低溫和應(yīng)變率對(duì)HTPB推進(jìn)劑壓縮力學(xué)性能影響①

賴建偉，常新龍，龍 兵，張有宏，方鵬亞

(第二炮兵工程大學(xué)，西安 710025)

0 引言

HTPB復(fù)合固體推進(jìn)劑是一種強(qiáng)烈依賴溫度和時(shí)間的粘彈性材料，外界溫度和加載應(yīng)變率對(duì)其力學(xué)性能有強(qiáng)烈的影響［1］。目前，國(guó)內(nèi)外針對(duì)HTPB推進(jìn)劑的準(zhǔn)靜態(tài)拉伸力學(xué)性能，已經(jīng)開(kāi)展了大量的研究工作，但是有關(guān)低溫對(duì)HTPB推進(jìn)劑的準(zhǔn)靜態(tài)壓縮力學(xué)性能的研究鮮有報(bào)道［2－5］。而固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)在貯存和使用過(guò)程中，除了會(huì)遭受拉伸載荷還受到低溫和壓縮載荷的影響。因此，研究低溫和應(yīng)變率對(duì)推進(jìn)劑壓縮力學(xué)性能的影響具有重要的工程意義。

本文針對(duì)HTPB推進(jìn)劑開(kāi)展了不同低溫和應(yīng)變率條件下單軸壓縮試驗(yàn)，分析了低溫和應(yīng)變率對(duì)推進(jìn)劑壓縮力學(xué)性能的影響，可為HTPB推進(jìn)劑低溫壓縮失效機(jī)理和規(guī)律研究提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 試樣準(zhǔn)備

HTPB復(fù)合固體推進(jìn)劑，其固體填充顆粒(AP/Al)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為84%，其他組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為16%。

將推進(jìn)劑制作成φ20 mm×20 mm圓柱型試樣，用于單軸壓縮試驗(yàn)。試驗(yàn)溫度分別為25、－10、－20、－30、－40 ℃，壓縮速率分別為 4、10、40、100 mm/min(應(yīng)變率分別為 1/300、1/120、1/30、1/12 s－1)。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

將試樣放入設(shè)定溫度的低溫箱中保溫1 h后，進(jìn)行不同應(yīng)變率條件下的單軸壓縮力學(xué)性能試驗(yàn)，每個(gè)試驗(yàn)條件下進(jìn)行3組重復(fù)試驗(yàn)。單軸壓縮試驗(yàn)在帶保溫箱的新三思公司CMT5205型電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，保溫箱采用干冰冷卻。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 推進(jìn)劑單軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線分析

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果得到不同溫度和應(yīng)變率條件下的推進(jìn)劑壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線，25℃和－40℃時(shí)推進(jìn)劑的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖1所示。

圖1 25℃和－40℃時(shí)壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.1 Curves of stress with strain for HTPB propellant at various temperatures

由圖1可知，25℃條件下推進(jìn)劑應(yīng)力隨著應(yīng)變不斷增加，前期(應(yīng)變低于50%)應(yīng)力增加較慢表現(xiàn)出線彈性特征，后期(應(yīng)變高于50%)應(yīng)力增加較快具有顯著的非線性。非線性現(xiàn)象主要由兩方面因素引起，一方面試樣在壓縮過(guò)程中發(fā)生大變形;另一方面隨著壓縮過(guò)程的進(jìn)行，試樣內(nèi)部和表面裂紋不斷擴(kuò)展導(dǎo)致非線性產(chǎn)生。此外，由圖1(b)可知，－40℃條件下推進(jìn)劑應(yīng)力的增加相對(duì)25℃時(shí)較快，且應(yīng)變率越高推進(jìn)劑應(yīng)力的增加越快，說(shuō)明溫度越低，應(yīng)變率對(duì)推進(jìn)劑力學(xué)的影響越明顯。這是由于溫度降低后，推進(jìn)劑粘合劑基體變硬導(dǎo)致模量增加，特別是在高應(yīng)變率(100 mm/min)條件下，推進(jìn)劑的率溫等效特性使這種情況更加明顯。

