溫度影響下固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)合材料殼體實(shí)驗(yàn)研究①

樊 鈺，葉定友，，史宏斌

(1．第二炮兵工程大學(xué)，西安 710025;2．中國(guó)航天科技集團(tuán)公司四院，西安 710025)

0 引言

航天技術(shù)的發(fā)展對(duì)材料在溫度影響下的力學(xué)性能提出了很高要求。材料的力學(xué)性能隨溫度的變化規(guī)律各不相同，在室溫下具有優(yōu)良力學(xué)性能的材料，不一定能夠滿足在高溫或低溫下長(zhǎng)時(shí)服役對(duì)力學(xué)性能的要求。如何評(píng)價(jià)導(dǎo)彈固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)用復(fù)合材料的高低溫力學(xué)性能，并運(yùn)用這些力學(xué)性能評(píng)估材料構(gòu)件的安全性和壽命，是一個(gè)非常復(fù)雜的課題。

長(zhǎng)期以來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者［1－5］針對(duì)復(fù)合材料及其組分的力學(xué)性能開(kāi)展了大量研究，研究了該類材料的強(qiáng)度、模量、斷裂韌性、沖擊韌性以及疲勞性能等，這些研究為認(rèn)識(shí)該材料的本征特性、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)及使用過(guò)程中提供了一個(gè)龐大的數(shù)據(jù)信息庫(kù)。然而，由于復(fù)合材料纏繞方式的多樣性、生產(chǎn)工藝的復(fù)雜性及研究方向的分散性，即便經(jīng)過(guò)多年的探索，也未見(jiàn)針對(duì)環(huán)氧基炭纖維復(fù)合材料在高低溫環(huán)境下力學(xué)性能［6－8］的系統(tǒng)研究數(shù)據(jù)。

本文結(jié)合工程實(shí)踐，對(duì)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)用復(fù)合材料在高低溫環(huán)境下的細(xì)觀和宏觀力學(xué)性能進(jìn)行了系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究。設(shè)計(jì)了該材料在高低溫環(huán)境下的力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)測(cè)定方案;分析了溫度對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂基體、復(fù)合材料單向板力學(xué)性能的影響;結(jié)合工程實(shí)際，研究了溫度對(duì)復(fù)合材料容器及實(shí)際產(chǎn)品爆破壓強(qiáng)的影響，獲得了材料的破壞特性及在各種載荷下的破壞機(jī)理。實(shí)驗(yàn)結(jié)果為建立典型微結(jié)構(gòu)特征和宏觀力學(xué)性能的定量關(guān)系提供了驗(yàn)證數(shù)據(jù)，也為航天固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)合材料殼體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了重要材料參數(shù)。

1 實(shí)驗(yàn)

1．1 實(shí)驗(yàn)原料

根據(jù)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體的使用情況，將目前廣泛應(yīng)用的炭纖維/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料作為實(shí)驗(yàn)研究對(duì)象。

1．2 溫度研究范圍

由于高速飛行的導(dǎo)彈武器在研制、生產(chǎn)、運(yùn)輸、貯存過(guò)程中可能遇到各種氣候環(huán)境因素，即－40～60℃工作溫度;同時(shí)，在飛行過(guò)程中彈體要承受氣動(dòng)加熱帶來(lái)的高溫、沖刷影響，導(dǎo)彈動(dòng)力裝置固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體必須進(jìn)行外熱防護(hù)，受熱力耦合作用，復(fù)合材料殼體所能承受的界面溫度為200～400℃。結(jié)合以上2個(gè)因素，確定影響固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)合材料殼體的溫度范圍為－40～200℃。

1．3 實(shí)驗(yàn)裝置與實(shí)驗(yàn)方法

1．3．1 高低溫實(shí)驗(yàn)裝置介紹

高低溫實(shí)驗(yàn)箱由加熱系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、溫度系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)和空氣循環(huán)系統(tǒng)組成。其工作原理是仿真產(chǎn)品在氣候環(huán)境溫濕組合條件下檢測(cè)產(chǎn)品本身的適應(yīng)能力與特性是否改變。試件、容器及殼體專用高低溫實(shí)驗(yàn)箱見(jiàn)圖1。

