顏熹琳, 唐明峰, 甘海嘯, 王 林, 李 明, 溫茂萍

(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(PBX)作為一類重要的高能炸藥,廣泛應用于武器戰(zhàn)斗部中,在國防領域中具有重要地位。但是,PBX組分的特殊性(炸藥晶體顆粒高度填充,且炸藥晶體模量遠高于粘結(jié)劑模量[1])和成型工藝的復雜性(由各組分經(jīng)過造粒及高溫高壓壓制而成)決定了PBX中界面大量存在,且結(jié)構(gòu)異常復雜,界面處必然會出現(xiàn)熱物理性能、力學性能等的跳躍。炸藥晶體/粘結(jié)劑界面的力學特性研究對PBX的配方設計具有參考價值,對PBX力學性能的改善和安全性能的提高具有指導作用。

目前PBX界面力學性能的研究方法主要包括模擬計算[2-3]和試驗測試[4-5]兩種。南京理工大學的馬秀芳等人[6]采用分子動力學方法計算PBX中奧克托今(HMX)/氟橡膠F2311的界面結(jié)合能為314.2 kJ·mol-1,且發(fā)現(xiàn)PBX中HMX與F2311之間存在氫鍵作用和較強的范德華力。Hackjin Kim等[7]采用和頻振動光譜的方法測試了β-HMX單晶和高分子粘結(jié)劑Estane之間的界面情況,發(fā)現(xiàn)HMX的CH鍵延伸在HMX-Estane界面上比自由表面分裂更小,但作者同時指出該試驗結(jié)果可能并不具有代表性。肖繼軍等人[8-9]通過分子動力學模擬方法理論研究了β-HMX晶體的(100)晶面與聚合物粘結(jié)劑聚乙二醇(PEG)、端羥基聚丁二烯(HTPB)和Estane5703之間的界面情況,包括界面結(jié)構(gòu)、界面力學性能(例如界面的彈性性能和延展性等),研究發(fā)現(xiàn),添加少量聚合物粘結(jié)劑,可以有效提高HMX晶體的延展性。Palmer等人[10]通過將HMX晶體與粘結(jié)劑粘接后開展直接拉伸試驗,測量了EDC37(一種高聚物粘結(jié)炸藥)中HMX與聚合物粘結(jié)劑之間的界面斷裂所需要的力,發(fā)現(xiàn)該界面強度僅有75 kPa。這些研究為認識PBX中炸藥晶體/粘結(jié)劑的界面力學特性提供了途徑,但其中數(shù)值模擬等間接方法偏多,而針對PBX真實界面的力、變形等參量的直接測量則很缺乏。

基于此,本研究針對壓裝PBX的界面特性,設計了可實現(xiàn)拉剪復合加載的多角度拉伸夾具和PBX模擬界面的制備方法,開展了PBX模擬界面力學特性試驗方法研究,對PBX模擬界面在不同加載角度下的力學行為特征進行了試驗分析,并對PBX界面的強度相關性規(guī)律進行探索。

2 實驗部分

2.1 設計原理

圖1為PBX中界面結(jié)構(gòu)示意圖, 其中炸藥晶體數(shù)量眾多,方向各異,界面構(gòu)成復雜(圖1b),但對于一個特定的界面,其受力狀況都可分解為平行于界面的橫向作用(剪切)和垂直于界面的縱向作用(拉壓),且多以拉剪或壓剪復合的形式承受載荷(圖1c)。因此,為了復現(xiàn)PBX中炸藥晶體/粘結(jié)劑界面的真實力學作用,必須使試樣在受載過程中同時受到拉伸(壓縮)和剪切的作用。對于絕大多數(shù)PBX來講,拉伸和壓縮下材料的宏觀力學響應是不一致的,拉伸強度小于壓縮強度,即存在所謂的拉壓不對稱性; 就微觀破壞形式而言,二者也是不一致的,拉伸載荷作用下PBX的破壞形式主要表現(xiàn)為炸藥晶體和粘結(jié)的分離,即脫粘,而壓縮載荷下材料的破壞形式還包括炸藥晶體的斷裂和破碎?？梢姀氖芰妥兞孔钚』慕嵌?拉伸、剪切的耦合對PBX中炸藥晶體/粘結(jié)劑界面的力學分析無疑是更有利的。因此本研究重點考慮PBX中界面的拉伸、剪切復合作用。

a. PBX sampleb. different crystal-binderc. load on

interface interface

圖1PBX中炸藥晶體/粘結(jié)劑界面示意圖

Fig.1Schematic illustration of the crystal/binder interface for PBX

基于界面法向和載荷方向夾角可調(diào)、以實現(xiàn)正應力和剪應力的不同比例分配的設計原則,設計了一種界面測試裝置,該裝置可滿足界面的拉伸、剪切及拉剪復合測試需求。設計的拉剪復合加載裝置及其裝配工裝如圖2。通過插銷固定不同位置的定位孔,該裝置可實現(xiàn)0°、15°、30°、45°、60°、75°及90°共7個不同角度的拉/剪加載試驗。圖3為粘結(jié)好的試樣在0°、45°、90°三個角度加載時的實際效果圖。根據(jù)受力分析,材料試驗機橫梁對夾具施加載荷作用時,界面上的拉伸載荷與剪切載荷分別為:

