底部排气弹(简称底排弹)减阻增程的原理是在常规炮弹底部附加一个排气装置, 向底部低压区排入低动量高温气体, 改变底部低压区的流动状态, 达到提高底部压力、减小底阻、增大射程的目的。目前研制的底排弹, 可使底部阻力减小约75%, 射程增大25%~30%^[1]。底排弹在火炮膛内运动过程中, 底排推进剂要经受诸如环境温度、火炮膛内点火冲击、膛内高温高压的火药气体冲刷、轴向过载、径向过载、切向过载、炮口瞬态卸载等复杂载荷的联合作用。底排弹出炮口时, 底排装置内高压气体急剧变化为环境压力, 并继续泄压至负压状态。在该超常环境下, 高氯酸铵(AP)/羟基聚丁二烯(HTPB)底排推进剂结构完整性容易被破坏, 进而影响底排装置的正常工作性能, 如掉药、掉弹、近弹、单发跳动和散布大等现象, 对底排弹的正常使用产生了严重的不利影响, 底排推进剂的力学性能的提高, 对提高底排弹工作性能至关重要^[2]。

目前常用的底排推进剂是以高分子粘合剂HTPB为基体, 不同粒径AP为氧化剂, 甲苯二异氰酸(TDI)为固化剂以及添加剂组成的高分子复合材料, 即AP/HTPB底排推进剂^[3]。国内外对AP/HTPB固体火箭推进剂力学特性做了大量研究^[4-7], 但对AP/HTPB底排推进剂力学性能的研究鲜有报道, 与固体火箭推进剂相比, 底排推进剂不含黑索今和金属铝粉等, 且粘合剂HTPB的含量也不相同, 其力学性能与固体推进剂存在一定的区别。Gauchoux Jacques^[8]研究了AP/HTPB底排推进剂中组分含量对其拉伸性能以及其燃烧性能的影响。于洪江等^[9]研究了环境湿度对AP/HTPB底排推进剂拉伸性能的影响, 提出了储存AP/HTPB底排推进剂最优湿度条件。刘志林等^[10]研究了AP/HTPB底排推进剂在应变率为10^-3和10³两个量级的单轴压缩力学性能, 实验结果表明AP/HTPB底排推进剂具有典型的粘弹性, 其力学性能随应变率和温度、时间的变化会发生明显的变化。

碳纤维是碳含量90%以上的纤维状碳材料, 具有耐热性、化学稳定性、电热传导性、热膨胀性低、耐摩擦、吸附性以及良好的力学性能, 其中良好的热传导、耐摩擦、吸附性以及力学性能使其拥有应用于推进剂的潜质^[11]。碳纤维由于其制造工艺较为简单, 价格也较便宜, 其高抗拉强度和高模量等优越性, 使其成为较为常用的复合材料的增强体^[12-13], 但其在AP/HTPB底排推进剂中的应用还无先例。

本研究针对AP/HTPB底排推进剂在发射过程中常出现的碎药、掉药等结构完整性不足的问题, 提出用短切碳纤维作为AP/HTPB底排推进剂的改性剂, 研究了短切碳纤维增强的AP/HTPB底排推进剂的力学性能, 并分析短切碳纤维对其增强机理, 为新型AP/HTPB底排推进剂的研究提供理论基础。

原料为: 2 mm短切碳纤维, 南京纬达复合材料有限公司生产, 其基本性能参数见表 1; AP/HTPB底排推进剂, 辽宁庆阳特种化工厂生产。

表 1(Tab. 1)

表 1 短切碳纤维物理性能 Tab. 1 Physical property of short carbon fibers carbon content /% tensile strength /MPa tensile modulus /GPa density /g·cm-3 diameter /μm sectional shape bulk density /g·cm-3 ＞95 3800 220 1.76 7 circular 0.4

表 1 短切碳纤维物理性能 Tab.1 Physical property of short carbon fibers

仪器: Instron 1185材料试验机, JSM-5610LV型扫描电子显微镜。

本研究在AP/HTPB推进剂中添加一定质量分数(0.3%, 0.5%)的长度为2 mm的短切碳纤维(见图 1), 充分搅拌后, 抽真空并在真空环境下注入模具, 于恒温箱养护一个星期后取出试件。静态压缩试验试件尺寸为Φ10 mm×20 mm的圆柱型试件; 静态拉伸试件为标准哑铃型试件, 尺寸见图 2。

图 1(Fig. 1)

