HTPB推進(jìn)劑力學(xué)性能吸濕和恢復(fù)特性

何鐵山，李　磊，杜　芳，吳世曦，胡建江

(1.固體推進(jìn)劑高能與安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，襄陽　441003；2.中國(guó)航天科技集團(tuán)公司四院四十二所，襄陽　441003)

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HTPB推進(jìn)劑力學(xué)性能吸濕和恢復(fù)特性

何鐵山1，2，李磊1，2，杜芳1，2，吳世曦1，2，胡建江1，2

(1.固體推進(jìn)劑高能與安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，襄陽441003；2.中國(guó)航天科技集團(tuán)公司四院四十二所，襄陽441003)

模擬了不同的濕度(RH=6.6%～97.5%)環(huán)境，運(yùn)用單向拉伸試驗(yàn)，研究了濕度對(duì)HTPB推進(jìn)劑單向拉伸力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，在相對(duì)濕度RH低于58%時(shí)，伸長(zhǎng)率與斷裂伸長(zhǎng)率7 d內(nèi)幾乎不受濕度和暴露時(shí)間的影響，抗拉強(qiáng)度則隨環(huán)境濕度、暴露時(shí)間的增加而緩慢降低，但降幅不超過30%。在RH高于75.5%時(shí)，力學(xué)性能隨環(huán)境濕度、暴露時(shí)間的增加而快速降低，尤其在相對(duì)濕度RH分別為75.5%、84.7%、97.5%的環(huán)境中分別暴露5、1、0.5 d后，抗拉強(qiáng)度降幅均超過30%。吸濕后的丁羥推進(jìn)劑經(jīng)相對(duì)濕度為6.6%的干燥環(huán)境恢復(fù)處理3 d后，抗拉強(qiáng)度能恢復(fù)到吸濕前的80%，伸長(zhǎng)率、斷裂伸長(zhǎng)率能得到完全恢復(fù)。

丁羥推進(jìn)劑；力學(xué)性能；單向拉伸；環(huán)境濕度；過飽和溶液

0　引言

丁羥推進(jìn)劑是一種固體導(dǎo)彈較常見的動(dòng)力源，也是導(dǎo)彈結(jié)構(gòu)材料的一部分，其熱老化和濕老化直接與導(dǎo)彈的使用壽命有關(guān)。其中，濕度對(duì)丁羥推進(jìn)劑的影響表現(xiàn)為其力學(xué)性能降低，而力學(xué)性能是決定推進(jìn)劑貯存壽命的重要技術(shù)指標(biāo)。目前，關(guān)于濕度對(duì)丁羥推進(jìn)劑的影響，已得到國(guó)內(nèi)很多專家的研究[1-6]，也提出了一些相關(guān)的機(jī)理和模型，較常見的是雙模量模型，這些模型關(guān)于濕度對(duì)力學(xué)性能的影響作了合理的解釋。

固體發(fā)動(dòng)機(jī)用丁羥推進(jìn)劑在生產(chǎn)、貯存、運(yùn)輸及性能測(cè)試過程中，經(jīng)常會(huì)與不同的濕度環(huán)境接觸，如何準(zhǔn)確評(píng)估和避免環(huán)境濕度對(duì)推進(jìn)劑的影響，是丁羥推進(jìn)劑從業(yè)者必須面臨的一個(gè)問題。

本文以單向拉伸力學(xué)性能測(cè)試作為研究手段，模擬不同的濕度環(huán)境，開展環(huán)境濕度、吸濕時(shí)間對(duì)丁羥推進(jìn)劑單向拉伸力學(xué)性能的影響研究，同時(shí)開展了3種高濕環(huán)境下的丁羥推進(jìn)劑充分吸濕后，經(jīng)不同干燥時(shí)間處理后的力學(xué)性能研究，研究了干燥時(shí)間對(duì)力學(xué)性能的影響。

