ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СТРТ
Боковой ускоритель Спейс шаттл — твердотопливный ракетный ускоритель, пара которых обеспечивают 83 % стартовой тяги. Это самая большая ракета из созданных для повторного использования и наиболее мощный ракетный двигатель из всех применявшихся, на твёрдом или жидком топливе. Каждый ускоритель имеет длину 45, 5 метров, диаметр 3, 7 метров и стартовую массу 580 000 кг, из которых около 499 000 кг составляет твёрдое топливо. Два боковых ускорителя дают основную тягу для отрыва системы от стартового стола и подъёма до высоты около 46 километров. Каждый ускоритель имеет стартовую тягу (на уровне моря) приблизительно 12, 45 МН. Через 60 секунд после старта тяга вырастает до 13, 8 МН (1404 тс). После отделения от системы, ускорители достигают высоты полёта 67 км, после чего, с помощью парашютной системы совершают посадку в океане. На месте приводнения ускорители подбираются и доставляются на завод-изготовитель для восстановления и повторного использования. 2 Ускорители собраны из четырёх индивидуально изготовленных стальных сегментов.
Схема ракетного двигателя с прочно скрепленным зарядом Маршевый двигатель с высоким коэффициентом использования рабочего объёма (третья ступень межконтинентальной баллистической ракеты) 3
Механические свойства вкладных и прочно скрепленных зарядов Физико-механические характеристики (20 о. С) Вид энергетического материала Р , кгс/см 2 р, % Е 2% , кгс/см 2 Тс , о С БП (только вкладные заряды) 60 -120 10 -25 2000 -3000 +50 +95 СТРТ для вкладных зарядов 20 -100 5 -15 300 -800 От +15 до – СТРТ для прочно скрепленных зарядов 5 -12 30 -100 30 -120 80 о. С 4
Компонентный состав СТРТ Дополнительные Полимерная основа Наполнители компоненты Активные и Окислители: перхлораты, Отверждающие неактивные нитраты, АДНА и добавки связующие на основе её соли и др. пластифицированных Катализаторы Энергетические горения высокомолекулярных компоненты: полимеров или металлическое Адгезионные олигомеров горючее (Al и др. , добавки гидриды Ме); Общее содержание МВВ (октоген, CL Технологические пластификаторов в -20 и др. ); добавки, полимерной основе улучшающие Общее содержание наполнителей реологические от 20 до 80 -90 % 40 -90 % свойства топливной массы 5
Общие характеристики структуры и свойств СТРТ – высоконаполненные полимерные композиты. Компонентный состав СТРТ определяется, в первую очередь, энергетическими требованиями. Требования по механическим и технологическим характеристикам топлива определяют выбор типа полимера и его молекулярные характеристики, степень пластификации, выбор адгезионных и отверждающих добавок, режимов отверждения. Принципиальной особенностью компоновки составов является то, что все группы требований взаимосвязаны и влияют друг на друга: изменение состава топлива или свойств отдельных компонентов с целью регулирования одной характеристики, как правило, приводит к изменению (часто нежелательному) других свойств топлива. Примеры взаимосвязанности свойств Увеличение степени Применение ПАВ для наполнения для Введение адгезионных добавок с улучшения реологии повышения целью улучшения механических может ухудшать энергетики приводит свойств может привести к прочностные и с ухудшению снижению энергетических энергетические реологических и характеристик свойства 6 механических свойств
Общие характеристики структуры и свойств СТРТ Полимерная основа большинства СТРТ (за исключением небольшой группы топлив на термопластичной основе) представляет собой пространственно сшитый эластомер, который может находится в высокоэластическом и иногда в стеклообразном состояниях. Температура стеклования топлив для прочно скрепленных зарядов на неполярных связующих и полярных связующих с большим содержанием пластификатора равна – 50 – 80 о. С. Температура хрупкости СТРТ на 10 20 о ниже температуры стеклования. Необходимость обеспечения низких величин Тс и модуля для скрепленных с корпусом зарядом обусловлено задачей снижения напряжений, возникающих при деформации заряда. Деформированный материал с низкой Тс характеризуется низким уровнем напряжений, возникающих при его эксплуатации. Слабая зависимость модуля от температуры при Т>Tн определяет стабильность напряженно- деформированного состояния 7
Разрушение композитов в высокоэластическом состоянии Основным видом деформаций СТРТ является высокоэластическая деформация. Наибольшее значение для скрепленных зарядов имеют деформационные и прочностные свойства при растяжении. Для вкладных зарядов более важны механические свойства при сжимающих нагрузках. Основные стадии разрушения: • Деформация полимерной матрицы и возникновение внутренних напряжений в пространственной сетке вулканизата и на границах раздела отвержденного связующего с наполнителем. • Возникновение и накопление микроскопических разрывов сплошности (микропор) в результате разрушения наиболее слабых физических связей между наполнителем и связующим. • Локализация разрушения, образование макротрещины и её рост. Общая деформация материала реализуется за счет деформирования связующего и накопления микропор. Разрыв химических связей в пространственной сетке вулканизата происходит преимущественно на завершающих стадиях разрушения. 8
Влияние адгезии на характер разрушения
Характер поверхности разрыва при различном уровне адгезионного взаимодействия связующего с наполнителем Плохая адгезия Хорошая адгезия ПХА Октоген CL-20 Характер поверхности наполнителей после разрушения
