固体火箭发动机粘接界面湿热老化与寿命评估

由天下分享时间：2024/11/24 11:45:39 加入收藏我要投稿点赞

固体火箭发动机粘接界面湿热老化与寿命评估①

张晓军1，常新龙1，陈顺祥1，范世锋2

【摘要】摘要:通过对固体火箭发动机衬层-推进剂粘接界面的湿热加速老化试验以及不同老化时间下粘接界面的扯离强度测量，分析了不同湿热老化条件下试验件扯离强度随老化时间的变化规律。综合运用Eyring模型与Arrhenius模型，建立了粘接界面湿热老化寿命模型，预测了正常贮存条件下发动机的贮存寿命。研究结果表明，粘接界面平均扯离强度随老化时间呈下降趋势，中间有一个强度趋于稳定的平台期;在温度为20℃，湿度为65%RH条件下，粘接界面的强度半衰期寿命为 12.8 a。【期刊名称】固体火箭技术【年(卷),期】2013(036)001 【总页数】5

【关键词】关键词:粘接界面;湿热老化;寿命评估;扯离强度【文献来源】

https://www.zhangqiaokeyan.com/academic-journal-cn_journal-solid-rocket-

technology_thesis/0201219358012.html

0 引言

固体火箭发动机粘接界面是由发动机壳体、绝热层、衬层料浆和推进剂药浆料等经各种表面处理、粘贴涂敷和固化、半固化工艺而形成的由壳体-绝热层、绝热层-衬层、衬层-推进剂3种界面组合而成的多层粘接结构。粘接失效是固体火箭发动机最常见的失效模式之一，据统计国外失败的固体发动机中近1/3是由界面脱粘造成的［1］。因此，粘接界面的贮存老化性能引起工程界和学术界的广泛关注，宋先［2］对发动机粘接界面进行了高温加速老化试验，测试了老

化后粘接界面的扯离强度，并利用阿伦尼乌兹方程预测了发动机使用寿命。付东升［3］通过模拟实际生产过程的环境湿度，研究了丁羟推进剂药柱各界面的联合粘接强度变化状况。李晓光［4］采用微型拉伸试验方法，对丁羟推进剂/衬层粘接界面进行了性能测试。吴丰军等［5－6］运用XPS分析手段表征了NEPE推进剂/衬层粘接界面的化学组成和老化历程，研究了粘接界面细观力学性能、结构与破坏方式的差异及内在关联。以上老化研究都是针对单一环境应力开展的，实际使用中，粘接结构往往处于复杂的湿、热等环境条件。较高的温度会使衬层和推进剂体系发生后固化，加速橡胶绝热层的氧化分解，降低其内聚强度，同时也会加快界面处组分的迁移。湿度对发动机粘接界面主要有两方面影响［7］，即促进聚合物水解及促进弱边界层形成。在湿热环境中，由于高温的存在，湿气对发动机粘接界面的浸透率将比普通高湿环境时更大，水解和弱边界层作用也会更加明显，使得湿度对装备的影响将更加严重。因此，很有必要开展湿和热两种环境因素共同作用下粘接界面性能研究，以更加准确的评估其贮存寿命。

本文以固体火箭发动机衬层-推进剂粘接界面为对象，通过制作矩形扯离试验件模拟实际结构，对其进行不同湿热条件下加速老化试验，研究湿热环境对其性能的影响。并通过建立湿热老化寿命模型，评估其在湿热条件下的贮存寿命，作为评估固体火箭发动机贮存寿命的参考依据。

1 湿热老化试验

1.1 试验件

试验件的制作参考QJ 2038.1A—2004燃烧室界面粘接强度测试方法(矩形试件扯离法)［8］，如图1所示。试件中所用的绝热层/人工脱粘层、衬层及推进

剂配方与发动机所用的相同。推进剂采用端羟基聚丁二烯复合固体推进剂(HTPB)，主要成分包括高氯酸铵、金属燃烧剂铝粉、固化剂、增塑剂等;绝热材料主要成分为丁腈橡胶;衬层主要成分为丁羟胶，还包括二氧化硅、苯乙烯等。 1.2 试验内容 (1)湿热老化试验

设置4种湿热环境条件对试验件进行加速老化试验:70℃，70%RH;70℃，90%RH;60℃，70%RH;60℃，90%RH。 (2)扯离强度试验

扯离强度试验是检验加速湿热老化对矩形试件粘接强度的影响并进行量化分析的重要手段。对每种环境条件下的试验件，每隔2～4 d取出1组试验件(有效样本数不少于3个)进行扯离强度性能测试，测试方法参考QJ 2038.1A—2004执行，测试前应存放于室温干燥器中停放时间应不少于1 h。 1.3 仪器设备

(1)SDJ 705型高低温湿热交变试验箱

温湿度调节范围分别为－70～+100℃和30% ～98%RH，温湿度偏差分别为±2℃和±3%RH，在湿热模式下其温度均匀度小于等于1℃，波动度为±0.5 ℃。 (2)CMT 5205微机控制电子万能试验机

最大试验力为200 kN，最小分辨力为1 N，示值误差极限在±1.0%以内。

2 结果与分析

2.1 湿热老化试验现象与分析