图 1 2 mm短切碳纤维的堆积状态 Fig.1 Stacking state of 2 mm short carbon fibers

分别根据GJB770B-2005方法413.1、415.1, 对三种AP/HTPB底排推进剂(2 mm短切纤维质量分数分别为0, 0.3%, 0.5%编号依次为1^#, 2^#, 3^#)进行静态拉伸和静态压缩力学性能测试, 每种配方推进剂试件均进行5次平行试验, 取重复性好的三个试验结果的平均值作为此配方测试结果, 其中拉伸速度为100 mm·min^-1, 压缩速度为5 mm·min^-1。

图 2(Fig. 2)

图 2 静态拉伸试件尺寸 Fig.2 The size of uniaxial tensile specimens

AP/HTPB底排推进剂中添加的碳纤维含量不宜过高:因为提高碳纤维含量会降低AP/HTPB底排推进剂的流动性, 增加AP/HTPB底排推进剂试件的浇注难度, 并且搅拌过程中会出现碳纤维团聚导致搅拌不均匀。因此, 本研究选取0.3%和0.5%两种碳纤维质量分数, 在搅拌前进行碳纤维表面处理, 提高碳纤维与HTPB基体的黏结性能^[14-15]。

20 ℃室温下, 未添加碳纤维与碳纤维含量为0.3%和0.5%质量分数的AP/HTPB底排推进剂的拉伸应力应变曲线实验结果见图 3。由图 3可见, 三种AP/HTPB底排推进剂样品的应力应变曲线都呈现了三个变化阶段:线弹性阶段; 类金属硬化阶段; 试件失效阶段。应力应变曲线的三个阶段的示意图见图 4^[16], 基于非金属材料力学性能参数的确定方法^[17-18], 得到材料的屈服应力σ₀, 对应的应变ε₀; 最大拉伸应力σ_m, 对应的应变ε_m。屈服应力与最大拉伸应力分别为第一阶段与第二阶段的分界点和第二阶段与第三阶段的分界点。

图 3(Fig. 3)

图 3 三种样品的拉伸应力应变曲线 Fig.3 Tensile stress-strain curves of three different sample

图 4(Fig. 4)

图 4 三种样品的拉伸应力应变三阶段示意图 Fig.4 Three stages schematic diagram of tensile stress-strain curve of three different sample

三种配方的底排推进剂最大拉伸强度、对应的应变见表 2。表 2显示, 2^#样品和3^#样品的拉伸强度比1^#样品分别提高了11.7%和33.0%; 2^#样品和3^#样品比1^#样品的延伸率要低, 碳纤维含量的增加延伸率略有下降。静态拉伸实验结果表明, 碳纤维的掺入会增加底排推进剂的拉伸强度, 同时会增加底排推进剂的弹性模量。

表 2(Tab. 2)

表 2 不同含量短切碳纤维的AP/HTPB底排推进剂力学性能测试结果 Tab. 2 Test results of mechanical properties for AP/HTPB base bleed propellant under different short carbon fiber content sample fiber content/% E /MPa σ0 /MPa ε0 σm /MPa εm 1# 0 4.50 0.53 0.13 0.94 0.59 2# 0.3 5.95 0.63 0.12 1.05 0.49 3# 0.5 6.78 0.89 0.14 1.25 0.44 Note:E is the elastic modulus, σ0 is the yield stress, ε0 is the strain corresponding to σ0, σm is the maximum stress, εm is the strain corresponding to σm.

表 2 不同含量短切碳纤维的AP/HTPB底排推进剂力学性能测试结果 Tab.2 Test results of mechanical properties for AP/HTPB base bleed propellant under different short carbon fiber content

图 5显示了1^#、2^#和3^#样品的压缩应力应变曲线, 碳纤维的掺入会增加底排推进剂的压缩强度和刚度。三种配方的底排推进剂最大压缩强度分别为2.86, 2.92, 3.08 MPa; 2^#和3^#样品的压缩强度比不含纤维的底排推进剂分别提高了2.1%和7.8%;纤维对底排推进剂压缩性能的提升幅度要小于对底排药拉伸性能的提高幅度, 拉伸强度依旧是AP/HTPB底排推进剂的薄弱项, 提高拉伸强度是提高AP/HTPB底排推进剂力学性能的关键。

图 5(Fig. 5)

图 5 三种样品的压缩应力应变曲线 Fig.5 Compression stress-strain curves of three different sample

