趙　凱，王　浩，王　瑋，楊　斐，劉瑞鵬，朱一舉

(西安近代化學(xué)研究所， 陜西 西安 710065)

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DNAN力學(xué)性能分析

趙凱，王浩，王瑋，楊斐，劉瑞鵬，朱一舉

(西安近代化學(xué)研究所， 陜西 西安 710065)

利用Materials Studio軟件計算了DNAN和TNT晶體在常溫(25℃)、常壓下(105Pa)的彈性模量，預(yù)估了二者受力過程中塑性變形能力的差異；通過納米壓痕試驗(yàn)測試了DNAN和TNT的彈性模量及塑性變形能力；采用力學(xué)性能試驗(yàn)機(jī)測試了其抗壓性能、抗拉性能、抗剪性能，并結(jié)合分子間作用力對強(qiáng)度差異的原因進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，DNAN的抗壓強(qiáng)度為5.96MPa，抗拉強(qiáng)度為2.57MPa，抗剪強(qiáng)度為0.34MPa；TNT的抗壓強(qiáng)度為15.57MPa，抗拉強(qiáng)度為2.35MPa，抗剪強(qiáng)度為1.8MPa；DNAN和TNT在受力過程中的彈性形變均為200nm，DNAN的塑性形變?yōu)?50nm，TNT的塑性形變?yōu)?200nm，DNAN相比于TNT更容易發(fā)生脆性斷裂。

力學(xué)性能；彈性模量；塑性形變；彈性形變；DNAN；TNT

引　言

彈藥在使用、貯存及運(yùn)輸過程中的安全事故會造成巨大的人員傷亡和財產(chǎn)損失，因此對不敏感彈藥的需求越來越迫切，世界各國都在大力發(fā)展不敏感彈藥技術(shù)。熔鑄炸藥裝藥工藝簡單、成本低且易于回收利用，一直是戰(zhàn)斗部裝藥的主要類型。DNAN是二戰(zhàn)時期就已出現(xiàn)的炸藥，國外對其進(jìn)行了較多研究，如HMX、NQ、AP等在DNAN中的溶解度[1]，DNAN與TNT的感度、能量、揮發(fā)性的差異[2]，DNAN的毒性[3],并發(fā)展了一系列具有不敏感特性的炸藥配方。我國于近年也相繼開展了DNAN基熔鑄炸藥的相關(guān)研究,如羅一鳴等[4]研究了DNAN的凝固過程,馬松等[5]對DNAN的凝固過程進(jìn)行了數(shù)值模擬,高杰等[6]對DNAN基復(fù)合炸藥的爆轟性能進(jìn)行了分析。炸藥的力學(xué)性能也是影響其裝藥安全性的重要因素，DNAN在裝藥完整時具有較低的感度，然而當(dāng)其裝藥完整性破壞后(如產(chǎn)生裂紋等)，DNAN基裝藥感度究竟如何變化，目前尚未見有相關(guān)報道，所以有必要對DNAN裝藥的力學(xué)性能進(jìn)行分析。

本研究通過模擬計算對比分析了DNAN和TNT力學(xué)性能的差異，并采用力學(xué)性能試驗(yàn)機(jī)測試了強(qiáng)度差異及采用納米壓痕實(shí)驗(yàn)測試了DNAN和TNT試樣在受力過程中的塑性形變和彈性形變的差異。

1　數(shù)值計算

1.1計算參數(shù)

計算所用軟件為Material Studio，晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)取自晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫。TNT晶胞參數(shù)a=149.113nm，b=60.34nm，c=208.815nm；α=γ=90°，β=110.365°，每個晶胞中含有8個分子，DNAN晶胞參數(shù)a=87.73nm，b=126.31nm，c=153.77nm；α=γ=90°，β=98.172°，每個晶胞中含有8個分子，晶胞結(jié)構(gòu)如圖1所示，構(gòu)建的超晶胞如圖2所示。

圖1　TNT和DNAN的晶胞結(jié)構(gòu)圖Fig.1　The cell structures of TNT and DNAN

圖2　TNT和DNAN的超晶胞結(jié)構(gòu)圖Fig.2　The supercell structures of TNT and DNAN

1.2力學(xué)性能計算結(jié)果

根據(jù)X-Ray衍射數(shù)據(jù)構(gòu)建超晶胞(見圖2)，采用MS進(jìn)行常溫(25℃)、常壓1×105Pa下NPT系綜下模擬250ps，根據(jù)平衡構(gòu)象分析彈性系數(shù)，將TNT和DNAN視為各向同性彈性體，則其拉伸模量E、剪切模量G、體積模量K、泊松比γ及K/G值[7-11]見表1。

