Page 30 - 《含能之美》2019封面论文
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低 温 动 态 加 载 下 三 组 元 HTPB 复 合 固 体 推 进 剂 的 失 效 判 据
上 确 定 HTPB 推 进 剂 的 初 始 弹 性 模 量 E
了室温准静态定应变率条件下固体推进剂的双轴拉伸 uc 和 压 缩
uc
力学性能实验，分析了实验条件下推进剂的失效模式， 强度 σ 。
2.2
发现了推进剂的双向弱化效应。近年来，采用新型单 应力状态影响分析
轴高性能试验机、新设计的实验夹具以及多构型实验 分 别 获 得 -50，-40，-30，-20，25 ℃ 以 及 0.40，
-1
件（标准哑铃型实验件、圆柱型压缩实验件和板条实验 4.00，14.29 s 条件下未老化 HTPB 推进剂的单轴拉压
-1
［18-22］ 模量比（E /E ）和拉压强度比（σ /σ ），数值如表 1
件），王哲君等 首次开展了低温 1~100 s 定应变 ut uc umt uc
率范围内热加速老化前后三组元复合固体推进剂的单 所示。
轴拉压和准双轴拉伸力学行为实验，并通过对实验结
表 1 未老化 HTPB 推进剂的单轴拉压力学性能参数比
Table 1 Uniaxial tensile‑compressive mechanical properties
果进行讨论验证了实验方法的可行性，但并未对推进
ratio of unaged HTPB propellant under the test condition
剂的失效判据进行系统分析。
temperature E /E σ /σ
综上所述，由于受限于常规实验装置的测试原理， ut uc umt uc
-1 / ℃ 0.40 s -1 4.00 s -1 14.29 s -1 0.40 s -1 4.00 s -1 14.29 s -1
目前国内外针对动态加载下，尤其是低温 1~100 s 应
25 0.9918 0.9885 0.9795 0.3865 0.3890 0.3597
变率内固体推进剂的失效判据研究并不充分。其次，
-20 0.7892 0.6638 0.7554 0.2848 0.3001 0.3101
仅简单采用一维单轴拉压实验获得的结果分析固体推
-30 0.8171 0.7759 0.6523 0.2957 0.3007 0.2627
进剂的失效行为和评判固体推进剂药柱的结构完整
-40 0.7949 0.7813 0.6287 0.2824 0.3004 0.2339
性，数据不够充分，甚至带来较大偏差。但受限于当前 -50 0.9212 0.7166 0.7343 0.2639 0.2617 0.2169
Note： E ut /E uc is tensile‑compressive modulus ratio. σ umt /σ uc is tensile‑com‑
实验装置的测试原理，很难直接开展动态加载下材料
pressive strength ratio.
的双轴力学性能实验。为此，本研究以典型战术导弹
SRM 用固体颗粒（AP/Al）填充质量分数 88% 的三组元
由表 1 可知，推进剂的单轴拉压模量比和拉压强
端羟基聚丁二烯（HTPB）复合固体推进剂为研究对象，
-1
度比均小于 1，说明 1~100 s 内单轴加载时 HTPB 推
［18-22］
在王哲君等 前期研究基础上，拟采用方差分析、
进剂仍更容易因为拉伸应力作用而发生破坏。同时，
数据拟合以及宏观力学性能和细观损伤分析相结合等
-1 推进剂的拉压模量比和拉压强度比均受温度变化的影
方法，确定低温 1~100 s 应变率内单轴和双轴拉伸加
响。拉压模量比在室温条件下接近于 1，而在低温条
载下复合固体推进剂的失效判据，为开展真实低温点
件下约为 0.6~0.8。拉压强度比在室温条件下接近于
火条件下战术导弹 SRM 药柱的结构完整性分析和装
0.4，而 在 低 温 条 件 下 约 为 0.2~0.3。 即 低 温 条 件 下 ，
药结构设计提供数据支撑。
HTPB 推 进 剂 的 单 轴 压 缩 强 度 约 为 最 大 抗 拉 强 度 的
2 单轴失效判据 3~5 倍。总体上，推进剂的拉压模量比和拉压强度比
均随温度降低而减小，即降低温度能够扩大推进剂的
2.1
单轴力学性能实验及参数确定
拉压力学性能差异性或拉压不对称性。拉压应力状态
HTPB 推进剂的定应变率单轴拉伸实验条件为：
下 HTPB 推进剂本身性能的变化以及内部细观结构失
4 个热加速老化时间（0，32，74，98 d）、5 个温度（-50，
效机理的不同，是造成上述单轴力学性能差异性的主
- 40，- 30，- 20，25 ℃）和 4 组 应 变 率（0.40，4.00，
要原因。首先，压缩条件下固体填充颗粒对固体推进
-1
14.29，42.86 s ）。HTPB 推进剂的定应变率单轴压缩
剂弹性模量的贡献更大，则推进剂的单轴拉压模量比
实验条件为：5 个温度（-50，-40，-30，-20，25 ℃）和 小于 1。随温度降低，复合固体推进剂的粘弹性特性
-1
4 组 应 变 率（0.40，4.00，14.29，63 s ）。 根 据 国 内 减弱，固体填充颗粒对初始弹性模量的贡献增大，则
GJB 770B-2005 标准（测试方法 413）以及国外 JANAF HTPB 推 进 剂 的 拉 压 模 量 比 随 温 度 降 低 而 减 小 。 其
［23］
标准 ，直接从标准哑铃型实验件的单轴拉伸应力‑应 次，由于压缩应力能够闭合固体推进剂内部的微裂纹
ut
变曲线上确定 HTPB 推进剂的初始弹性模量 E ，最大 或微孔洞，减小推进剂内部的空隙，而拉伸加载有利于
拉伸应力（即最大抗拉强度或单轴拉伸强度） σ umt 和最 微 裂 纹 的 扩 展 。 因 此 ，推 进 剂 的 单 轴 拉 压 强 度 比
大伸长率 ε umt 。参考国内 GJB 770B-2005 标准（测试 小于 1。同时，低温单轴压缩加载时，大量固体填充颗
［24-25］
方 法 415.1）以 及 赖 建 伟 等 的 研 究 ，通 过 作 图 粒更容易发生挤压现象，推进剂内部被压实。因此，
［6，24-25］
法 ，从圆柱型实验件的单轴压缩应力-应变曲线 HTPB 推进剂的拉压强度比在低温条件下更低。
CHINESE JOURNAL OF ENERGETIC MATERIALS 含能材料 2019 年 第 27 卷 第 4 期 （274-281）