Кривые растяжения композитов с различной величиной адгезионного взаимодействия связующих с наполнителями Наличие горба в точке а отвечает моменту начала отслоения связующего от наполнителя. Спад напряжений на участках ab и acb связан с накоплением адгезионных микроразрушений, приводящих к увеличению объема растягиваемого образца и деформацией связующего. В точке с образец теряет макроскопическую сплошность и начинает разделяться на части. Макроскопическое разрушение происходит в точке b. Кривая 2 характеризует процесс разрушения материала с высокой адгезией связующего к наполнителям. 11
Основные факторы, влияющие на механические свойства: • природа и свойства полимерного компонента связующего (химическое строение и регулярность макромолекул, полярность, наличие функциональных групп, способствующих увеличению адгезии полимера к наполнителям, молекулярная масса и ММР; • температура стеклования связующего, вид и количество пластификатора; • степень отверждения, плотность и строение пространственной сетки, дефектность сетки; • вид и количество наполнителей, форма и размеры частиц, гранулометрический состав, поверхностные свойства наполнителей, влияющие на величину адгезионного взаимодействия со связующим. Важным достоинством СТРТ является возможность регулирования их механических свойств в широких пределах. Однако, многообразие баллистических, технологических, механических и других эксплуатационных требований, часто противоречащих другу, резко ограничивает эти потенциальные возможности. 12
Влияние полимерного компонента на механические свойства Влияние молекулярной массы и ММР полимера на прочность вулканизатов и топлив связано, в первую очередь, с уменьшением дефектности пространственных сеток вулканизата. Увеличение регулярности сетки способствует однородному распределению напряжений между отрезками цепей. Это приводит к некоторому увеличению прочности и модуля упругости, снижению разрывных деформаций. Зависимость прочности от молекулярной массы полимера для Использование высокомолекулярных топлив на основе малополярных полимеров требует введения в состав полимеров. связующего значительных количеств пластификаторов 13
Влияние полярности полимерного компонента на механические свойства Полярные полимеры часто используют в тех случаях, когда необходимо увеличить модуль упругости (например, высокомодульные топлива для вкладных зарядов). Такие полимеры имеют повышенные значения Тс. Для повышения энергетических свойств топлив используют энергетически активные полимеры, содержащие в своём составе полярные группы: -NO 2, - 0 N 02, -N 3 и др. Применение полярных полимеров позволяет вводить в состав топлива энергетически активные пластификаторы: нитроэфиры, азиды и др. В случаях применения полярных полимеров для низкомодульных топлив, в состав связующего необходимо вводить значительное количество пластификаторов, способствующих улучшению реологических свойств топливных масс и снижению модуля упругости топлива. 14
Влияние пластификаторов на механические свойства Увеличение содержания пластификатора приводит к снижению температуры стеклования, модуля упругости и разрывной прочности, увеличению разрывной деформации. 15
Влияние особенностей системы отверждения Использование различных типов и количеств отверждающих агентов позволяет эффективно регулировать параметры сетчатой структуры вулканизатов и, таким образом, изменять комплекс механических характеристик. Влияние плотности сетки на модуль Примеры регулирования механических свойств Полиуретановые связующие. Плотность сеток можно регулировать: • путем применения полиэфиров с различной молекулярной массой и различной степенью разветвленности молекул; • путем изменения количества удлинителей цепи (олигомерные диолы) и разветвляющих агентов (бутантриол, глицерин); • путем использования различных видов диизоцианатов и изменения их соотношения. Аналогичные принципы используются для регулирования механических свойств топлив на основе других полимеров с концевыми функциональными группами (например, каучуки СКД-КТР, ПДИ-1, ПДИ-3 А и др. ). 16
Влияние особенностей системы отверждения Эффективным способом улучшения механических свойств может быть использование комбинированных систем отверждения. Отверждение карбоксилированных полибутадиенов Для отверждения карбоксилированных ненасыщенных полимеров используют многокомпонентные системы отверждения: сера – основной отверждающий агент для отверждения по двойным связям, тиурам – ускоритель (одновременно может выполнять функцию сшивающего агента), оксид цинка – активатор серной системы отверждения и дополнительный сшивающий агент, образующий солевые связи с карбоксильными группами каучука, эпоксидные смолы – самостоятельный сшивающий агент, образующий поперечные 17
Влияние степени наполнения на прочность Характер влияния степени наполнения на механические свойства зависит от прочности вулканизата связующего и адгезионной прочности вулканизата к наполнителям. Типы характера разрушения: адгезионный (разрушение по поверхности раздела ежду астицами аполнителя вязующего), м ч н ис когезионный (разрушение по слою вулканизата), смешанный (сочетание адгезионного и когезионного разрушения). Увеличение концентрации наполнителя приводит к Зависимость прочности от степени увеличению поверхности раздела между фазами. При наполнения: слабой адгезионой прочности увеличение концентрации 1 -когезионный тип разрушения; наполнителя снижает прочность топлива. Если прочность 2 -адгезионный тип разрушения. топлива определяется прочностью вулканизата, увеличение степени наполнения может либо не влиять на прочность, либо привести к её небольшому увеличению. 18