单轴拉伸与压缩实验结果表明: AP/HTPB底排推进剂呈现非线性力学行为, 其具有典型颗粒填充橡胶类材料的特殊性质马林斯效应, AP/HTPB底排推进剂与一般固体推进剂类似, 其力学性能的非线性主要是马林斯效应与脱湿效应共同作用结果^[19-20]; 当微观损伤到达一定程度时, AP颗粒与基体脱粘, 推进剂的刚度开始降低, 应力应变曲线开始呈现为非线性。压缩应力应变曲线有类似于拉伸应变应变曲线的三个阶段(如图 6所示), 但压缩应力应变曲线第二阶段的应力增幅远大于拉伸时第二阶段的应力增幅。图 7与图 8为颗粒填充橡胶材料在单轴拉伸和压缩载荷下的脱湿效应的示意图^[7], 在单轴拉伸载荷下AP脱粘时, AP颗粒与基体在拉伸方向分离且释放应力, AP颗粒在拉伸方向不再承受载荷; 与拉伸载荷下的脱粘过程不同, 当AP在单轴压缩载荷下脱粘时, 脱粘后的AP颗粒在压缩方向与基体还存在接触, 其还会承载一部分压缩载荷, 拉伸和压缩脱粘过程的细观描述解释了AP/HTPB底排推进剂在拉伸和压缩下的最大应力不同的原因。不同碳纤维含量的AP/HTPB底排推进剂的压缩最大应力与拉伸最大应力比值关系见图 9, 结果显示其压缩强度约是拉伸强度的3倍, 随着碳纤维含量的增加, 压缩强度与拉伸强度的比值在逐渐降低, AP/HTPB底排推进剂呈现出脆性材料典型承压而弱承拉特殊性质, 2 mm短切碳纤维的掺入会增加其韧性。

图 6(Fig. 6)

图 6 三种样品的压缩应力应变曲线三阶段示意图 Fig.6 Three stages schematic diagram of compression stress-strain curve of three different sample

图 7(Fig. 7)

图 7 拉伸脱粘示意图 Fig.7 Schematic diagram of tensile debonding

图 8(Fig. 8)

图 8 压缩脱粘示意图 Fig.8 Schematic diagram of compression debonding

图 9(Fig. 9)

图 9 三种样品的压缩与拉伸强度比值与纤维含量的关系 Fig.9 Relationship between the fiber content and the ratio of compression strength and tensile strength for three different sample

图 10为3^#样品压缩试验后试件断裂面电镜图, 图 10a中可以看到脱粘后的AP颗粒, 以及基体开裂后形成的裂缝, 裂纹沿着AP颗粒与基体脱粘面发展, 并终止于出现纤维的区域, 断口的碳纤维表面被黏性基体包覆。图 10b显示了AP颗粒脱粘后形成的空洞, 以及嵌留在断裂面HTPB基体中的碳纤维, 碳纤维只存在于HTPB基体中, 且没有出现明显弯曲的现象。图 11是3^#样品拉伸试验后试件断裂面电镜图, 图中的碳纤维表面同样是被黏性基体包覆, 碳纤维与基体的黏结性能非常理想, 不会产生滑移脱落的现象。

图 10(Fig. 10)

图 10 3#样品压缩断裂面电镜图 Fig.10 SEM images of the fracture surface of 3# sample after compression test

图 11(Fig. 11)

图 11 3#样品拉伸断裂面电镜图 Fig.11 SEM image of the fracture surface of 3# sample after test

对试件断裂面的电镜观察分析结果表明: (1) 短切碳纤维分布在AP颗粒之间的HTPB基体中, 对基体微裂纹的发展有抑制作用; (2) 短切碳纤维的表面附有一层黏性基体, 表明碳纤维与HTPB基体的黏结性能良好, 也是碳纤维能提高AP/HTPB底排推进剂强度的重要因素。

(1) 在原始AP/HTPB底排推进剂中添加质量分数分别为0.3%和0.5%的2 mm短切碳纤维, 新型含短切碳纤维的AP/HTPB底排推进剂的静态单轴拉伸强度分别提高11.7%和33.0%, 其静态单轴压缩强度分别提高2.1%和7.8%。力学性能实验结果表明, 2 mm短切碳纤维是AP/HTPB底排推进剂的增强体。

(2) 断口微观分析结果表明, 碳纤维与AP/HTPB推进剂的黏结性能良好, 其均匀分布在AP颗粒之间的HTPB基体中, AP/HTPB的破坏主要由AP颗粒脱粘引发, 0.3%和0.5%的2 mm短切碳纤维的掺入对HTPB基体微裂纹的发展有抑制作用。