丁羥推進(jìn)劑吸濕分級①

張旭東，董可海，曲 凱，劉著卿

(海軍航空工程學(xué)院飛行器工程系，煙臺 264001)

丁羥推進(jìn)劑吸濕分級①

張旭東，董可海，曲 凱，劉著卿

(海軍航空工程學(xué)院飛行器工程系，煙臺 264001)

以丁羥推進(jìn)劑為研究對象，進(jìn)行了多種溫濕度條件下的吸濕試驗(yàn)、方坯藥塊的浸水及干燥恢復(fù)試驗(yàn)、干燥恢復(fù)對不同受潮程度丁羥推進(jìn)劑爆熱值的影響試驗(yàn);依據(jù)吸濕過程中推進(jìn)劑試樣表面是否存在凝水現(xiàn)象、固體填料AP與粘合劑基體的粘接情況、硬度和爆熱值的恢復(fù)程度確定了吸濕分級的3條分界線，即吸濕率為0.04%、0.15%和5%;將丁羥推進(jìn)劑吸濕劃分為4個等級，分析了各級的特征，給出了對處于不同吸濕等級的推進(jìn)劑的相對應(yīng)的處理措施。

丁羥推進(jìn)劑;吸濕率;力學(xué)性能;爆熱值;吸濕分級

0 引言

國內(nèi)外進(jìn)行了大量的關(guān)于丁羥推進(jìn)劑濕老化的研究［1-5］，均表明吸濕將使推進(jìn)劑的力學(xué)性能下降。此外，一些研究［6-8］還表明，短期吸濕的丁羥推進(jìn)劑經(jīng)過一定的干燥處理，其性能是可恢復(fù)的，但很少有研究人員將吸濕后的推進(jìn)劑進(jìn)行級別劃分，來表征其性能損失的程度，從而確定對不同吸濕程度推進(jìn)劑的處理措施。

本文進(jìn)行了丁羥推進(jìn)劑的吸濕試驗(yàn)、方坯藥塊的浸水及干燥恢復(fù)試驗(yàn)、干燥恢復(fù)對不同受潮程度丁羥推進(jìn)劑爆熱值的影響試驗(yàn)。在此基礎(chǔ)上，尋找丁羥推進(jìn)劑吸濕的規(guī)律，探討其吸濕分級的方法，并給出對不同吸濕程度推進(jìn)劑的處理措施，以便于科研部門、生產(chǎn)廠家和相關(guān)部門參照應(yīng)用。

1 試驗(yàn)

1.1 丁羥推進(jìn)劑吸濕試驗(yàn)

1.1.1 吸濕試驗(yàn)研究對象

采用同一配方的丁羥推進(jìn)劑方坯藥，制成120 mm×25 mm×10 mm的長方體試樣，作為吸濕試驗(yàn)對象。吸濕一段時間后，依據(jù)QJ 924—85《復(fù)合固體推進(jìn)劑單向拉伸試驗(yàn)方法》將其加工成啞鈴形試件，并采用深圳新三思公司生產(chǎn)的CMT6203臺式微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行力學(xué)性能測試。

1.1.2 試驗(yàn)條件及實(shí)現(xiàn)方法

吸濕試驗(yàn)在溫度為10、30、50℃時若干種相對濕度條件下進(jìn)行。

通過在密閉玻璃容器底部盛放蒸餾水，利用其上部氣氛來形成100%的環(huán)境濕度條件;依據(jù)《MV_RR_OIM_0020飽和鹽溶液標(biāo)準(zhǔn)相對濕度值》［9］，在密閉玻璃容器底部盛放溴化鈉、氯化鈉、氯化鉀、硫酸鉀飽和水溶液，利用其上部氣氛來形成試驗(yàn)所需的其他濕度條件。

將上述密閉玻璃容器置于蘇州山島環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備有限公司生產(chǎn)的GDS-0192型高低溫濕熱試驗(yàn)箱內(nèi)，進(jìn)而通過溫度控制來實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的溫度條件，高低溫濕熱試驗(yàn)箱的溫控精度為±1℃。

1.1.3 表征參數(shù)的選取

在吸濕程度上，文獻(xiàn)［10-12］都給出了相關(guān)的表征方法，采取如式(1)所示的表征方法，吸濕前后試樣質(zhì)量測試采用美國兄弟雙杰測試儀器廠生產(chǎn)的JJ 500型電子天平(分辨率為0.01 g)。

