摘要
为了分析硝酸酯增塑聚醚（Nitrate Ester Plasticized Polyether， NEPE）推进剂在单轴准静态拉伸载荷下细观结构演化行为，基于Micro‑CT对拉伸过程中NEPE推进剂开展了原位观测试验，对NEPE推进剂中高氯酸铵（AP）颗粒和初始缺陷的尺寸、形状等细观结构特征进行了表征，获取了单轴拉伸过程中推进剂细观结构的失效过程，并采用孔隙率对NEPE推进剂细观损伤的变化规律进行了定量分析，基于NEPE推进剂细观尺度上结构的演变规律解释了宏观力学性能变化的原因。结果表明，NEPE推进剂初始缺陷尺寸小、体积占比低，平均值为0.12%。单轴准静态拉伸过程中，NEPE推进剂的细观失效过程主要包括孔洞形核、生长与汇聚3个阶段；AP颗粒的体积分数虽然低，但是由于容易脱湿通常成为细观损伤的起点；当AP发生一定程度脱湿后，奥克托今（HMX）也会出现明显的脱湿，在分析NEPE推进剂细观失效问题时应当考虑HMX脱湿行为的影响。大量细观缺陷的形核与生长是NEPE推进剂宏观力学性能进入非线性段的原因，而细观缺陷的不断汇聚使得宏观应力增加落后于应变增加的现象越来越明显。加载过程中孔隙率呈现出先缓慢增加再急剧增加最后增加趋于平缓的变化趋势，孔隙率的变化规律不仅能够定量地反映NEPE推进剂细观缺陷的演化阶段，与NEPE推进剂宏观力学性能的变化也具有一定的对应关系。
图文摘要
In this study， the evolution process of the mesostructure of NEPE propellant in the process of quasistatic tension was characterized and analyzed by in‑situ observation tests based on Micro‑CT， and the characteristics of the evolution of the propellant mesostructure were obtained， and the mesostructure damage of the propellant in the loading process was quantified by porosity. Finally， based on the analysis results of the propellant structure evolution on the mesoscale， combined with the macro stress‑strain curves， the reasons of the changes of the macro‑mechanical properties of NEPE propellant was analyzed. Meso‑failure process of NEPE propellants under uniaxial quasistatic tension were obtained， and the mechanism of propellant macro‑mechanical properties changes was revealed， which established the basis for the follow‑up study of NEPE propellant failure mechanisms and multi‑scale/trans‑scale mechanical properties.
关键词
固体火箭发动机由于其结构简单、贮存性好和机动性高，在航空航天等领域得到了广泛的应用。作为固体发动机的燃料，固体推进剂的能量特性和力学性能是影响固体发动机性能的2个关键因
通过实验手段对受载条件下固体推进剂细观结构进行观测与表征能够直观地认识固体推进剂细观结构响应，也是研究固体推进剂失效机理等力学行为的前提。基于扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope，SEM）分辨率高等特点，王亚平
为了进一步分析单轴准静态拉伸条件下NEPE推进剂的细观损伤行为，本研究通过SEM和CT等设备对NEPE推进剂的细观结构及其演化过程进行了表征与分析，使用孔隙率对受载过程中NEPE推进剂的细观结构演化进行了定量描述；结合宏观力学实验，分析了单轴准静态拉伸过程中NEPE推进剂力学性能变化的原因，为理解NEPE推进剂的细观失效行为、后续失效机制和多尺度/跨尺度力学性能研究建立基础。
本研究所用NEPE推进剂的固体颗粒（AP/HMX/Al）质量分数为73%。由于CT设备结构的差异性，目前还没有能够用于固体推进剂细观原位表征试验的试件构型标准。考虑到NEPE推进剂延伸率高但是机械加载台空间有限的特点，设计了如
图1 试件构型（单位：mm）
Fig.1 Geometry of specimen （unit： mm）
基于Skyscan 1172型Micro‑CT和适配于该CT的机械加载台开展单轴拉伸载荷下NEPE推进剂细观损伤原位观测试验。X射线穿过物体时会被物体进行一定程度的吸收导致射线强度发生衰减，通过计算X射线照射样品前后的强度变化即可获取试验对象内部结构信息，试验设备及工作原理如
a. micro‑CT with loading stage
b. schematic diagram of micro‑CT scanning
