2017年4月 陈向东,等:固体推进剂动态力学行为研究进展 第2期 本节重点对SHPB、电液伺服和DMA实验进行综述。理,得到改性双基推进剂高应变率条件下的应力应变 固体推进剂属于低密度、低阻抗、低强度的粘弹性曲线。常新龙等[12基于SHPB技术,研究了HPB推 软材料,这就决定了它的宏观力学性能与温度和应变进剂在不同温度(-40~25℃)和应变率(700~2050 率密切相关2-。又因为固体推进剂由粘合剂基体、s)条件下的力学响应曲线。 固体颗粒填料和还有少量化学助剂组成,其宏观力学 性能又与固体填料的体积分数、填料粒径大小和分布、 弹性段 应力恒定段 卸载段 界面作用、基体性质等因素密切相关 Field J E等利用SHPB技术,研究了3、8、30、 200~300μm4种粒径的高氯酸铵(AP)颗粒对端羟基 聚丁二烯(HTPB)推进剂动态力学性能的影响。研究 发现,在常温情况下,应变率相关性不是特别显著,而 在低温情况下,应变率相关性较为显著。含小粒径推 弹性 屈服发生段 卸载段 进剂应力应变曲线存在一个明显的应力“平台区”,而 含大粒径推进剂应力应变曲线未呈现此现象。 Saviour c r、 George P Sunny等利用SHPB实 (a)含小粒径推进剂应力应变曲线 验系统,研究了宽应变率范围和低温条件下HPB模 弹性段 缓慢下降段 拟推进剂的动态力学性能,重点关注了低温和高应变 屈服发生段 卸载段 率下的初始模量、应力强度、应力应变曲线变化趋势等 方面问题,并对临界应变率进行了探讨, 2006年,Cady等较全面地研究了高应变率条件 下HTPB粘合剂基体的力学性能。作者对试件尺寸 应力平衡、初始弹性模量、应力屈服、玻璃态转化等都 有较详细地描述。2016年, Jennifer L Jordan等研究 性 届服发生段 卸载段 了HTPB粘合剂基体在包含不同塑化剂含量的动态力 学特性。研究发现,随着塑化剂含量的升高,HTPB粘 b)含大粒径推进剂应力应变曲线 合剂基体强度降低,玻璃态转化温度也随之降低。 图1高应变率条件下固体推进剂应力应变示意图 图1(a)、(b)是典型的固体推进剂在高应变率条 Fig 1 Schematic diagram of stress-strain curves 件下应力应变曲线+。 for solid propellant at high strain rate 图1(a)应力应变曲线主要发生在含小粒径的固 体推进剂上,曲线主要分为线弹性段、应力恒定段、失 相比于动态压缩来说,动态拉伸实验较难进行 效段3段。这是因为填料颗粒粒径越小,越不易“脱在金属高应变率拉伸实验中,一般采用螺纹连接。但 湿”,颗粒总的活性表面增大和“附加交联点”数量增由于固体推进剂的材料特性,试件难以加工成型,试件 多,对于抵抗外力的整体作用增强,从宏观上就表现出的夹具与实验设备之间难以衔接,且在实验过程中很 了应力平台现象。图1(b)应力应变曲线主要发生在容易造成试件根部断裂。由于电动液压伺服技术的快 含大粒径的固体推进剂上,其曲线呈现出上升段缓慢速发展,王哲君、 Yang long利用该技术进行HTPB固 上升段缓慢下降段卸载段的变化规律。含大粒径的体推进剂中应变率条件下的拉伸和压缩行为研究。王 推进剂在受压过程中,大颗粒易于“脱湿”,相对比表哲君等采用了长板条试件,在液压伺服试验机上进 面积较小,颗粒总的活性表面减小和“附加交联点”数行中应变率条件下的双轴拉伸实验。结果表明,双轴 量变少,抵御外力的能力变弱,微裂纹、空穴等现象也拉伸存在明显区别于单轴拉伸的应力应变曲线,应力 易于发生,随着缺陷的加剧,损伤明显增加,最终推进应变曲线存在着一个明显的应力缓慢上升区,达到峰 剂无法承受载荷,内部发生破坏,发生失效。 值后,应力迅速降低。 Yang lon等采用小圆柱体 相比于国外来说,国内在固体推进剂高应变率实试件,进行了中应变率条件下的压缩力学行为研究,对 验方面起步较晚,但通过近些年的努力,取得了很大进压缩过程中的应变率恒定问题进行了较详细地描述 步。田博、孙朝翔等利用SHPB技术对改性双基采用初始弹性模量来表征推进剂的性能变化,发现初 推进剂进行动态压缩试验,对获得的实验数据进行处始弹性模量随着应变率的增加而增加。因为中应变率 177本节重点对 ＳＨＰＢ、电液伺服和 ＤＭＡ 实验进行综述。 固体推进剂属于低密度、低阻抗、低强度的粘弹性 软材料，这就决定了它的宏观力学性能与温度和应变 率密切相关［２－３］ 。 