2017年4月 固体火箭技术 第40卷 实验条件相比于准静态和高应变率较难实现,这方面2损伤机理 的研究相对较少,所以开展中应变率条件下的动态力 固体推进剂的损伤主要可分为颗粒断裂、基体损 学行为研究,有助于填补这方面的空白。 伤和界面损伤,3种损伤形态相互影响、相互耦合,形 毕竟实验次数有限,不可能通过广泛的实验来获成复杂的损伤现象2。在准静态条件下,不管是宏观 取所有的力学参数。HOSY在构建HPB/AP固力学层面,还是细观损伤数值模拟方面都进行了较深 体推进剂高应变率本构方程时,利用WLF方程,将E入的研究x,其首先表现为颗粒“脱湿”、基体撕裂 ar1替代ar,得到了与温度和应变率相关的模量主曲继而形成微孔洞、微裂纹,最终造成力学性能的下降 线,该曲线极大地拓宽了温度和应变率范围,可用于预而在动态加载情况下,表现出更为复杂损伤演化形态。 测低温状态下的固体推进剂药柱力学性能。王哲君 由于固体填充颗粒是脆性晶体,其断裂韧性为定 等和赖建伟都利用该方法分别来研究HTPB/AP值,而基体由于本身的超弹性或粘弹性,使其可承担更 固体推进剂高应变率条件下拉伸和压缩的力学行为,大的应力颗粒的“脱湿”程度主要由粒径、颗粒/基体 分别获取了压缩强度主曲线、拉伸强度主曲线、模量主界面断裂能和基体的杨氏模量所决定的。当温度降低 曲线,这些主曲线对于获取固体推进剂的宏观力学性或应变率升高时,推进剂颗粒/基体的断裂能和基体的 能参数有极大帮助。 杨氏模量变大。因此,低温或高应变率条件下,推进剂 玻璃化转变温度(T)是衡量聚合物性能的一个重内部的微裂纹更容易在断裂韧性固定的AP颗粒内部 要热物理参量。一般认为,玻璃化转变温度越低,固体产生,继而扩展成核,而此时“脱湿”现象不明显。Sou 推进剂的低温力学性能越好。通过动态热机械分析仪zaFV等在研究固体推进剂动态加载下损伤演化 (DMA),可测得推进剂的玻璃化转变及其转变温度,时,发现微裂纹是从AP颗粒内部开始成核、发展,并 用于分析推进剂动态和低温性能变化规律{2。高向粘合剂基体中传播,这与准静态条件下不同,准静态 艳宾等2利用DMA,测得了NEPE推进剂在不同温度条件下裂纹从基体或界面开始传播。文献[19]在研究 和频率激励作用下的动态力学性能,得到了推进剂的固体推进剂动态压缩力学性能时,发现固体推进剂颗 储能模量、损耗模量及损耗因子温度谐。基于时间-温粒/基体界面未出现明显的“脱湿”现象,损伤的形态 度等效原理,对NEPE推进剂动态粘弹性参数进行等主要表现为颗粒破裂、空隙率增加、穿晶断裂、颗粒形 效叠加,得到了移位因子随实验温度的变化曲线。hani状改变等。在低温和高应变率情况下,这两者的“耦 BK等21利用DMA,对6种配方的HPB固体推进剂合”作用,加剧了推进剂内部损伤的发生,使得推进剂 的动态力学参数进行了分析。结果表明,随着实验频具有更加复杂的应力应变曲线特性 率增加,其玻璃态转变温度逐渐升高。一般情况下,在 随着冲击强度的增加,AP颗粒的破裂程度越来越 进行高应变率实验时,DMA实验往往配合SHPB实验严重,一般认为破裂的顺序是先大颗粒后小颗粒 同步展开,这样能较全面地表征固体推进剂力学性能。同时基体由于受到冲击也出现解体现象。由于加载后 因为借助DMA实验可预测高应变率条件下非晶态聚大小颗粒都发生不同程度的断裂和破碎,以及基体发 合物玻璃态转变温度,这对固体火箭发动机在低温地生解体,材料比表面积显著增加,这将影响推进剂的感 区点火建压过程中,确认推进剂是否处于玻璃态具有度、燃烧和力学性能。 