细观尺度下推进剂/衬层/绝热层粘接界面参数反演研究

针对经验法无法保证细观尺度下粘接界面(推进剂/衬层/绝热层)内聚力模型准确性的问题,通过扫描电子显微镜(SEM)原位拉伸实验,记录粘接试件在拉伸过程中的变形和破坏,采用数字图像相关技术结合Hooke-Jeeves优化算法的反演识别方法,对界面所采用的双线性内聚力模型参数进行反演识别,并通过界面单元的损伤因子(SDEG)变化曲线结合实验结果开展界面损伤分析。结果表明:加载速率为1.2 mm·min^(-1)时,模型的界面刚度、最大名义应力、界面失效位移分别为6.40 MPa·mm^(-1)、0.72 MPa、1.80 mm;ε为8%、18%时,仿真与实测的感兴趣区域(region of interest,ROI)位移(U x)平均误差分别为7.1%、4.9%;损伤因子(SDEG)变化曲线可较好地表征界面的损伤过程。该反演识别方法的精度较高,为细观尺度下粘接结构界面模型参数的精准获取提供一个新的方法。

衬层预固化程度对衬层/推进剂界面粘接性能的影响

研究了壳体粘接式固体火箭发动机装药中衬层的固化程度对推进剂和衬层间界面粘接性能的影响,采用红外光谱技术对衬层固化过程中微观结构的变化进行了表征,初步探讨了衬层固化程度影响界面粘接强度的机理。结果表明,衬层固化0~8h,-NCO含量迅速下降,衬层与推进剂界面的粘接强度随衬层固化时间的增加而增大;固化8~40h时,衬层中的-NCO含量下降速度减小;衬层与推进剂界面的粘接强度随衬层固化时间的变化不大。

基于Micro-CT的NEPE推进剂装药界面细观结构

NEPE推进剂装药界面粘接问题是制约NEPE推进剂推广应用的技术瓶颈之一,急需有效的细观结构表征技术,以揭示NEPE推进剂装药界面形成机理。采用Micro-CT技术,开展了NEPE推进剂/衬层/绝热层界面细观结构研究,发现Micro-CT图像可明显区分界面各相以及各相的基体与填充物,可识别不同的固体填充物;绝热层/衬层界面存在有锯齿状的镶嵌结构的扩散层,厚度不超过10μm;推进剂与衬层之间有一定的扩散,存在明显的推进剂与衬层基体富集层,在推进剂一侧,还形成40~80μm的HMX颗粒富集层。

NEPE推进剂/衬层粘接界面层厚度表征方法研究

采用纳米压痕分析法和超声波扫描显微镜分析法，研究了NEPE推进剂／衬层粘接界面层的厚度。纳米压痕分析结果表明，界面层与粘接物的细观力学性能有明显差异，差异区域的厚度约为80μm；超声波扫描显微镜分析结果表明，界面层是非均匀性的复杂实体，计算出来老化粘接界面的厚度为84．94μm。计算结果和测试值基本一致，认为NEPE推进剂／衬层粘接界面层的厚度为80—85μm。

NEPE推进剂/衬层界面研究进展

装药界面是固体火箭发动机故障高发部位。NEPE固体推进剂活性组分多,界面化学物理过程复杂,装药界面粘接问题更加突出。重点开展了界面结构表征、界面粘接与老化失效机理两个方面的研究,发现NEPE推进剂/衬层界面区域在微观尺度上存在多层次结构,推进剂一侧形成40~80μm的HMX及其键合剂富集区,衬层HTPB粘合剂向NEPE推进剂方向扩散,在物理分界衬层侧形成粘合剂基体富集层。系统分析了影响界面粘接的主要因素,确定了影响界面粘接的主反应,阐明了两个主反应的竞争关系。揭示了界面粘接的主要副反应,即工艺助剂YS与固化剂的反应。发现了NEPE推进剂/衬层粘接界面老化降解的关键化学过程,界面老化降解主要发生在PEG与N100反应形成的氨基甲酸酯结构的C—O键,氮氧化物的残余含量决定老化反应的速率。

NEPE推进剂/衬层结构-性能MD模拟(Ⅱ)——复杂体系组分分子迁移和配方设计示例

用分子动力学(MD)方法,对(PEG/NG/BTTN)/NPBA/HMX/AP/PEG/N-100//HTPB/TDI复杂的推进剂/衬层模型体系进行295 K-NVT模拟研究,展示了组分分子的浓度分布和迁移状况,发现HMX和NPBA分子有向界面层迁移趋势,而AP则呈平均分布态势。以RDX等量取代HMX后所得新配方的MD模拟研究表明,前者拉伸模量(E)、体模量(K)和剪切模量(G)、柯西压(C12-C44)和K/G值均有明显下降,表明新配方的刚性、强度和延展性均有下降;新配方中引发键(N—NO2)最大键长(1.528)明显大于原配方中相应值(1.503),预示新配方感度增大、安全性将下降;比较RDX、HMX与其他组分之间的结合能,前者小于后者,预示新配方的相容性较差。