2.2 低溫和應(yīng)變率對(duì)壓縮力學(xué)性能影響分析

由圖1可知，推進(jìn)劑單軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線沒(méi)有明顯的轉(zhuǎn)折特征點(diǎn)，不容易確定壓縮力學(xué)性能參量，為此，考慮推進(jìn)劑壓縮時(shí)的大變形情況，采用式(1)對(duì)應(yīng)力進(jìn)行處理，得到準(zhǔn)靜態(tài)壓縮條件下推進(jìn)劑典型真應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖2所示。

式中 σ為真應(yīng)力;F為加載力;A為試件的原始橫截面積;ε為應(yīng)變。

圖2 25℃時(shí)推進(jìn)劑真應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.2 Curves of true stress with strain for HTPB propellant at 25℃

由圖2可知，通過(guò)轉(zhuǎn)折點(diǎn)A和B可將推進(jìn)劑壓縮真應(yīng)力-應(yīng)變曲線劃分為3個(gè)階段，階段Ⅰ是推進(jìn)劑的彈性壓縮階段，這一階段主要是推進(jìn)劑內(nèi)部微裂紋逐漸聚集的過(guò)程;階段Ⅱ是推進(jìn)劑的塑性變形后的應(yīng)力硬化階段，此時(shí)推進(jìn)劑已經(jīng)產(chǎn)生宏觀裂紋并且不斷擴(kuò)展;階段Ⅲ是推進(jìn)劑變形失穩(wěn)直至破壞階段。相對(duì)于圖1的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線而言，圖2中轉(zhuǎn)折點(diǎn)A和B具有更加明顯的數(shù)學(xué)和物理含義。因此，按照?qǐng)D中所示來(lái)定義推進(jìn)劑壓縮參量更加合理。

結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，按照?qǐng)D2中推進(jìn)劑壓縮參量的定義方法，以25℃(Ts)為參考溫度，得到不同溫度和應(yīng)變率條件下HTPB推進(jìn)劑的壓縮模量和壓縮強(qiáng)度曲線圖，如圖3所示。由于試驗(yàn)得到的壓縮應(yīng)變的數(shù)據(jù)規(guī)律性不明顯，因此這里僅對(duì)壓縮模量和壓縮強(qiáng)度進(jìn)行討論。

由圖3可知，壓縮模量和壓縮強(qiáng)度隨應(yīng)變率的增加和溫度的降低而逐漸增加，這說(shuō)明降低溫度和增大應(yīng)變率對(duì)推進(jìn)劑壓縮力學(xué)性能的影響是等效的。不同溫度下壓縮強(qiáng)度和壓縮模量隨應(yīng)變率變化曲線呈現(xiàn)出平行趨勢(shì)，利用時(shí)溫等效方程，將曲線進(jìn)行平移可得到壓縮強(qiáng)度和壓縮模量主曲線［6］。

根據(jù)圖3中壓縮強(qiáng)度和壓縮模量與溫度和應(yīng)變率的關(guān)系，采用線性函數(shù)對(duì)其進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果如表1所示。

圖3 壓縮強(qiáng)度和壓縮模量隨應(yīng)變率變化曲線Fig.3 Curves of compression stress and modulus with strain rate

表1 不同溫度下壓縮強(qiáng)度和壓縮模量與應(yīng)變率關(guān)系Table 1 Relationships of compression stress and modulus with strain rate

從表1可知，推進(jìn)劑壓縮強(qiáng)度和壓縮模量與應(yīng)變率具有較好的線性對(duì)數(shù)關(guān)系(lg［σ·k(T)］=a+blg和lg［E·f(T)］=c+dlg)，利用表中的關(guān)系式，可預(yù)測(cè)不同溫度和應(yīng)變率條件下推進(jìn)劑的壓縮強(qiáng)度和壓縮模量。

