книги / Химия и технология баллиститных порохов, твердых ракетных и специальных топлив. Т. 2 Технология
.pdfхарактеристикой пороха, определяющей поведение его в прес се;
— баллиститный порох является высоковязким телом, способным выдерживать сдвиговые напряжения, существенно превышающие удельную силу внешнего трения. Поэтому его течение в прессе и раструбном пресс-инструменте сопровож дается пристенным скольжением, следовательно, характеристи ка внешнего трения необходима не только для количественно го описания процессов течения, но и для понимания качест венной картины.
Таким образом, необходимо определение вязких характери стик пороха в условиях простого сдвига и объемной деформа ции, предельного напряжения на срез и удельной силы внеш него трения.
4.1.2.3 Метод определения реологических характеристик при простом сдвиге
Сложность проблемы заключается в том, что реологиче ские характеристики должны быть определены у высоковязко го тела (105...1010 пуаз) и в широком интервале скоростей сдвига (Ю-^.ЛО1 1/с).
Обычно для полимеров с такой вязкостью рекомендуется метод растяжения [55].
Этот метод использовала в своих исследованиях М. Д. Гу сакова [91]. Метод прост, но ограничен небольшими скоростя ми деформаций. В табл. 15 приведены вязкости для условий
нормального растяжения |
образцов при температуре |
80°С. |
||
|
|
|
|
Таблица 15 |
Значения вязкости различных составов при Т = 80°С |
|
|||
Напряженные |
Значения вязкости при ст (кг/см2), т]*10-11, пуаз |
|||
составы |
0,3 |
0,5 |
0,8 |
1,0 |
РСИ-12К |
2,6 |
1,5 |
1,4 |
— |
НМФ-2Д |
1,7 |
0,9 |
1,0 |
1,0 |
РАМ-10К |
0,9 |
1,6 |
1,8 |
1,4 |
РСТ-4К |
1,0 |
0,8 |
1,0 |
1,25 |
Образцы выдерживались под нагрузкой в течение двух ча сов, а затем шесть часов термостатировались при Т = 95°С для снятия обратимых деформаций. Как видно из таблицы, вязкость практически не зависит от скорости (напряжения)
171
нагружения. В некоторых случаях она несколько увеличивает ся за счет упрочнения (ориентация макромолекул) пороха.
Таким образом, в области низких скоростей деформации порох ведет себя как высоковязкое ньютоновское тело (вяз кость 3...6-1010 пуаз). Поэтому метод растяжения, применимый только к области ньютоновского течения, не может быть при нят для определения реологических свойств пороха. Во всяком случае, он не может служить единственным методом исследо вания. Тем не менее, исследования выявили наличие у баллиститного пороха ньютоновской области течения. Следователь но, метод исследования должен иметь такой диапазон скоро стей деформации, который бы включал и область ньтоновского течения и область аномального изменения вяз кости. Втулочные и ротационные вискозиметры кроме тех не достатков, о которых говорилось выше, не могли обеспечить скорости сдвига в широких пределах (10_6...10' 1/с), т. е. не определяли характеристики вязких свойств пороха во всем ра бочем диапазоне скоростей деформирования.
Для высоковязких полимеров известны сдвиговые пластометры, позволяющие по кривой ползучести образца в виде тонкого диска определить ряд характеристик: вязкость, высо коэластические деформации, время ретардации и др. [111]. Однако изготовление тонких дисков (перепрессовка, отрезка) скажется на изменении реологических свойств и внесет по грешность в результаты определений. С целью устранения это го недостатка было разработано устройство, позволяющее ис пользовать образцы различного сечения: цилиндрические, квадратные, прямоугольные, пластины (рис. 68). Оно состоит из опорной втулки и центрального штока с соосными отвер стиями, в которые вставляется образец. Устройство помещено в обогреваемый стакан и использует силовое устройство стан дартного консистометра Хепплера. Сдвиг происходит в зазоре между неподвижной опорной втулкой и движущимся штоком. Скорость сдвига равна отношению скорости перемещения штска к величине зазора — &/5 [112, 113]. Напряжение сдвига определяется отношением нагрузки к удвоенной площади по перечного сечения образца (P/2S).
По данным опыта строится кривая в координатах: относи тельная деформация — время (рис. 69). По графику определя ют следующие величины:
— относительная упругая деформация у. = —, где 5 — за
зор;
172
— |
конечная скорость деформации укон |
|
и/J |
— |
X |
модуль упругости G. = —; |
|
|
Y, |
— |
х |
модуль высокоэластичности G, = — ; |
|
|
Ï2 |
— |
т-106 |
наибольшая пластическая вязкость ri. = -------; |
|
|
Y |
— |
т-106 |
вязкость высокоэластическая г\2 = -------;— . |
|
|
I нач У кон |
Определение характеристик пороховых образцов различной формы осуществляется с помощью сменных рабочих элемен тов (втулки и штока).