圖1 高低溫實(shí)驗(yàn)箱Fig．1 Experimental case of high and low temperature

1．3．2 實(shí)驗(yàn)方法

復(fù)合材料細(xì)觀力學(xué)主要是以纖維、基體為基本單元進(jìn)行力學(xué)性能分析，分析相當(dāng)復(fù)雜。同時(shí)，由于實(shí)際復(fù)合材料纖維形狀的不完全規(guī)則和排列不完全均勻，制造工藝上的差異和材料內(nèi)部存在的孔隙等情況，細(xì)觀分析方法不能完全反映材料實(shí)際狀況。因此，采用細(xì)觀力學(xué)與宏觀力學(xué)相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行研究。

所研究的炭纖維由有機(jī)纖維經(jīng)高溫炭化而成，耐高溫、耐疲勞且熱穩(wěn)定性好，是良好的高溫隔熱材料。從美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院(NIST)給出的數(shù)據(jù)，很好地說(shuō)明了纖維材料在低溫環(huán)境下力學(xué)性能變化不大。因此，本次實(shí)驗(yàn)不單獨(dú)對(duì)炭纖維進(jìn)行高低溫條件下性能測(cè)定。但溫度變化會(huì)導(dǎo)致高聚物基體材料環(huán)氧樹(shù)脂部分化學(xué)添加劑發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的反應(yīng)，影響其性能和使用質(zhì)量。玻璃化溫度是衡量該材料的一項(xiàng)重要指標(biāo)。因此，對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂基體進(jìn)行動(dòng)態(tài)力學(xué)性能分析，測(cè)定其玻璃化溫度點(diǎn);在所研究的溫度范圍內(nèi)，選取關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行基體材料力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)，主要包括拉伸、壓縮、彎曲的強(qiáng)度和模量測(cè)試。

對(duì)于正交各向異性層合板而言，其基本剛度和強(qiáng)度特性可通過(guò)環(huán)形試件和薄平板試件進(jìn)行測(cè)定。由于環(huán)形試件只能測(cè)定材料的拉伸性能，而不能排除附加彎曲的影響。因此，將采用環(huán)形試件與薄平板試件相結(jié)合的辦法測(cè)定性能數(shù)據(jù)。主要測(cè)試在溫度影響下，材料拉伸、壓縮、彎曲、剪切的強(qiáng)度和模量值。

盡管通過(guò)以上實(shí)驗(yàn)可獲取炭纖維/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料在高低溫環(huán)境下的力學(xué)性能數(shù)據(jù)，但卻無(wú)法全面反映固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)回轉(zhuǎn)體殼體在高低溫環(huán)境下的容器特性，即pV/W。為了更加真實(shí)地模擬復(fù)合材料殼體在高低溫情況下的受力狀況，設(shè)計(jì)直徑φ150 mm復(fù)合材料容器進(jìn)行高低溫實(shí)驗(yàn)。在溫度實(shí)驗(yàn)箱中，將容器保溫后，設(shè)計(jì)有效保溫措施，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定并評(píng)估溫度隨時(shí)間的損失效率，確保容器內(nèi)外壁溫度在水壓爆破實(shí)驗(yàn)前能滿足－40～200℃的溫度范圍。同時(shí)，按照溫度需求，合理設(shè)計(jì)并選擇爆破實(shí)驗(yàn)溶劑，以確保實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)容器的內(nèi)外恒溫要求。

為驗(yàn)證材料實(shí)驗(yàn)結(jié)果與容器實(shí)驗(yàn)結(jié)果的關(guān)聯(lián)性，利用高低溫實(shí)驗(yàn)箱，對(duì)某型發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)合材料殼體進(jìn)行高、低、常溫下的水壓爆破實(shí)驗(yàn)，計(jì)算纖維殼體特性pV/W，進(jìn)行材料性能對(duì)比。

2 結(jié)果與討論

2．1 溫度對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂基體力學(xué)性能影響研究

對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂基體性能進(jìn)行動(dòng)態(tài)力學(xué)分析，測(cè)定其玻璃化溫度，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖2。