未老化NEPE推进剂/衬层粘接试件拉伸失效模式研究

采用原位拉伸扫描电镜观测不同温度下NEPE推进剂/衬层粘接界面裂纹扩展规律,得出不同温度下裂纹产生位置均出现在推进剂和衬层连接处,且裂纹的扩展存在相互竞争关系;粘接性能较好时,粘接界面的好坏主要取决于推进剂/衬层界面附近推进剂性能。重点考察了会引起推进剂"脱湿"的HMX界面,利用纳米压痕仪及动态力学实验,得出当推进剂中含NPBA时,HMX周围存在一高模量层,且该高模量层的动态储能模量与温度呈反向关系。该高模量层的存在或消失会引起推进剂在宏观性能上发生变化,进而影响推进剂/衬层试件宏观力学性能。

界面粘接性能的影响因素

从绝热层、衬层、推进剂、工艺等四个方面讨论了影响绝热层／衬层／推进剂界面粘接性能的因素，并提出了改善界面粘接性能的技术途径。

NEPE推进剂／衬层结构-性能MD模拟(Ⅰ)--简化模型界面固化反应展示和力学性能比较

为展示NEPE推进剂/衬层界面发生的交叉固化反应,设计搭建了PEG/N-100、HTPB/TDI和PEG/N-100//HTPB/TDI 3个简化模型,采用热力学方法,在扩展的MPCFF力场中,实现了不同体系的周期性分子动力学(MD)模拟,展示了界面交叉固化反应形成的新化学键(氨基甲酸酯键)。另外,求得并比较了三者的弹性力学性能。结果表明,推进剂/衬层体系弹性模量较大,亦即完成交叉固化反应后界面的刚性和强度都得到提高和改善,与实验事实相符。

丁羟推进剂/衬层粘接界面材料力学性能研究

比较了目前测试推进剂/衬层粘接界面性能的方法。针对丁羟推进剂/衬层粘接界面,采用国内外关于推进剂与金属材料粘接界面性能的微型拉伸试验方法,设计并开展了微型拉伸试验,得出该推进剂材料在粘接界面处的受影响区域范围及相应的材料性能特征。

压痕法测试NEPE推进剂/衬层界面的弹性模量

通过推进剂压痕测试方法及试验数据的处理,实现了NEPE推进剂/衬层界面区以及推进剂本体的弹性模量测试。结果表明:NEPE推进剂界面区弹性模量低于其本体弹性模量;65℃老化条件下,在试验时间内,总体上推进剂本体和界面区的弹性模量均增大,但老化后界面区与本体弹性模量的变化存在一定的差异。

固体火箭发动机燃烧室界面脱粘的声振检测

为实现战术固体火箭发动机绝热层 /推进剂界面分离型脱粘的检测 ,针对超声谐振法进行了理论分析与检测试验。通过对试验结果的分析 ,确证了采用该方法能够实现绝热层 /推进剂界面分离型脱粘的检测 ,并对这一方法中影响检测结果的因素进行了讨论 。

衬层/推进剂界面粘接优劣的判定和时空特征

为了准确测定衬层/推进剂界面组成、分布特征及迁移规律,文中利用原位显微红外技术,测定了某些样品的衬层/推进剂界面法线方向不同位置的红外光谱,通过比较界面、推进剂、衬层的红外谱图,获得了界面法线方向基团和组成的空间变化信息,判断出组分在界面的分布、迁移方向和扩散层厚度;利用迁移方向和扩散层厚度能够判定界面粘接的优劣:从推进剂向衬层扩散的界面粘接性能差,反之粘接性能好;通过对不同老化时间样品的测试,获得了界面法线方向组成随时间变化的特征和扩散层厚度变化趋势。

端羟基聚丁二烯推进剂/衬层脱粘的断裂机理与断裂能获取研究

推进剂/衬层界面脱粘是破坏固体火箭发动机装药结构完整性的主要形式之一。采用双悬臂夹层梁实验对端羟基聚丁二烯(HTPB)推进剂/衬层粘接界面的I型断裂进行研究,实验观察到裂纹尖端存在包含孔洞和纤维的银纹损伤区,裂纹萌发和扩展本质上是局部银纹萌生、面增厚和微纤断裂。界面脱粘的失效机理则是尖端近处孔洞的形成和合并,典型的界面失效模式包含胶黏剂的内聚破坏、界面破坏和混合破坏。裂纹稳定传播时,裂尖的损伤区形状与外界对其施加的约束有关。采用有效裂纹长度的概念可以修正裂尖塑性变形和钝化的影响,较为准确地获取了I型断裂能。