2.3 低溫和應(yīng)變率雙因素方差分析

為定量分析溫度和應(yīng)變率對(duì)HTPB推進(jìn)劑壓縮力學(xué)性能的影響情況，利用雙因素方差分析方法，選取5個(gè)溫度和4組應(yīng)變率條件下推進(jìn)劑的壓縮強(qiáng)度、壓縮模量和壓縮應(yīng)變進(jìn)行分析處理。取顯著性水平為0.05，得到方差分析結(jié)果的F值如表2所示，其中Fcrit為F統(tǒng)計(jì)量的臨界值。

表2 壓縮力學(xué)性能的方差分析F值Table 2 F values of variance analysis

從表2可看出，溫度和應(yīng)變率對(duì)推進(jìn)劑壓縮力學(xué)性能的F值都明顯大于Fcrit(3.259，3.490)值，這說(shuō)明溫度和應(yīng)變率對(duì)推進(jìn)劑的壓縮強(qiáng)度、壓縮模量和壓縮應(yīng)變具有顯著影響。其中，與壓縮模量對(duì)應(yīng)的溫度F(37.920)值要大于應(yīng)變率的 F(18.904)值，而與壓縮強(qiáng)度和壓縮應(yīng)變對(duì)應(yīng)的應(yīng)變率F(27.945，21.832)值要大于溫度的 F(10.668，13.042)值，這反映出溫度對(duì)推進(jìn)劑的壓縮模量的影響比應(yīng)變率的影響更顯著，而應(yīng)變率對(duì)壓縮強(qiáng)度和應(yīng)變的影響比溫度的影響更顯著。這是由于低溫使推進(jìn)劑的粘合劑基體發(fā)生硬化，導(dǎo)致推進(jìn)劑模量的急劇增加，而對(duì)強(qiáng)度和應(yīng)變的影響相對(duì)較?。?］。應(yīng)變率對(duì)推進(jìn)劑的影響除了具有一定率溫效應(yīng)之外，主要表現(xiàn)在對(duì)推進(jìn)劑的不同破壞機(jī)理上。在低應(yīng)變率壓縮條件下，推進(jìn)劑內(nèi)部微裂紋會(huì)發(fā)生聚集、傳播和擴(kuò)展，導(dǎo)致推進(jìn)劑發(fā)生破壞，其力學(xué)性能顯著下降，從而極大的影響強(qiáng)度和應(yīng)變。在高應(yīng)變率壓縮條件下，由于應(yīng)變率的增加，微裂紋沒(méi)有足夠的時(shí)間聚集、傳播和擴(kuò)展，而且也沒(méi)有足夠的時(shí)間進(jìn)行松弛。因此，壓縮強(qiáng)度和應(yīng)變相對(duì)于模量更容易受應(yīng)變率的影響。

3 結(jié)論

(1)推進(jìn)劑壓縮力學(xué)性能具有顯著的溫度和應(yīng)變率效應(yīng)，隨著溫度的降低或應(yīng)變率的增加，推進(jìn)劑壓縮強(qiáng)度、模量顯著增加。

(2)采用真應(yīng)力-應(yīng)變表示的推進(jìn)劑壓縮力學(xué)性能能夠較好的描述推進(jìn)劑低溫壓縮特性，并利用轉(zhuǎn)折點(diǎn)將壓縮真應(yīng)力-應(yīng)變曲線劃分為彈性段、應(yīng)力硬化段和破壞段3個(gè)階段。

(3)不同溫度下壓縮強(qiáng)度和壓縮模量與應(yīng)變率之間存在線性對(duì)數(shù)關(guān)系(lg［σ·k(T)］=a+blg和lg［E·f(T)］=c+dlg)，利用該關(guān)系式可對(duì)較寬溫度和應(yīng)變率范圍下推進(jìn)劑壓縮力學(xué)性能進(jìn)行預(yù)測(cè)。

(4)分析表明，低溫對(duì)推進(jìn)劑壓縮模量影響較大，而應(yīng)變率對(duì)壓縮強(qiáng)度、應(yīng)變影響較大，這主要是由于低溫使推進(jìn)劑的粘合劑基體發(fā)生硬化導(dǎo)致模量增加，而應(yīng)變率的變化使推進(jìn)劑的破壞機(jī)理發(fā)生變化，從而顯著影響強(qiáng)度和應(yīng)變。

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