Resumen

Los propulsores sólidos compuestos (CSPS) son ampliamente utilizados como combustible para motores de cohetes sólidos (SRM), donde los aglutinantes de CSPS mantienen todas las partículas sólidas (sush como perclorato de amonio-AP, ciclotetrametileno tetranitramina-HMX, aluminio-Al) juntas para producir compuestos de partículas, y además de actuar como combustible principal, también proporciona las propiedades mecánicas necesarias. Sin embargo, las partículas de CSP soportan constantemente cargas térmicas y mecánicas durante el almacenamiento, el transporte y el funcionamiento, lo que puede provocar el desarrollo y la aparición de grietas en las partículas propulsoras. Estas grietas pueden dar lugar a la formación de superficies de combustión adicionales dentro de las partículas propulsoras, lo que aumenta la presión y provoca inestabilidad de la combustión en el SRM.

Por ello, en 2023, la revista "Polymer Testing" publicó un estudio realizado por el Departamento de Ingeniería Aeroespacial de la Universidad Politécnica de Madrás sobre el comportamiento de los propulsores sólidos compuestos bajo cargas de tracción biaxiales. El objetivo de este estudio fue investigar la respuesta mecánica de las partículas de CSP bajo cargas complejas como el almacenamiento, el transporte y la operación, con el fin de evaluar la integridad estructural de los diversos componentes dentro de los granos después de la exposición a tales condiciones. 

A partir de probetas en forma de cruz, se diseñaron ensayos de tracción biaxial con dos relaciones de carga de 1:1 y 0,5:1 a diferentes velocidades de carga y temperaturas. Se compararon las respuestas mecánicas de los materiales bajo diferentes condiciones de carga con ensayos de tracción uniaxial, y se resumió la dependencia de la tasa de carga y la temperatura del límite elástico y el módulo inicial de los materiales en condiciones de trabajo biaxiales. De acuerdo con las diferentes respuestas mecánicas, se utilizó la espectroscopia de dispersión de energía (EDS) para realizar imágenes de fracturas y mapeo elemental en las superficies fracturadas para el análisis del mecanismo.

 Preparación de probetas y diseño experimental

En una máquina perforadora de control numérico por computadora de baja velocidad, la placa CSP con un grosor de 20 mm se procesó en una forma de muestra cruciforme con un cortador cruciforme antichispas de cobre-titanio, y el centro de la muestra se diluyó.

    Fig. 1.  Proceso de Preparación de la Muestra y Tamaño de la Muestra

Las pruebas biaxiales se realizaron en una máquina de pruebas biaxiales BISS (ITW, Illinois, EE. UU.) con una carga de 5 kN, utilizando una cámara de dispositivo de carga acoplada (CCD) orientada hacia la superficie frontal de la muestra en forma de cruz para capturar imágenes DIC. Las pruebas biaxiales se realizaron a tres velocidades de carga de desplazamiento de 1 mm/min, 50 mm/min y 1000 mm/min. Las imágenes se capturaron a 2 fotogramas por segundo y 50 fotogramas por segundo, respectivamente, a bajas tasas de carga. A la velocidad de desplazamiento de 1000 mm/min, el daño de la muestra se produjo muy rápidamente. Captura imágenes a 1000 fotogramas por segundo con una cámara Photron FASTCAM SA4 de alta velocidad. La tecnología DIC puede medir con precisión campos de deformación y desplazamiento de hasta 650 °C. La influencia de la ventana de observación de la cámara ambiental y la fuente de luz fuera del ambiente en la medición de la deformación DIC y el campo de desplazamiento se estudió a través del experimento de traslación de cuerpo rígido en la muestra en forma de cruz a 20 °C.

Fig. 2. Máquina de Prueba Biaxial y su Sujetador Pneumático

Resultados de la Prueba

Los resultados de la prueba indican que la respuesta tensión-deformación bajo carga biaxial es no lineal y está significativamente afectada por la velocidad de carga por desplazamiento. En todos los casos de carga, la pendiente de la respuesta tensión-deformación y la tensión de fluencia en la región lineal aumentan con el aumento de la velocidad de carga por desplazamiento. No se observaron cambios significativos en la respuesta tensión-deformación y la pendiente de la tensión de fluencia en la región lineal cuando la temperatura cambió de 20 °C a 55 °C. Sin embargo, cuando la temperatura aumenta de 20 °C a 55 °C, se observa una disminución significativa en la deformación de fallo.