固体发动机推进剂/绝热层界面Ⅰ型脱粘力学行为试验与仿真研究

为了准确描述和预测固体发动机界面的粘接性能,为固体发动机结构完整性分析提供有效参考,通过商业有限元软件ABAQUS用户子程序(UEL)对基于势函数的PPR内聚力单元进行了二次开发,设计了固体发动机推进剂/绝热层界面Ⅰ型脱粘试验方案,并基于试验的反演分析获得 PPR 内聚力模型对应的特征参数,对不同加载速率下粘接界面的断裂与损伤特性进行了相关研究。研究表明,PPR 内聚力模型能够较好地描述界面脱粘过程,且粘接界面的力学行为具有显著的率相关性,随着加载速率的增大,粘接界面的内聚能和内聚强度均增大,法向初始刚度和损伤起始位移均减小。此外,I 型界面脱粘试验过程中加载力随位移的变化可分为强化阶段和损伤演化阶段,粘接界面的速率相关性主要体现在损伤演化阶段。

HTPB推进剂/衬层界面Ⅰ型破坏温度相关特性

为了准确地描述固体火箭发动机端羟基聚丁二烯(HTPB)推进剂/衬层黏接界面在不同温度下的力学特性,从试验和数值仿真两方面研究了该黏接界面的Ⅰ型破坏特性。首先,通过单轴拉伸实验获取了不同温度下的载荷-位移曲线,并采用高速摄像机获取了黏接界面的破坏过程,分析了黏接界面的破坏形式,发现HTPB推进剂/衬层黏接界面的破坏形式为HTPB推进剂的内聚破坏,表明黏接界面的强度高于推进剂的强度;由-40℃升高到60℃的过程中特征位移先增大后减小,说明特征位移受温度因素影响明显。在双线性内聚力模型的基础上构建了一种损伤变量为多项式的内聚力模型,通过开展数值仿真计算,比较了不同界面模型参数在预测各温度下黏接界面力学特性的准确性,并以特征位移作为已知参数预测了不同温度下的黏接界面载荷-位移曲线,数值预测结果与实验结果保持一致,说明所建界面模型能够比双线性内聚力模型更加真实准确地反映固体火箭发动机黏接界面I型破坏的温度相关特性。

固体火箭发动机推进剂/衬层界面粘接性能的仿真研究

为了研究适用于描述固体火箭发动机粘接界面的界面力学模型及其修正方法,分别采用虚拟裂纹闭合技术(VCCT)、内聚力模型(CZM)和扩展有限元法(XFEM),模拟了固体火箭发动机推进剂/衬层界面的I型脱粘试验。其中,自编译了多项式型和指数型内聚力模型,采用XFEM-CZM耦合的方法解决了XFEM无法在界面边界扩展的问题,并对比分析了各个模型加载点处的载荷-位移曲线与试验曲线的吻合度,发现利用VCCT、CZM和XFEM方法构建的界面模型可以较好地预估裂纹的扩展过程,能够反映粘接界面的力学特性。同时,为探索模型优化所需研究的参数,通过调整各个模型相关的界面参数值,分析了界面参数对数值仿真曲线的影响,并采用了基于Hooke-Jevees算法的反演识别。研究结果表明,界面力学参数对界面模型具有显著的影响,基于Hooke-Jevees算法的反演识别能够实现对三种模型相关参数的修正。

基于点击反应改善叠氮推进剂/丁羟衬层界面粘接性能的研究

针对极性差异较大的叠氮推进剂和丁羟衬层界面粘接体系,采用红外光谱及二维相关光谱分析、凝胶含量、粘接性能测试等方法研究了三种炔基化合物的引入对其界面粘接性能的改善效果。结果表明,在丁羟衬层中引入三种不同分子结构的炔基化合物AC-1,AC-2和AC-3均可提高叠氮推进剂/丁羟衬层的界面粘接强度,当AC-1,AC-2和AC-3的炔基参数RA分别为0.097~0.127、0.051和0.097~0.141时,叠氮推进剂/丁羟衬层界面粘接的剥离强度可分别提高约80%,40%和70%。

固体推进剂/衬层粘接界面脱粘失效的数值模拟

基于SEM(scanning electron microscope)得到的细观形貌和颗粒分布建立了复合固体推进剂/衬层细观有限元模型。使用Cohesive单元来模拟复合固体推进剂基体/颗粒界面和复合固体推进剂/衬层界面的脱粘。计算分析了单轴准静态拉伸作用下复合固体推进剂/衬层界面处不同颗粒含量和不同强化/老化程度对脱粘过程的影响。计算结果表明,衬层界面的老化和颗粒数量的增加都会导致衬层界面更容易脱粘失效,失效应变随推进剂/衬层界面处颗粒含量的增加而增大,而峰值应力先减小而后增大。峰值应力和失效应变随衬层老化而减小,但对衬层界面强化不敏感。

复合推进剂用HTPB绝热层研究

介绍一种复合推进剂用HTPB绝热层,使传统的发动机绝热层和衬层实现一体化。旨在简化壳体粘接式发动机装药绝热层/衬层成型工艺。针对复合推进剂,采用HTPB材料为基胶,加入耐烧蚀填料优化配制绝热层;从绝热层的设计、主要原材料的选用,到绝热层的基础配方和主要特性进行了描述,对研制过程中的关键技术及解决途径进行了讨论。研究表明研制的HTPB绝热层具有良好的本体性能,与发动机金属壳体和推进剂都有良好的粘接性能,成功应用于多发装药研制中。