程晉明，傅 華，葉 雁，曹宇東，陽慶國

(中國工程物理研究院流體物理研究所，四川綿陽 621999)

高聚物粘結(jié)炸藥(Polymer Bonded Explosive，PBX)是武器戰(zhàn)斗部裝藥中的核心材料，掌握其形變和爆炸失效機制進而預測其行為是炸藥相關研究的主要目標之一。PBX炸藥由微小尺度的炸藥晶體和聚合物粘結(jié)而成，其微結(jié)構(gòu)尤其是晶體-粘結(jié)劑界面對炸藥的形變、失效等行為有著重要的影響。PBX炸藥在運輸和發(fā)射過程中將經(jīng)歷復雜的應力狀態(tài)，受力過程包括壓縮、剪切、摩擦、黏塑性流動等。許多研究人員認為，在機械應力作用下裂紋的傳播是導致PBX炸藥失效的重要機制[1-2]。另外，PBX炸藥內(nèi)部結(jié)構(gòu)的非均質(zhì)性，包括氣泡、裂紋和雜質(zhì)等各種缺陷，被認為是熱點形成的重要因素[3]，研究PBX炸藥內(nèi)部缺陷的擴展過程將有助于深入認識熱點的形成機制。

由于PBX炸藥具有不透明性，采用一般的光學測試技術無法獲得炸藥的內(nèi)部信息；同時，PBX炸藥也是低Z(原子序數(shù))材料，具有弱吸收特性，傳統(tǒng)的X射線吸收成像方法難以獲得令人滿意的圖像襯度和空間分辨率。X射線同軸相襯成像技術是利用X射線通過樣品時相位偏移比吸收變化大3個數(shù)量級左右的特性，將相位信息轉(zhuǎn)換為強度信息，進而獲得較高的圖像襯度和空間分辨率，是檢測弱吸收物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)性質(zhì)的一種有效方法。例如：Yeager等人[4]在美國阿貢國家實驗室的先進光源(Advanced Photon Source，APS)上，利用X射線同軸相襯成像技術研究了用于模擬炸藥的單晶糖、單晶醋氨酚和帶裂紋的有機玻璃片的微結(jié)構(gòu)；Zoofan等人[5]利用微焦點X射線管開展了環(huán)氧樹脂內(nèi)部結(jié)構(gòu)的相襯成像，所獲圖像的襯度顯著高于傳統(tǒng)的X射線吸收成像。然而，利用X射線同軸相襯成像技術開展真實炸藥的實驗研究卻鮮見報道。本研究通過對不同壓力作用下的PBX炸藥進行X射線同軸相襯成像，觀察炸藥內(nèi)部缺陷的準靜態(tài)擴展過程，為深入探討高能炸藥的熱點形成機制提供技術支持。

2 X射線同軸相襯成像原理

X射線穿過物體所受的影響可通過復折射率n(λ)描述

式中：δ(λ)和β(λ)分別為折射率的相位項和吸收項，λ為波長。X射線與物體作用后，其相位變化量φ(z,λ)和吸收系數(shù)μ(z,λ)可分別表示為[6]

式中：z為X射線與物體的作用距離。圖1所示為奧克托今(HMX，分子式為C4H8O8N8)炸藥的δ和β隨X射線能量E的變化[7]。

同軸相襯成像的基本原理為：當均勻相干或部分相干的X射線照射截面非均勻的低Z材料時，在吸收基本可以忽略的情況下，光強基本不發(fā)生變化，材料對X射線的折射作用使其波面發(fā)生畸變，畸變的波面繼續(xù)傳播并與未發(fā)生畸變的波面發(fā)生干涉，從而將相位信息轉(zhuǎn)換成強度調(diào)制，如圖2所示。

圖1 HMX炸藥的δ和β隨X射線能量的變化Fig.1 δ and β of HMX vs.X-ray energy

圖2 X射線同軸相襯成像原理示意圖Fig.2 Schematic illustration of in-line phase-contrast imaging

當有限尺寸的寬光譜光源入射到低Z材料時，根據(jù)菲涅耳衍射理論，像的強度I(ω;R1,R2)為

3 實驗設計

采用準靜態(tài)方式診斷PBX炸藥的缺陷擴展過程，即逐漸升高壓力，拍攝炸藥樣品在不同靜壓力作用下的X射線相襯圖像。炸藥樣品選用PBXCD-2高能鈍感炸藥，該炸藥主要由HMX、HTPB(Hydroxyl-Terminated Polybutadiene)和石蠟組成，尺寸為4 mm×4 mm×2 mm，X射線的穿透厚度為2 mm。采用微焦點X射線管作為X射線源，電壓設置為30 kV ，電流設置為130 μA。利用日本JIMA公司生產(chǎn)的高分辨測試卡，對X射線管在輸出功率為4 W時的焦斑尺寸進行測試，結(jié)果如圖3所示，其中橫向分辨力為2 μm，縱向分辨力為4 μm。

圖3 X射線管的輸出功率為4 W時所獲得的JIMA分辨率測試圖像Fig.3 Images of the JIMA resolution test-pattern at 4 W of output power of X-ray tube