為滿足使用要求，對(duì)丁羥推進(jìn)劑暴露環(huán)境的濕度、暴露時(shí)間和吸濕后的推進(jìn)劑干燥恢復(fù)處理時(shí)間等方面提出了控制要求，供丁羥推進(jìn)劑從業(yè)者參考。

1　試驗(yàn)

1.1試樣制備

以某丁羥推進(jìn)劑為研究對(duì)象，按照GJB 770B—2005標(biāo)準(zhǔn)方法413.1的要求，把同一批次的推進(jìn)劑制作規(guī)定的啞鈴形試樣，作為研究試樣。

1.2試驗(yàn)

為了營(yíng)造不同的環(huán)境濕度，根據(jù)文獻(xiàn)[7]，選擇表1所列的不同電解質(zhì)過飽和溶液上方的飽和蒸汽環(huán)境作為推進(jìn)劑存放干燥或吸濕的環(huán)境。在室溫(20～23 ℃)條件下，這些不同電解質(zhì)過飽和溶液飽和蒸汽的相對(duì)濕度見表1。

表1　不同電解質(zhì)過飽和溶液飽和蒸汽相對(duì)濕度(23 ℃)

1.2.1試樣預(yù)處理

準(zhǔn)備一個(gè)干燥器，在其中放入LiBr過飽和溶液，該干燥器靜置存放2 d后，將所有已測(cè)量過尺寸的啞鈴形試樣快速放入該干燥器內(nèi)，至少存放7 d。

1.2.2基礎(chǔ)性能測(cè)試

在23 ℃、100 mm/min的條件下，測(cè)試經(jīng)預(yù)處理后試樣的單向拉伸力學(xué)性能，作為本文研究的基礎(chǔ)性能數(shù)據(jù)。

1.2.3吸濕試驗(yàn)

在8個(gè)干燥器內(nèi)，分別放入LiCl、KAc、MgCl2、K2CO3、NaBr、NaCl、KCl、K2SO4過飽和溶液，至少靜置2 d。

在含上述各種過飽和溶液的干燥器內(nèi)，分別存放經(jīng)預(yù)處理后的試樣。存放時(shí)，應(yīng)盡量使試樣測(cè)試平行段部位較多地暴露在過飽和溶液上方的氣氛中。試樣在干燥器內(nèi)的存放方式見圖1。

1.2.4單向拉伸力學(xué)性能測(cè)試

試樣在不同濕度氣氛中分別存放1、3、5、7 d后，測(cè)試23 ℃、100 mm/min條件下的單向拉伸力學(xué)性能。對(duì)于濕度較高的氣氛增加0.25、0.5 d后的單向拉伸力學(xué)性能測(cè)試。

圖1　推進(jìn)劑試樣在干燥器內(nèi)的擺放方式

1.2.5恢復(fù)試驗(yàn)

1.2.5.1吸濕處理

將經(jīng)預(yù)處理過的試樣分批存放在NaCl、KCl、K2SO43種具有較高濕度氣氛的干燥器內(nèi)，使試樣在相應(yīng)氣氛中充分吸濕(存放7 d)。

1.2.5.2干燥恢復(fù)試驗(yàn)

將經(jīng)歷充分吸濕處理過的推進(jìn)劑試樣分別快速轉(zhuǎn)移至3個(gè)均放入適量LiBr過飽和溶液且經(jīng)過靜置的干燥器內(nèi)，對(duì)試樣進(jìn)行干燥恢復(fù)處理。

1.2.5.3單向拉伸力學(xué)性能測(cè)試

對(duì)干燥恢復(fù)處理的試樣，分別于恢復(fù)處理1、3、5、7 d等不同時(shí)間后，測(cè)試相同條件下的單向拉伸力學(xué)性能。

2　試驗(yàn)數(shù)據(jù)

