李 濤，傅 華，李克武，谷 巖，劉倉理

（中國工程物理研究院流體物理研究所沖擊波物理與爆轟物理重點實驗室，四川綿陽621999）

單軸壓縮下2種PBX炸藥的動態(tài)變形損傷及其溫升效應＊

李 濤，傅 華，李克武，谷 巖，劉倉理

（中國工程物理研究院流體物理研究所沖擊波物理與爆轟物理重點實驗室，四川綿陽621999）

通過炸藥單軸壓縮實驗，利用高速攝影和高速紅外熱像儀，對2種典型PBX炸藥變形損傷過程和溫升效應進行了實時觀測。實驗結(jié)果表明，2種典型PBX炸藥的損傷以及溫升效應表現(xiàn)出明顯差別：低粘結(jié)劑含量的炸藥表現(xiàn)出明顯的脆性特征，材料應力應變曲線中的應變軟化階段是伴隨著材料損傷的演化過程，最終的失穩(wěn)破壞導致樣品中貫穿裂紋的形成，非均勻的裂紋分布對應于局部高溫帶的出現(xiàn)；高粘結(jié)劑含量的炸藥表現(xiàn)出明顯的韌性特征，材料應力應變曲線未出現(xiàn)應變軟化現(xiàn)象，變形損傷分布較均勻，但剪切方向出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)狀的溫升分布。

固體力學；損傷；溫升效應；單軸壓縮；塑料粘結(jié)炸藥

PBX炸藥的撞擊起爆是武器戰(zhàn)斗部安全性評估的核心內(nèi)容之一。撞擊條件下PBX炸藥的意外起爆相當復雜，其安全性評估需要搞清楚起爆的誘發(fā)原因和后續(xù)演變過程，這涉及材料、力學、物理和化學交叉學科等多個問題的研究。PBX炸藥作為一種復合材料，包括炸藥顆粒、粘結(jié)劑／塑化劑等多種組分，在撞擊過程中表現(xiàn)出復雜力學行為。炸藥動態(tài)力學性能是研究炸藥撞擊安全性的基礎(chǔ)，目前國內(nèi)外研究人員開展了廣泛的研究，主要致力于炸藥應力應變關(guān)系、應變率和溫度效應［1－4］等。除了組分因素外，研究PBX炸藥這種復雜的力學響應特性，必須考慮材料的損傷演化過程。其次，PBX炸藥力學響應可能導致的意外起爆，誘發(fā)原因是炸藥中機械能耗散引起的溫度變化，當滿足特定的高溫條件時則會誘發(fā)含能炸藥晶粒的熱分解反應。炸藥變形損傷及其溫升效應在安全性研究中很重要，但受限于復雜的物理化學過程以及相關(guān)實驗診斷技術(shù)，使得在這方面上的認識依然較薄弱。因此，開展PBX炸藥變形損傷演化和溫升過程研究，將有助于進一步理解炸藥安全性問題。

隨著應用的不同，PBX炸藥的組成會存在差異，特別是含能顆粒的含量，根據(jù)所占的比例大致可劃分為2個大類。一類炸藥主要在一些高性能武器裝備中使用，為產(chǎn)生極高的爆速和爆壓以及便于成型加工，在制備過程中增加了含能顆粒的體積分數(shù)（一般大于90%）；另一類炸藥是在經(jīng)歷極大的振動或高過載環(huán)境的武器裝備中使用，含能晶粒體積分數(shù)填充80%左右，并采用軟的聚合物作為粘結(jié)劑，防止受到振動載荷作用時材料內(nèi)部形成裂紋，影響材料的起爆與反應特性。由于含能顆粒體積分數(shù)的不同，2種PBX炸藥在外載荷下呈現(xiàn)的力學變形和損傷演化特征明顯不同：前者表現(xiàn)出明顯的脆性特征，在較低的應變下會出現(xiàn)損傷破壞，失效應變約為1%［4］；后者是非常軟的材料，失效應變可超過10%［5］。2種PBX炸藥不同的力學性能和損傷機理，會對炸藥材料的溫度響應、后續(xù)的起爆機制以及反應發(fā)展產(chǎn)生不一樣的影響。因此，為了更好地理解炸藥的響應特性，有必要對2類典型炸藥變形損傷及其溫升效應分別進行研究。