重要意义65。 固体推进剂的损伤既可以用宏观的相关参数如强 目前,固体推进剂动态力学行为实验,研究的重点度、初始模量、孔隙率来表征;也可借助微观CT、X射 可归纳为2个方面:一是固体推进剂内部组分因素对线衍射仪、扫描电镜等技术,从细观角度来表征损伤。 固体推进剂动态力学特性的影响,如颗粒粒径、化学助 Rachael L Boddy等研究推进剂HPB/RDX的动态 剂、颗粒质量分数等;二是外部实验条件对动态力学特损伤情况,发现应变率效应对固体推进剂的损伤具有 性的影响,如应变率、实验温度等。不管是在何种实验重要影响。在高应变率条件下,含大粒径固体推进剂 条件下,目的是通过实验获取固体推进剂的初始模量、相比于含小粒度的推进剂更易损伤。同时,随着应变 屈服应力、强度等宏观关键性力学参数,并通过这些参率增加,其损伤激活能减小,推进剂呈颗粒破碎、基体 数来表征固体推进剂的动态力学性能。现在针对固体撕裂、“脱湿”等现象。 Drodge d r等叫用4个物理量 发动机服役环境下的研究较少特别是热老化、湿热老(强度、初始模量、孔隙率、导热率)来表征含3种不同 化状态下固体推进剂动态力学方面的研究较为匮乏,粒径固体推进剂在高应变条件下的的损伤情况。研究 为更全面地表征固体推进剂动态力学性能,同样也应发现,含较大粒径推进剂在动态冲击后孔隙率增明显 开展围压状态下、多轴状态等方面的动态研究 加,导热率明显降低,强度也明显降低。文献[33-34实验条件相比于准静态和高应变率较难实现，这方面 的研究相对较少，所以开展中应变率条件下的动态力 学行为研究，有助于填补这方面的空白［１５－１６］ 。 毕竟实验次数有限，不可能通过广泛的实验来获 取所有的力学参数。 ＨＯ Ｓ Ｙ ［１７］ 在构建 ＨＴＰＢ ／ ＡＰ 固 体推进剂高应变率本构方程时，利用 Ｗ Ｌ Ｆ 方程，将 ε · ·αＴ 替代 αＴ ，得到了与温度和应变率相关的模量主曲 线，该曲线极大地拓宽了温度和应变率范围，可用于预 测低温状态下的固体推进剂药柱力学性能。 王哲君 等［１８］和赖建伟［１９］都利用该方法分别来研究 ＨＴＰＢ ／ ＡＰ 固体推进剂高应变率条件下拉伸和压缩的力学行为， 分别获取了压缩强度主曲线、拉伸强度主曲线、模量主 曲线，这些主曲线对于获取固体推进剂的宏观力学性 能参数有极大帮助。 玻璃化转变温度（Ｔｇ）是衡量聚合物性能的一个重 要热物理参量。 一般认为，玻璃化转变温度越低，固体 推进剂的低温力学性能越好。 通过动态热机械分析仪 （ＤＭＡ），可测得推进剂的玻璃化转变及其转变温度， 用于分析推进剂动态和低温性能变化规律［２０－２２］ 。 高 艳宾等［２３］利用 ＤＭＡ，测得了 ＮＥＰＥ 推进剂在不同温度 和频率激励作用下的动态力学性能，得到了推进剂的 储能模量、损耗模量及损耗因子温度谱。 基于时间⁃温 度等效原理，对 ＮＥＰＥ 推进剂动态粘弹性参数进行等 效叠加，得到了移位因子随实验温度的变化曲线。 ｈａｒｉ Ｂ Ｋ 等［２４］利用 ＤＭＡ，对 ６ 种配方的 ＨＴＰＢ 固体推进剂 的动态力学参数进行了分析。 结果表明，随着实验频 率增加，其玻璃态转变温度逐渐升高。 一般情况下，在 进行高应变率实验时，ＤＭＡ 实验往往配合 ＳＨＰＢ 实验 同步展开，这样能较全面地表征固体推进剂力学性能。 因为借助 ＤＭＡ 实验可预测高应变率条件下非晶态聚 合物玻璃态转变温度，这对固体火箭发动机在低温地 区点火建压过程中，确认推进剂是否处于玻璃态具有 重要意义［６，２５］ 。 