“吸濕試驗(yàn)”和“恢復(fù)試驗(yàn)”中的“單向拉伸力學(xué)性能測(cè)試”數(shù)據(jù)分別見表2和表3。

3　試驗(yàn)結(jié)果

3.1吸濕試驗(yàn)結(jié)果

3.1.1抗拉強(qiáng)度研究結(jié)果

數(shù)據(jù)挖掘系統(tǒng)構(gòu)架按不同層次劃分為4部分：云計(jì)算平臺(tái)、數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、數(shù)據(jù)挖掘算法和數(shù)據(jù)分析(圖3).云計(jì)算作為整個(gè)系統(tǒng)架構(gòu)的底層計(jì)算平臺(tái)，借助云計(jì)算的處理能力，完成數(shù)據(jù)的清洗、集成、選擇和加載等準(zhǔn)備過程.為了支持?jǐn)?shù)據(jù)挖掘算法中的分析型查詢操作，同時(shí)還需為數(shù)據(jù)建立索引.借助于這些方法便可實(shí)現(xiàn)面向大數(shù)據(jù)的各種應(yīng)用，如時(shí)空模式發(fā)現(xiàn)、可視化分析等.

3.1.1.1吸濕時(shí)間對(duì)抗拉強(qiáng)度的影響

在相同濕度條件下，不同吸濕時(shí)間對(duì)該推進(jìn)劑抗拉強(qiáng)度影響的試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2。不同濕度氣氛下，吸濕時(shí)間對(duì)抗拉強(qiáng)度的影響見圖2。

3.1.1.2濕度對(duì)抗拉強(qiáng)度的影響

相同吸濕時(shí)間條件下，濕度對(duì)抗拉強(qiáng)度的影響見圖3。

3.1.2伸長(zhǎng)率研究結(jié)果

3.1.2.1吸濕時(shí)間對(duì)伸長(zhǎng)率的影響

在相同濕度條件下，不同吸濕時(shí)間對(duì)該推進(jìn)劑伸長(zhǎng)率影響的試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2。不同濕度氣氛下吸濕時(shí)間對(duì)伸長(zhǎng)率的影響見圖4。

3.1.2.2濕度對(duì)伸長(zhǎng)率的影響

相同吸濕時(shí)間條件下，濕度對(duì)伸長(zhǎng)率的影響見圖5。

表2　HTPB推進(jìn)劑吸濕試驗(yàn)中的力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果(23 ℃、100 mm/min)

表3　HTPB推進(jìn)劑恢復(fù)試驗(yàn)中的力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果(23 ℃、100 mm/min)

圖2　不同濕度環(huán)境下推進(jìn)劑的σm隨吸濕時(shí)間的變化趨勢(shì)

圖3　相同吸濕時(shí)間時(shí)推進(jìn)劑的σm隨環(huán)境濕度的變化趨勢(shì)

圖4　不同濕度環(huán)境下推進(jìn)劑的εm隨吸濕時(shí)間的變化趨勢(shì)

圖5　相同吸濕時(shí)間時(shí)推進(jìn)劑的εm隨環(huán)境濕度的變化趨勢(shì)

3.1.3.1吸濕時(shí)間對(duì)斷裂伸長(zhǎng)率的影響

在相同濕度條件下，不同吸濕時(shí)間對(duì)該推進(jìn)劑斷裂伸長(zhǎng)率影響的試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2。不同濕度氣氛下，貯存時(shí)間對(duì)斷裂伸長(zhǎng)率的影響見圖6。

圖6　不同濕度環(huán)境下推進(jìn)劑的εb隨吸濕時(shí)間的變化趨勢(shì)

3.1.3.2濕度對(duì)斷裂伸長(zhǎng)率的影響

相同吸濕時(shí)間條件下，濕度對(duì)斷裂伸長(zhǎng)率的影響見圖7。

圖7　相同吸濕時(shí)間時(shí)推進(jìn)劑的εb隨環(huán)境濕度的變化趨勢(shì)