图2 Micro‑CT扫描重构原理
Fig.2 Schematic diagram of Micro‑CT scanning and reconstruction
在NEPE推进剂原位观测试验过程中，试件一端固定，另一端以0.2 mm·mi
为了能够准确确定NEPE推进剂中细观结构的类型，对NEPE推进剂开展了SEM/EDS实验，所用试样同样从标准哑铃试件上切取。SEM/EDS实验电压为15 kV；实验时在SEM图像中选取具有明显特征的细观结构进行EDS（Energy Dispersive Spectrometer）分析。
图3 NEPE推进剂三维重建图像和二维切片
Fig.3 3D reconstruction & 2D slices of NEPE propellant
在SEM图像中选取了4个不同位置（
a. SEM image
b. position A
c. position B
d. position C
e. position D
图4 SEM/EDS实验结果
Fig.4 SEM/EDS experimental results
根据不同细观结构在CT图像中灰度值不同这一特点，基于灰度直方图对获取的图像进行阈值分割即可实现对特定细观结构的提取。NEPE推进剂CT图像的灰度分布图以及各细观结构的灰度阈值如
图5 NEPE推进剂切片灰度分布和各细观结构阈值
Fig.5 Grayscale distribution and mesostructure thresholds of NEPE propellant slices
由于在初始状态下很难从CT图像中准确地对HMX进行阈值分割，且单轴拉伸载荷下Al颗粒和Pb对推进剂细观损伤的影响较小，因此本研究分别用等效直径（d）和形状因子（s）对AP颗粒和初始缺陷的三维尺寸分布以及形状进行定量表征，等效直径和形状因子的定义分别为：
式中，V为细观结构的体积，μ
对于NEPE推进剂中的AP颗粒的尺寸与形状表征如
a. size distribution
b. shape factor‑diameter relationship
图6 AP颗粒形貌表征
Fig.6 Morphology characterization of AP particle
NEPE推进剂中的初始缺陷的尺寸和形状分布如
a. size distribution
b. shape factor‑diameter relationship
图7 NEPE推进剂初始缺陷形貌表征
Fig.7 Morphology characterization of initial defects in NEPE propellant
通过多组重复试验对NEPE推进剂中AP颗粒和初始缺陷的体积分数进行了统计，结果如
| No. | φAP | φpore |
|---|---|---|
| 1 | 7.43 | 0.12 |
| 2 | 7.40 | 0.10 |
| 3 | 7.38 | 0.16 |
| 4 | 8.31 | 0.09 |
| 5 | 7.77 | 0.11 |
| mean value | 7.66±0.4 | 0.12±0.03 |
Note： φ is volume fraction. φAP is AP particle volume fraction. φpore is inital defect volume fraction.
图8 不同拉伸应变下NEPE推进剂细观形貌
Fig.8 Meso‑morphology of NEPE propellant with different strains
通过分析，可以将NEPE推进剂的细观失效过程分为孔洞的形核、生长和汇聚3个阶段。孔洞的形核是由氧化剂（AP、HMX）颗粒的脱湿引起，且AP颗粒首先发生较为明显的脱湿；孔洞的生长则是由脱湿程度的进一步增加所导致；当外界载荷不断增加时，黏合剂的逐渐断裂使得氧化剂颗粒脱湿形成缺陷发生大量的汇聚，最终NEPE推进剂发生宏观断裂。
为了进一步表征加载过程中NEPE推进剂细观缺陷演化情况，对不同拉伸应变下缺陷的空间形貌进行了重构，同时使用孔隙率对不同拉伸应变下NEPE推进剂内部缺陷进行定量表征。孔隙率的变化规律以及通过单轴拉伸试验获取的NEPE推进剂的力学性能曲线如
图9 NEPE推进剂孔隙率变化以及应力‑应变曲线
Fig.9 Changes in porosity and stress‑strain curves of NEPE propellant
结合
通过
通过Micro‑CT对单轴准静态拉伸载荷下NEPE推进剂细观结构的演化进行了原位表征，得出以下结论：
（1） NEPE推进剂中AP颗粒的尺寸主要分布在100~150 μm的范围内，形状大多类似椭球形，小尺寸AP颗粒形状更加“饱满”，大尺寸AP颗粒则比较“扁平”；AP颗粒的平均体积分数为7.66%。初始缺陷尺寸小、体积占比低，其形状受自身尺寸的影响较为明显，初始缺陷尺寸越小，形状越接近球形。本研究中所用NEPE推进剂平均孔隙率仅为0.12%，初始缺陷形式为孤立的小尺寸（主要集中在（10±5） μm范围）孔洞。
