HTPB推进剂温度冲击环境下损伤特性的声发射试验

刘承武,阳建红,邓 凯,陈 飞,张 晖

(第二炮兵工程学院,西安 710025)

温度[1]和湿度[2-3]是影响推进剂力学性能十分重要的两大因素。固体发动机在贮存过程中,由于采用了诸如密封充氮等保护措施,光、辐射、湿度的影响可以避免。而在寿命期内,尤其是在待机、运输和发射阶段,要经受更为剧烈的环境温度变化带来的热载荷作用。当环境温度高时,高温层上产生热膨胀,这种热膨胀受到相邻层的限制,于是形成压应力;当环境温度低时,形成收缩拉应力。随着温度的交替变化,药柱各层之间作用着交变载荷,导致累积了疲劳损伤,从而缩短药柱的寿命。因此,研究固体推进剂温度冲击环境条件下的损伤特性十分必要。

目前主要采用的是宏观唯象方法来进行这方面的研究。Svob等[4]进行了CTPB推进剂模拟发动机的温度冲击试验,得出温度冲击引起应变疲劳和高温老化的综合影响,性能下降十分迅速。Ide等[5]进行了AP/HTPB推进剂的加速老化、热循环和热冲击三种不同试验,研究了不同热损伤条件下推进剂的断裂行为,结果表明,推进剂力学性能的劣化程度与热载荷的形式相关。

HTPB推进剂经过温度冲击作用后,在外载荷下,材料内部产生细观损伤(如基体开裂、脱湿等),并逐渐发展为宏观断裂,整个过程中有强烈的能量释放出来,并会产生声发射信号[6-7]。笔者对经过温度冲击后的HTPB推进剂试件进行单轴拉伸AE试验,研究了温度冲击对HTPB推进剂损伤的影响。

1 试验

2.1 温度冲击试验

试验参考QJ 2328A—2005《复合固体推进剂高温加速老化实验方法》和GJB 150.5—1986《军用设备环境实验方法 温度冲击实验》标准进行。试验使用SDJ705型高低温湿热交变实验箱和LR016热老化实验箱。按照以下步骤,分别进行了5,10,15,20,25及35个周期的温度冲击试验,每个周期3根试件。试验步骤如下：

(1)预处理 将试件贮存于20～25℃干燥环境下,直至达到温度稳定。

(2)试验 将试件放入实验箱,试件之间,以及试件与实验箱壁、箱底及箱顶之间应当有适当间隔,以使空气能自由循环,保证环境因素准确、均匀地作用在试件上。将高温实验箱温度升到55℃,保持1 h;高温阶段结束,在5 min内将试件转换到已调节到-51℃的低温实验箱内,保持1 h,低温阶段结束,一个循环周期结束;然后在5 min内将试件转换到已调节到55℃的高温实验箱内,保持1 h。重复以上步骤,以完成循环周期。

(3)恢复和检测 温度冲击完成规定的周期后从实验箱内取出试件,室温放置至试件达到温度稳定。环境温度为20±2℃,相对湿度＜70%RH。

1.2 AE试验

根据航天部QJ 924—1985《复合固体推进剂单向拉伸实验方法》标准,将经过温度冲击试验后的推进剂试件连接在深圳新三思CMT2103型电子拉力机上进行单轴拉伸声发射试验,拉伸速度为100 mm/min。试验所用的AE系统为美国PAC公司产的SAMOSTM32型32通道声发射仪,总增益100 dB,门槛电压30 dB,带通为1～200 k Hz。进行声发射试验时,用两个声发射传感器对称地装在试件两侧以保证拉伸时受力均匀,并用橡皮带将两个探头固定好,探头和试件之间用凡士林作耦合剂,图1为AE试验装置图。

2 试验结果与讨论

2.1 宏观力学性能变化分析

将经常用以判定推进剂力学性能优劣及判定力学性能变化的最大抗拉强度σm和最大延伸率εm进行归一化处理。图2是归一化的σm和εm与温度冲击周期T的关系曲线。可见,温度冲击环境下σm,εm随冲击周期的增加而呈下降趋势,且前期下降迅速,大约15个周期后强度下降开始变缓,表明温度冲击使推进剂力学性能劣化,引起其内部损伤。

2.2 细观损伤特性分析

图3所示为AE特征参数,其中最重要的定量参数是AE事件幅度、能量和持续时间。其中,AE能量分布综合考虑了持续时间和幅度的影响,最适于反映材料的内部损伤状态。AE能量反映了对应时刻损伤的强度,AE累积能量反映了材料内部出现损伤的累积程度。因此通过分析不同温度冲击周期下推进剂AE能量和AE累积能量的变化,可以揭示温度冲击环境对推进剂的损伤规律。