圖4 實驗布局Fig.4 Experimental setup

實驗布局如圖4所示，X射線管與炸藥樣品的距離R1為40 cm，探測器與炸藥樣品的距離R2為380 cm，成像放大倍率M為10.5。在X射線管的出光口放置鈹濾片，用于阻擋低能X射線。探測器采用X射線成像板，每幅圖像的曝光時間為5 min。實驗數(shù)據(jù)由配套的掃描設備讀取，數(shù)據(jù)的有效位數(shù)為16 bit，最高空間分辨力為20 μm，反推至物面的最高分辨力可達1.9 μm。對炸藥樣品施加的壓力由標準測力儀進行監(jiān)測。

4 實驗結(jié)果與分析

為檢驗系統(tǒng)的有效性，制備了含氣泡的PMMA(Polymethyl Methacrylate)樣品(厚度為2 mm)，并進行了相襯成像和吸收成像的對比實驗，結(jié)果如圖5所示?？梢?，X射線相襯圖像的對比度顯著高于吸收圖像。因此，采用此實驗系統(tǒng)可以獲得較高質(zhì)量的X射線相襯圖像。

圖5 含氣泡的PMMA樣品的相襯圖像與吸收圖像對比Fig.5 Comparison between absorbed and phase-contrast images of a PMMA sample with bubbles

圖6(a)為炸藥缺陷的典型相襯圖像，圖6(b)為圖6(a)中方框區(qū)域?qū)幕叶惹€。從圖6可以看出，炸藥缺陷的相襯特征比較明顯，方框區(qū)域中的裂紋寬度約為20 μm。與PMMA樣品的相襯圖像(見圖5)相比，炸藥相襯圖像的襯度較低，主要是因為在光路方向上2 mm厚炸藥樣品的晶體組分發(fā)生層疊，而各組分之間的密度及相位(δ)差別較小，相比而言，PMMA與空氣的密度及相位差別則較為明顯。

圖6(a) 典型的缺陷相襯圖像Fig.6(a) Typical phase-contrast image of crack

圖6(b) 圖6(a)方框區(qū)域的強度剖線Fig.6(b) Intensity profile in rectangular region of Fig.6(a)

圖7(a)～圖7(i)顯示了HMX炸藥在緩慢加壓(壓力方向與X射線入射方向垂直)過程中的X射線相襯圖像，壓力從零開始，最高達到2.63 MPa。對比圖7(a)和圖7(b)可知，圖像沒有發(fā)生明顯的變化，即在0.35 MPa壓力下HMX炸藥樣品未出現(xiàn)可觀測的裂紋，此時僅能看到炸藥晶體的邊界；逐步提升壓力至0.60 MPa時，樣品內(nèi)部的裂紋開始顯現(xiàn)，且多出現(xiàn)在炸藥-粘結(jié)劑界面處；隨著壓力的逐漸增大，樣品內(nèi)部的裂紋變得越來越多，裂紋寬度也越來越大，多條裂紋逐漸貫通；當壓力達到2.63 MPa時，樣品內(nèi)部的裂紋相互交錯嚙合，不容易清晰分辨。以圖7方框區(qū)域中的裂紋為例，表1列出了該裂紋的長度和寬度變化?？梢钥闯觯寒攭毫Φ陀?.60 MPa時，此裂紋還未形成；從0.88 MPa開始，裂紋的長度和寬度隨著壓力的增加而逐漸增大，其中裂紋寬度的變化較為明顯，而裂紋長度在壓力達到1.63 MPa后趨于穩(wěn)定，甚至略有減小。分析認為，裂紋長度和寬度的變化與壓力加載方向有關。

圖7 炸藥缺陷擴展過程的X射線同軸相襯圖像Fig.7 X-ray in-line phase-contrast images of the evolution of defects in the explosive

p/(MPa)Length/(μm)Width/(μm)p/(MPa)Length/(μm)Width/(μm)01.63288780.351.88286860.602.38282930.88208382.632761101.3525144

5 結(jié) 論

利用X射線相襯成像技術，對PBXCD-2高能鈍感炸藥在0～2.63 MPa壓力作用下內(nèi)部裂紋的產(chǎn)生和發(fā)展過程進行了準靜態(tài)觀測，獲得了較高質(zhì)量的圖像。實驗結(jié)果表明：對于包含粘結(jié)劑和鈍化劑的PBX炸藥，在外界壓力作用下，材料內(nèi)部裂紋多出現(xiàn)在炸藥-粘結(jié)劑界面處，且隨著壓力的升高，裂紋的數(shù)量和寬度逐漸增大，最終導致炸藥失效。

由于實驗所采用的是直流微焦點X射線源，光通量有限，因此只能提供準靜態(tài)變化過程。利用更先進的光源，如第四代光源——X射線自由電子激光(X-FEL)，可進一步獲得炸藥等低Z材料在高應變率下更清晰、精細的動態(tài)過程圖像，為深入認識高能炸藥的熱點形成機制提供技術支持。

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