（2） 单轴准静态拉伸载荷下NEPE推进剂的细观结构演化过程包括孔洞形核、生长和汇聚3个阶段。孔洞的形核是由AP颗粒和HMX脱湿形成的孤立孔洞，当拉伸应变较小时，虽然AP颗粒体积分数低，但是由于AP颗粒的尺寸相对较大，AP颗粒更容易发生脱湿；在较多AP颗粒脱湿后，HMX也发生了脱湿，在分析NEPE推进剂细观失效问题时，也应当考虑HMX脱湿行为的影响。孔洞的生长则是由氧化剂颗粒脱湿尺寸的增加所引起。孔洞汇聚包括相邻AP颗粒脱湿形成孔洞的汇聚、相邻HMX颗粒脱湿形成孔洞的汇聚以及相邻AP颗粒和HMX颗粒脱湿形成孔洞的汇聚3种类型。
（3） 大量细观缺陷的形核与生长是NEPE推进剂宏观力学性能进入非线性段的原因，细观缺陷的不断汇聚使得宏观应力增加落后于应变增加的现象越来越明显。加载过程中孔隙率呈现出先缓慢增加再急剧增加最后增加趋于平缓的变化趋势，这一变化趋势反映了推进剂细观缺陷形核、生长和汇聚的过程，与推进剂宏观力学性能变化也有一定的对应关系。
参考文献
侯林法. 复合固体推进剂［M］. 北京：宇航出版社， 1994： 91-255. [百度学术]
HOU Lin‑fa. Composite solid propellant［M］. Beijing： Aerospace Press， 1994： 91-255. [百度学术]
WUBULIAISAN M， WU Y Q， HOU X， et al. A viscoelastic constitutive model considering deformation and environmental‑induced damages for solid propellants［J］. Aerospace Science and Technology， 2023， 132（Jan.）： 108055.1-108055.13. [百度学术]
LEI M， WANAG J， CHENG J， et al. A constitutive model of the solid propellants considering the interface strength and dewetting［J］. Composites Science and Technology， 2020， 185（Jan.5）： 107893.1-107893.9. [百度学术]
王亚平， 王北海. 丁羟推进剂拉伸脱湿的电子显微镜观测［J］. 固体火箭技术， 1998， 21（2）： 71-74. [百度学术]
WANG Ya‑ping， Wang Bei‑hai. Study on dewetting and fracture behavior of HTPB propellant by SEM［J］. Journal of Solid Rocket Technology， 1998， 21（2）： 71-74. [百度学术]
IDE K M， HO S， WILLIAMS D R G. Fracture behaviour of accelerated aged solid rocket propellants［J］. Journal of Materials Science， 1999（17）： 4209-4218 [百度学术]
刘畅， 王哲君， 强洪夫， 等. 低温动态准双轴拉伸加载下HTPB推进剂的热老化性能［J］. 宇航学报， 2020， 41（3）： 353-361. [百度学术]
LIU Chang， WANG Zhe‑jun， QIANG Hong‑fu， et al. Thermal aged properties of HTPB propellant at low temperature under dynamic quasi‑biaxial tensile loading［J］. Journal of Astronautics， 2020， 41（3）： 353-361. [百度学术]
刘著卿， 李高春， 邢耀国， 等. 复合固体推进剂细观损伤扫描电镜实验及数值模拟［J］. 推进技术， 2011， 32（3）： 412-416. [百度学术]
LIU Zhu‑qing， LI Gao‑chun， XING Yao‑guo， et al. Numerical simulation and SEM study on the microstructural damage of composite solid propellants［J］. Journal of Propulsion Technology， 2011， 32（3）： 412-416. [百度学术]
VAN RAMSHORST M C J， DI BENEDETTO G L， DUVALOIS W， et al. Investigation of the failure mechanism of HTPB/AP/Al propellant by in‑situ uniaxial tensile experimentation in SEM［J］. Propellants Explosives Pyrotechnics， 2016， 41（4）： 700-708. [百度学术]
杨秋秋，蔡如琳，徐胜良， 等.原位拉伸扫描电镜法研究GAP推进剂的损伤行为［J］. 火炸药学报， 2019， 42（5）： 511-515. [百度学术]
YANG Qiu‑qiu， CAI Ru‑lin， XU Sheng‑liang， et al. Damage behavior of GAP solid propellant by in‑situ tensile SEM method［J］. Chinese Journal of Explosives & Propellants， 2019， 42（5）： 511-515. [百度学术]