4.1.2.4 Исследование реологических свойств баллиститных порохов при простом сдвиге
В основу реологических исследований были положены первые две аксиомы реологии:
—под действием всестороннего равномерного давления все материалы ведут себя одинаково — они ведут себя как идеально упругие тела. Различие в реологических свойствах проявляется только при деформации формоизменения;
—всякий реальный материал обладает всеми реологиче скими свойствами.
Деформация сдвига баллиститного пороха, относящегося к вязкоупругим телам, складывается из трех видов деформа ций:
—упругой;
—высокоэластической;
—вязкой.
Первые два вида деформации являются обратимыми, из них высокоэластическая деформация определяет релаксацион ные процессы и, следовательно, аномалию вязкости. Описание релаксационного спектра позволит решить практические зада чи определения распределения давлений в раструбном пресс-инструменте и величину высокоэластического восста новления пороховой шашки после выхода из втулки.
На рис. 70—73 приведены зависимости эффективной вяз кости от скорости сдвига для четырех различных составов при
174
Рис. 70. Зависимость эффективной вязкости от скорости сдвига состава НМФ-2Д:
1 - 70°С; 2 - 80°С
Рис. 71. Зависимость эффективной вязкости от скорости сдвига металлВВ -содержащего состава:
1 - 60°С; 2 - 70°С; 3 - 80°С; 4 - 90°С
175
Рис. 72. Зависимость эффективной вязкости от скорости сдвига металлсодержащего состава:
1 - 60°С; 2 - 70°С; 3 - 80°С; 4 - 90°С
Рис. 73. Зависимость эффективной вязкости от скорости сдвига состава БП-10:
1 - 60°С; 2 - 70°С; 3 - 80°С
176
T = 60...90*C. Для всех исследованных составов характерны две области течения:
—ньютоновское течение при скорости сдвига у < 10-4 с-1;
—течение с резко падающей вязкостью с увеличением скорости сдвига при у > 10~3 с-1 («неньютоновское течение).
Переходная область для большинства исследованных соста
вов располагается между 10-4 с_| и 10~3 с-1. |
|
||
Проверена |
применимость степенного |
закона в |
области |
с аномальной |
вязкостью (рис. 74—81). |
В области |
течения |
с аномальной вязкостью в логарифмических координатах зави симости скорости сдвига от напряжения и эффективной вяз кости от скорости сдвига линейны, что говорит о правомерно сти применения степенного закона. Путем графических по строений были определены константы к и л и величины ньютоновской вязкости. Как уже отмечалось, значения цо от личаются несущественно для различных составов и находятся в пределах 3...6-1010 пуаз. Коэффициент консистенции к, на против, колеблется в значительных пределах, достигающих двух десятичных порядков. Индекс течения для исследованных составов также различен и практически для всех составов не сколько уменьшается с ростом температуры.
С целью выяснения характера течения пороха в области более высоких скоростей (до 10 1/с) были определены зависи мости вязкости от скорости сдвига при различных температу рах на втулочном вискозиметре с использованием машины УММ-5. На рис. 82, 83 представлены в логарифмических ко ординатах функции г| = /(у), определенные вышеизложенным методом, и на втулочном вискозиметре при у = 10-1...Ю 1/с.
На основании этих экспериментов можно сделать следую щие выводы:
— в зоне более высоких скоростей сдвига зависимость вязкости от скорости сдвига также описывается показательной функцией;
— практические результаты определений констант к и п по двум методам весьма близки и могут служить константа ми одного уравнения для интервала у = 10_3...10 1/с.
Таким образом, в реальном диапазоне скоростей сдвига, имеющих место при течении массы в прессе и пресс-инстру менте, порох ведет себя как ньютоновское тело и как псевдо пластик с резко выраженной аномалией вязкости. Его поведе
ние может быть описано двумя законами: |
|
7= 1/110-Тед, |
(4.18) |
177
Рис. 74. Зависимость скорости сдвига от напряжения состава НМФ-2Д:
1 - 70°С; 2 - 80°С
Рис. 75. Зависимость скорости сдвига от напряжения металлсодержащего состава:
1 - 80°С; 2 - 70°С; 3 - 60вС; 4 - 90°С
178
Рис. 76. Зависимость скорости сдвига от напряжения ВВ-содержащего со става:
1 - 60°С; 2 - 70°С; 3 - 80°С; 4 - 90°С
179
Рис. 78. Зависимость вязкости от скорости сдвига состава НМФ-2Д:
1 - 70°С; 2 - 80°С
Рис. 79. Зависимость вязкости от скорости сдвига состава с ВВ:
1 - 60°С; 2 - 70°С; 3 - 80°С; 4 - 90°С
180