考慮在異常起爆中炸藥壓縮特性的重要性，大部分炸藥力學性能的實驗研究是利用了分離式霍普金森壓桿（split Hopkinson pressure bar，SHPB）實驗技術(shù)。該技術(shù)最重要的基本條件為保證桿中一維（單軸）彈性應力波傳播，被測的樣品處于應力平衡的單軸壓縮狀態(tài)。不同于金屬材料，炸藥在受載過程中一直伴隨損傷演化，當應變超過一定幅值時，損傷分布可能不再均勻，某些區(qū)域甚至出現(xiàn)斷裂破壞的現(xiàn)象。因此，對于炸藥應力應變關(guān)系曲線中可能出現(xiàn)損傷斷裂的大應變區(qū)域，已經(jīng)不再滿足單軸壓縮實驗的基本條件，不能被看作是炸藥材料的本質(zhì)屬性。但是，這部分曲線包含的損傷斷裂信息，可能與炸藥材料非均勻的溫度變化密切相關(guān)，更應該得到關(guān)注。

本文中，針對2類具有不同力學性質(zhì)的PBX炸藥，采用SHPB實驗技術(shù)實現(xiàn)對樣品單軸壓縮，利用高速相機拍攝炸藥損傷斷裂演化過程，以及高速紅外成像系統(tǒng)觀測樣品在受載過程中溫度分布和變化，探討2類PBX炸藥的變形損傷及其溫度演化過程。

1 單軸動態(tài)壓縮實驗

單軸壓縮實驗是在分離式Hopkinson壓桿裝置上完成的，如圖1所示，實驗裝置由打擊桿、入射桿、透射桿和吸收桿組成，桿的材料為鋁，直徑均為20mm。其中，入射桿長2 000mm，透射桿長1 000mm，子彈長300mm。實驗時，試樣置于入射桿和透射桿之間，由打擊桿撞擊入射桿產(chǎn)生的應力脈沖進行沖擊加載。打擊桿由充入氣室的壓縮空氣驅(qū)動，由不同的發(fā)射氣壓來控制打擊桿的撞擊速度。根據(jù)SHPB一維應力和應力均勻性假定，確定了動態(tài)單軸壓縮下炸藥材料的應變率、應變和應力。實驗采用的是以HMX炸藥為基的PBX炸藥，尺寸為12mm×6mm，包括2種炸藥。一種炸藥的粘結(jié)劑的質(zhì)量分數(shù)約為5%，密度為1.86g／cm3；另一種炸藥粘結(jié)劑的質(zhì)量分數(shù)12%，密度約為1.80g／cm3。

圖1 典型SHPB實驗示意圖Fig.1 Typical SHPB schematic setup

實驗中采用數(shù)字化高速相機，如圖2所示，對單軸壓縮下炸藥表面的形態(tài)變化過程進行拍攝并記錄時間，該設(shè)備攝影頻率和曝光時間等方面具有較好的技術(shù)指標，可較好地應用于爆炸、撞擊等各類實驗中。為更好的捕捉炸藥的變形破壞細節(jié)，實驗中減小分辨率設(shè)定幅頻為70 000s－1，對應的空間分辨率為128×128。

圖2 數(shù)字化高速相機Fig.2 High speed digital camera

圖3 高速紅外熱像儀Fig.3 High speed infrared radio camera

采用高速紅外熱像儀，如圖3所示，對單軸壓縮下炸藥表面的溫度變化過程進行拍攝。熱像儀采用熱成像技術(shù)，將不可見的紅外輻射轉(zhuǎn)化為可見圖像，是一種二維平面成像系統(tǒng)。該系統(tǒng)測量的是投射到熱像儀探測器上的紅外輻射能，并利用輻射能與溫度之間的函數(shù)關(guān)系來確定溫度。與可見光的成像不同，熱像儀是利用測量對象溫度差異所產(chǎn)生的熱對比度不同，把溫度分布圖用偽彩色顯示出來，成為“熱圖像”。高速紅外熱像儀的溫度測量范圍為－40～1 500℃，可分辨最小溫度差為0.1℃，滿幀分辨率為640×512，滿幀條件下幅頻最高可達350s－1，在較低的分辨率下幅頻可以更高，實驗中根據(jù)設(shè)備的能力和單軸壓縮變形情況，減小分辨率將幅頻設(shè)置為1 100s－1。