杨秋秋，徐胜良，蔡如琳， 等.基于数字图像处理的复合固体推进剂细观损伤行为研究［J］. 固体火箭技术， 2022， 45（1）： 83-91. [百度学术]
YANG Qiu‑qiu， XU Sheng‑liang， CAI Ru‑lin， et al. Mesoscopic damage behavior of composite solid propellants based on digital image processing technology［J］. Journal of Solid Rocket Technology， 2022， 45（1）： 83-91. [百度学术]
COLLINS B， MAGGI F， MATOUS K， et al. Using tomography to characterize heterogeneous propellants［C］//46th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit. 2008. [百度学术]
LEE H， BRANDYBERRY M， TEDOR A， et al. Three‑dimensional reconstruction of statistically optimal unit cells of polydisperse particulate composites from microtomography［J］. Physical Review E Statistical Nonlinear & Soft Matter Physics， 2009， 80（6 Pt 1）： 061301. [百度学术]
刘新国， 刘佩进， 强洪夫. 基于微CT技术的丁羟推进剂脱湿定量表征方法研究［J］. 推进技术， 2019， 40（5）： 1162-1168. [百度学术]
LIU Xin‑guo， LIU Pei‑jin， QIANG Hong‑fu. Quantificational method of dewetting damage of HTPB propellant based on micro‑CT detection［J］. Journal of Propulsion Technology， 2019， 40（5）： 1162-1168. [百度学术]
李世奇. 单轴拉伸下HTPB推进剂细观损伤演化规律研究［D］. 西安： 火箭军工程大学， 2021. [百度学术]
LI Shi‑qi. Study on the meso‑damage evolution law of HTPB propellant with uniaxial tension［D］. Xi′an： Rocket Force University of Engineering， 2021. [百度学术]
裴书帝. 固体发动机装药粘接界面细观损伤演化规律研究［D］. 西安： 火箭军工程大学， 2022. [百度学术]
PEI Shu‑di. Research on meso damage evolution of solid rocket motor charge bonding interface［D］. Xi′an： Rocket Force University of Engineering， 2022. [百度学术]
魏晋芳， 赖国栋， 柴海伟，等. 准静态拉伸下固体推进剂三维结构变形损伤失效机理研究［J］. 固体火箭技术， 2023， 46（2）： 186-194. [百度学术]
WEI Jin‑fang， LAI Guo‑dong， CHAI Hai‑wei， et al. Research on three‑dimensional structural deformation failure mechanism of solid propellant under quasi‑static tension［J］. Journal of Solid Rocket Technology， 2023， 46（2）： 186-194. [百度学术]
王龙， 刘岳勋， 吴圣川， 等.基于原位X射线成像的推进剂损伤演化表征［J］. 航空学报， 2023， 44（7）： 276-287. [百度学术]
WANG Long， LIU Yue‑xun， WU Sheng‑chuan， et al. In‑situ X‑ray tomography based characterization of propellant damage evolution［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2023， 44（7）： 276-287. [百度学术]
LIU Yue‑xun， QIAN Wei‑jian， WANG Long， et al. In situ X‑ray tomography study on internal damage evolution within solid propellants of carrier rockets［J］. Materials Science and Engineering： A， 2023， Vol.882： 145451. [百度学术]