Влияние степени наполнения на модуль упругости Уравнение, описывающее зависимость модуля упругости топлива от степени наполнения (в области малых деформаций) имеет вид: где Е Т и ЕВ – модуль упругости топлива и вулканизата, и М - объемная доля наполнителя в топливе и предельно возможная степень наполнения, К - коэффициент усиления, зависящий от и При предельно высоких степенях / М наполнения ЕТ/EВ . Это состояние, однако, не достигается в связи с интенсивным разрушением материала. 19
Влияние степени наполнения на критическую деформацию при разрушении Предельная деформация топлива определяется деформацией слоев эластичного вулканизата. Увеличение степени наполнения приводит к уменьшению доли эластичной прослойки между частицами наполнителя. Микродеформация эластичных слоев во много раз превышает макродеформацию топлива. С увеличением степени наполнения уменьшается величина критической деформации К= Т/ В, при которой происходит разрушение топлива Для многих типов связующих при реальных степенях наполнения (75 -85%) величина разрывной деформации топлива составляет 3 – 5% от величины деформации не наполненного вулканизата. Величина критической деформации зависит от размера и формы частиц наполнителя. Применение частиц округлой формы приводит к снижению концентрации напряжений на границах раздела, это повышает деформационные и прочностные характеристики. 20
Влияние гранулометрического состава наполнителя Применение монодисперсного наполнителя в виде частиц шарообразной формы обеспечивает максимальную плотность упаковки М=64%. Двухфракционный наполнитель с размерами частиц, отличающимися в 10 раз увеличивает плотность упаковки до 86%. Деформация топлива определяется деформацией полимерной прослойки, зависящей от её деформационных свойств и толщины. Увеличение плотности упаковки частиц наполнителя приводит к увеличению эффективной толщины полимерных слоев между частицами наполнителя и понижению модуля упругости топлива. Оптимизация грансостава является эффективным способом регулирования комплекса свойств топлив: повышение энергетики за счет увеличения степени наполнения при одновременном обеспечении необходимых реологических и механических свойств. 21
Усиливающее действие наполнителей В зависимости от характера влияния на механические свойства, наполнители делят на активные и неактивные (пример активного наполнителя: сажа в резинах). Большинство наполнителей в составах твердых топлив снижают их прочность. Причина снижения прочности – низкий уровень адгезионного взаимодействия с полимерной основой. К усиливающим наполнителям относят порошки Al. В некоторых случаях усиливающим действием обладают мелкие фракции ПХА. МВВ (октоген), не обладает усиливающим действием и значительно ухудшает механические характеристики. Эффективным способом повышения механических характеристик топлив является применение в их составах специальных добавок, увеличивающих адгезионное взаимодействие связующих с наполнителями. Механизм действия адгезионных добавок основан на их способности сорбироваться на поверхности частиц наполнителей и образовывать прочные (физические или химические) связи как с наполнителем, так и с полимером. Схема образования адгезионного контакта на поверхности раздела фаз «окислитель-связующее» 22
Влияние гидростатического давления на механические свойства На механические свойства заряда во время работы ракетного двигателя большое влияние оказывает давление в камере сгорания (гидростатическое давление). Под действием давления продуктов горения (до 100 – 150 кгс/см 2) происходит всестороннее сжатие топлива, в результате чего затрудняется адгезионный отрыв связующего от наполнителя, прекращается рост микродефектов, способствующих концентрации механических напряжений. 23
Влияние скорости деформирования на механические свойства Увеличение скорости деформирования может привести к значительному росту модуля упругости. Влияние этих факторов на механические свойства связано с релаксационным механизмом деформирования. Если время действия нагрузки меньше времени релаксации, то степень релаксации напряжения тем меньше, чем выше скорость деформации. Влияние температуры на зависимость деформации от времени Релаксация напряжения в материалах с различной температурой стеклования Скорость релаксации напряжения в материалах с низкой температурой стеклования больше, чем в материалах с повышенной Тс.
Величина напряжения при скоростном нагружении определяется скоростью релаксации и зависит от степени удаленности температуры материала от его температуры стеклования (Т-Тс). Уравнение Вильямса – Лэндела - Ферри (уравнение ВЛФ): где ТS –температура приведения. При ТS = ТC , С 1 = 17. 44, С 2 = 51, 6. Величина коэффициента приведения a. T не зависит от вида полимера и определяется только величиной разности (Т-ТS ). Полимеры при температурах одинаково удаленных от температуры стеклования имеют одинаковое временя релаксации и одинаковый уровень релаксационных характеристик. Связь между величинами релаксационного модуля упругости, напряжения, деформации при различных температурах ваше Тс можно описать соотношениями:
Влияние скорости деформации на характер разрушения
Скачать презентацию ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СТРТ Боковой ускоритель Спейс шаттл
8. 2012 Механические свойства СТРТ.ppt