式中Q吸為試樣的吸濕率;Δm為試樣吸濕后的質(zhì)量變化量;m0為試樣的原始質(zhì)量。

力學(xué)性能表征除了采用普遍使用的抗拉強(qiáng)度σm、最大伸長率εm和斷裂伸長率εb以外，還采用εb/εm(脫濕系數(shù))來表征推進(jìn)劑固體填料AP與推進(jìn)劑基體粘接的程度。

1.2 丁羥推進(jìn)劑方坯藥塊浸水及干燥恢復(fù)試驗(yàn)

以30 mm×20 mm×60 mm的丁羥推進(jìn)劑藥塊(除2個30 mm×20 mm端面外，其余4個表面均進(jìn)行防水處理)為研究對象，如圖1所示。

圖1 經(jīng)防水處理后的藥塊Fig.1 Propellant block with waterproof treatment

在室溫條件下，將上述丁羥推進(jìn)劑藥塊置于蒸餾水中浸泡，分別經(jīng)過2、8、24、50 d后取出，如圖2所示。沿長度方向切成30 mm×20 mm×10 mm的6個小藥塊，然后進(jìn)行下列測試:

(1)分別測量0～10 mm、10～20 mm、20～30 mm、30～40 mm、40～50 mm、50～60 mm 對應(yīng)小藥塊的吸濕率;質(zhì)量測試采用美國康州HZ電子有限公司生產(chǎn)的HZK-FA210型電子天平，分辨率為0.00 01 g;

(2)采用溫州山度儀器有限公司生產(chǎn)的LX-A型邵氏硬度計(jì)，分別測量各切面的邵氏硬度，切面編號如圖3所示。

圖2 藥塊切割示意圖Fig.2 Incision of propellant block

圖3 各切割面位置編號示意圖Fig.3 Serial number of incision surface

取浸水試驗(yàn)后分割的部分30 mm×20 mm×10 mm小藥塊，在盛有無水氯化鋰的干燥器內(nèi)，經(jīng)過充分的干燥處理，然后再測試其邵氏硬度。

1.3 干燥恢復(fù)對不同受潮程度丁羥推進(jìn)劑爆熱值的影響試驗(yàn)

丁羥推進(jìn)劑試樣首先分別經(jīng)歷不同條件的吸濕或浸水，之后經(jīng)過充分的干燥處理，然后依據(jù)QJ 1359—88《復(fù)合固體推進(jìn)劑爆熱測試方法——恒溫法》進(jìn)行爆熱值Qv的測試。

爆熱值測試采用鄭州三博煤炭測控儀器儀表有限公司生產(chǎn)的高精度兩用全自動量熱儀;試樣質(zhì)量測試采用HZK-FA210型電子天平。

2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

2.1 吸濕試驗(yàn)數(shù)據(jù)

通過吸濕試驗(yàn)得到不同吸濕條件下吸濕后推進(jìn)劑的吸濕率和力學(xué)性能，如表1所示。如果推進(jìn)劑內(nèi)吸濕率分布不均勻，就利用宏觀性能對其進(jìn)行吸濕分級是不科學(xué)的。因此，表1中所選取的試驗(yàn)數(shù)據(jù)均為各溫濕度條件下推進(jìn)劑達(dá)到或基本達(dá)到吸濕平衡狀態(tài)時的數(shù)據(jù)，這將使吸濕分級結(jié)果更準(zhǔn)確、更有意義。

2.2 藥塊浸水及干燥恢復(fù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

藥塊浸水及干燥恢復(fù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2。

2.3 爆熱值測試試驗(yàn)數(shù)據(jù)

通過試驗(yàn)，得到不同吸濕條件吸濕或浸水后經(jīng)過充分干燥處理的丁羥推進(jìn)劑試樣爆熱值測試結(jié)果，見表3。

表1 推進(jìn)劑吸濕試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 1 Results of moisture absorption test

表2 藥塊浸水及干燥恢復(fù)數(shù)據(jù)Table 2 Data of waterishlogged propellant block and drying recovery

