Mechanical Behavior and Mesoscopic Mechanisms of Solid Propellants under Accelerated Aging Conditions

Abstract

本文采用宏观-细观相结合的试验分析方法，研究了HTPB（端羟基聚丁二烯）和NEPE（硝酸酯增塑聚醚）两种典型固体推进剂在不同热加速老化条件下的宏观力学性能变化规律及对应的细观损伤机制。系统地揭示了两种推进剂不同热加速老化下的行为特征及其内在机理。 在实验分析方面，本文根据已有标准对已经进行过严格等效的热加速老化推进剂材料进行单轴拉伸、应力松弛等力学测试，分析拉伸速率，温度及加速老化时间对宏观力学性能的影响，并定量分析对各影响因素对推进剂材料的宏观力学性能变化的影响。同时，利用电子计算机断层扫描(显微CT)与扫描电镜(SEM)等先进细观尺度表征技术，对两种推进剂在不同热加速老化条件下的细观结构演化进行了定量分析。 宏观力学测试结果表明HTPB固体推进剂的热加速老化驱动材料损伤由韧性向脆性转变，早期热加速老化对材料的性能影响更大。通过细观尺度表征并对结果进行量化，发现高拉伸速度率下材料倾向脆性断裂，推进剂材料各组分间的界面结合力退化促使孔隙处裂纹扩展。不同热加速老化下材料宏观力学性能的变化主导因素为材料各组分间的界面损伤和孔隙导致的损伤累积。 NEPE推进剂则由于更加分散的填充颗粒尺寸分布因而在热加速老化后表现出更为复杂的宏观力学行为特征。低温条件（-40 ℃）对材料强化效应尤为突出，材料的抗拉强度随拉伸速率升高显著增强，热加速老化过程中材料出现明显的软化现象。细观试验表征量化结果显示，随着热加速老化，NEPE推进剂材料内基体收缩显著，颗粒/基体界面脱粘程度加剧，材料内部孔隙率明显升高。 对比分析发现，两种热加速老化的推进剂材料表现显著差异的宏观力学特性。HTPB推进剂具有更好的长期贮存稳定性，其老化过程相对缓慢且规律性较强；而NEPE推进剂虽然具有更高的能量特性，但对环境条件更为敏感，老化速率更快。本研究对温度和拉伸速率影响下的两种使用最为广泛的固体推进剂材料的热加速老化损伤机理进行系统的宏观-微观相结合分析，所建立的实验方法为固体推进剂的安全性评估和性能优化提供了重要参考。</p