低温和应变率对HTPB推进剂压缩力学性能影响①

赖建伟，常新龙，龙 兵，张有宏，方鹏亚

(第二炮兵工程大学，西安 710025)

0 引言

HTPB复合固体推进剂是一种强烈依赖温度和时间的粘弹性材料，外界温度和加载应变率对其力学性能有强烈的影响［1］。目前，国内外针对HTPB推进剂的准静态拉伸力学性能，已经开展了大量的研究工作，但是有关低温对HTPB推进剂的准静态压缩力学性能的研究鲜有报道［2－5］。而固体火箭发动机在贮存和使用过程中，除了会遭受拉伸载荷还受到低温和压缩载荷的影响。因此，研究低温和应变率对推进剂压缩力学性能的影响具有重要的工程意义。

本文针对HTPB推进剂开展了不同低温和应变率条件下单轴压缩试验，分析了低温和应变率对推进剂压缩力学性能的影响，可为HTPB推进剂低温压缩失效机理和规律研究提供参考。

1 实验

1.1 试样准备

HTPB复合固体推进剂，其固体填充颗粒(AP/Al)质量分数为84%，其他组分质量分数为16%。

将推进剂制作成φ20 mm×20 mm圆柱型试样，用于单轴压缩试验。试验温度分别为25、－10、－20、－30、－40 ℃，压缩速率分别为 4、10、40、100 mm/min(应变率分别为 1/300、1/120、1/30、1/12 s－1)。

1.2 实验方法

将试样放入设定温度的低温箱中保温1 h后，进行不同应变率条件下的单轴压缩力学性能试验，每个试验条件下进行3组重复试验。单轴压缩试验在带保温箱的新三思公司CMT5205型电子万能试验机上进行，保温箱采用干冰冷却。

2 实验结果与分析

2.1 推进剂单轴压缩应力-应变曲线分析

根据试验结果得到不同温度和应变率条件下的推进剂压缩应力-应变曲线，25℃和－40℃时推进剂的压缩应力-应变曲线如图1所示。

图1 25℃和－40℃时压缩应力-应变曲线Fig.1 Curves of stress with strain for HTPB propellant at various temperatures

由图1可知，25℃条件下推进剂应力随着应变不断增加，前期(应变低于50%)应力增加较慢表现出线弹性特征，后期(应变高于50%)应力增加较快具有显著的非线性。非线性现象主要由两方面因素引起，一方面试样在压缩过程中发生大变形;另一方面随着压缩过程的进行，试样内部和表面裂纹不断扩展导致非线性产生。此外，由图1(b)可知，－40℃条件下推进剂应力的增加相对25℃时较快，且应变率越高推进剂应力的增加越快，说明温度越低，应变率对推进剂力学的影响越明显。这是由于温度降低后，推进剂粘合剂基体变硬导致模量增加，特别是在高应变率(100 mm/min)条件下，推进剂的率温等效特性使这种情况更加明显。

2.2 低温和应变率对压缩力学性能影响分析

由图1可知，推进剂单轴压缩应力-应变曲线没有明显的转折特征点，不容易确定压缩力学性能参量，为此，考虑推进剂压缩时的大变形情况，采用式(1)对应力进行处理，得到准静态压缩条件下推进剂典型真应力-应变曲线如图2所示。

式中 σ为真应力;F为加载力;A为试件的原始横截面积;ε为应变。

图2 25℃时推进剂真应力-应变曲线Fig.2 Curves of true stress with strain for HTPB propellant at 25℃

由图2可知，通过转折点A和B可将推进剂压缩真应力-应变曲线划分为3个阶段，阶段Ⅰ是推进剂的弹性压缩阶段，这一阶段主要是推进剂内部微裂纹逐渐聚集的过程;阶段Ⅱ是推进剂的塑性变形后的应力硬化阶段，此时推进剂已经产生宏观裂纹并且不断扩展;阶段Ⅲ是推进剂变形失稳直至破坏阶段。相对于图1的工程应力-应变曲线而言，图2中转折点A和B具有更加明显的数学和物理含义。因此，按照图中所示来定义推进剂压缩参量更加合理。

结合实验数据，按照图2中推进剂压缩参量的定义方法，以25℃(Ts)为参考温度，得到不同温度和应变率条件下HTPB推进剂的压缩模量和压缩强度曲线图，如图3所示。由于试验得到的压缩应变的数据规律性不明显，因此这里仅对压缩模量和压缩强度进行讨论。