又因为固体推进剂由粘合剂基体、 固体颗粒填料和还有少量化学助剂组成，其宏观力学 性能又与固体填料的体积分数、填料粒径大小和分布、 界面作用、基体性质等因素密切相关［４］ 。 Ｆｉｅｌｄ Ｊ Ｅ 等［５］ 利用 ＳＨＰＢ 技术，研究了 ３、８、３０、 ２００～３００ μｍ ４ 种粒径的高氯酸铵（ＡＰ）颗粒对端羟基 聚丁二烯（ＨＴＰＢ）推进剂动态力学性能的影响。 研究 发现，在常温情况下，应变率相关性不是特别显著，而 在低温情况下，应变率相关性较为显著。 含小粒径推 进剂应力应变曲线存在一个明显的应力“平台区”，而 含大粒径推进剂应力应变曲线未呈现此现象。 Ｓｉｖｉｏｕｒ Ｃ Ｒ、Ｇｅｏｒｇｅ Ｐ Ｓｕｎｎｙ 等［６－７］ 利用 ＳＨＰＢ 实 验系统，研究了宽应变率范围和低温条件下 ＨＴＰＢ 模 拟推进剂的动态力学性能，重点关注了低温和高应变 率下的初始模量、应力强度、应力应变曲线变化趋势等 方面问题，并对临界应变率进行了探讨。 ２００６ 年，Ｃａｄｙ 等［８］较全面地研究了高应变率条件 下 ＨＴＰＢ 粘合剂基体的力学性能。 作者对试件尺寸、 应力平衡、初始弹性模量、应力屈服、玻璃态转化等都 有较详细地描述。 ２０１６ 年，Ｊｅｎｎｉｆｅｒ Ｌ Ｊｏｒｄａｎ 等［９］ 研究 了 ＨＴＰＢ 粘合剂基体在包含不同塑化剂含量的动态力 学特性。 研究发现，随着塑化剂含量的升高，ＨＴＰＢ 粘 合剂基体强度降低，玻璃态转化温度也随之降低。 图 １（ａ）、（ｂ）是典型的固体推进剂在高应变率条 件下应力应变曲线［４－５］ 。 图 １（ａ）应力应变曲线主要发生在含小粒径的固 体推进剂上，曲线主要分为线弹性段、应力恒定段、失 效段 ３ 段。 这是因为填料颗粒粒径越小，越不易“脱 湿”，颗粒总的活性表面增大和“附加交联点” 数量增 多，对于抵抗外力的整体作用增强，从宏观上就表现出 了应力平台现象。 图 １（ ｂ）应力应变曲线主要发生在 含大粒径的固体推进剂上，其曲线呈现出上升段⁃缓慢 上升段⁃缓慢下降段⁃卸载段的变化规律。 含大粒径的 推进剂在受压过程中，大颗粒易于“脱湿”，相对比表 面积较小，颗粒总的活性表面减小和“附加交联点”数 量变少，抵御外力的能力变弱，微裂纹、空穴等现象也 易于发生，随着缺陷的加剧，损伤明显增加，最终推进 剂无法承受载荷，内部发生破坏，发生失效。 相比于国外来说，国内在固体推进剂高应变率实 验方面起步较晚，但通过近些年的努力，取得了很大进 步。 田博、孙朝翔等［１０－１１］ 利用 ＳＨＰＢ 技术对改性双基 推进剂进行动态压缩试验，对获得的实验数据进行处 理，得到改性双基推进剂高应变率条件下的应力应变 曲线。 常新龙等［１２］ 基于 ＳＨＰＢ 技术，研究了 ＨＴＰＢ 推 进剂在不同温度（ －４０ ～ ２５ ℃ ） 和应变率（７００ ～ ２ ０５０ ｓ －１ ）条件下的力学响应曲线。 !" ! # $%& '()*& !#-.& +,& $%& +,& （ａ）含小粒径推进剂应力⁃应变曲线 !# ! " $%& '()*& +,& -./0& '()*& $%& +,& （ｂ）含大粒径推进剂应力⁃应变曲线 图 １ 高应变率条件下固体推进剂应力⁃应变示意图 Ｆｉｇ．１ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｓｔｒｅｓｓ⁃ｓｔｒａｉｎ ｃｕｒｖｅｓ ｆｏｒ ｓｏｌｉｄ ｐｒｏｐｅｌｌａｎｔ ａｔ ｈｉｇｈ ｓｔｒａｉｎ ｒａｔｅ 相比于动态压缩来说，动态拉伸实验较难进行。 在金属高应变率拉伸实验中，一般采用螺纹连接。 但 由于固体推进剂的材料特性，试件难以加工成型，试件 的夹具与实验设备之间难以衔接，且在实验过程中很 容易造成试件根部断裂。 由于电动液压伺服技术的快 速发展，王哲君、Ｙａｎｇ Ｌｏｎｇ 利用该技术进行 ＨＴＰＢ 固 体推进剂中应变率条件下的拉伸和压缩行为研究。 王 哲君等［１３］采用了长板条试件，在液压伺服试验机上进 行中应变率条件下的双轴拉伸实验。 结果表明，双轴 拉伸存在明显区别于单轴拉伸的应力应变曲线，应力 应变曲线存在着一个明显的应力缓慢上升区，达到峰 值后，应力迅速降低。 Ｙａｎｇ Ｌｏｎｇ 等［１４］ 采用小圆柱体 试件，进行了中应变率条件下的压缩力学行为研究，对 压缩过程中的应变率恒定问题进行了较详细地描述， 采用初始弹性模量来表征推进剂的性能变化，发现初 始弹性模量随着应变率的增加而增加。 因为中应变率 — １７７ — ２０１７ 年 ４ 月 陈向东，等：固体推进剂动态力学行为研究进展 第 ２ 期