背景

HTPB涂層是一種具有粘彈性的聚合物，其主要功能是粘接和緩沖應(yīng)力，還具有隔熱和防火的功能。目前，固體火箭發(fā)動機中使用的大多數(shù)涂層都是由HTPB和異氰酸酯交聯(lián)熱固化形成的。在長期儲存過程中，由于熱循環(huán)、儲存、運輸、點火時的快速啟動以及飛行時的加速，產(chǎn)生的應(yīng)力會導(dǎo)致涂層結(jié)構(gòu)和機械性能的下降。作為固體火箭發(fā)動機中最重要的組件之一，HTPB涂層的機械性能下降將直接導(dǎo)致復(fù)合固體推進劑在使用過程中發(fā)生火災(zāi)、過載甚至爆炸的危險，這將影響固體火箭發(fā)動機的正常使用壽命并造成嚴重的安全和經(jīng)濟問題。聚合物材料的微觀結(jié)構(gòu)將直接影響宏觀機械性能，在受力時變化更為復(fù)雜。然而，聚合物材料在受力時的微觀結(jié)構(gòu)變化的直接實驗證據(jù)卻很少。在不同的應(yīng)變條件下，機械性能的變化機制難以獲得。為了解決這一問題并精確探究HTPB涂層的微觀結(jié)構(gòu)，本應(yīng)用創(chuàng)新性的采用低場核磁技術(shù)，通過測量不同應(yīng)變下材料的橫向弛豫特性、交聯(lián)密度和微觀結(jié)構(gòu)，研究應(yīng)變對HTPB涂層材料性能的影響。

在本應(yīng)用中，應(yīng)用了紐邁公司生產(chǎn)的VTMR20-010V-T型號低場核磁設(shè)備，利用CPMG序列獲取了HTPB涂層在不同應(yīng)變下（將HTPB涂層試樣固定在夾具上，分別拉伸至四個恒定應(yīng)變水平，分別為0%、5%、10%和15%）的橫向弛豫衰減曲線。將橫向弛豫衰減分為兩部分：快速衰減和慢速衰減，并通過XLD方法計算了交聯(lián)密度。分析了不同應(yīng)變下HTPB涂層的橫向弛豫特性及其微觀結(jié)構(gòu)的變化。

圖一：0%，5%，10%，15%應(yīng)變水平下的交聯(lián)密度值

圖一可以看出，隨著恒定應(yīng)變水平的增加，HTPB涂層的交聯(lián)密度呈現(xiàn)出下降的趨勢。這主要是因為在應(yīng)力的作用下，HTPB涂層的分子鏈從折疊狀態(tài)展開，分子鏈重新取向，分子鏈的物理纏結(jié)被解離，鏈間交聯(lián)鏈的鏈長增加，因此在力的方向上有更多的取向選擇。同時，高應(yīng)變條件會對HTPB涂層造成一定程度的損傷，導(dǎo)致HTPB涂層的交聯(lián)密度隨恒定應(yīng)變水平的增加而降低。

圖二：不同應(yīng)變下的T₂曲線

圖三：不同應(yīng)變下的T₂反演曲線

圖二展示了不同應(yīng)變條件下的衰減曲線。隨著應(yīng)變的增大，曲線的衰減幅度逐漸減小，這表明應(yīng)變越大，材料的交聯(lián)密度越小，這與圖二中交聯(lián)密度的測試結(jié)果一致。然而，曲線只能定性地顯示HTPB涂層交聯(lián)結(jié)構(gòu)的變化趨勢。為了定量描述橫向弛豫特性，通過進一步處理，得到了T₂弛豫的反演曲線，如圖三所示。隨著應(yīng)變的增加，反演曲線有向右移動的趨勢。快速橫向弛豫時間從0.572毫秒增加到1.000毫秒，慢速橫向弛豫時間從12.328毫秒增加到21.544毫秒，T₂的總峰面積從5889.298增加到6615.835。這種現(xiàn)象的主要原因是應(yīng)變效應(yīng)導(dǎo)致鏈段之間的距離增加。分子鏈從卷曲狀態(tài)展開，分子鏈重新排列，因此在力的方向上有更多的取向選擇，橫向弛豫的衰減幅度減慢。

本應(yīng)創(chuàng)新性的使用了低場核磁技術(shù)來研究應(yīng)變對HTPB涂層材料性能的影響，這對想做動態(tài)下材料測試的研究者們提供了全新的思路。

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參考資料

【1】Du, Y. Q, Zheng, J, Zhi, J. Z, Zhang, X. Influence of Strain on the Microstructure and Transverse Relaxation Characteristics of HTPB Coating Using Low-Field 1H NMR Spectroscopy. Materials Science Forum, 2019, 956, 117–124.