图3 声发射参数性质

图4(a)～(g)分别表示温度冲击0,5,10,15,20,25和35个周期后单轴拉伸应力、AE能量、AE累积能量随应变变化关系曲线。图4(h)为不同温度冲击周期后AE累积能量随应变变化关系曲线。在单轴拉伸声发射试验过程中发现,推进剂试件断口位置一般出现在试件中段附近,易出现与AE传感器位置重合情况。在出现断口与AE传感器位置重合时,宏观裂纹的出现会引起传感器的失稳甚至脱落,此时的AE信号干扰较大,并非全部来自材料内部,因此各图中宏观裂纹出现时的AE信号值没有全部示出。虽然在宏观断裂破坏时,对应着极大的AE能量,但是通过对比研究各温度冲击周期下宏观断裂前的AE能量和累积能量值,已足以反映温度冲击给推进剂造成的损伤。

分析图4可以了解推进剂内部损伤演变及破坏各阶段的特征情况。可以看出,AE能量表现出明显的阶段性。A点前的AE能量为0或很少,表明原有的初始损伤(微裂纹、微空洞等)没有扩展,也没有新的损伤产生。A点后AE能量急速增加,表明A点为损伤起始点,AB段为损伤的成核和扩展阶段。B点释放出的AE能量极大,比前面各点释放出来的能量大一个甚至是几个数量级,可以判定C点为宏观裂纹形成时刻。因此,可以认为,温度冲击后的HTPB推进剂同样存在着损伤成核、扩展和汇合断裂三个失效阶段。

对比图4可以看出,温度冲击会引起HTPB推进剂力学性能的变化。冲击时间越长,相应阶段释放出来的AE能量越低;C点出现的时间随周期数的增多基本是向前提的,在15周期后基本稳定。

从图5可看出AE累积能量随温度冲击时间的增加而不断下降。该结果说明,温度冲击会引起HTPB推进剂内部出现一定损伤,且损伤程度与温度冲击时间呈正相关性,所以经过温度冲击后的HTPB推进剂的单轴拉伸AE信号强度明显减弱。

为了更清楚地对比,将图5中应变为2%～4%的范围进行局部放大,从局部图和整体图可以看出,随着温度冲击时间的增长,损伤门槛值A点出现的时间提前,由此可以推断出温度冲击后的HTPB推进剂外载作用下更容易发生初始损伤。

2.3 温度冲击损伤机理分析

HTPB推进剂是一种高填充比颗粒复合材料,主要由粘合剂基体、固体填料和界面相组成[8]。由于各组分相热膨胀系数的不同,开始阶段,推进剂在升温过程中温度荷载作用下基体、界面易产生微裂纹;而降温过程中,热膨胀系数的不同不仅引起原有的微裂纹扩展,同时也会产生新的微裂纹。随着温度冲击周期的不断增加,微裂纹逐渐增多,原有微裂纹扩展量也增大,损伤程度也进一步加重,呈现损伤程度与温度冲击时间呈正相关性。

在有初始裂纹、空洞及脱湿的地方容易产生应力集中,当再次受到温度冲击时,这些地方会首先发生破坏,因此出现损伤门槛值提前出现的现象。

3 结论

(1)温度冲击环境下,HTPB推进剂的力学性能下降,出现一定程度的初始损伤,其单轴拉伸过程中存在损伤成核、扩展和汇合断裂三个失效阶段。

(2)温度冲击环境下,HTPB推进剂前期损伤较快,后期趋缓,但基本呈现损伤程度与温度冲击时间呈正相关趋势。

(3)温度冲击环境下,HTPB推进剂更容易损伤或破坏,损伤门槛值降低。

(4)提高推进剂耐应力(应变)及环境联合作用的能力,对提高固体发动机的可靠性和延长推进剂寿命有重要作用。

[1]Kivity M,Hartman G,Achlama A M.Aging of HTPB Propellant[C].41st AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference&Exhibit,Tucson,Arizona,2005：72.

[2]Muhammad Mazhar Iqbal,Wang Liang.Modeling the moisture effects of solid ingredients on composite propellant properties[J].Aerospace Science and Technology,2006,10(8)：695-699.

[3]何耀东,刘建全.环境湿度对HTPB推进剂力学性能的影响[J].固体火箭技术,1996,19(3)：47-52.

[4]Svob G J,Bills K W.A predictive surveillance technique for air-launched motors[C].AIAA/SAE/ASME 18th Joint Propulsion Conference,AIAA 82-1097.

[5]Ide K M,Ho S Y,Williams D R G.Fracture behavior of accelerated aged solid rocket propellants[J].Journal of Materials Science,1999,34(17)：4209-4218.

[6]阳建红,李学东,赵光辉,等.HTPB推进剂的声发射特性及损伤模型的实验和理论研究[J].固体火箭技术,2000,23(3)：37-40.

[7]Liu C T.Cumulative damage and crack growth in solid propellant[J].AD-323684,1996.

[8]田德余,洪伟良,刘剑洪,等.丁羟固体推进剂力学性能模拟计算[J].推进技术,2008,29(1)：114-118.