表1　力學(xué)性能計算結(jié)果

從MS計算結(jié)果可以看出，體積模量與剪切模量的比值(K/G)關(guān)聯(lián)材料的塑性變形能力，K/G越大，材料在出現(xiàn)裂縫前發(fā)生的形變越大。DNAN的拉伸模量和剪切模量均高于TNT，說明DNAN的剛性大于TNT，DNAN的K/G遠(yuǎn)低于TNT，說明其塑性變形能力遠(yuǎn)低于TNT，所以，DNAN與TNT相比呈現(xiàn)出又硬又脆的特點(diǎn)。

2　實(shí)　驗(yàn)

2.1原材料及儀器

DNAN、TNT，均為湖北東方化工廠，TNT符合GJB338A要求，DNAN符合Q/DF244要求。

AG-IC100KN力學(xué)性能試驗(yàn)機(jī)，日本島津公司；TI950納米壓痕試驗(yàn)儀，美國海思創(chuàng)公司。

2.2樣品制備

將DNAN及TNT熔化后倒入直徑20mm的模具中，凝固后取出藥柱用車床加工成相應(yīng)規(guī)格的藥柱，用于力學(xué)性能測試。

將DNAN及TNT熔化后倒入直徑為10mm模具中，凝固后取出藥柱，用車床車成高度為5mm的藥柱，端面用金相砂紙打磨，用于納米壓痕試驗(yàn)測試。

2.3納米壓痕測試

納米壓痕測試所用藥柱的直徑為10mm，樣品密度為根據(jù)藥柱尺寸與質(zhì)量計算的密度，DNAN密度為1.47g/cm3，TNT的密度為1.60g/cm3。

試驗(yàn)條件：加載力2000μN(yùn),加載時間5s，保載時間2s，卸載時間5s，觀察選取表面平整處，每個樣品測18個點(diǎn)，取平均值。

2.4力學(xué)強(qiáng)度測試

力學(xué)性能采用力學(xué)性能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行常溫下抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度測試，抗壓強(qiáng)度按GJB772A-1997方法416.1進(jìn)行試驗(yàn)，抗拉強(qiáng)度按照Q/AY91-1990(劈裂法)進(jìn)行試驗(yàn)，抗剪強(qiáng)度按GJB772A-1997方法416.1進(jìn)行試驗(yàn)，樣品規(guī)格及密度如表2所示，表中所列密度為根據(jù)藥柱尺寸與質(zhì)量計算所得。

表2　TNT和DNAN力學(xué)性能測試試樣的密度

3　結(jié)果與討論

3.1彈性及塑性變形能力分析

采用納米壓痕試驗(yàn)對DNAN及TNT受力過程中的形變進(jìn)行分析。完整的壓痕過程包括加載和卸載兩個過程。加載時，壓頭接受外載荷，壓入樣品表面，在壓頭壓入過程中，材料經(jīng)歷了彈性和塑性變形，隨著載荷不斷加大，壓頭壓入材料表面的深度增加，當(dāng)載荷達(dá)到最大值后，移除載荷。在卸載過程中，僅彈性位移恢復(fù)，因此硬度及彈性性能即可從卸載曲線中分析得到。對于完全彈性材料來說，其塑性變形為零，加載曲線和卸載曲線是重合的，而完全塑性材料的卸載曲線是垂直于位移軸的，其彈性變形為零，通過相關(guān)計算可求出模量、硬度等數(shù)據(jù)[12-15]。圖3為加載力(f)與壓痕(d)曲線，從圖3中可以看出，二者的彈性變形能力均很小，TNT的塑性變形能力高于DNAN，DNAN的硬度高于TNT。

圖3　DNAN和TNT的壓痕曲線Fig. 3　The nanoindentation curve of DNAN and TNT

表3為DNAD與TNT納米壓痕實(shí)驗(yàn)多次測試的平均數(shù)據(jù)，可以看出，二者的彈性形變基本一樣，而TNT的塑性變形量相當(dāng)于DNAN的3倍，相比于TNT,DNAN更“硬”。

表3　DNAN與TNT納米壓痕數(shù)據(jù)對比

3.2力學(xué)強(qiáng)度差異及分析

TNT和DNAN的抗壓性能測試曲線、抗拉性能測試曲線及抗剪性能測試曲線分別見圖4、圖5和圖6，圖中f為載荷，L為行程，力學(xué)強(qiáng)度數(shù)據(jù)見表4。