2 實驗結(jié)果

2.1 應力應變曲線

對于低粘結(jié)劑含量的炸藥，在應變率為300s－1的單軸動態(tài)壓縮下，獲得的應力與應變的關(guān)系曲線如圖4所示。曲線可劃分為3個變形階段：首先是上升階段，此時材料可近似為線彈性；其次是非線性轉(zhuǎn)變階段，此時炸藥出現(xiàn)類似于彈塑性材料屈服轉(zhuǎn)變和隨后短暫的上升現(xiàn)象，在達到峰值后加載應力急劇下降；最后是下降階段，隨著應變的增加應力逐漸下降。單軸壓縮下應力應變曲線結(jié)果表明，這類炸藥呈明顯的脆性材料特征，破壞應變較小，僅為1%，對應的峰值應力約為70MPa。

圖4 脆性PBX單軸壓縮應力應變曲線Fig.4 Typical stress－strain curve of brittle PBX

對于高粘結(jié)劑含量的炸藥，在應變率為2 000s－1的單軸動態(tài)壓縮下，獲得的典型應力應變關(guān)系曲線如圖5所示。曲線也可劃分為3個變形階段：首先是上升階段，此時材料可近似為線彈性，這與低粘結(jié)劑含量的炸藥性質(zhì)完全相同；其次是非線性轉(zhuǎn)變階段，此時炸藥同樣出現(xiàn)類似于彈塑性材料屈服轉(zhuǎn)變，隨后在應變有較大增幅的情況下材料繼續(xù)保持承載能力；最后的下降階段，與低粘結(jié)劑含量的炸藥明顯不同，此時材料應變不再增加，而且隨著應力急劇下降，應變還有減小的趨勢，這是典型的卸載過程。單軸壓縮下應力應變曲線結(jié)果表明，這類炸藥韌性特征較明顯，破壞應變較大，可達20%，但對應的峰值應力略低，約為20MPa。

圖5 韌性PBX單軸壓縮應力應變曲線Fig.5 Typical stress－strain curve of tough PBX

2.2 高速可見光圖像和紅外溫度圖像

對于PBX炸藥這種多組分復合材料，材料的力學響應特性不僅與含能顆粒和粘結(jié)劑等組分的力學性能有關(guān)，還受材料組成結(jié)構(gòu)的直接影響，結(jié)構(gòu)的變化與材料損傷／斷裂密切相關(guān)，材料結(jié)構(gòu)的變化同時還會改變材料溫度演化過程。通過高速攝影和紅外熱像儀，對單軸壓縮下不同PBX炸藥材料變形損傷及其溫升演化過程進行了觀測。由于目前紅外熱像儀拍攝幅頻的限制，獲得的動態(tài)溫度圖像不能完全再現(xiàn)炸藥加載變形時溫度變化的細節(jié)，但考慮到材料溫度的下降主要受較慢熱傳導過程影響，因此在動態(tài)變形過程中測得的材料溫度圖像，可較好地反映炸藥動態(tài)變形／損傷引發(fā)溫升變化的效果。

圖6給出了在單軸壓縮下低粘結(jié)劑含量PBX炸藥變形和后續(xù)損傷斷裂過程的高速攝影圖像。根據(jù)狀態(tài)的不同，大致可劃分為4個階段：第1階段，炸藥軸向變形較小，表面保持完好，炸藥與兩端的加載桿接觸良好；第2階段，炸藥軸向變形逐漸增大，表面基本保持完好，炸藥端面與兩端的加載桿接觸依然良好，炸藥半徑增大，但出現(xiàn)了1條軸向裂紋；第3階段，炸藥軸向變形繼續(xù)增加，炸藥半徑也繼續(xù)增大，出現(xiàn)了多條貫穿性裂紋，表面開始破壞；第4階段，炸藥軸向變形進一步增加，炸藥半徑增大到視場邊緣，表面出現(xiàn)較多的貫穿性裂紋，同時還伴隨表面崩裂的現(xiàn)象。

圖6 不同時刻脆性PBX損傷演化圖像Fig.6 Images of damage evolution of brittle PBX at different time