從圖2可看出，50℃以上試件的損耗角正切值基本保持平穩(wěn)，略呈上升，120℃左右損耗角正切值開(kāi)始快速上升，140℃時(shí)達(dá)到最大值。在ISO標(biāo)準(zhǔn)中，一般認(rèn)為損耗模量峰所對(duì)應(yīng)的溫度為材料的玻璃化溫度，即Tg。但在工程上，為保證結(jié)構(gòu)質(zhì)量具有較大安全性，在以Tg表征結(jié)構(gòu)材料最高使用溫度時(shí)，用切線法將儲(chǔ)存模量曲線上的折點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的溫度定義為Tg。這樣能保證材料在適用溫度范圍內(nèi)模量不出現(xiàn)大的變化，從而保證結(jié)構(gòu)材料尺寸與形狀的穩(wěn)定性。為確保發(fā)動(dòng)機(jī)殼體在使用過(guò)程中具有安全性，從以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，環(huán)氧樹(shù)脂玻璃化溫度約為130℃。

圖2 環(huán)氧樹(shù)脂玻璃化溫度測(cè)試結(jié)果Fig．2 Diagram of glass transition temperature experimental results of epoxy resin

選取低溫 －40、－20℃、常溫(20℃)、高溫(50、100、125、150、200 ℃)幾個(gè)溫度點(diǎn)，每個(gè)溫度點(diǎn)對(duì) 5 個(gè)環(huán)氧樹(shù)脂澆鑄體骨形件在高低溫箱內(nèi)進(jìn)行拉伸、壓縮及彎曲實(shí)驗(yàn)測(cè)試，其強(qiáng)度和模量隨溫度變化曲線見(jiàn)圖3、圖4。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，低溫－40℃下，環(huán)氧樹(shù)脂材料的壓縮、彎曲強(qiáng)度與常溫相當(dāng)，且略有升高，主要是由于材料變脆，提高了抵抗變形的能力;拉伸強(qiáng)度有所降低，保持率約是常溫的2/3，說(shuō)明樹(shù)脂基體在低溫下材料變脆，塑性性能較差，此時(shí)基體易出現(xiàn)裂紋。拉伸、壓縮及彎曲模量基本保持不變，比常溫有所提升。高溫環(huán)境下，環(huán)氧樹(shù)脂的拉伸、壓縮及彎曲強(qiáng)度和模量均隨溫度升高而降低，尤其是在樹(shù)脂材料玻璃化溫度后，材料從高彈態(tài)向玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變，強(qiáng)度急劇下降，力學(xué)性能發(fā)生變化。

圖3 環(huán)氧樹(shù)脂拉伸、壓縮及彎曲強(qiáng)度隨溫度變化曲線Fig．3 Variation curves of epoxy resin tensile compression and bending strength with temperature

圖4 環(huán)氧樹(shù)脂拉伸、壓縮及彎曲模量隨溫度變化曲線Fig．4 Variation curves of epoxy resin tensile compression and bending modulus with temperature

2．2 溫度對(duì)復(fù)合材料板形件力學(xué)性能影響研究

采用相同條件下同一批纏繞的炭纖維/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料層合板，進(jìn)行不同溫度下的力學(xué)性能測(cè)試，見(jiàn)圖5和圖6。由于試樣在溫度影響下(尤其是高溫)的脫落情況較嚴(yán)重，導(dǎo)致數(shù)據(jù)離散性較大，但可獲取基本變化趨勢(shì)。

圖5 板形件拉壓彎剪強(qiáng)度隨溫度變化趨勢(shì)Fig．5 Variation curves of flat specimen tensile compression bending and shear strength with temperature