圖4　TNT和DNAN的抗壓性能測試曲線Fig.4　The curves of compression performance of TNT and DNAN

試樣抗壓強(qiáng)度/MPa抗拉強(qiáng)度/MPa抗剪強(qiáng)度/MPaDNAN5.962.570.34TNT15.572.351.80

為分析DNAN和TNT力學(xué)性能的差異，進(jìn)一步計算了DNAN和TNT的內(nèi)聚能密度、范德華力和靜電力，結(jié)果見表5。

從表5可以看出TNT的范德華力略大于DNAN的，這可能是導(dǎo)致TNT力學(xué)強(qiáng)度高于DNAN的主要原因。

表5　TNT和DNAN的分子間作用力

圖5　TNT和DNAN的抗拉性能測試曲線Fig. 5　The curves of tensile performance of TNT and DNAN

圖6　TNT和DNAN的抗剪性能測試曲線Fig. 6　The curves of shear performance of TNT and DNAN

從圖4～圖6可以看出，DNAN裝藥與TNT裝藥斷裂均屬于脆性斷裂，二者均屬于脆性材料，由于TNT中存在著較強(qiáng)的范德華力，所以其裝藥的力學(xué)強(qiáng)度高于DNAN裝藥，從納米壓痕試驗(yàn)中可以看出，與TNT裝藥相比DNAN裝藥的塑性變形能力較差，在斷裂過程中吸收的能量較少，較易發(fā)生斷裂。

4　結(jié)　論

(1)相比于TNT,DNAN更容易發(fā)生脆性斷裂，在裝藥過程中，尤其是大尺寸裝藥，由于工藝過程中存在殘余應(yīng)力，應(yīng)采取降低熱應(yīng)力的措施，防止裝藥發(fā)生斷裂；在經(jīng)受高低溫環(huán)境刺激中應(yīng)充分考慮到其可能發(fā)生脆性斷裂；由于其較易發(fā)生脆性斷裂，在配方設(shè)計時應(yīng)進(jìn)行關(guān)注，及時研究斷裂后的裝藥性能(安全性能、能量等)變化。

(2)依據(jù)衍射數(shù)據(jù)建立晶體及超晶胞進(jìn)行計算，能夠較為準(zhǔn)確地預(yù)測材料的力學(xué)強(qiáng)度、模量、彈性變形、塑性變形能力，對材料的力學(xué)性能有一個初步認(rèn)識。

[1]Henry G,Aleksander G,Philip S.Solubility determination of raw energetic materials in molten 2,4-dinitroanisole[J].Propellants,Explosives,Pyrotechnics,2014,39(4):604-608.

[2]Coulouam C, Aumasson R P,Lamy-Bracq,et al. Energetic binders:DNAN vs TNT evaluation of melt-cast explosive compositions based on TNT and DNAN[C]∥45th International Annual Conference of ICT. Karlsruhe:ICT,2014.

[3]Dodard S G,Sanazin M,Hawari J,et al.Dcotoxic- ological assessment of a high energetic and insensitive munitions compound:2,4-dinitroanisole(DNAN)[J].Journal of Hazardous Materials,2013,260:143-150.

[4]羅一鳴，蔣秋黎，趙凱,等.2,4-二硝基苯甲醚與TNT凝固行為的差異性分析[J].火炸藥學(xué)報，2015,38(5):37-40.LUO Yi-ming,JIANG Qiu-li,ZHAO Kai,et al.Analysis on differences of solidification behavior of DNAN and TNT[J].Chinese Journal of Explosives & Propellants(Huozhayao Xuebao),2015,38(5) 37-40.

[5]馬松，袁俊明，劉玉存,等.DNAN炸藥凝固過程的實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬[J].含能材料,2014,22(2):240-244.

MA Song,YUAN Jun-ming,LIU Yu-chun,et al.Experiment and numerical simulation of DNAN solidification process[J]. Chinese Journal of Energetic Materials,2014,22(2):240-244.

[6]高杰，焦建設(shè)，王浩,等.DNAN基熔鑄復(fù)合炸藥的爆轟性能[J].火炸藥學(xué)報，2014,37(3):26-28.

GAO Jie,JIAO Jian-she,WANG Hao,et al.Detonation properties of DNAN-based melt-cast composition explosive[J].Chinese Journal of Explosives & Propellants(Huozhayao Xuebao), 2014,37(3):26-28.

[7]趙貴哲，馮益柏，付一政,等, 端羥基聚丁二烯/增塑劑共混物相容性的分子動力學(xué)模擬和介觀模擬[J].化學(xué)學(xué)報,2009,67(19):2233-2238.

