曹付齊,李小換,劉志成,李彥麗,韻勝

(1.中國空空導彈研究院,河南洛陽471009;2.空軍駐包頭地區(qū)軍代室,呼和浩特010010; 3.航天科工六院46所,呼和浩特010010)

某推進劑低溫加速老化試驗研究

曹付齊1,李小換1,劉志成2,李彥麗3,韻勝3

(1.中國空空導彈研究院,河南洛陽471009;2.空軍駐包頭地區(qū)軍代室,呼和浩特010010; 3.航天科工六院46所,呼和浩特010010)

目的考查某推進劑在-10℃和-28℃這兩個溫度下性能隨老化時間的變化趨勢。方法采用低溫加速老化試驗。結(jié)果在低溫下老化推進劑最大抗拉強度先下降然后逐漸升高,伸長率變化趨勢較為復雜。常溫正常拉伸速度條件下伸長率基本在初始值附近波動,低溫快速拉伸條件下伸長率直線下降。結(jié)論低溫下推進劑老化力學性能的變化趨勢與高溫老化不盡相同,造成這種差異的原因可能是老化機理不同所致。

推進劑;老化;力學性能

固體火箭發(fā)動機在裝備部隊后面臨的一個重要問題是其貯存壽命問題。發(fā)動機中推進劑裝藥的壽命是發(fā)動機壽命的薄弱環(huán)節(jié),推進劑裝藥的壽命很大程度上決定著發(fā)動機的壽命,研究發(fā)動機中推進劑裝藥的性能隨環(huán)境條件及時間變化的規(guī)律顯得十分必要。

近幾十年來,國內(nèi)外研究者大多將精力集中在推進劑高溫加速老化方面[1—14],為了指導推進劑高溫加速老化試驗,國內(nèi)已有相應的行業(yè)標準 QJ 2328A—2005《復合固體推進劑高溫加速老化試驗方法》[15]。推進劑高溫加速老化試驗實際上是強化了溫度應力對推進劑性能的影響,老化的機理主要是化學老化(后固化、高聚物斷鏈、氧化交聯(lián))。

對于小型戰(zhàn)術(shù)導彈,尤其是空空導彈發(fā)動機,其使用溫度范圍寬廣(-55～71℃),在導彈的服役期內(nèi)有在低溫下長期存放的環(huán)境任務(wù)剖面。對于目前廣泛采用的貼壁澆注裝藥型式,由于發(fā)動機殼體與推進劑熱膨脹系數(shù)的差異,發(fā)動機在低溫下長期存放會因溫度應力而導致裝藥低溫損傷。這種損傷的機理是應力應變帶來的物理損傷,其對推進劑性能的影響在國內(nèi)外尚未見諸報導。

文中基于探索推進劑低溫老化損傷的目的,開展了某推進劑方坯低溫加速老化試驗,考察了推進劑在-10℃和-28℃這兩個溫度下長期存放的力學性能的變化趨勢。選用單軸拉伸條件下推進劑的最大拉伸強度和最大伸長率作為老化性能特征參數(shù),研究了推進劑的低溫老化性能,以期為發(fā)動機設(shè)計全面考慮低溫存放對壽命的影響并進而進行壽命折算提供參考。

1 試驗件與試驗條件

試驗所用推進劑為丁羥三組元推進劑,總固體質(zhì)量分數(shù)為88%,鋁粉質(zhì)量分數(shù)為18%,為TDI固化體系。

推進劑方坯在70℃固化10 d,固化后的方坯采用鋁塑薄膜密封后放入低溫試驗箱中老化,低溫老化試驗箱溫度分別為-10℃和-28℃,溫度波動不超過±2℃。定期取出方坯,在室溫干燥器內(nèi)存放20～24 h自然恢復到接近常溫狀態(tài)后,切制成標準啞鈴型試件。在INSTRON 5567拉伸機上測試推進劑最大拉伸強度和最大伸長率。啞鈴型試件從切制完成到保溫直至完成最后性能測試的時間控制在2～8 h之內(nèi)。

該試驗的測試條件有2種。

1)常溫測試:拉伸速度為100 mm/min,測試溫度為(23±2)℃;