(1)

式中,F為橫梁施加的載荷,Fn為界面上的拉伸力,Fτ為界面上的剪切力,單位均為N,α為試樣軸向與載荷方向的夾角,°。

圖2拉伸夾具實物圖

1—弧形連接片, 2—試樣粘結(jié)頭, 3—試樣安裝夾具座

Fig.2Tensile fixture used in the experiment

1—arc connector, 2—bonding part, 3— samplefixture

a. tension(0°loading)b. 45°loadingc. shear(90°loading)

圖3PBX界面力學特性測試工裝示意圖

Fig.3Tensile-shear fixture for crystal/binder interface test

2.2 材料及模擬界面的制備

研究對象為一種以TATB為基的高聚物粘結(jié)炸藥,粘結(jié)劑為一種氟聚合物,采用壓裝工藝制備而成。為了從宏觀加載的角度對PBX中炸藥晶體/粘結(jié)劑界面進行力學性能分析,需要精確制備的界面。首先加工了Φ20 mm×20 mm的圓柱形試樣,選取兩發(fā)為一組,用手工和精密研磨拋光機對試樣進行拋光,使炸藥晶體從試樣表面裸露出來,然后用粘結(jié)劑將兩發(fā)試樣拋光過的表面進行粘接形成模擬界面,最后在材料試驗機上對模擬界面施加固定的壓力(壓力條件如圖4所示),保壓1 h,然后卸載壓力后在常溫下放置24 h,即制備了炸藥晶體/粘結(jié)劑模擬界面。由于粘結(jié)劑在PBX含量極少,因此該模擬界面實際代表了PBX中炸藥晶體/粘結(jié)劑界面的宏觀統(tǒng)計效應,與PBX真實界面十分接近,可以替代真實界面進行力學性能研究。事實上,該PBX中超過90%的成分為TATB晶體,按組分密度簡單計算可知模擬界面處炸藥晶體-粘結(jié)劑占主要部分,而粘結(jié)劑-粘結(jié)劑間的接觸面積小于5%,因此,從方法和規(guī)律上講,通過該模擬界面得到的力學強度可以代表PBX中炸藥晶體/粘結(jié)劑界面的相互作用。當然,更深入的理解應進一步分離其中晶體-粘結(jié)劑界面以及粘結(jié)劑-粘結(jié)劑界面的作用,此處又牽涉到炸藥晶體的各向異性問題,這需進一步研究。

a. load-time curve

b. load-displacement curve

圖4模擬界面制備壓制曲線

Fig.4Compression curves of the simulated interface for PBX

2.3 界面的拉剪復合試驗

通過上述設計的拉剪復合試驗裝置,對制備的模擬界面開展了0°、30°、45°、60°、75°、90°六個不同角度的界面力學作用測試試驗(角度為試樣和加載方向的夾角,并且定義0°為純拉伸,90°為純剪切)。試驗溫度23 ℃,加載速率0.5 mm·min-1。

3 結(jié)果與討論

3.1 拉剪試驗的有效性

圖5給出了界面失效瞬間試樣的破壞形貌,加載后試樣從兩塊試樣之間的粘結(jié)界面破壞,而兩塊小試樣沒有發(fā)生破壞,說明該試驗的夾持加載確實滿足了界面間的拉剪耦合測試。圖6是不同加載角度下的載荷-位移曲線,其中每個加載角度5個試樣,由圖6可知每一個加載角度均具有較好的重復性。表1為不同加載角度的載荷平均值和標準差,可見隨著加載角度的增加,試驗結(jié)果穩(wěn)定性良好。不同角度的拉剪復合試驗結(jié)果的一致性表明了基于拉剪復合試驗的炸藥晶體/粘結(jié)劑界面作用力學特性測試方法的可行性。

圖5試樣的典型破壞形貌

Fig.5Typical failure model of the sample

a. 0°b. 30°c. 45°

d. 60°e. 90°

圖6不同角度拉剪復合試驗結(jié)果

Fig.6Tensile-shear results in different loading angles

表1不同角度下的載荷平均值與標準差

Table1Average load and standard deviation in different loading angles

loadangle/(°)averageload/Nstandarddeviation/N0224.313.430252.037.945271.731.360283.838.175286.524.790307.722.2

