孫培培, 王曉峰, 南 海, 郭 昕

(西安近代化學研究所, 陜西 西安 710065)

1 引 言

高氯酸銨(AP)作為一種氧化劑,廣泛地應用于復合炸藥中以提高能量。劉子如[1]對AP的熱分解進行了詳細研究;王彩玲等[2]對不同粒度的AP顆粒進行了感度試驗,發(fā)現(xiàn)隨著粒度的減小感度增大;田軒等[3]對單獨AP顆粒沖擊后破碎特征進行了分析,但對AP在基體內(nèi)的破碎未進行研究,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]使用落錘對含AP的炸藥配方進行動態(tài)加載試驗,結(jié)果表明含400 μm粒徑AP的試樣大概有1/5發(fā)生了點火,而含30 μm粒徑AP顆粒的試樣上只發(fā)現(xiàn)了1到2處的點火點,作者簡略分析了AP顆粒在沖擊加載后的破碎方式,認為樣品中AP顆粒粒度越大,在沖擊加載下,樣品越容易點火。陳鵬萬等[6]對低速沖擊下炸藥及推進劑內(nèi)部晶體顆粒的破碎進行了研究,并對沖擊加載后顆粒的粒度和比表面積進行了測定,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，目前對于AP顆粒在力學加載下的破碎特征問題研究較少。

田軒等[3]已經(jīng)對單獨AP顆粒在落錘沖擊下的破碎特征進行了研究,但在落錘沖擊加載下,單獨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顆粒的破碎特征對實際應用更具有實際意義。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,對樣品進行落錘加載試驗,通過微觀掃描電鏡(SEM)對AP在炸藥基體內(nèi)的破碎特征進行了分析研究。

2 試 驗

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FEI公司,試驗電壓為20kV,環(huán)境為高真空模式。

6～8 μm AP,西安航天化學動力廠; 130 μm AP、300 μm AP、GJB617A-2003,大連國際工貿(mào); GJB617A-2003,大連國際工貿(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,若以炸藥進行落錘試驗后的樣品進行分析研究,影響因素太多,無法較好分辨出AP的破碎特征。考慮到本研究主要是對AP顆粒破碎特征進行分析,其他組分的存在與否對試驗結(jié)果影響微弱,為更好地對AP的破碎特征進行分析,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,分別編號為1#,2#,3#待測。

2.3 落錘試驗方法

GJB772A-1997中609.1[7]藥片撞擊感度是采用落錘加載來評價炸藥藥片感度的一種試驗方法,其試驗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藥片進行撞擊作用,根據(jù)藥片的響應評價炸藥藥片的撞擊感度,其原理圖如圖1所示。

圖1 落錘加載試驗原理圖

1—步進電機, 2—掛錘架, 3—頂板, 4—錘頭, 5—氣缸,6—滾珠絲杠, 7—底板, 8—托錘架, 9—導桿

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

本研究不評價樣品的撞擊感度,僅把落錘試驗作為沖擊加載的一種手段,目的是對樣品內(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。

對三種沖擊加載后的樣品進行了回收,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。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致的顆粒破碎,破碎程度較嚴重,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AP破碎后的尺寸進行半定量分析,對破碎后的尺寸進行了標定,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。在此過程中藥柱內(nèi)部所承受應力可能會產(chǎn)生振蕩現(xiàn)象,這種應力振蕩現(xiàn)象將對藥柱內(nèi)部顆粒進行剪切,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,形成更細的顆粒[6],這可由圖3中損傷后AP顆粒的電鏡結(jié)果證實。

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)合電鏡試驗中發(fā)現(xiàn)的剪切帶現(xiàn)象和破碎尺度特征,推斷認為,AP顆粒的破碎可能是由于高應變率而產(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行為的一個重要方面,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)象一般具有兩個最基本的特征：其一,從熱力學的角度來說總與沖擊載荷下材料的高速變形接近于絕熱過程這一特征分不開;這時,變形過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AP顆粒粒度大于100μm時,即大于剪切帶的最大寬度時, 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,遠遠大于剪切帶的寬度,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AP顆粒小于10μm,小于剪切帶的最小寬度時,絕大多數(shù)的AP顆粒在剪切帶運動過程中將完全“隱身”于剪切帶中,隨著剪切帶的運動而運動,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。

參考文獻:

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