2)低溫快速拉伸測試:拉伸速度為 500 mm/min,測試溫度為(-55±2)℃。

2 試驗數(shù)據(jù)

推進劑加速老化試驗的結(jié)果見表1、表2,0周的數(shù)據(jù)為未老化初始測試數(shù)據(jù)。常溫測試和低溫快速拉伸測試情況下推進劑最大拉伸強度和最大伸長率變化趨勢如圖1、圖2所示。

表1 -28℃貯存下的推進劑方坯測試結(jié)果Table 1 Test results of propellant billet under-28℃ storage

表2 -10℃貯存下的推進劑方坯測試結(jié)果Table 2 Test results of Propellant billet under-10℃ storage

3 結(jié)果分析

3.1 常溫測試

由表1、表2中試驗數(shù)據(jù)和圖1可以看出,推進劑方坯在-10℃和-28℃下經(jīng)過19周的長期貯存后,在常溫測試條件下,最大拉伸強度開始有所下降,隨著貯存時間的增加,強度慢慢升高,但是最終仍然未達到初始強度值,只達到初始值的90%左右。推進劑常溫最大伸長率變化趨勢相對較為復雜,但基本上是在初始值附近波動。

圖1 常溫測試推進劑的力學性能Fig.1 The mechanical properties of propellant in normal temperature test

圖2 低溫測試推進劑的力學性能Fig.2 The mechanical properties of propellant in low temperature test

3.2 低溫快速拉伸測試

由表1—2中試驗數(shù)據(jù)和圖2可以看出,推進劑方坯在-10℃和-28℃下經(jīng)過19周的長期貯存后,在低溫快速拉伸測試條件下,最大拉伸強度在老化初期有所下降。隨著貯存時間的增加,強度慢慢升高,但最終仍然未達到初始強度,只有初始值的94%左右。

推進劑低溫快速拉伸情況下伸長率變化趨勢較為直觀,基本呈現(xiàn)出直線下降的規(guī)律,且貯存溫度越低,貯存時間越長,下降的幅度越大。-10℃下貯存19周,最大伸長率下降到23.8%,與初始值相比下降了37%;-28℃下貯存14周,最大伸長率下降到22.2%,與初始值相比下降了41%。

4 問題與討論

丁羥推進劑在低溫與高溫下表現(xiàn)出不同的老化現(xiàn)象,可能與兩者的老化機理不同有關(guān),初步分析如下。

推進劑高溫老化強化的是溫度應力的影響,老化的機理主要是后固化、高聚物斷鏈和氧化交聯(lián)等導致的化學老化。在低溫下由于溫度相對較低,發(fā)生化學老化的速度十分緩慢,化學老化現(xiàn)象很難呈現(xiàn)出來,而由應力應變導致的推進劑損傷等物理老化現(xiàn)象凸現(xiàn)出來。

推進劑在低溫下的老化損傷可能有以下兩個方面的機理。

1)推進劑中固體顆粒與粘合劑界面損傷。界面損傷又有兩個方面的原因:鍵合劑失效或部分失效;固體顆粒與粘合劑界面“脫濕”。其中鍵合劑的作用機理有兩方面:一方面依靠自身所含的極性基團通過物理吸附作用在氧化劑高氯酸銨表面;另一方面依靠自身所含的活潑氫與固化劑的異氰酸酯基團反應,進入粘合劑固化網(wǎng)絡(luò),使高氯酸銨顆粒與鍵合劑、固化劑和粘合劑通過化學交聯(lián)作用連為一體,形成高模量的抗撕裂層?；瘜W交聯(lián)作用在高、低、常溫下均比較穩(wěn)定,而物理吸附受溫度的影響比較大,有些物理吸附在低溫下會失去作用。由于低溫下固體顆粒和粘合劑各自向內(nèi)部收縮,導致兩相界面出現(xiàn)拉應力,拉應力達到一定量級或隨著時間的延長,就會導致兩相界面逐漸撕裂進而出現(xiàn)界面“脫濕”。

2)高聚物網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)內(nèi)聚損傷。低溫導致推進劑內(nèi)部高聚物網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)收縮并逐漸被凍結(jié),網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和鏈段運動受阻,剛性增加。溫度越低,高聚物網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)內(nèi)聚應力越大。隨著貯存時間的增加,應力的作用會造成推進劑高聚物網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)內(nèi)聚損傷,宏觀上表現(xiàn)為推進劑硬而脆,抗拉強度高,伸長率低。

