孫培培, 王曉峰, 南 海, 郭 昕

(西安近代化學(xué)研究所, 陜西 西安 710065)

1 引 言

高氯酸銨(AP)作為一種氧化劑,廣泛地應(yīng)用于復(fù)合炸藥中以提高能量。劉子如[1]對(duì)AP的熱分解進(jìn)行了詳細(xì)研究;王彩玲等[2]對(duì)不同粒度的AP顆粒進(jìn)行了感度試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)隨著粒度的減小感度增大;田軒等[3]對(duì)單獨(dú)AP顆粒沖擊后破碎特征進(jìn)行了分析,但對(duì)AP在基體內(nèi)的破碎未進(jìn)行研究,結(jié)果表明AP顆粒的破碎以局部脆性斷裂為主。Fox[4]和Balzer[5]使用落錘對(duì)含AP的炸藥配方進(jìn)行動(dòng)態(tài)加載試驗(yàn),結(jié)果表明含400 μm粒徑AP的試樣大概有1/5發(fā)生了點(diǎn)火,而含30 μm粒徑AP顆粒的試樣上只發(fā)現(xiàn)了1到2處的點(diǎn)火點(diǎn),作者簡(jiǎn)略分析了AP顆粒在沖擊加載后的破碎方式,認(rèn)為樣品中AP顆粒粒度越大,在沖擊加載下,樣品越容易點(diǎn)火。陳鵬萬(wàn)等[6]對(duì)低速?zèng)_擊下炸藥及推進(jìn)劑內(nèi)部晶體顆粒的破碎進(jìn)行了研究,并對(duì)沖擊加載后顆粒的粒度和比表面積進(jìn)行了測(cè)定,發(fā)現(xiàn)沖擊加載后,含能材料內(nèi)部的黑索今(RDX)、奧克托今(HMX)顆粒均發(fā)生破碎,形成了較小的顆粒。但是，目前對(duì)于AP顆粒在力學(xué)加載下的破碎特征問(wèn)題研究較少。

田軒等[3]已經(jīng)對(duì)單獨(dú)AP顆粒在落錘沖擊下的破碎特征進(jìn)行了研究,但在落錘沖擊加載下,單獨(dú)AP顆粒與AP顆粒存在于炸藥基體內(nèi)破碎特征可能不同,且研究炸藥基體內(nèi)AP顆粒的破碎特征對(duì)實(shí)際應(yīng)用更具有實(shí)際意義。故本研究采用目前常用三種規(guī)格(6～8,130,300 μm)的AP顆粒制備炸藥樣品,對(duì)樣品進(jìn)行落錘加載試驗(yàn),通過(guò)微觀掃描電鏡(SEM)對(duì)AP在炸藥基體內(nèi)的破碎特征進(jìn)行了分析研究。

2 試 驗(yàn)

2.1 儀器與原材料

WL-1型落錘儀,自制; FEI QUANTA 600型微觀掃描電子顯微鏡(SEM),美國(guó)FEI公司,試驗(yàn)電壓為20kV,環(huán)境為高真空模式。

6～8 μm AP,西安航天化學(xué)動(dòng)力廠; 130 μm AP、300 μm AP、GJB617A-2003,大連國(guó)際工貿(mào); GJB617A-2003,大連國(guó)際工貿(mào); 端羥基聚丁二烯(HTPB),Ⅵ型,黎明化工研究院。

2.2 樣品制備

通常炸藥配方中所含顆粒組分較多,若以炸藥進(jìn)行落錘試驗(yàn)后的樣品進(jìn)行分析研究,影響因素太多,無(wú)法較好分辨出AP的破碎特征?？紤]到本研究主要是對(duì)AP顆粒破碎特征進(jìn)行分析,其他組分的存在與否對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響微弱,為更好地對(duì)AP的破碎特征進(jìn)行分析,故采用的樣品主要由兩種組分組成：炸藥配方中最常用的粘結(jié)劑HTPB與三種不同粒度的AP顆粒。

將三種粒度(6～8,130,300 μm)的AP與HTPB按質(zhì)量比7/3真空混合,并澆注裝填在Φ20 mm×40 mm模具中,固化成型退模后將藥柱加工成Φ20 mm×20 mm的樣品,分別編號(hào)為1#,2#,3#待測(cè)。

