Материал: Химия и технология баллиститных порохов, твердых ракетных и специальных топлив. Т. 2 Технология

n

толчее

Рис. 121.3ависимость вязкости, предельной деформации сдвига, скорости газовьщелепия от температуры

жается, а превалирующей становится необратимая деформа­ ция. Между этими двумя областями находится переходный температурный диапазон, который характеризуется интенсив­ ным падением вязкости, наличием как необратимой, так и сравнительно высокого уровня обратимой высокоэластиче­ ской деформации.

Расширение температурных диапазонов эксплуатации заря­ да или переработки за счет переходной области из высокоэла­ стического в вязкотекучее состояние приводит к нежелатель­ ным результатам:

— эксплуатация заряда в этой области связана с появле­ нием необратимой деформации, низким модулем упругости и приводит к существенному снижению надежности его функ­ ционирования;

— переработка массы в переходной температурной области приводит к повышению вероятности воспламенения вследст­ вие значительного диссипативного разогрева, существенной деструкции с потерей механических свойств и нестабильному течению в технологических аппаратах из-за высокой обрати­ мой деформации.

Таким образом, переходная область из одного физического состояния термопласта в другое сужает как область эксплуата-

249

ции готовых изделий, так и допустимый температурный диа­ пазон их изготовления.

Верхняя температура области переработки ограничивается термохимической стойкостью топливной композиции и опре­ деляется, в основном, природой нитратов глицерина и целлю­ лозы. Она может быть лишь незначительно увеличена за счет подбора более эффективных стабилизаторов химической стой­ кости.

Из вышесказанного следует, что знание точных границ до­ пустимого температурного диапазона, в котором может прово­ диться переработка пороха, весьма важно, ибо он определяет как безопасность процесса, так и качество получаемых изде­ лий. Актуальность исследований физических свойств баллиститных пороховых масс возрастает в связи с тем, что эмпи­ рические поиски температурного диапазона переработки на промышленных аппаратах весьма трудоемки, небезопасны и ненадежны.

Итак, необходим метод исследования термомеханических свойств полимерной композиции, который бы позволил уста­ новить температурные границы трех областей: эксплуатации, переходной и переработки. Из многочисленных методов, клас­ сифицируемых по виду деформации (сдвиг, сжатие, растяже­ ние) или по режиму механического воздействия (постоянное, периодическое, импульсное нагружение), целесообразно при­ менить для лабораторных исследований наименее трудоемкий экспрессный способ периодического нагружения, позволяю­ щий определить общую, обратимую и необратимую деформа­ цию для условий деформирования, максимально приближен­ ных к реальным.

На всех технологических аппаратах, где имеет место необ­ ратимое течение пороховой массы (шнек-пресс, вальцы), ос­ новным механизмом деформирования является сдавливание массы и течение ее под действием перпендикулярных нор­ мальным касательных напряжений. Поэтому выбран режим периодического нагружения нормальными сжимающими на­ пряжениями со свободным растеканием массы под действием касательных напряжений (рис. 122 б). На рис. 122 а представ­ лена схема универсального измерительного прибора УИП-70, разработанного ЦКБ уникального приборостроения АН СССР.

Подвижный рабочий орган (пуансон) выполнен в виде стержня меньшего сечения, чем торцевая поверхность образца. На протяжении всего эксперимента удельное давление, рас-

250

Рис. 122а. Схема прибора УИП-70М:

1 — реле времени; 2 — электродвигатель; 3 — шкиф; 4 — груз; 5 — шток

УИП-70; 6- образец; 7 — термопара; 8 — термокамера; 9 — регистратор температуры образца; 10 — датчик температуры; 11 — регулятор темпера­ туры; 12 — регистратор деформации; 13 — емкостный датчик

Рис. 1226. Деформирование образца при испытаниях в приборе УИП-70М

251

считываемое на действующую поверхность, остается постоян­ ным. В процессе эксперимента происходит постоянное вне­ дрение нагруженного пуансона в массу образца (пенетрация) вплоть до достижения его основания.

Сменный пуансон цилиндрической формы с диаметром 0,8 мм, 1,78 мм, 2,52 мм имеет плоский срез.

Деформация характеризуется глубиной проникновения пу­ ансона в образец и выражается отношением к его исходной высоте. Величину обратимой деформации можно найти при периодическом импульсном нагружении, когда фиксируется не только общая картина нарастания деформации с температу­ рой, но и обратимая и необратимая доли общей деформации в любой температурной точке. По результатам измерения на диаграмме пиков, полученных в результате нагружения и подъема, строятся кривые температурной зависимости де­ формации у = /(7), а также кривые обратимой уобр = 7(7) и не­ обратимой у„еобр —7(7) долей деформации.

Прибор УИП-70 обеспечивает автоматическое измерение и регистрацию деформаций при сжатии образца под действи­ ем различных фиксированных нагрузок с относительной по­ грешностью около 5%.