結(jié)合表2和圖2、圖3，發(fā)現(xiàn)：(1)在相對(duì)濕度低于40%時(shí)，濕度也會(huì)導(dǎo)致HTPB推進(jìn)劑的抗拉強(qiáng)度緩慢下降，但隨吸濕(暴露)時(shí)間的延長(zhǎng)，后期的強(qiáng)度相對(duì)較穩(wěn)定。在相對(duì)濕度超過40%時(shí)，HTPB推進(jìn)劑的抗拉強(qiáng)度隨吸濕(暴露)時(shí)間的延長(zhǎng)，呈現(xiàn)快速下降的趨勢(shì)，尤其在相對(duì)濕度超過75%時(shí)，如在97.5%的濕度環(huán)境下，吸濕(暴露)時(shí)間僅0.25 d，抗拉強(qiáng)度降幅達(dá)27%。(2)相同的吸濕時(shí)間條件下，濕度越大，抗拉強(qiáng)度下降越多。

結(jié)合表2和圖4、圖5，同時(shí)考慮試樣個(gè)體之間的差異，發(fā)現(xiàn)：(1)在相對(duì)濕度低于58%時(shí)，在本文研究的7 d時(shí)間內(nèi)，吸濕(暴露)時(shí)間對(duì)伸長(zhǎng)率幾乎無影響。在相對(duì)濕度超過58%時(shí)，HTPB推進(jìn)劑的伸長(zhǎng)率隨吸濕(暴露)時(shí)間的延長(zhǎng)，呈現(xiàn)快速下降的趨勢(shì)，尤其在相對(duì)濕度超過75%時(shí)，如在分別84.7%、97.5%的濕度環(huán)境下，吸濕(暴露)時(shí)間1 d與3 d，伸長(zhǎng)率降幅分別達(dá)17%、41%與51%、63%。(2)相同的吸濕時(shí)間條件下，在相對(duì)濕度超過58%時(shí)，濕度越大，伸長(zhǎng)率下降越多。

結(jié)合表2和圖6、圖7，同時(shí)考慮試樣個(gè)體之間的差異，發(fā)現(xiàn)：(1)在相對(duì)濕度低于58%時(shí)，在本文研究的7 d時(shí)間內(nèi)，吸濕(暴露)時(shí)間對(duì)伸長(zhǎng)率幾乎無影響。在相對(duì)濕度超過58%時(shí)，HTPB推進(jìn)劑的斷裂伸長(zhǎng)率隨吸濕(暴露)時(shí)間的延長(zhǎng)，呈現(xiàn)快速下降的趨勢(shì)，尤其在相對(duì)濕度超過75%時(shí)，如在分別84.7%、97.5%的濕度環(huán)境下，吸濕(暴露)時(shí)間1 d與3 d，斷裂伸長(zhǎng)率降幅分別達(dá)13%、11%與17%、39%。(2)相同的吸濕時(shí)間條件下，在相對(duì)濕度超過58%時(shí)，濕度越大，斷裂伸長(zhǎng)率下降越多。

從表2還可發(fā)現(xiàn)，如果考慮推進(jìn)劑抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)指標(biāo)有30%的裕度，那么在相對(duì)濕度分別為75.5%、84.7%、97.5%的環(huán)境中，暴露時(shí)間分別不應(yīng)超過5、1、0.5 d。

按雙模量模型對(duì)丁羥推進(jìn)劑吸濕后的單向拉伸力學(xué)性能發(fā)生變化，可作如下解釋：固體推進(jìn)劑受潮的過程是一個(gè)受擴(kuò)散作用控制的吸收水分的過程，當(dāng)推進(jìn)劑試樣放置在密閉的潮濕環(huán)境下，推進(jìn)劑組分AP和鍵合劑吸收水分，這一水合過程會(huì)導(dǎo)致推進(jìn)劑試樣表面積膨脹，并在AP晶粒周圍形成潮解層，晶粒表面上原先由鍵合劑構(gòu)成的高模量層會(huì)逐漸消失，同時(shí)形成了包裹AP晶粒的低模量層，導(dǎo)致粘合劑網(wǎng)絡(luò)中的細(xì)小孔隙很容易擴(kuò)展，在AP晶粒周圍形成“脫濕”現(xiàn)象。脫濕后的AP粒子再也不能起到分擔(dān)負(fù)載的作用，粘合劑與AP界面的剝離可在較低的應(yīng)力下發(fā)生，因而固體推進(jìn)劑試樣的力學(xué)性能下降[1]。