2.3 落錘試驗(yàn)方法

GJB772A-1997中609.1[7]藥片撞擊感度是采用落錘加載來(lái)評(píng)價(jià)炸藥藥片感度的一種試驗(yàn)方法,其試驗(yàn)原理是在限制的兩光滑的硬表面間放置一定量的藥片,用一定質(zhì)量的落錘自某一落高自由對(duì)藥片進(jìn)行撞擊作用,根據(jù)藥片的響應(yīng)評(píng)價(jià)炸藥藥片的撞擊感度,其原理圖如圖1所示。

圖1 落錘加載試驗(yàn)原理圖

1—步進(jìn)電機(jī), 2—掛錘架, 3—頂板, 4—錘頭, 5—?dú)飧?6—滾珠絲杠, 7—底板, 8—托錘架, 9—導(dǎo)桿

Fig.1 Schematic diagram for drop hammer loading instrument

1—stepping motor, 2—hammer hanging frame, 3—backing plate 4-hammer, 5—air cylinder, 6—ball screw shaft, 7—baseplate, 8— the hammer supporting frame, 9—guide rod

本研究不評(píng)價(jià)樣品的撞擊感度,僅把落錘試驗(yàn)作為沖擊加載的一種手段,目的是對(duì)樣品內(nèi)部造成損傷,使內(nèi)部AP顆粒發(fā)生破碎,觀察藥柱內(nèi)部AP顆粒的破碎特征。試驗(yàn)采用30 kg的落錘,落高為25 cm。

3 結(jié)果與討論

三種粒度AP的原始顆粒電鏡照片如圖2所示。

對(duì)三種沖擊加載后的樣品進(jìn)行了回收,在藥柱中心處取樣,微觀電鏡結(jié)果如圖3所示。對(duì)比三種粒度AP損傷前(圖2)與損傷后的SEM圖(圖3)可發(fā)現(xiàn),隨著AP粒度增大,破碎程度呈增大的趨勢(shì)。6～8 μmAP顆粒損傷前后基本未發(fā)生變化,未發(fā)現(xiàn)破碎成更小更碎顆粒的現(xiàn)象,130 μm AP只有部分顆粒由于穿晶斷裂發(fā)生破裂,仍可見一些未發(fā)生破碎的完整的AP晶體,而300 μm AP多數(shù)顆粒由于穿晶斷裂導(dǎo)致的顆粒破碎,破碎程度較嚴(yán)重,完整未發(fā)生破碎的晶體顆粒較少; 且在含130 μm與300 μm粒徑AP的樣品中均發(fā)現(xiàn)較多由于粘結(jié)劑失效造成顆粒拉出或破碎所致的空洞結(jié)構(gòu),并在部分晶體上發(fā)現(xiàn)了類似剪切帶的現(xiàn)象,如圖4所示。為對(duì)AP破碎后的尺寸進(jìn)行半定量分析,對(duì)破碎后的尺寸進(jìn)行了標(biāo)定,如圖5所示。由圖5可見,而6～8 μm的AP顆粒在加載前后顆粒尺寸未發(fā)生變化,顆粒尺寸均在6～8 μm左右,130 μm 與300 μm 的AP顆粒破碎后尺寸均在10～100 μm左右,最小尺寸均在10 μm以下。

眾所周知,在沖擊加載下,藥柱將發(fā)生快速的壓縮和反彈。在此過(guò)程中藥柱內(nèi)部所承受應(yīng)力可能會(huì)產(chǎn)生振蕩現(xiàn)象,這種應(yīng)力振蕩現(xiàn)象將對(duì)藥柱內(nèi)部顆粒進(jìn)行剪切,揉搓等作用,使藥柱內(nèi)部顆粒發(fā)生破碎,而AP顆粒通常較脆,所以在沖擊加載中AP更容易發(fā)生破碎,形成更細(xì)的顆粒[6],這可由圖3中損傷后AP顆粒的電鏡結(jié)果證實(shí)。

a. 6～8 μm b. 130 μm c. 300 μm

圖2 三種AP晶體沖擊加載前的SEM圖

Fig.2 SEM photos of three kinds of AP grains before impact

a. 6～8 μm b. 130 μm c. 300 μm

圖3 三種AP顆粒試驗(yàn)后SEM圖

Fig.3 SEM photos of three kinds of AP after impact

a. 2#(130 μm) b. 3#(300 μm)