圖7給出了在單軸壓縮下低粘結(jié)劑含量PBX炸藥表面溫度變化的高速紅外溫度圖像，紅外溫度圖像中局部高溫區(qū)與高速攝影的損傷／裂紋分布具有較好的一致性。由圖可知，在較小軸向變形下，炸藥表面溫度變化不明顯，但當軸向變形進一步增加，出現(xiàn)損傷和微裂紋時，溫度呈現(xiàn)局域化分布。由于炸藥在較大軸向變形下由于損傷斷裂造成應力分布較復雜，由此可形成剪切裂紋和軸向拉伸裂紋，損傷聚集區(qū)和裂紋中顆粒作用較強，由此造成的溫升效應明顯，最大溫升約為5℃。由于剪切方向是材料最易出現(xiàn)相對滑動的方向，因此剪切方向裂紋中顆粒的相對摩擦滑移造成的溫升又較軸向裂紋更明顯。此外，在紅外圖像中還可看到破碎炸藥顆粒向外飛濺的過程，顆粒溫度較高使得這些特征在紅外圖像上顯示得非常清楚。

圖7 脆性PBX炸藥的紅外溫度圖像Fig.7 Infrared thermal images of brittle PBX at different times

圖8給出了單軸壓縮下高粘結(jié)劑含量PBX炸藥變形和后續(xù)損傷斷裂過程的高速攝影圖像。由于粘結(jié)劑的交聯(lián)作用，此類炸藥軸向變形一直保持均勻，即便是在較高加載條件下也不會出現(xiàn)宏觀裂紋導致材料斷裂破壞。根據(jù)狀態(tài)的不同，大致可劃分為3個階段：第1階段，炸藥軸向變形較小，表面保持完好；第2階段，炸藥軸向變形逐漸增大，表面雖然保持完整，但出現(xiàn)了由于損傷演化導致的隨機褶皺分布；第3階段是加載結(jié)束的卸載過程，此時炸藥軸向變形減小，但無法完全恢復到初始未變形狀態(tài)，炸藥有較大的軸向殘余應變，而且表面的損傷也是不可逆的，仍然處于較為均勻的隨機分布狀態(tài)。

圖8 韌性PBX炸藥損傷演化圖像Fig.8 Images of damage evolution of tough PBX at different times

圖9給出了在單軸壓縮下高粘結(jié)劑含量PBX炸藥表面溫度變化的高速紅外溫度圖像。由圖可知，整體而言，相較前一種炸藥，這種炸藥沒有出現(xiàn)局部高溫帶，紅外溫度分布較為均勻，溫升幅度較小，測得最大溫升約為2℃。同樣，在較小軸向變形下，炸藥表面溫度變化不明顯，但當軸向變形進一步增加時，內(nèi)部損傷的演化，使得顆粒作用有所增強，在更大的軸向變形下，同樣由于剪切方向是材料最易出現(xiàn)相對滑動的方向，剪切溫升趨勢明顯，且呈網(wǎng)絡(luò)狀分布，這與C.R.Siviour等［6］通過高速攝影得到的剪切帶分布圖像是類似的。

圖9 韌性PBX炸藥的紅外溫度圖像Fig.9 Infrared thermal images of tough PBX at different times

3 討 論

PBX炸藥是一種顆粒包覆粘結(jié)劑的復合材料，包含初始損傷，如微裂紋、微空洞等，其中的粘結(jié)劑含量會對損傷演化發(fā)展以及后續(xù)溫度響應過程產(chǎn)生影響。為此，綜合前文中的實驗結(jié)果，通過變形量和時間的對應關(guān)系，建立應力應變曲線、動態(tài)變形損傷以及溫升分布的關(guān)聯(lián)，對在單軸壓縮下2種典型炸藥力熱響應特性進行討論。

首先是低粘結(jié)劑含量的PBX炸藥，這類炸藥由于粘結(jié)劑含量低，表現(xiàn)出明顯的脆性特征。

（1）在應力應變曲線上的線彈性階段，樣品材料變形較小且受力均勻，相應的溫升幅度也很小。

（2）對于應力應變曲線上的非線性階段起始轉(zhuǎn)變點，即前面提及的名義屈服點，不等同于真正物理意義上的屈服，如HMX單晶的屈服極限（約200MPa［7］）遠高于該類炸藥的名義屈服應力。在非線性轉(zhuǎn)變階段初期，材料內(nèi)部微裂紋開始擴展，使得在應變增大承力繼續(xù)增加，直至峰值應力（硬化階段）。

（3）在應力應變曲線上的非線性轉(zhuǎn)變階段后期，應變進一步增大，微裂紋擴展形成宏觀裂紋，材料出現(xiàn)軟化。宏觀裂紋的出現(xiàn)，使得顆粒相對滑動更容易，造成裂紋中的溫度開始升高。