3 吸濕分級依據(jù)的確定

吸濕試驗(yàn)過程中，通過觀察和記錄試驗(yàn)現(xiàn)象發(fā)現(xiàn):表1中條件2～8下吸濕，自始至終在推進(jìn)劑試樣表面沒有出現(xiàn)凝水現(xiàn)象，條件9下吸濕率達(dá)到0.249%時發(fā)現(xiàn)凝水現(xiàn)象，條件10下吸濕率達(dá)到0.152%時發(fā)現(xiàn)凝水現(xiàn)象，條件11下吸濕率達(dá)到0.171%時發(fā)現(xiàn)凝水現(xiàn)象，條件12下吸濕率達(dá)到0.179%時發(fā)現(xiàn)凝水現(xiàn)象，條件13下吸濕率達(dá)到0.145%時發(fā)現(xiàn)少許凝水現(xiàn)象，吸濕率達(dá)到0.191%時則發(fā)現(xiàn)較多凝水。由于推進(jìn)劑表面凝水會導(dǎo)致固體填料AP溶出，影響推進(jìn)劑的彈道特性和能量特性。所以，采取試驗(yàn)過程中觀察到凝水現(xiàn)象出現(xiàn)時吸濕率的下限值(取為0.15%)作為吸濕分級的第1條分界線。

表3 爆熱值測試結(jié)果Table 3 Results of Qvtesting

由表1中試驗(yàn)數(shù)據(jù)可看出，對于條件1～3下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，脫濕系數(shù)εb/εm接近于1，最大為 1.30，這說明鍵合劑在AP表面形成的高模量層沒有遭到破壞;對于條件4～13下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，脫濕系數(shù)εb/εm則遠(yuǎn)大于1，最小為1.73，這說明鍵合劑在AP表面形成的高模量層已遭到破壞，所以采取二者之間的吸濕率(取為0.04%)作為吸濕分級的第2條分界線，將13種條件下的脫濕系數(shù)與吸濕率的關(guān)系繪制成散點(diǎn)圖(圖4)。從圖4可看出，當(dāng)吸濕率小于0.04%時，εb/εm小于1.5;當(dāng)吸濕率大于 0.04%時，εb/εm大于1.5。

圖4 脫濕系數(shù)與吸濕率關(guān)系Fig.4 εb/εm ～ Q吸 curve

將表2丁羥推進(jìn)劑藥塊浸水后的干燥恢復(fù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，取各自吸濕率范圍的邊界，然后將硬度恢復(fù)度與吸濕率的關(guān)系繪制成散點(diǎn)圖，見圖5(a);將表3爆熱值測試結(jié)果換算成爆熱值恢復(fù)度并將其與吸濕率的關(guān)系繪制成散點(diǎn)圖，見圖5(b)。從圖5可看出，當(dāng)吸濕率大于5%時，爆熱值恢復(fù)度小于95%，硬度恢復(fù)度小于80%，認(rèn)為其不可恢復(fù);當(dāng)吸濕率小于5%時，爆熱值恢復(fù)度大于95%，硬度恢復(fù)度大于80%。所以，采取吸濕率5%作為吸濕分級的第3條分界線。

圖5 硬度恢復(fù)度和爆熱值恢復(fù)度與吸濕率關(guān)系Fig.5 ～ Q吸 and～ Q吸 curve

4 吸濕度及其特征分析

依據(jù)吸濕率為0.04%、0.15%和5%3條分界線，將丁羥推進(jìn)劑的吸濕劃分為4個等級，分別稱為吸濕度Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ，如表4所示。表4中，還列舉了各級的特征。

表4 丁羥推進(jìn)劑吸濕程度分級Table 4 HTPB propellant degree of moisture absorption

為了直觀反映出處于各個吸濕級別的推進(jìn)劑的特征，還拍攝了一些數(shù)碼照片。其中，圖6(a)為Q吸=0.023%(吸濕度為Ⅰ級)時單向拉伸斷面的微距照片;圖6(b)為Q吸=0.060%(吸濕度為Ⅱ級)時單向拉伸斷面的微距照片，圖6(c)為Q吸=0.288%(吸濕度為Ⅲ級)時單向拉伸斷面的微距照片。圖7(a)為Q吸=15.832%(吸濕度為Ⅳ級)的推進(jìn)劑小藥塊與水接觸表面的微距照片;圖7(b)為Q吸=15.832%(吸濕度為Ⅳ級)的推進(jìn)劑小藥塊干燥后表面的微距照片。