由图3可知，压缩模量和压缩强度随应变率的增加和温度的降低而逐渐增加，这说明降低温度和增大应变率对推进剂压缩力学性能的影响是等效的。不同温度下压缩强度和压缩模量随应变率变化曲线呈现出平行趋势，利用时温等效方程，将曲线进行平移可得到压缩强度和压缩模量主曲线［6］。

根据图3中压缩强度和压缩模量与温度和应变率的关系，采用线性函数对其进行拟合，拟合结果如表1所示。

图3 压缩强度和压缩模量随应变率变化曲线Fig.3 Curves of compression stress and modulus with strain rate

表1 不同温度下压缩强度和压缩模量与应变率关系Table 1 Relationships of compression stress and modulus with strain rate

从表1可知，推进剂压缩强度和压缩模量与应变率具有较好的线性对数关系(lg［σ·k(T)］=a+blg和lg［E·f(T)］=c+dlg)，利用表中的关系式，可预测不同温度和应变率条件下推进剂的压缩强度和压缩模量。

2.3 低温和应变率双因素方差分析

为定量分析温度和应变率对HTPB推进剂压缩力学性能的影响情况，利用双因素方差分析方法，选取5个温度和4组应变率条件下推进剂的压缩强度、压缩模量和压缩应变进行分析处理。取显著性水平为0.05，得到方差分析结果的F值如表2所示，其中Fcrit为F统计量的临界值。

表2 压缩力学性能的方差分析F值Table 2 F values of variance analysis

从表2可看出，温度和应变率对推进剂压缩力学性能的F值都明显大于Fcrit(3.259，3.490)值，这说明温度和应变率对推进剂的压缩强度、压缩模量和压缩应变具有显著影响。其中，与压缩模量对应的温度F(37.920)值要大于应变率的 F(18.904)值，而与压缩强度和压缩应变对应的应变率F(27.945，21.832)值要大于温度的 F(10.668，13.042)值，这反映出温度对推进剂的压缩模量的影响比应变率的影响更显著，而应变率对压缩强度和应变的影响比温度的影响更显著。这是由于低温使推进剂的粘合剂基体发生硬化，导致推进剂模量的急剧增加，而对强度和应变的影响相对较小［1］。应变率对推进剂的影响除了具有一定率温效应之外，主要表现在对推进剂的不同破坏机理上。在低应变率压缩条件下，推进剂内部微裂纹会发生聚集、传播和扩展，导致推进剂发生破坏，其力学性能显著下降，从而极大的影响强度和应变。在高应变率压缩条件下，由于应变率的增加，微裂纹没有足够的时间聚集、传播和扩展，而且也没有足够的时间进行松弛。因此，压缩强度和应变相对于模量更容易受应变率的影响。

3 结论

(1)推进剂压缩力学性能具有显著的温度和应变率效应，随着温度的降低或应变率的增加，推进剂压缩强度、模量显著增加。

(2)采用真应力-应变表示的推进剂压缩力学性能能够较好的描述推进剂低温压缩特性，并利用转折点将压缩真应力-应变曲线划分为弹性段、应力硬化段和破坏段3个阶段。

(3)不同温度下压缩强度和压缩模量与应变率之间存在线性对数关系(lg［σ·k(T)］=a+blg和lg［E·f(T)］=c+dlg)，利用该关系式可对较宽温度和应变率范围下推进剂压缩力学性能进行预测。

(4)分析表明，低温对推进剂压缩模量影响较大，而应变率对压缩强度、应变影响较大，这主要是由于低温使推进剂的粘合剂基体发生硬化导致模量增加，而应变率的变化使推进剂的破坏机理发生变化，从而显著影响强度和应变。

［1］侯林法.复合固体推进剂［M］.北京:中国宇航出版社，2009.

［2］郭翔，张小平，张炜.拉伸速率对NEPE推进剂力学性能的影响［J］.固体火箭技术，2007，30(4):321-327.

［3］王玉峰，李高春，刘著卿，等.应变率和加载方式对HTPB推进剂力学性能及耗散特性的影响［J］.含能材料，2010，18(4):377-382.

［4］张建彬，鞠玉涛，周长省.双基固体推进剂率相关性研究［J］.弹道学报，2011，23(4):80-83.

［5］Cady C M，Blumenthal W R，Gray III G T，et al.Mechanical properties of plastic-bonded explosive binder materials as a function of strain-rate and temperature［J］.Polymer Engineering and Science，2006，23(4):812-819.

［6］胡全星，姜豫东，李健，等.推进剂松弛模量主曲线及W.L.F方程参数的拟合处理［J］.固体火箭技术，2003，26(2):46-48.