目前，固体推进剂动态力学行为实验，研究的重点 可归纳为 ２ 个方面：一是固体推进剂内部组分因素对 固体推进剂动态力学特性的影响，如颗粒粒径、化学助 剂、颗粒质量分数等；二是外部实验条件对动态力学特 性的影响，如应变率、实验温度等。 不管是在何种实验 条件下，目的是通过实验获取固体推进剂的初始模量、 屈服应力、强度等宏观关键性力学参数，并通过这些参 数来表征固体推进剂的动态力学性能。 现在针对固体 发动机服役环境下的研究较少，特别是热老化、湿热老 化状态下固体推进剂动态力学方面的研究较为匮乏， 为更全面地表征固体推进剂动态力学性能，同样也应 开展围压状态下、多轴状态等方面的动态研究。 ２ 损伤机理 固体推进剂的损伤主要可分为颗粒断裂、基体损 伤和界面损伤，３ 种损伤形态相互影响、相互耦合，形 成复杂的损伤现象［２］ 。 在准静态条件下，不管是宏观 力学层面，还是细观损伤数值模拟方面，都进行了较深 入的研究［２６－３０］ ，其首先表现为颗粒“脱湿”、基体撕裂， 继而形成微孔洞、微裂纹，最终造成力学性能的下降。 而在动态加载情况下，表现出更为复杂损伤演化形态。 由于固体填充颗粒是脆性晶体，其断裂韧性为定 值，而基体由于本身的超弹性或粘弹性，使其可承担更 大的应力，颗粒的“脱湿”程度主要由粒径、颗粒／ 基体 界面断裂能和基体的杨氏模量所决定的。 当温度降低 或应变率升高时，推进剂颗粒／ 基体的断裂能和基体的 杨氏模量变大。 因此，低温或高应变率条件下，推进剂 内部的微裂纹更容易在断裂韧性固定的 ＡＰ 颗粒内部 产生，继而扩展成核，而此时“脱湿”现象不明显。 Ｓｏｕ⁃ ｚａ Ｆ Ｖ 等［３１］在研究固体推进剂动态加载下损伤演化 时，发现微裂纹是从 ＡＰ 颗粒内部开始成核、发展，并 向粘合剂基体中传播，这与准静态条件下不同，准静态 条件下裂纹从基体或界面开始传播。 文献［１９］在研究 固体推进剂动态压缩力学性能时，发现固体推进剂颗 粒／ 基体界面未出现明显的“脱湿” 现象，损伤的形态 主要表现为颗粒破裂、空隙率增加、穿晶断裂、颗粒形 状改变等。 在低温和高应变率情况下，这两者的“耦 合”作用，加剧了推进剂内部损伤的发生，使得推进剂 具有更加复杂的应力应变曲线特性。 随着冲击强度的增加，ＡＰ 颗粒的破裂程度越来越 严重，一般认为破裂的顺序是先大颗粒后小颗粒［３２］ ， 同时基体由于受到冲击也出现解体现象。 由于加载后 大小颗粒都发生不同程度的断裂和破碎，以及基体发 生解体，材料比表面积显著增加，这将影响推进剂的感 度、燃烧和力学性能。 固体推进剂的损伤既可以用宏观的相关参数如强 度、初始模量、孔隙率来表征；也可借助微观 ＣＴ、Ｘ 射 线衍射仪、扫描电镜等技术，从细观角度来表征损伤。 Ｒａｃｈａｅｌ Ｌ Ｂｏｄｄｙ 等［３３］ 研究推进剂 ＨＴＰＢ ／ ＲＤＸ 的动态 损伤情况，发现应变率效应对固体推进剂的损伤具有 重要影响。 在高应变率条件下，含大粒径固体推进剂 相比于含小粒度的推进剂更易损伤。 同时，随着应变 率增加，其损伤激活能减小，推进剂呈颗粒破碎、基体 撕裂、“脱湿”等现象。 Ｄｒｏｄｇｅ Ｄ Ｒ 等［３４］用 ４ 个物理量 （强度、初始模量、孔隙率、导热率）来表征含 ３ 种不同 粒径固体推进剂在高应变条件下的的损伤情况。 研究 发现，含较大粒径推进剂在动态冲击后孔隙率增明显 加，导热率明显降低，强度也明显降低。 文献［３３－３４］ — １７８ — ２０１７ 年 ４ 月 固体火箭技术 第 ４０ 卷