從圖5可看出，低溫下層合板材料的拉伸、壓縮、彎曲、剪切強(qiáng)度與常溫相當(dāng)，均有上升趨勢(shì)，說(shuō)明低溫邊界條件－40℃對(duì)炭纖維/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的強(qiáng)度沒(méi)有影響，可作為結(jié)構(gòu)件的設(shè)計(jì)條件。隨溫度升高，材料強(qiáng)度下降，主要在樹(shù)脂材料玻璃化溫度后復(fù)合材料強(qiáng)度急劇下降。150℃時(shí)拉伸強(qiáng)度的保持率為33．6%;壓縮強(qiáng)度的保持率為51．9%;彎曲強(qiáng)度的保持率為9．6%;剪切強(qiáng)度的保持率為21%，樹(shù)脂材料性能下降直接影響復(fù)合材料在該溫度下的力學(xué)特性。從圖6可知，低溫下板形件材料的拉伸、壓縮、彎曲、剪切模量與常溫相當(dāng)，除拉伸模量外，其余略有上升，但變化不大。隨著溫度的升高，模量也呈下降趨勢(shì)，玻璃化溫度后下降較明顯。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，復(fù)合材料單向板的拉伸強(qiáng)度受樹(shù)脂材料玻璃化溫度影響較大，但模量的保持率較好。彎曲及剪切力學(xué)性能受溫度影響較大，主要取決于復(fù)合材料中樹(shù)脂的性能。

圖6 板形件拉壓彎剪模量隨溫度變化趨勢(shì)Fig．6 Variation curves of flat specimen tensile compression bending and shear modulus with temperature

2．3 溫度對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件力學(xué)性能影響研究

為了滿足容器在低溫－40℃及高溫200℃下的實(shí)驗(yàn)條件，必須進(jìn)行材料篩選，采取有效隔熱保溫措施;選取在低溫下不結(jié)冰、高溫下不揮發(fā)的加壓工作介質(zhì);調(diào)整好爆破實(shí)驗(yàn)裝置系統(tǒng)，保證實(shí)驗(yàn)的順利完成。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)方案，制作9發(fā)φ150 mm炭纖維/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料容器，3發(fā)進(jìn)行室溫20℃環(huán)境下爆破實(shí)驗(yàn)，3發(fā)進(jìn)行低溫－40℃環(huán)境下爆破實(shí)驗(yàn)，3發(fā)進(jìn)行高溫200℃爆破實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖7。

圖7 φ150 mm容器高低溫實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig．7 Experimental results of φ150 mm vessels on the high and low temperature

從圖7可看出，在相同工藝條件下制作的9發(fā)容器，低溫 －40℃環(huán)境下容器平均爆破壓強(qiáng)為37．6 MPa，與常溫容器平均爆破壓強(qiáng)35．9 MPa相差不大，且略有上升。說(shuō)明炭纖維/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料在低溫－40℃環(huán)境下纖維性能發(fā)揮較好。從破壞情況來(lái)看，殼體縱、環(huán)向同時(shí)破壞，纖維達(dá)到破壞強(qiáng)度。總體來(lái)說(shuō)，容器在低溫下性能較好。但高溫200℃時(shí)，3發(fā)殼體平均爆破壓強(qiáng)較低，只有18．7 MPa，保持率約為常溫的52%，說(shuō)明高溫下復(fù)合材料強(qiáng)度降低，殼體承內(nèi)壓性能下降。

2．4 溫度對(duì)復(fù)合材料殼體性能影響研究

以某發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)合材料殼體為研究對(duì)象，在高低溫實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)，分別對(duì)3發(fā)產(chǎn)品進(jìn)行高溫50℃、常溫、低溫－40℃爆破實(shí)驗(yàn)，見(jiàn)表1。從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)看，3臺(tái)殼體在不同溫度下的爆破壓強(qiáng)非常接近，實(shí)驗(yàn)離散性不大。從纖維環(huán)向應(yīng)變數(shù)據(jù)分析，纖維基本發(fā)揮其最大強(qiáng)度，滿足環(huán)向應(yīng)變小于1．5%的設(shè)計(jì)要求，該溫度范圍沒(méi)有對(duì)炭纖維/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料強(qiáng)度造成影響，能適用－40～60℃的要求。遺憾的是高溫爆破實(shí)驗(yàn)，殼體后封頭金屬件破壞了實(shí)驗(yàn)箱裝置，無(wú)法進(jìn)行高溫150℃及200℃爆破實(shí)驗(yàn)，也無(wú)法獲得該材料玻璃化溫度后的殼體性能。

表1 某型號(hào)殼體在高、低、常溫下爆破實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 1 Burst test experimental results of certain model on the high and low temperature

