发表文章：
Multi-Scale Investigation on Vibration Fatigue Damage Evolution of HTPB Propellant via DMA and Micro-CT
发表期刊：
《Propellants,Explosives,Pyrotechnics》
作者：
朱昭君
原文链接：
https://doi.org/10.1002/prep.70219
使用设备：
众联智检 X-Mechs 2000 多功能原位力学CT成像系统
固体火箭发动机HTPB复合推进剂在运输贮存、发射服役全过程持续受交变振动载荷作用，长期疲劳易引发内部微裂纹、颗粒脱粘，直接威胁装药结构完整性与火箭使用安全性。长期以来，振动载荷下推进剂微细观损伤演变机理、老化耦合疲劳失效规律缺乏精细化定量研究。
本研究依托DMA动态力学测试、Micro-CT原位无损表征与精细化有限元仿真相结合的多尺度研究手段，系统探明四组分HTPB推进剂老化-振动耦合损伤演化全过程，为固体推进剂贮存寿命评估、装药结构优化提供关键试验数据与理论支撑。
2.1 力学性能分析
依据国军标制备哑铃型推进剂试样，参照航天标准开展70℃加速老化（7/14/21/42/56d分别等效常温1~8年贮存），借助万能试验机完成准静态拉伸与循环疲劳试验。测试发现：随老化时间增加，推进剂断裂伸长持续下降，老化3年后滞回环面积仅剩初始5.2%，材料由韧性耗能失效转向脆性断裂。
图2. 经过3000次振动循环、分别老化1/2/3年的试样
2.2 动态力学分析
选取贮存2年老化试样，在0.5~2Hz区间开展多频次DMA循环加载试验，实时采集储能模量、损耗因子演变。数据显示：加载前10min材料模量、损耗参数变化幅度最大，后续内部结构趋于动态平衡；损耗因子随频率升高同步增大，高分子链运动与颗粒-基体界面损伤共同主导能量耗散。研究通过广义Prony级数拟合构建弹性模量数学模型，实现单周期振动能耗定量计算（模型拟合优度 R²=0.9994）。
图3. 0.1, 0.5, 1, 2Hz 工况曲线：(a) 储能模量；(b) 损耗因子
图4. 瞬时模量E0、平衡模量E∞与松弛时间τ随时间变化规律
2.3 显微CT扫描与仿真建模
原位观测损伤演化：清晰成像原生AP颗粒内部孔隙、基体-颗粒初始界面脱湿缺陷，追踪拉伸/振动后AP碎裂、HMX与铝粉渐进脱粘、孔洞连片成裂纹的完整过程，区分不同填料颗粒损伤时序差异；
高精度三维建模：对海量CT切片阈值分割，精准拆分AP、HMX、Al颗粒与HTPB基体四相组分，基于编程算法重构高保真细观有限元模型；
仿真对标验证：将DMA获取的Prony粘弹性参数导入仿真模型，振动仿真结果显示位移极值集中在AP颗粒处，与实测微观开裂位置完全匹配，模态分析自然频率、共振峰偏移规律和CT表征的颗粒球度下降、粒径离散化趋势一一对应，验证了试验与仿真体系可靠性。
图6. 显微CT观测结果：(a) 高氯酸铵 (AP) 颗粒内部孔洞与微裂纹；(b) 颗粒与基体间初始脱粘；(c) 拉伸前后 AP 颗粒形貌对比；(d) 拉伸前后 HMX 颗粒形貌对比
X-Mech 2000 原位CT成像系统在研究中的应用
本研究采用众联智检X-Mechs 2000高分辨率X射线CT成像系统。通过试样360°全周旋转扫描采集多层投影图像，重构材料三维微观结构，依托微米级成像分辨率精准区分AP氧化剂、HMX高能晶粒、铝粉填料与HTPB粘结基体的界面边界；试验搭载原位加载平台，实现力学加载与断层扫描同步进行，全程动态追踪振动、拉伸工况下界面脱湿、颗粒开裂、微孔萌生扩展等微细观损伤演变，扫描数据经图像处理后用于细观几何建模，为后续有限元仿真还原真实材料构型提供原始数据支撑。
图10. (a) 试样实物；(b) 高精度细观模型；(c) 边界条件施加；(d~f) 整体模型、AP 颗粒、基体位移分布；(g) 频响曲线；(h) 典型 AP 颗粒细节；(i) 标准哑铃试样仿真模型
(1) 老化使推进剂基体性能劣化、结构变脆弱，疲劳损伤在此基础上萌生，循环载荷通过能量耗散不断累积损伤。贮存1年至3年，材料滞回环面积降幅达 94.8%，表明内部结构严重劣化，失效模式由韧性断裂转为脆性断裂。
(2) 贮存2年的试样在恒定载荷下先出现短时硬化，达到损伤临界值后应变快速累积。DMA试验表明：储能模量与损耗因子随加载频率升高而增大，前10分钟参数变化最为剧烈；研究建立弹性模量模型，实现能量耗散的定量计算。
(3) 借助显微CT原位拉伸试验可实时观测损伤演化；依托CT实测数据构建高精度有限元模型，大幅提升仿真精度。通过CT切片与数值仿真联动的自动化分析体系，阐明了静、动载荷作用下的损伤机理；基于真实细观结构建模，显著提升了损伤演化规律的预测可靠性。
本研究打通DMA动态力学+Micro-CT原位观测+精细化数值仿真的HTPB推进剂多尺度损伤分析体系，研究成果可直接用于固体装药贮存寿命评估、推进剂配方改性优化、火箭运输减振方案设计。我们将持续升级Micro-CT软硬件，完善温变、原位力学耦合附件；深化产学研合作，面向含能材料领域提供CT表征配套方案，深耕推进剂微观检测市场，助力含能材料研发产业化。
