HTPB推进剂药柱抗压强度试验
一、试验目的
HTPB 推进剂药柱由黏合剂（HTPB）、氧化剂（如高氯酸铵）、金属燃料（如铝粉）及固化剂等组成，抗压强度试验旨在：
评估药柱在轴向或径向受压时抵抗塑性变形或断裂的能力，确定其力学性能参数（如抗压强度极限、弹性模量、屈服强度）；
分析药柱在不同工况（温度、加载速率、老化程度）下的抗压性能变化，为发动机设计（如承受内压、振动载荷）提供数据支撑；
优化推进剂配方（如填料含量、固化工艺），确保药柱在储存、运输及燃烧过程中不发生结构破坏。
二、试验准备与样品要求
1. 样品制备
形状与尺寸：
标准试样通常为圆柱体（直径 20-50 mm，高度与直径比 1:1 至 2:1），或立方体（边长 20-30 mm），需避免表面缺陷（如气泡、裂纹）；
样品需从实际药柱中沿不同方向（轴向、径向）取样，模拟各向异性力学性能（推进剂多为颗粒填充复合材料，存在取向性）。
预处理：
样品需在标准环境（温度 20±2℃，湿度 45%-55%）下静置 24 小时以上，消除制备过程中的内应力；
若考核老化性能，需将样品置于高温（如 70℃）或湿热环境（温度 60℃，湿度 90%）中加速老化，再进行测试。
2. 设备与仪器
万能材料试验机：量程需覆盖预期载荷（通常 1-100 kN），精度 ±1%，配备温度控制箱（-50℃至 100℃，模拟极端工况）；
传感器与数据采集系统：力传感器、位移传感器（分辨率 0.001 mm），实时记录载荷 - 位移曲线；
辅助工具：样品夹具（确保轴向加载，避免偏心）、表面打磨工具（保证样品两端平行度≤0.05 mm）。
三、试验方法与流程
1. 静态抗压强度测试（经典方法）
加载方式：
轴向压缩：将样品垂直放置于试验机上下压板之间，以恒定速率（如 0.5-2 mm/min）施加轴向载荷，直至样品破坏（出现裂纹或载荷骤降）；
径向压缩（环向测试）：针对管状药柱，采用径向压缩夹具，测试其抗外压能力（模拟发动机壳体约束下的受力）。
数据采集：
记录载荷 - 位移曲线，计算抗压强度（σ = F/A，F 为破坏载荷，A 为样品横截面积）、弹性模量（曲线初始线性段斜率）、屈服点（载荷 - 位移曲线偏离线性的临界点）；
典型 HTPB 推进剂药柱抗压强度范围为 10-30 MPa（取决于配方中填料含量，铝粉含量越高，强度通常越高）。
2. 变温抗压性能测试
温度梯度实验：
在 - 40℃、-20℃、20℃、50℃、70℃等温度点分别测试，每个温度点样品需在恒温箱中保持至少 1 小时，确保温度均匀；
低温下推进剂会变脆，抗压强度可能升高但韧性下降（易发生脆性断裂），高温下则强度降低（黏合剂软化）。
3. 动态加载测试（模拟冲击载荷）
霍普金森压杆（SHPB）试验：
通过高压气体驱动子弹撞击入射杆，产生应力波加载到样品上，加载速率可达 10²-10⁴ s⁻¹，模拟发动机点火瞬间的冲击载荷；
与静态测试相比，动态加载下抗压强度可能提高 20%-50%（应变率效应，材料表现出率敏感性）。
4. 循环载荷测试（疲劳性能）
施加周期性交变压力（如最大载荷为静态强度的 50%-70%），记录样品出现裂纹的循环次数，评估药柱在长期振动或多次点火工况下的抗疲劳能力。
四、关键影响因素与注意事项
配方与工艺：
填料含量：氧化剂颗粒（如高氯酸铵）与铝粉的填充率越高，药柱强度越高，但过量会导致黏合剂基体连续性下降，反而降低韧性；
固化程度：未完全固化的 HTPB 基体强度不足，需通过 DSC（差示扫描量热法）确认固化反应是否完全。
加载条件：
加载速率：速率过快会使材料表现出更高的强度（惯性效应），需严格控制速率并在报告中注明；
偏心误差：样品与压板不平行或加载偏心会导致局部应力集中，使测试结果偏离真实值（误差应≤5%）。
环境因素：
湿度：HTPB 推进剂对水分敏感，高湿度可能导致填料界面脱粘，测试前需严格控制环境湿度；
老化程度：长期储存后，推进剂可能因组分迁移或化学降解导致强度下降，需对比新制样品与老化样品的性能差异。
五、试验数据的应用与意义
发动机结构设计：根据抗压强度数据确定药柱的支撑结构（如星型药柱的根部需承受更大应力，需提高局部强度）；
安全性评估：抗压强度低于发动机工作压力时，药柱可能发生坍塌，引发燃烧不稳定甚至爆炸，需确保安全裕度（设计强度通常为工作压力的 2-3 倍）；
配方优化方向：
若强度不足，可增加固化剂用量、优化填料表面处理（如偶联剂改性）以增强界面结合；
若韧性不足（低温易裂），可添加增塑剂（如癸二酸二辛酯）或调整黏合剂分子量，平衡强度与延展性。
通过系统的抗压强度试验，可量化 HTPB 推进剂药柱的力学行为，为火箭发动机的可靠性设计、推进剂储存寿命预测及极端工况适应性优化提供关键依据，是航天推进领域材料性能表征的核心试验之一。
