YANG Jian－h(huán)ong，CHEN Fei，et al.On constitutive equation of HTPB composite solid propellant[J].Journal of Astronautics，2010，31（7）：1 815－1 818.（in Chinese）

[6]李吉禎.NC/NG/AP/Al復(fù)合改性雙基推進(jìn)劑力學(xué)性能研究[J].含能材料，2007，15（4）：345－348.LI Ji－zhen.Mechanical properties of NC/NG/AP/Al composite modified double－base propellant[J].Chinese Journal of Energetic Materials，2007，15（4）：345－348.（in Chinese）

[7]YAN Qi－long.Combustion mechanism of double－base propellant containing nitrogen heterocyclic nitroamines（Ⅱ）：the temperature distribution of the flame and its chemical structure[J].Acta Astronautica，2009，64（5－6）：602－614.

[8]HERDER G，WETERINGS F P，de KLERK W P C.Mechanical analysis on rocket propellants[J].Journal of Thermal Analysis and Calorimetry，2003，72（3）：921－929.