圖4 AP晶體上剪切帶SEM圖

Fig.4 SEM photos of shear bands on AP particles

結(jié)合電鏡試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的剪切帶現(xiàn)象和破碎尺度特征,推斷認(rèn)為,AP顆粒的破碎可能是由于高應(yīng)變率而產(chǎn)生的絕熱剪切作用造成的。絕熱剪切(adiabatic shearing)是材料在沖擊載荷下力學(xué)行為的一個(gè)重要方面,這一現(xiàn)象普遍存在于高速撞擊、侵徹、沖孔、高速成型、切削、沖蝕等涉及沖擊載荷的高速變形過(guò)程中。之所以稱之為絕熱剪切,是由于這一現(xiàn)象一般具有兩個(gè)最基本的特征：其一,從熱力學(xué)的角度來(lái)說(shuō)總與沖擊載荷下材料的高速變形接近于絕熱過(guò)程這一特征分不開;這時(shí),變形過(guò)程中的非彈性功所轉(zhuǎn)化的熱量將引起絕熱溫升,從而引起剪切帶的形成和發(fā)展; 其二,最主要的是在顯微觀察上總以形成剪切變形高度局域化的、寬約10～100 μm量級(jí)的所謂剪切帶(shear band)為主要特征[8]。

由材料絕熱剪切特征剪切帶寬度為10～100 μm可知,當(dāng)AP顆粒粒度大于100μm時(shí),即大于剪切帶的最大寬度時(shí), AP顆粒較大,存在顆粒 “橫跨”剪切帶現(xiàn)象,在剪切作用下顆粒將發(fā)生脆性斷裂,3#樣品所采用的AP顆粒中粒徑為300 μm,遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于剪切帶的寬度,故在電鏡照片中觀察到大量破碎的AP晶體,且斷裂后顆粒尺寸應(yīng)小于或等于剪切帶的寬度,即小于或等于10～100 μm; 2#樣品AP中粒徑為130 μm,其中部分AP顆粒的粒徑大于100 μm,所以在電鏡照片中觀察到了顆粒破碎,但破碎程度較3#樣品的破碎程度小,破碎后AP顆粒尺寸同樣小于或等于剪切帶的寬度; 而當(dāng)AP顆粒小于10μm,小于剪切帶的最小寬度時(shí),絕大多數(shù)的AP顆粒在剪切帶運(yùn)動(dòng)過(guò)程中將完全“隱身”于剪切帶中,隨著剪切帶的運(yùn)動(dòng)而運(yùn)動(dòng),不發(fā)生破碎,1#樣品AP中粒徑為6～8 μm,其中AP顆粒絕大部分粒徑是小于10 μm的,所以AP顆?；疚窗l(fā)生破碎,從微觀SEM圖上基本看不出6～8 μm AP加載前后發(fā)生變化。

a. 1#(6～8 μm) b. 2#(130 μm) c. 3#(300 μm)

圖5 AP顆粒沖擊后尺寸標(biāo)定SEM圖

Fig.5 SEM photos of AP particles size after impact

4 結(jié) 論

(1) AP/HTPB樣品內(nèi)AP顆粒在落錘沖擊作用下發(fā)生破碎,且隨著粒度增大,破碎程度越嚴(yán)重,在某些顆粒上可觀察到剪切帶的特征。 AP顆粒破碎后的尺寸均在10～100 μm,最小尺寸小于10 μm。

(2) 結(jié)合AP顆粒破碎存在的剪切帶特征、破碎尺度特征和材料剪切帶理論,可以推斷在落錘沖擊下AP顆粒由于藥柱內(nèi)部剪切作用發(fā)生脆性斷裂,且AP顆粒破碎尺度特征與材料剪切現(xiàn)象中的剪切帶尺寸特征相類似。

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