張偉斌, 李敬明, 楊雪海, 肖 麗, 馮立羊, 雍 煉, 楊占鋒

(中國工程物理研究院化工材料研究所, 四川 綿陽 621999)

1 引 言

高聚物粘結(jié)炸藥(polymer bonded explosive, PBX)損傷問題主要是其宏觀裂紋出現(xiàn)前微裂紋、微孔洞等的發(fā)生與發(fā)展問題,初始損傷(尤其微裂紋)是溫壓成型PBX的普遍性現(xiàn)象,主要形式為炸藥晶體微裂、炸藥晶體與粘結(jié)劑的微裂隙以及微孔洞等[1-5],一般由粘結(jié)劑約束在壓實的顆粒內(nèi)部。PBX損傷觀察與表征的傳統(tǒng)方法是通過光學顯微鏡和掃描電鏡(SEM)觀察斷/剖面微區(qū)來實現(xiàn)[1-5],雖可高精度觀察與定量微米量級損傷,但對PBX三維空間結(jié)構認識則存在很大困難。

PBX存在低載荷開裂異?，F(xiàn)象,該問題會對其服役有著嚴重影響。研究表明微損傷(微裂紋、微孔洞)一般會使PBX力學性能降低[6-7],該尺度及以下的初始損傷不應是導致低載荷開裂異?，F(xiàn)象的主要原因,更可能的主要原因之一是初始細觀損傷(更接近于宏觀裂紋的百微米量級初始細小裂紋和數(shù)量較多的殘余孔隙),因此,如能無損觀察到并定量出PBX內(nèi)部存在的初始細觀損傷,則有可能為研究其低載荷開裂機制奠定重要基礎。

TATB造粒結(jié)構具有復雜性、多樣性[8],其溫壓成型PBX初始損傷及發(fā)展研究將是今后一段時期內(nèi)重要基礎性問題。本研究主要利用X射線微層析成像(X-ray microtomography, X-μCT)技術研究TATB造型顆粒經(jīng)單、雙向鋼模溫壓和軟模溫等靜壓成形(uni/bi-directional warm die compaction and isostatic warm soft compaction, UWDC/BWDC/IWSC)PBX三維微細結(jié)構特征,對比分析其初始細觀損傷及形式,為不同溫壓成形PBX熱力承載內(nèi)變形與斷裂機制研究提供基礎。

2 材料成形與CT試驗

2.1 材料成形

TATB粉末晶體(中國工程物理研究院化工材料研究所)經(jīng)水懸浮法造粒呈顆粒狀(即TATB造型顆粒,TATB granules),TATB造型顆粒直徑在1～3 mm范圍,外觀如圖1a所示。造粒后同批TATB造型顆粒經(jīng)單、雙向鋼模溫壓和軟模溫等靜壓成型,示意圖如圖1b、圖1c、圖1d所示。單、雙向鋼模內(nèi)徑和軟模內(nèi)徑均為Φ40 mm,成形溫度與成形壓力均為85 ℃和90 MPa。成形樣品尺寸分別為Φ40 mm×50 mm、Φ40 mm×50 mm和Φ31 mm×130 mm。其中,雙向鋼模溫壓下端有支撐彈簧。

2.2 X-μCT試驗

樣品在室溫中放置較長時間充分釋放殘余應力后進行X-μCT掃描成像(其中,考慮等靜壓力特征,其成形樣品僅掃描一半高),掃描裝置與文獻[9]相同,主要條件為管電壓80 kV,管電流480 μA,0.5 mm Cu片濾射線,探測器采集時間2000 ms,樣品分辨體元均為58 μm。

a. TATB granulesb. unidirectional compaction

c. bidirectional compactiond. isostatic compaction

圖1TATB造型顆粒及成型方式

Fig.1Schematic diagram of modeling granules of TATB and forming ways

3 結(jié)果與分析

圖2、圖3、圖4a給出了溫壓PBX樣品CT三維圖,分析全三維CT切片可發(fā)現(xiàn): 軟模溫等靜壓成形樣品未發(fā)現(xiàn)細小裂紋、也未發(fā)現(xiàn)殘余孔隙(圖2); 單向鋼模溫壓樣品中部存在初始細小裂紋(圖3),典型特征為線/面型縫隙且穿透致密接觸顆粒; 雙向鋼模溫壓樣品支撐面至壓制端(Slice number: 69～700)存在初始殘余孔隙(顆粒間孔隙,圖4a),典型特征為體積型空隙殘留在未致密接觸的顆粒間,孔隙的徑向當量直徑范圍為370～1340 μm,孔隙個數(shù)由支撐端向壓制端呈減小趨勢(圖4b)。結(jié)果說明該單向溫壓試驗中90 MPa載荷壓力會產(chǎn)生局部應力集中,而雙向溫壓試驗中90 MPa載荷壓力會導致局部應力不足以使顆粒致密而殘留孔隙,其主要原因可能來自支撐彈簧的壓力損耗。