3.2恢復(fù)試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)表3的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可得到該推進(jìn)劑試樣在NaCl、KCl、K2SO43種具有較高濕度氣氛中充分吸濕后(均存放7 d)，在LiBr過飽和溶液干燥器內(nèi)分別存放1、3、5、7 d等不同時(shí)間后，抗拉強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率、斷裂伸長(zhǎng)率恢復(fù)百分比隨恢復(fù)時(shí)間的變化曲線，分別見圖8～圖10。

結(jié)合表3和圖8～圖10發(fā)現(xiàn)：(1)在NaCl、KCl、K2SO43種具有較高濕度氣氛中充分吸濕后，再經(jīng)相對(duì)濕度為6.6%的干燥環(huán)境干燥恢復(fù)處理3 d后，伸長(zhǎng)率與斷裂伸長(zhǎng)率能得到完全恢復(fù)；在相對(duì)濕度低于84%的環(huán)境中充分吸濕后，只需干燥處理1 d，伸長(zhǎng)率與斷裂伸長(zhǎng)率能得到完全恢復(fù)。(2)在NaCl、KCl、K2SO43種具有較高濕度氣氛中充分吸濕后，再經(jīng)相對(duì)濕度為6.6%的干燥環(huán)境干燥恢復(fù)處理，即使處理7 d，抗拉強(qiáng)度也不能得到完全恢復(fù)，但在處理3 d后，抗拉強(qiáng)度能恢復(fù)到吸濕前的80%。這是由于吸濕后的丁羥推進(jìn)劑在相對(duì)濕度為6.6%的干燥環(huán)境經(jīng)過干燥處理時(shí)，推進(jìn)劑內(nèi)部水分向外擴(kuò)散，鍵合劑在AP表面的高模量層逐漸得到恢復(fù)，使得AP逐漸恢復(fù)對(duì)粘合劑體系的支撐作用，從而使推進(jìn)劑力學(xué)性能得到慢慢恢復(fù)，隨內(nèi)部水分的逐漸去除，導(dǎo)致在3 d后抗拉強(qiáng)度恢復(fù)速度開始變慢[1]。

圖8　σm隨干燥恢復(fù)時(shí)間的變化趨勢(shì)

圖9　εm隨恢復(fù)時(shí)間的變化趨勢(shì)

圖10　εb隨恢復(fù)時(shí)間的變化趨勢(shì)

由此可見，如果考慮推進(jìn)劑抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)指標(biāo)有30%的裕度，那么在相對(duì)濕度分別為75.5%、84.7%的環(huán)境中，充分吸濕后的推進(jìn)劑僅需干燥恢復(fù)處理1 d、在相對(duì)濕度為97.5%%的環(huán)境中，充分吸濕后的推進(jìn)劑需要干燥恢復(fù)處理3 d，推進(jìn)劑的單向拉伸力學(xué)性能就能滿足使用要求。

經(jīng)吸濕或干燥恢復(fù)后的丁羥推進(jìn)劑單向拉伸過程中，包括初始“脫濕”應(yīng)力、應(yīng)變及初始模量在內(nèi)的“脫濕”力學(xué)行為研究，有待進(jìn)一步深入開展。

4　結(jié)論

(1)在相對(duì)濕度低于58%的環(huán)境中，在7 d內(nèi)濕度導(dǎo)致丁羥推進(jìn)劑的單向拉伸力學(xué)性能的降幅均不超過30%。如果考慮丁羥推進(jìn)劑單向拉伸力學(xué)性能設(shè)計(jì)指標(biāo)有30%的裕度，在相對(duì)濕度分別為75.5%、84.7%、97.5%的環(huán)境中，暴露時(shí)間分別不應(yīng)超過5、1、0.5 d；否則，其力學(xué)性能將不能滿足使用要求。