 Fig. 3.Respuesta tensión-deformación en las direcciones X e Y durante las pruebas de tensión biaxial a una razón de velocidad de desplazamiento (X:Y) de 1:1 a 20 °C

Fig. 4. Respuesta tensión-deformación in las direcciones X e Y durante las pruebas de tensión biaxial a una razón de velocidad de desplazamiento (X:Y) of 0:5:1 at 20 °C

Fig. 5. Respuesta tensión-deformación in las direcciones X e Y durante las pruebas de tensión biaxial a 55 °C hasta el fallo a razones de velocidad de desplazamiento (X:Y) de (Izquierda) 1:1 (Derecha) 0:5:1

Al mismo tiempo, en comparación con la prueba uniaxial, el límite elástico de la prueba biaxial igual es un 25% - 47% más alto cuando la relación de carga es 1: 1. Sin embargo, la deformación de falla bajo carga biaxial igual es 50%-70% menor que bajo carga uniaxial.

Fig. 6. Respuesta tensión-deformación durante la carga uniaxial y equi-biaxial a diversas velocidades de desplazamiento y a 20 °C (24 °C para la carga uniaxial)

(Izquierda) Hasta el fallo (Derecha) Vista ampliada hasta 50% de deformación

Estudio de mecanismos

Para explicar las razones de las diferencias en los resultados de las pruebas anteriores, se utilizó la espectroscopia de dispersión de energía (EDS) para realizar imágenes de la superficie de fractura y mapeo elemental en la superficie fracturada.

Fig. 7. Fractografía de las muestras probadas uniaxial y equi-biaxial a 20 °C (24 °C para la carga uniaxial) y a diversas velocidades de desplazamiento de (a) 1 mm/min (b) 50 mm/min (c) 1000 mm/min

La tecnología EDS puede observar eficazmente la distribución de los componentes en las partículas CSP, y el mecanismo de fractura de la CSP suele ser el desgarro de la matriz de las partículas AP a una tasa de deformación baja y la fractura de las partículas AP a una tasa de deformación alta, mientras que el cloro solo existe en las partículas AP, por lo que la distribución de las partículas AP se puede obtener eficazmente observando el diagrama de cloro.

Fig. 8. Un gráfico micro-típico y el correspondiente mapa de cloro para diversas razones de velocidad de desplazamiento (X:Y) y temperaturas a 1000 mm/min

(a) 1:1 y 20 °C (b) 1:1 y 55 °C(C) 0:5:1 y 20 °C (d) 0:5:1 y 55 °C

Después de analizar las secciones de fractura, se identificaron los siguientes mecanismos de falla:

1. En comparación con la superficie de fractura uniaxial, los vacíos en la superficie de fractura biaxial son más pequeños en tamaño y profundidad. Esto se debe a que la formación de vacíos ocurre más rápido, y el daño en múltiples sitios causado por la formación de vacíos y la coalescencia da como resultado una menor deformación de falla durante las pruebas biaxiales. Las micrografías de las superficies de fractura biaxial bajo diferentes tasas de desplazamiento y relaciones de tasas de desplazamiento no mostraron diferencias significativas. La superficie de fractura a 55 °C es más lisa que la de 20 °C.  La deformación de falla a 55 °C es mucho menor que la de 20 °C, lo que conduce a menos partículas sólidas desprendidas y una superficie más lisa.

2. Se puede ver en la micrografía y el diagrama de cloro correspondiente que en las pruebas uniaxiales y biaxiales de varios desplazamientos, las partículas AP en el CSP de la base de poliéster plastificado de éster de nitrato no fallaron incluso a la tasa de desplazamiento más alta de 1000 mm / min.

Conclusión

1. La respuesta de tensión-deformación bajo carga biaxial no es lineal y depende de la tasa de carga de desplazamiento. En todas las condiciones de carga, la pendiente y el límite elástico de la respuesta tensión-deformación en la región lineal aumentan con la tasa de desplazamiento. No se observaron cambios significativos en la respuesta tensión-deformación y en la pendiente de la tensión de rendimiento en la región lineal ya que la temperatura cambió de 20 °C a 55 °C. Sin embargo, a medida que la temperatura aumenta de 20 °C a 55 °C, se observa una disminución significativa en la deformación por falla.

2. En comparación con la prueba uniaxial, el límite elástico en la prueba de carga equibiaxial es más alta en un 25% - 47%. Sin embargo, la deformación de falla bajo carga biaxial igual es menor en un 50%-70% en comparación con la bajo carga uniaxial.

3. Se utilizó la espectroscopia de dispersión de energía (EDS) para realizar imágenes de fracturas y mapeo de elementos en la superficie de la fractura. Se observa un gran número de orificios con mayor tamaño y profundidad en la superficie de fractura de la muestra con carga uniaxial en comparación con la muestra con carga biaxial igual. Las partículas de CSP permanecen intactas en todas las condiciones.

Texto original

Ranjan R, Murthy H, Bhowmik D, et al. Comportamiento del propelente sólido compuesto bajo carga de tracción biaxial[J]. Pruebas de polímeros, 2023, 124: 108054.