表1列出利用X-μCT得出的TATB造型顆粒經(jīng)三種溫壓成形后樣品的初始損傷對比情況,結(jié)果說明在相同的成形溫度、成形壓力下(85 ℃、90 MPa),TATB造型顆粒單、雙向溫壓存在初始細小裂紋或殘余孔隙,而軟模溫等靜壓則同時避免初始細小裂紋和殘余孔隙。

圖2用 IWSC成形的PBX的三維結(jié)構

Fig.23D structure of PBX pressed by IWSC

圖3用UWDC成形的PBX的初始微細裂紋

Fig.3Initial fine crack of PBX pressed by UWDC

a. 3D distribution of residual pores

b. the size and counts of residual pores

圖4用BWDC成形的PBX的殘余孔隙

Fig.4Initial residual pores in the PBX pressed by BWDC

表1用UWDC, BWDC 和IWSC成型的PBX的初始損傷

Table1Initial damage of PBX pressed by UWDC, BWDC and IWSC

InitialmesoscopicdamageUWDCBWDCIWSCresidualpores(equivalentdiameter)/μm-370～1340-finecrack(width×length)/μm150×1300--

4 結(jié) 論

利用X-μCT無損觀察到單、雙向壓的PBX內(nèi)部存在細小裂紋與殘余孔隙,尺度在百微米到毫米量級范圍,該現(xiàn)象對模壓PBX低載荷開裂問題研究具有重要意義。

在相同的成形溫度和成形壓力(85 ℃、90 MPa)下,TATB造型顆粒單、雙向溫壓存在初始細觀損傷,而軟模溫等靜壓則避免初始細觀損傷。

參考文獻:

[1] 梁華瓊, 雍煉, 唐常良,等. RDX為基的PBX炸藥壓制過程損傷形成研究[J]. 含能材料, 2009, 17(6): 713-716.

LIANG Hua-qiong, YONG Lian, TANG Chang-liang, et al. Pressing damage of RDX-based polymer bonded explosive[J].ChineseJournalofEnergeticMaterials(HannengCailiao), 2009, 17(6): 713-716.

[2] 梁華瓊, 雍煉, 唐常良, 等. 壓制過程中PBX炸藥顆粒的破碎及損傷[J]. 火炸藥學報, 2010, 33(1): 27-30．

LIANG Hua-qiong, YONG Lian, TANG Chang-liang, et al. Crack and damage of PBX during pressing[J].ChineseJournalofExplosives&Propellants, 2010, 33(1): 27-30．

[3] 屈可朋, 肖瑋, 韓天一, 等. RDX基PBX炸藥的力學行為和損傷模式[J]. 火炸藥學報, 2012, 35(5): 38-40,44.

QU Ke-peng, XIAO Wei, HAN Tian-yi, et al. Mechanical behavior and damage mode of RDX-based PBX explosive[J].ChineseJournalofExplosives&Propellants, 2012, 35(5): 38-40, 44.

[4] 劉佳輝, 劉世俊, 黃明, 等. 壓制PBX中炸藥晶體損傷的研究進展[J]. 含能材料, 2013, 21(3): 372-378.

LIU Jia-hui, LIU Shi-jun, HUANG Ming, et al. Progress on crystal damage in pressed polymer bonded explosives[J].ChineseJournalofEnergeticMaterials(HannengCailiao), 2013, 21(3): 372-378.

[5] Victor Stepanov, Trevor M Willey, Jan Ilavsky, et al. Structural characterization of RDX-based explosive nanocomposites[J].PropellantsExplosPyrotech, 2013, 38: 386-393.

[6] 陳鵬萬, 丁雁生. 含能材料裝藥損傷和力學性能研究進展[J]. 力學進展, 2002, 32(2): 212-222.

CHEN Peng-wan, DING Yan-sheng. Progress in the study of damage and mechanical properties of energetic materials[J].AdvancesinMechanics, 2002, 32(2): 212-222.

[7] 韋興文, 周筱雨, 涂小珍, 等. HMX基PBX的溫度環(huán)境適應性[J]. 火炸藥學報, 2012, 35(1): 15-18.

WEI Xing-wen, ZHOU Xiao-yu, TU Xiao-zhen, et al. Thermal environment adaptability of HMX based PBX[J].ChineseJournalofExplosives&Propellants, 2012, 35(1): 15-18．

[8] 張偉斌, 楊雪海, 楊仍才, 等. 流固耦合湍流驅(qū)動TATB造粒凝結(jié)渦旋[J]. 含能材料, 2014, 22(3): 376-381

ZHANG Wei-bin, YANG Reng-cai, YANG Xue-hai, et al. Condensed vortexes in TATB granules driven by fluid-solids coupled turbulent flows[J].ChineseJournalofEnergeticMaterials(HannengCailiao), 2014, 22(3): 376-381

[9] 張偉斌, 楊雪海, 楊仍才, 等. 單向熱模壓TATB基高聚物粘結(jié)炸藥X射線微層析成像[J]. 含能材料, 2014, 22(2): 202-205.

ZHANG Wei-bin, YANG Xue-hai, YANG Reng-cai, et al. X-ray micro-tomography of TATB based polymer bonded explosives under unidirectional warm compaction[J].ChineseJournalofEnergeticMaterials(HannengCailiao), 2014, 22(2): 202-205.