2．5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

從以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果可看出，從單一的基體材料到復(fù)合材料試件，再到復(fù)合材料容器，以及全尺寸殼體，溫度對(duì)其力學(xué)性能具有較大影響。低溫下，不論是材料還是結(jié)構(gòu)件，均對(duì)溫度不敏感。從容器和殼體的爆破壓強(qiáng)來(lái)看，低溫不影響結(jié)構(gòu)件的設(shè)計(jì)。高溫下基體材料的玻璃化溫度基本決定了材料的性能，玻璃化溫度后，材料及結(jié)構(gòu)件的力學(xué)性能均隨溫度升高而急劇下降，容器承內(nèi)壓能力降低。因此，在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)中，要重點(diǎn)考慮材料在高溫下的耐溫性能。

殼體是固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的主要承力件，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及穩(wěn)定性設(shè)計(jì)對(duì)整彈來(lái)說(shuō)具有舉足輕重的作用。材料強(qiáng)度是殼體內(nèi)壓設(shè)計(jì)的關(guān)鍵指標(biāo)，模量及泊松比是決定外載荷設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)。不同溫度下，材料性能變化將極大影響發(fā)動(dòng)機(jī)及整彈的性能。因此，材料在溫度影響下的性能保持率對(duì)殼體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)非常重要。同時(shí)，對(duì)于飛行馬赫數(shù)較高的飛行器動(dòng)力裝置來(lái)說(shuō)，發(fā)動(dòng)機(jī)殼體的材料性能還直接影響外防熱結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。殼體材料耐溫性越好，承載能力越高，界面溫度值較低，防熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)壓力就會(huì)越小。

3 結(jié)論

(1)根據(jù)工程需求，設(shè)計(jì)了一套完整的固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體用炭纖維/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料高低溫力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)方法，完成了相關(guān)實(shí)驗(yàn)，為全面考核復(fù)合材料在高低溫下的力學(xué)性能奠定了基礎(chǔ)。

(2)低溫－40℃下，炭纖維/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的強(qiáng)度、模量與常溫基本保持一致，說(shuō)明復(fù)合材料具有較好的低溫力學(xué)性能。高溫200℃內(nèi)，復(fù)合材料力學(xué)性能隨溫度升高而降低，在基體材料玻璃化溫度前后，力學(xué)性能急劇下降。因此，建議在實(shí)際工程中合理選用材料使用溫度，保證材料的安全系數(shù)。

(3)容器及殼體爆破實(shí)驗(yàn)表明，炭纖維/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件對(duì)低溫－40～50℃環(huán)境不敏感;但高溫200℃下，由于材料強(qiáng)度下降，影響容器力學(xué)性能。

(4)在進(jìn)行固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，若有環(huán)境溫度及氣動(dòng)熱要求，首先應(yīng)對(duì)所用材料進(jìn)行溫度影響下的力學(xué)性能測(cè)定，減小研制成本。

［1］ 沈觀林，胡更開(kāi)．復(fù)合材料力學(xué)［M］．北京:清華大學(xué)出版社，2006．

［2］ 王習(xí)術(shù)．材料力學(xué)行為試驗(yàn)與分析［M］．北京:清華大學(xué)出版社，2007．

［3］ 王賢鋒，等．玻纖和炭纖在低溫下的強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)特性［J］．無(wú)機(jī)材料學(xué)報(bào)，2003，18(1)．

［4］ Franco C，Victor M，Aguilar G，et al．Modeling and design of adaptive composite structures［J］．Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering，2000，185(2－4):325－346．

［5］ Akbar A K，Glyn L，Lin Y W．On the fracture mechanical behavior of fiber reinforced metal laminates(Frills)［J］．Computer Mrthods in Applied Mechanics and Engineering，2000，185(2－4):173－190．

［6］ Wiedemeier H，Singh M．Thermal stability of refractory materials for high－temperature composite applications［J］．Journal of Materials Science，1991，26(5)．

［7］ Ponomareva T I，Dzhavadyan é A，Al＇yanova E E，et al．Lowtemperature curing of epoxy binders and composites［J］．Mechanics of Composite Materials，1989，25(1)．

［8］ 達(dá)道安，等．空間低溫技術(shù)［M］．北京:宇航出版社，1991．