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固体推进剂细观力学与本构关系研究

宋丹平  
【摘要】: 作为一种具有特定性能和是功能的含能复合材料,固体推进剂是运载火箭、洲际导弹以及战术导弹等动力能源的关键材料,其性能特别是力学性能直接影响到战略和战术导弹的生存能力和作战效能。因此开展固体推进剂细观力学行为研究,探索固体推进剂损伤、破坏及失效机理,建立固体推进剂的本构关系,对新一代固体推进剂的研发具有重要的意义。本文以一种固体推进剂为主要研究对象,分别从细观力学和本构关系两方面研究该固体推进剂的力学行为: 1、采用原位拉伸扫描电镜装置对固体推进剂进行原位拉伸实验,观察固体推进剂的细观损伤和拉伸破坏机理,分析固体推进剂中的初始损伤、固体颗粒体积含量和粒度大小对其细观结构演化的影响。 2、原位拉伸实验的结果表明: 固体推进剂的初始损伤主要有三种表现形式:(1)破碎的晶粒,主要表现为AP晶粒的破碎;(2)微裂纹和空穴,主要发生在基体中;(3)粘结剂的包裹不全,主要表现为HMX和大颗粒的AP粒子与粘结剂的界面脱湿。其中固体颗粒与粘结剂的界面脱湿这种初始损伤形式对推进剂拉伸破坏的影响最大。并且固体颗粒含量越多、粒径越大、界面初始脱湿程度越严重,对拉伸破坏的影响也就越大。 固体推进剂中的三种固体颗粒HMX、Al、AP体积含量和粒度大小对推进剂细观结构演化的影响各不相同,且它们在拉伸时的破坏方式也各不相同:(1)HMX粒子的破坏方式主要是固体颗粒与粘结剂的界面脱湿;(2)Al粒子的破坏方式主要是基体破坏或粘结剂的断裂;(3)AP粒子的破坏方式是界面脱湿与粘结剂断裂共存,但粘结剂的断裂占主导地位。 3、利用万能材料试验机对固体推进剂在常温下进行了准静态拉伸实验,拉伸速率固定为10mm/min,根据实验得到的结果及其应力应变响应特征,将Ramberg-Osgood模型在前人修正的基础上继续加以改进,并考虑到细观力学实验中观察到的损伤,唯象地建立了该固体推进剂的本构方程。通过Origin软件拟合后发现,改进后的本构模型能够很好的描述该固体推进剂在常温下、拉伸速率为10mm/min时的力学行为。 4、将原位拉伸实验与准静态拉伸实验得到的结果进行对比表明,这两种实验结果吻合的很好。且通过这两种实验得到的应力应变曲线形状一致,都表现出明显的非线性行为。


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