（4）在更大應變時，高速攝影中可觀察到材料出現(xiàn)失穩(wěn)破壞，材料受力狀態(tài)和損傷分布極不均勻，材料破壞過程是逐步進行的，整個樣品的承載能力不會完全消失（在應力應變曲線中體現(xiàn)為逐步下降段）。材料大變形時，將使裂紋中的溫升變得更明顯。

其次是高粘結(jié)劑含量的PBX炸藥。這類炸藥包含高含量粘結(jié)劑，材料的韌性特征較明顯。

（1）這類炸藥在應力應變曲線上的線彈性的物理本質(zhì)與前一類炸藥基本相同，但溫升幅度很小。

（2）在應力應變曲線上的硬化階段，在屈服轉(zhuǎn)變時表現(xiàn)出更明顯的黏彈特性，內(nèi)部粘結(jié)劑和顆粒微結(jié)構(gòu)變化后達到新的硬化階段。同時粘結(jié)劑對剪切力的作用很敏感，使得材料在外載荷下易產(chǎn)生剪切變形并形成網(wǎng)狀分布的剪切帶，相應位置的溫度也有所升高。

4 結(jié) 論

PBX炸藥作為一種顆粒填充聚合物的復合材料，其內(nèi)部系統(tǒng)組成決定了此類材料的動態(tài)力學性能，以及在動態(tài)變形過程中的溫度響應特性。通過炸藥單軸壓縮實驗，并利用高速攝影和高速紅外熱像儀，對2種典型PBX炸藥變形損傷過程和溫升效應進行了實時觀測。實驗結(jié)果表明，2種典型PBX炸藥的變形損傷以及溫升效應差別明顯：低粘結(jié)劑含量的炸藥表現(xiàn)出明顯的脆性特征，單軸壓縮下的應力應變曲線的應變軟化階段是伴隨著材料內(nèi)部微損傷的演化過程，最終的失穩(wěn)破壞導致樣品中貫穿裂紋的形成，非均勻的裂紋分布對應于局部高溫帶的出現(xiàn)；高粘結(jié)劑含量的炸藥表現(xiàn)出明顯的韌性特征，由于大量粘結(jié)劑的保護作用，單軸壓縮下的應力應變曲線未出現(xiàn)應變軟化現(xiàn)象，但剪切方向的粘結(jié)劑變形和顆粒相互作用造成網(wǎng)絡(luò)狀的剪切溫升現(xiàn)象。

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［7］Menikoff R，Dick J J，Hooks D E.Analysis of wave profiles for single crystal HMX：LA－UR－04－3928［R］.Los Alamos National Laboratory Report，2004.

D
eformation with damage and temperature－rise of two types of plastic－bonded explosives under uniaxial compression

Li Tao，F(xiàn)u Hua，Li Kewu，Gu Yan，Liu Cangli
（National Key Laboratory of Shock Wave and Detonation Physics，Institute of Fluid Physics，China Academy of Engineering Physics，Mianyang621999，Sichuan，China）

In the uniaxial compression，deformation with damage and temperature－rise of two types of plastic－bonded explosives were recorded by means of a high－speed camera and a high－speed infrared radio camera.The results show that the damage evolution and the temperature－rise of the two PBXs are obviously different.As for the PBX with a low content of the binder，the brittleness of the material is characteristically obvious，the strain softening of the stress－strain curve is accompanied with a damage evolution，and the crack formation is due to the failure of the sample，where there existed a local temperature band.As for the PBX with a high content of the binder，the toughness of the material is observed，the strain softening in the stress－strain curve is absent，and the damage is distributed evenly，with a network temperature－rise in the direction of shear.

solid mechanics；damage；temperature－rise effect；uniaxial compression；plastic－bonded explosives

O346國標學科代碼：13015

A

10.11883／1001－1455（2017）01－0120－06

（責任編輯 王易難）

2015－05－22；

2015－11－27

國家自然科學基金項目（11272294，11272296）；中國工程物理研究院科學技術(shù)發(fā)展重點基金項目（2012A0201007）；沖擊波物理與爆轟物理重點實驗室專項基金項目（2012－專－05）

李 濤（1978— ），男，碩士，副研究員，tedleeus＠163.com。