3.2 PBX界面的力學行為特征

從不同角度的拉剪復合應力試驗結(jié)果可以看出,模擬界面的失效載荷隨著加載角度的增加而增加,而根據(jù)圖6,模擬界面破壞對應的位移也幾乎是隨著加載角度的增加而增加的。初步分析認為,純拉伸作用下,晶體和粘結(jié)劑的作用變化主要表現(xiàn)為晶體和粘結(jié)劑界面的脫粘,以及占很少比例的粘結(jié)劑斷裂失效; 而純剪切作用下,界面作用的變化還增加了晶體和粘結(jié)劑的摩擦作用。最終的結(jié)果是PBX界面的剪切破壞載荷大于拉伸破壞載荷,這與PBX宏觀試驗得到的剪切應力大于拉伸應力是一致的[11]。更深層次的原因還需進一步研究。

為便于分析,采取應力的形式,并把不同角度的拉剪復合應力分解到拉伸方向和剪切方向,得到對應角度的拉應力和剪應力,即把式(1)用應力進行表述:

(2)

3.3 PBX界面作用模型

關于材料在拉剪、壓剪復合應力共同作用下的強度相關性規(guī)律,研究者提出了各式各樣的本構(gòu)模型。對于混凝土、陶瓷等脆性材料,不論是基于試驗數(shù)據(jù)分析,還是基于Drucker-Prager準則[12]或莫爾-庫倫準則[12]的退化理論,均發(fā)現(xiàn)此類材料的拉剪、壓剪強度相關關系可以用橢圓方程、拋物線方程、雙曲線方程等二次曲線來表示[14-15]。本研究對象也是一種脆性材料,從3.2節(jié)炸藥晶體/粘結(jié)劑界面作用規(guī)律來看,其破壞面上拉應力增加過程中剪應力是在減小的。在τ-σ平面上,一般認為材料的破壞條件由破裂面的正應力和剪應力共同決定,即

a. total stress

b. tensile and shear stress

圖7拉剪復合應力隨加載角度的變化

Fig.7Tensile-shear results in different loading angles

f(τ,σ)=0

(3)

式中，τ為剪切面上的剪應力,MPa;σ為剪切面上的拉應力,MPa。不同角度的界面拉應力和剪應力做成τ-σ平面上應力點,結(jié)果如圖8所示。由圖8可知,PBX模擬界面的拉剪強度規(guī)律近似為橢圓型,用式(4)對試驗數(shù)據(jù)進行了擬合:

σ2/a2+τ2/b2=1

(4)

式中，a、b為材料常數(shù),單位MPa。擬合結(jié)果如圖8所示,圖中a=0.759 MPa,b=0.970 MPa,可見擬合結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)吻合良好,表明式(4)代表的橢圓模型可以較好地反映PBX中炸藥晶體/粘結(jié)劑界面的拉剪強度特性。

圖8不同角度的界面拉應力τ和界面剪應力σ的試驗結(jié)果以及擬合結(jié)果

Fig.8Experimental data and fitting curve of tensile-shear stress

4 結(jié) 論

(1) 設計了一種用于PBX界面拉剪復合加載的夾具,可實現(xiàn)0°、15°、30°、45°、60°、75°及90°的多角度加載,同時探索了PBX晶體/粘結(jié)劑模擬界面的制備方法,試驗結(jié)果一致性較好,可用于PBX界面拉剪力學性能的相關研究。

(2) PBX界面的剪切破壞應力為0.980 MPa,大于拉伸破壞應力0.759 MPa,拉應力隨著加載角度的增加不斷降低,剪應力隨著加載角度的增加不斷增加,而復合應力隨加載角度的增加線性增大,0°、30°、45°、60°、75°、90°加載角度下的應力分別為0.759,0.802,0.865,0.903,0.912 MPa和0.980 MPa。

(3) PBX界面的破壞準則由拉應力和剪應力共同控制,σ2/a2+τ2/b2=1形式的橢圓模型可以較好地描述PBX中炸藥晶體/粘結(jié)劑界面的拉剪強度特性。

本研究涉及的試驗方法適用于PBX中炸藥晶體/粘結(jié)劑界面力學性能研究,特別是特定壓力下成型的PBX界面的作用強度及破壞規(guī)律,結(jié)果可作為PBX配方研制過程中的借鑒。而對于PBX的成型過程,涉及到的因素還包括溫度、保壓時間等,實際應用中還可能受到?jīng)_擊載荷的作用,后續(xù)的研究將進一步考慮這些因素的影響以及它們耦合作用下PBX界面的力學性能。

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