推進劑低溫老化損傷的兩種機理可以較好地解釋文中的試驗結(jié)果。老化初期,在低溫情況下,鍵合劑與高氯酸銨顆粒表面物理吸附失效或部分失效,導致推進劑承載能力下降,抗拉強度降低,而化學交聯(lián)仍在起作用,因此強度雖然降低,但降低的幅度不大。隨著貯存時間延長,低溫導致推進劑內(nèi)部高聚物網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)收縮并逐漸被凍結(jié),網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和鏈段運動受阻,剛性增加。在常溫測試條件下,由于方坯從低溫箱中取出至慢慢恢復到自然溫度的時間有20～24 h,被凍結(jié)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)慢慢恢復了彈性,鏈段運動能力也逐漸恢復,因此,推進劑的剛性雖然有所增加但增加的幅度不大。低溫導致的物理吸附一旦失效便不能恢復,由推進劑剛性增大導致的強度增加量不足以彌補由物理吸附失效導致的強度降低量,因此,推進劑的強度無法恢復到未老化的初始值。在低溫快速拉伸測試條件下,推進劑相當于經(jīng)歷了低溫(-10,-28℃)→常溫(23℃)→低溫(-55℃)的溫度循環(huán)過程,在-55℃下高聚物網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)內(nèi)聚損傷的機理凸現(xiàn)出來,推進劑變得硬而脆,抗拉強度高,伸長率大幅度降低。鑒于國內(nèi)外開展推進劑低溫老化試驗研究較少和推進劑低溫老化機理的復雜性,文中提出的低溫老化機理尚需要進一步驗證。

5 結(jié)論

對某推進劑開展了-10℃和-28℃低溫加速老化試驗,并在常溫正常拉伸和低溫快速拉伸條件下測試了老化后推進劑的力學性能,得到如下結(jié)論。

1)常溫正常拉伸條件下推進劑最大拉伸強度在老化初期有所下降,隨著貯存時間的增加,強度慢慢升高,但最終仍然恢復不到初始強度,伸長率基本上是在初始值附近波動。

2)低溫快速拉伸條件下推進劑最大拉伸強度變化趨勢與常溫正常拉伸條件下基本相同,而伸長率基本呈現(xiàn)出直線下降的規(guī)律。

3)初步分析表明,推進劑低溫老化機理與高溫老化機理不同,推進劑低溫老化機理可能是應力作用下的物理損傷。該機理可以較好地解釋文中的試驗結(jié)果。

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Low-temperature Accelerated Aging Study of a Propellant

CAO Fu-qi1,LI Xiao-huan1,LIU Zhi-cheng2,LI Yan-li3,YUN Sheng3

(1.China Airborne Missile Academy,Luoyang 471009,China; 2.Air Force Military Representative Office in Baotou,Huhhot 010010,China; 3.The 46th Institute of the Sixth Academy of CASIC,Huhhot 010010,China)

ObjectiveTo study the characteristic changing trends of a propellant at-10℃ and-28℃.MethodsLowtemperature accelerated aging test method was used.ResultsAt low temperature,the maximum tensile strength of the aging propellant first decreased and then gradually increased.The changing trend of elongation rate was quite complicated.At room temperature and normal tensile speed,the elongation rate fluctuated around the initial value,while at low temperature and rapid tensile,the elongation rate showed linear decrease.ConclusionThe changing trends of mechanical properties seemed different during aging at low or high temperature,the cause of which might be the different aging mechanism.

propellant;aging;mechanical properties

10.7643/issn.1672-9242.2014.04.017

V512

:A

1672-9242(2014)04-0088-05

2014-03-11;

2014-04-15

Received:2014-03-11;Revised:2014-04-15

曹付齊(1966—),男,河南上蔡人,高級工程師,主要研究方向為固體火箭發(fā)動機裝藥設(shè)計。

Biography:CAO Fu-qi(1966—),Male,from Shangcai,Henan,Senior engineer,Research focus:solid rocket motor charge design.