對吸濕度為Ⅰ級的推進(jìn)劑，由于其吸濕率較小，AP與推進(jìn)劑基體粘接界面沒有發(fā)生破壞，單向拉伸時沒有明顯的脫濕現(xiàn)象(圖6(a))，推進(jìn)劑的力學(xué)性能均在規(guī)定的范圍內(nèi)(所研究丁羥推進(jìn)劑性能指標(biāo)要求:σm≥0.35 MPa、εm≥42%)，一般不需進(jìn)行干燥處理。

對吸濕度為Ⅱ級的推進(jìn)劑，由于其吸濕率較大，AP與推進(jìn)劑基體粘接界面已發(fā)生破壞，從而推進(jìn)劑的抗拉強(qiáng)度和最大伸長率均下降，甚至降到規(guī)定值以下，單向拉伸時有明顯的脫濕現(xiàn)象(圖6(b))，此時需對其采取必要的干燥處理措施，以恢復(fù)其性能。

對吸濕度為Ⅲ級的推進(jìn)劑，由于其吸濕率很大，AP與推進(jìn)劑基體粘接界面已發(fā)生破壞，從而推進(jìn)劑的抗拉強(qiáng)度和最大伸長率均下降到規(guī)定值以下，單向拉伸時有嚴(yán)重的脫濕現(xiàn)象(圖6(c))。另外，由于其表面有凝水，這將引起AP的溶解和聚集。干燥處理后，將導(dǎo)致AP顆粒大小及顆粒分布的一些變化，這對推進(jìn)劑的燃速及能量特性均會產(chǎn)生一定的影響。因此，對吸濕度為Ⅲ級的推進(jìn)劑的處理要慎重，可有選擇性地進(jìn)行干燥恢復(fù)處理。

圖6 不同Q吸值時的拉伸斷面圖Fig.6 Photo at different Q吸

對吸濕度為Ⅳ級的推進(jìn)劑，由于其吸濕率相當(dāng)大，AP與推進(jìn)劑基體粘接界面已發(fā)生嚴(yán)重破壞，從而推進(jìn)劑的力學(xué)性能變得相當(dāng)差，而且干燥處理后不易恢復(fù)。另外，由于其AP的溶解(圖7(a))和嚴(yán)重聚集，干燥處理后，將導(dǎo)致AP顆粒大小及顆粒分布的嚴(yán)重變化(圖7(b))，這對推進(jìn)劑的燃速可能會產(chǎn)生很大的影響。因此，對吸濕度為Ⅳ級的推進(jìn)劑要作報(bào)廢處理。

圖7 Q吸=15.832%的表面圖Fig.7 Photo of surface at Q吸 =15.832%

5 結(jié)論

(1)由吸濕率為0.04%、0.15%和5%3條分界線，可將所研究丁羥推進(jìn)劑的吸濕分為4個等級。

(2)對吸濕度為Ⅰ級的推進(jìn)劑，一般不需進(jìn)行干燥處理;對吸濕度為Ⅱ級的推進(jìn)劑，要對其采取必要的干燥處理措施，以恢復(fù)其性能;對吸濕度為Ⅲ級的推進(jìn)劑的處理要慎重，可有選擇性地進(jìn)行干燥恢復(fù)處理;對吸濕度為Ⅳ級的推進(jìn)劑要作報(bào)廢處理。

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Degree of moisture absorption HTPB propellant

ZHANG Xu-dong，DONG Ke-hai，QU Kai，LIU Zhu-qing
(Department of Aircraft Engineering，NAAU，Yantai264001，China)

With HTPB propellant as research object，some moisture absorption tests were performed under various conditions.The tests of the propellant carton dipping into the water and the drying recovery of the propellant were performed，and the effect of drying recovery on the heat value of the propellant with different moisture absorption percentage was investigated.Three dividing lines of moisture absorption based on agglomerate water existing in the surface of moist propellant or not，the adhering interface of filling，the recovery degree of hardness and heat value were determined，i.e.moisture absorption percentage equals 0.04% ，0.15%and 5%.The characteristics of propellant with different degree of moisture absorption were analyzed，and the corresponding measures which should be taken in disposal were proposed.

HTPB propellant;moisture absorption percentage;mechanics performance;heat value;degree of moisture absorption

V512

A

1006-2793(2012)04-0499-05

2011-11-07;

2012-01-19。

武器裝備預(yù)研基金項(xiàng)目(51328040104)。

張旭東(1978—)，男，講師，研究領(lǐng)域?yàn)閺?fù)合固體推進(jìn)劑貯存性能。E-mail:xdzhang78@sina.com

(編輯:劉紅利)