ZHAO Gui-zhe, FENG Yi-bai, Fu Yi-zheng, et al. Molecular dynamic simulations and mesoscopic dynamic simulations on the compatibility of HTPB/Plasticizer blends[J].Acta Chimica Sinica,2009,67(19):2233-2238.

[8]林鶴，張琳，朱順官,等,HMX/FOX-7共晶炸藥分子動力學(xué)模擬[J].兵工學(xué)報.2012,33(9):1026-1030.

LIN He, ZHANG Lin, ZHU Shun-guan, et al. Molecular dynamic simulation of cyclotetramethylene tetranitramine/1,1-diamino-2,2-dinitroethylene co-crystal explosive[J].Acta Armamentarii,2012,33(9):1026-1030.

[9]朱偉，肖繼軍，趙峰,等,HMX/TATB復(fù)合材料彈性性能的MD模擬[J]．化學(xué)學(xué)報，2007，65(13)：1223-1228．

ZHU Wei,XIAO Ji-jun,ZHAO Feng,et a1.Molecular dynamics simulation of elastic properties of HMX/TATB composite[J]．Acta Chimica Sinica,2007，65(13)：1223-1228.

[10] Sivior C R,Gifford M J,Walley S M,et al. Particle size effects on the mechanical properties of a polymer bonded explosive[J]. Journal of Materials Science, 2004(39):1255-1258.

[11] Badgujar D M，Talawar M B，Asthana S N，et al. Advances inscience and technology of modern energetic materials：an over-view[J].Journal of Hazardous aterials,2008,15(2/3):289-305.

[12] Hooks D E, Ramos K J, Martinez A R. Elastic-plastic shock wave profiles in oriented single crystals of cyclotrimethylene trinitramine(RDX) at 2.25 GPa[J]. Journal of Applied Physics, 2006, 100(2):024908.

[13] 張?zhí)┤A，楊業(yè)敏. 納米硬度技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用[J]. 力學(xué)進(jìn)展, 2002,32(3): 349-363. ZHANG Tai-hua, YANG Ye-min. Development andapplication of nano hardness techniques[J]. Advances in Mechanics,2002,32(3)：349-363.

[14] 王昕捷，吳艷青，黃風(fēng)雷. 含能單晶微納米力學(xué)性能試驗(yàn)研究及數(shù)值表征[J].力學(xué)學(xué)報,2015,47(1):95-104.

WANG Xin-jie, WU Yan-qing, HUANG Feng-lei. Nanoindentation experiments and simulations studies on mechanical responses of energetic crystals[J]. Chinese Journal of Theoretical and Applied Mechanics, 2015, 47(1): 95-104.

[15] 董美伶，金國，王海斗,等.納米壓痕法測量殘余應(yīng)力的研究現(xiàn)狀[J].材料導(dǎo)報,2014,28(2):107-113.

DONG Mei-ling,JIN Guo,WANG Hai-dou, et al.The research status of nanoindetation methods for measuring residual stresses[J].Materials Review,2014,28(2):107-113.

Analysis of the Mechanical Properties of DNAN

ZHAO Kai, WANG Hao, WANG Wei, YANG Fei, LIU Rui-peng, ZHU Yi-ju

(Xi′an Modern Chemistry Research Institute,Xi′an 710065,China)

The elastic modulus of DNAN and TNT crystals at normal temperature (25℃) and pressure (1×105Pa) conditions was calculated using Materials Studio software. The difference of the plastic deformation ability in force process is estimated. The elastic modulus and plastic deformation capacity were tested by the nano indentation test. The compression performance, the tensile performance and the shear performance were tested using mechanical tests, and the strength difference reasons were analyzed combined with the intermolecular force. The results show that for DNAN, the compressive strength is 5.96MPa, tensile strength 2.57MPa, and the shear strength 0.34MPa; for TNT ,the compressive strength is 15.57MPa, tensile strength 2.35MPa, and shear strength 1.8MPa. The elastic deformation of DNAN and TNT in force process is 200nm. The plastic deformation of DNAN and TNT are 450nm and 1200nm respectively. Compared with TNT, DNAN is more prone to brittle fracture.

mechanical properties; elastic modulus; plastic deformation; elastic deformation;DNAN;TNT

10.14077/j.issn.1007-7812.2016.04.013

2015-12-05；

2016-05-25

總裝備部重大專項(00401030202)

趙凱(1984-)，男，工程師，從事熔鑄炸藥配方及裝藥工藝研究。E-mail:wuwukai@126.com

TJ55;O346

A

1007-7812(2016)04-0068-05