Камера-держатель образца и шток со сменным наконечни­ ком-пуансоном изготовлены из кварца. Основным чувстви­ тельным элементом измерительной системы является диффе­ ренциальный емкостной датчик. Система нагрева обеспечивает повышение температуры образца (или охлаждение) со скоро­ стями 0,6...20 К/мин в пределах 123...673 К. Термомеханиче­ ские кривые записываются на диаграммной ленте многоточеч­ ного потенциометра.

Для проведения исследований специальной вырубкой гото­ вятся образцы диаметром и высотой 6 мм. Величины дефор­ маций, определяемые в процессе эксперимента, в существен­ ной степени зависят от нагрузки. На рис. 123а приведены гра­ фики функций у = 7(7), уф = Л 7) при различных нагрузках. Видно, что величина нагрузки заметно влияет на деформацию и может изменять ее в широких пределах.

На рис. 1236 представлены типовые термомеханические кривые общей, обратимой и необратимой деформаций. На пе­ ресечении касательных в местах перегиба кривых общей и не­ обратимой деформаций находится условная температура теку­ чести. Истинная (рабочая) температура текучести должна быть несколько выше и соответствовать большей величине необра-

252

Рис. 1236. Типовые кривые деформаций: общей (1), необратимой (2), об ратимой (3)

253

Рис. 123в. Зависимость деформации от температуры при нагрузке 2,0 МПа для составов: РДГ-2Ф (1); ВИК-2Д (2); РДМ-3 (3); при нагрузке Ш Па для составов: РДГ-2Ф(1'); ВИК-2Д (2’); РДМ-3 (3*)

тимой деформации. Температурная область от появления за­ метной необратимой деформации до ее уровня, при котором возможна переработка, есть переходная область из высокоэла­ стического в вязкотекучее состояние. Знание значения темпе­ ратуры текучести и границ переходной области весьма важно, как отмечалось выше, для определения температурных диапа­ зонов эксплуатации зарядов и переработки пороховой массы. Однако совершенно очевидно, что корректные результаты мо­ гут быть получены только в том случае, если будут выбраны правильно нагрузки, при которых необходимо проводить ис­ следование.

Выбор нагрузок (нормальных давлений) проводился, исхо­ дя из конкретных условий переработки пороховой массы. По­ скольку величина гидростатического давления в технологиче­ ских аппаратах не может характеризовать режим течения по­ роховой массы, а определение нормальных и касательных

254

напряжений затруднено, требуемые величины нагрузок опреде­ ляли на основе реологических исследований. Из степенного закона у = кт" при скоростях сдвига, соответствующих режиму течения на вальцах, в шнек-прессе и раструбном пресс-инст­ рументе, находили соответствующие напряжения сдвига. В табл. 24 приведены расчетные значения напряжений для не­ которых топлив. При расчете необходимых нагрузок были взя­ ты усредненные значения скорости сдвига при течении массы на вальцах, в шнек-прессе и раструбном пресс-инструменте, соответственно: 102, 1, 10~2 с-1. Значение напряжений, вызы­ вающих данный режим деформирования, для различных со­ ставов и температур находится в широких пределах:

—вальцы — 1,5...6 МПа

—пресс — 0,9...3 МПа

—пресс-инструмент — 0,5...1 МПа.

Таблица 24

Расчетные значения необходимых нагрузок, моделирующих условия переработки на фазах вальцевания и формования (Т = 353 К)

Для предварительных исследований в процессе разработки методики были выбраны нагрузки 1 МПа и 2 МПа.

На рис. 123 в представлены функции уобщ= f (7) для неко­ торых баллиститных топлив при нагрузках 1 МПа и 2 МПа. Деформационные кривые существенно отличаются для различ­ ных составов топлив, что свидетельствует о необходимости применения различных условий переработки.

255

На рис. 123—127 приведены результаты исследования тер­ момеханических свойств топлив ВИК-2Д, типа РДГ, типа РДМ, РБФ, СПК. На каждом рисунке общая деформация раз­ ложена на две составляющие: обратимую и необратимую. Тем­ пература текучести (перехода из высокоэластического в вязко­ текучее состояние) находилась на пересечении касательных в месте перегиба кривой необратимой деформации. Переход­ ная область — между температурой, при которой появляется заметная необратимая деформация, и температурой текучести.

В результате экспериментальных исследований установлены важные закономерности для переработки баллиститных топ­ лив, характеризующие переход из высокоэластического состоя­ ния в вязкотекучее:

256

Рис. 125. Зависимость деформаций от температуры для топлива типа РДГ при нагрузке 2 МПа:

1 — общая; 2 — необратимая; 3 — обратимая

Рис. 126. Зависимость деформаций от температуры для топлива РБФ при нагрузке 2 МПа:

1 — общая; 2 — необратимая; 3 — обратимая

257