背景

HTPB涂層是一種具有粘彈性的聚合物，其主要功能是粘接和緩沖應力，還具有隔熱和防火的功能。目前，固體火箭發動機中使用的大多數涂層都是由HTPB和異氰酸酯交聯熱固化形成的。在長期儲存過程中，由于熱循環、儲存、運輸、點火時的快速啟動以及飛行時的加速，產生的應力會導致涂層結構和機械性能的下降。作為固體火箭發動機中最重要的組件之一，HTPB涂層的機械性能下降將直接導致復合固體推進劑在使用過程中發生火災、過載甚至爆炸的危險，這將影響固體火箭發動機的正常使用壽命并造成嚴重的安全和經濟問題。聚合物材料的微觀結構將直接影響宏觀機械性能，在受力時變化更為復雜。然而，聚合物材料在受力時的微觀結構變化的直接實驗證據卻很少。在不同的應變條件下，機械性能的變化機制難以獲得。為了解決這一問題并精確探究HTPB涂層的微觀結構，本應用創新性的采用低場核磁技術，通過測量不同應變下材料的橫向弛豫特性、交聯密度和微觀結構，研究應變對HTPB涂層材料性能的影響。

在本應用中，應用了紐邁公司生產的VTMR20-010V-T型號低場核磁設備，利用CPMG序列獲取了HTPB涂層在不同應變下（將HTPB涂層試樣固定在夾具上，分別拉伸至四個恒定應變水平，分別為0%、5%、10%和15%）的橫向弛豫衰減曲線。將橫向弛豫衰減分為兩部分：快速衰減和慢速衰減，并通過XLD方法計算了交聯密度。分析了不同應變下HTPB涂層的橫向弛豫特性及其微觀結構的變化。

圖一：0%，5%，10%，15%應變水平下的交聯密度值

圖一可以看出，隨著恒定應變水平的增加，HTPB涂層的交聯密度呈現出下降的趨勢。這主要是因為在應力的作用下，HTPB涂層的分子鏈從折疊狀態展開，分子鏈重新取向，分子鏈的物理纏結被解離，鏈間交聯鏈的鏈長增加，因此在力的方向上有更多的取向選擇。同時，高應變條件會對HTPB涂層造成一定程度的損傷，導致HTPB涂層的交聯密度隨恒定應變水平的增加而降低。

圖二：不同應變下的T₂曲線

圖三：不同應變下的T₂反演曲線

圖二展示了不同應變條件下的衰減曲線。隨著應變的增大，曲線的衰減幅度逐漸減小，這表明應變越大，材料的交聯密度越小，這與圖二中交聯密度的測試結果一致。然而，曲線只能定性地顯示HTPB涂層交聯結構的變化趨勢。為了定量描述橫向弛豫特性，通過進一步處理，得到了T₂弛豫的反演曲線，如圖三所示。隨著應變的增加，反演曲線有向右移動的趨勢?？焖贆M向弛豫時間從0.572毫秒增加到1.000毫秒，慢速橫向弛豫時間從12.328毫秒增加到21.544毫秒，T₂的總峰面積從5889.298增加到6615.835。這種現象的主要原因是應變效應導致鏈段之間的距離增加。分子鏈從卷曲狀態展開，分子鏈重新排列，因此在力的方向上有更多的取向選擇，橫向弛豫的衰減幅度減慢。

本應創新性的使用了低場核磁技術來研究應變對HTPB涂層材料性能的影響，這對想做動態下材料測試的研究者們提供了全新的思路。

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參考資料

【1】Du, Y. Q, Zheng, J, Zhi, J. Z, Zhang, X. Influence of Strain on the Microstructure and Transverse Relaxation Characteristics of HTPB Coating Using Low-Field 1H NMR Spectroscopy. Materials Science Forum, 2019, 956, 117–124.