(2)吸濕后的丁羥推進(jìn)劑經(jīng)相對(duì)濕度為6.6%的干燥環(huán)境干燥恢復(fù)處理3 d后，抗拉強(qiáng)度能恢復(fù)到吸濕前的80%，伸長(zhǎng)率、斷裂伸長(zhǎng)率能得到完全恢復(fù)。如果考慮推進(jìn)劑抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)指標(biāo)有30%的裕度，經(jīng)相對(duì)濕度為6.6%的干燥環(huán)境干燥恢復(fù)處理3 d后，推進(jìn)劑仍能滿足使用要求。

[1]王亞平,王北海.環(huán)境濕度及拉伸速度對(duì)丁羥推進(jìn)劑伸長(zhǎng)率的影響[J].含能材料,1998,6(2):30-36.

[2]唐承志,李忠友,王北海,等.提高IPDI丁羥推進(jìn)劑低溫力學(xué)性能研究[J].固體火箭技術(shù),2002,25(2):34-38.

[3]王玉峰,洪亮,李高春,等.固體推進(jìn)劑受潮對(duì)其力學(xué)性能的影響[J].海軍航空工程學(xué)院學(xué)報(bào),2008,23(5):524-526.

[4]張旭東,曲凱,王丕毅,等.高溫高濕條件下復(fù)合固體推進(jìn)劑藥柱老化研究[J].海軍航空工程學(xué)院學(xué)報(bào),2008,23(3):285-287.

[5]何耀東,劉建全.環(huán)境濕度對(duì)HTPB推進(jìn)劑力學(xué)性能的影響[J].固體火箭技術(shù),1996,19(3):47-52.

[6]王北海.丁羥推進(jìn)劑主曲線形狀的研究[J].固體火箭技術(shù),1997,20(3):36-42.

[7]Greenspan L.Uournal of research of the NBS[J].Physics and Chemistry,1977,81A(1).

(編輯：劉紅利)

Absorbing moisture and recovering characteristics of mechanical properties of HTPB propellant

HE Tie-shan1，2，LI Lei1，2，DU Fang1，2，WU Shi-xi1，2，HU Jian-jiang1，2

(1.State Key Laboratory for Energy and Safety of Solid Propellant，The 42nd Institute of the Fourth Academy of CASC，Xiangyang441003，China；2.The 42nd Institute of the Fourth Academy of CASC，Xiangyang441003，China)

The effect of the environmental humidity on the uniaxial tensile mechanical properties of HTPB propellant was studied by means of uniaxial tensile tests under different humidity circumstances(RH=6.6%～97.5%)The results show that the tensile strength was reduced slightly with the increasing relative humidity and the exposure time.Less than 30% decrease in tensile strength was measured within a test period of 7 d,when the environmental humidity was lower than 58%RH,while the elongation and the broken elongation were almost unaffected.Nevertheless,the mechanical properties deteriorated quickly,when the humidity was greater than 75.5%RH.The tensile strength was decreased by more than 30% when the propellant was exposed to the humidities of 75.5%RH,84.7%RH,97.5%RHfor 5 d,1 d,0.5 d,respectively.80% of the tensile strength and nearly 100% of the elongation and the broken elongation of the HTPB propellant could be recovered after dried for 3d in the environment with 6.6%RH.

HTPB propellant；mechanical property；uniaxial tensile；environmental humidity；over saturated solution

2014-12-27；

2015-01-26。

何鐵山(1968—)，男，碩士，高級(jí)工程師，主要從事固體推進(jìn)劑力學(xué)性能研究。E-mail：hetieshan42@163.com

V512

A

1006-2793(2016)02-0225-06

10.7673/j.issn.1006-2793.2016.02.013