鄭保輝, 殷 明, 耿呈禎, 陳錫周, 劉 濤, 高大元, 湯 瀅, 羅 觀

(中國工程物理研究院化工材料研究所, 四川 綿陽 621999)

1 引 言

澆注型高聚物黏結炸藥(PBX),具有良好的成型性能、力學性能、安全性能、低易損性和高威力等優(yōu)點[1],自問世以來,就被作為多種武器戰(zhàn)斗部的主裝藥。由于炸藥在運輸、貯存和戰(zhàn)場環(huán)境中將會遇到各種惡劣的溫度環(huán)境,引發(fā)炸藥產(chǎn)生微觀缺陷“損傷”等一系列物理化學變化,最終導致裝藥的宏觀破壞以及成分均勻性、力學性能、安全性能的下降[2],另一方面,在熱作用下炸藥熱脹冷縮產(chǎn)生宏觀上的尺寸變化,影響戰(zhàn)斗部總體功能,產(chǎn)生的藥殼間隙則使得武器戰(zhàn)斗部裝藥在振動、沖擊、顛振環(huán)境中容易與殼體發(fā)生摩擦、碰撞,影響武器系統(tǒng)的安全使用[3]; 因此,研究澆注PBX的溫度適應性具有重要意義。

針對PBX的溫度適應性,田勇等[4-5]研究了熱沖擊溫度差與試樣損傷破壞率、超聲波聲速、增益之間正相關的對應關系。王彩玲等[6]研究了壓裝含鋁炸藥熱沖擊前后炸藥藥柱內部損傷、安全性能和力學性能。楊國滿[7]等應用時間溫度疊加原理研究了時間和溫度對不同PBX炸藥性能的影響規(guī)律。李敬明[8]等研究了TATB基PBX熱循環(huán)試驗后的尺寸、力學性能及爆轟性能變化。此外,Wiegand[9]、Gray[10]、溫茂萍[11]、許光[12]、劉瑞鵬[13-14]、劉承武[15]、王玉峰[16]等,也研究了混合炸藥和端羥基聚丁二烯(HTPB)基推進劑在溫度漸變環(huán)境下的溫度、力學性能以及微觀結構的變化規(guī)律。這些研究主要集中在非殼體約束條件下高低溫作用對壓裝PBX物化性能的影響,而與實際戰(zhàn)斗部裝藥情況相近的殼體約束條件下的溫度適應性研究較少,也缺乏高低溫作用對澆注PBX的溫度和應變響應、尺寸效應、微觀結構以及物化性能影響研究的報道。

本研究從奧克托今(HMX)/HTPB基澆注PBX在殼體約束條件下的溫度適應性出發(fā),進行溫度沖擊試驗和溫度循環(huán)試驗,考察了溫度載荷作用下帶殼體澆注PBX的缺陷演化發(fā)展、溫度和應變響應過程以及尺寸、密度、力學性能變化,綜合評估了澆注PBX的溫度適應性能,為其工程應用提供依據(jù)。

2 實 驗

2.1 試 樣

溫度適應性研究試驗件結構示意圖如圖1所示,試驗件主要由試驗彈筒體、端蓋、底座和裝藥組成。試驗件筒體、端蓋和底座材料均為45#鋼,筒體和底座厚度設計為3 mm,端蓋厚度為5 mm、高度25 mm,通過螺紋連接。試驗件內部裝藥為澆注PBX,由HMX/HTPB/2,4-甲基二異氰酸酯(TDI,固化劑)組成。其中,HTPB(平均分子量2000,羥值0.76 mmoL·g-1)、TDI(NCO含量11.5 mmoL·g-1)為黎明化工研究院提供; HMX(甘肅銀光化學工業(yè)集團)純度大于99%。

圖1 溫度適應性試驗件結構示意圖

1—吊環(huán), 2—應變片, 3—上端蓋, 4—熱電偶; 5—裝藥, 6—試驗件殼體

Fig.1 Schematic diagram of the temperature adaptability test specimen structure

1—lift ring, 2—strain gauges, 3—end cover, 4—thermocouple, 5—charge, 6—test specimen shell

試驗件內部裝藥制備: 采用“配料-捏合-澆注-固化”的制備工藝,經(jīng)原材料配制、物料捏合、真空振動澆注、加熱固化成型四個步驟制成; 編號為Ф100 mm×200 mm-2、Ф150 mm×300 mm-2、Ф200 mm×400 mm-2的試驗件,其內部裝藥澆注過程中通過藥量、真空度、振動條件的調控,在藥柱中預制形成缺陷。試驗件尺寸、裝藥量及樣品數(shù)量見表1。

表1 試驗件主要參數(shù)

Table 1 Main parameters of test specimen

chargesize/mmchargemass/kgnumberФ100×2002．72Ф150×3009．12Ф200×40021．62Ф20×200．0120Ф15×650．025

對于Ф100 mm×200 mm、Ф150 mm×300 mm和Ф200 mm×400 mm三種尺寸的試驗件,在試驗彈殼體的上端面、下端面、側面高度1/2處布置3只熱電偶,在試驗彈殼體1/2位置處均勻布置4只應變片,殼體上端面布置1只應變片,測試應變分別為軸向(0°)和周向(90°)。

2.2 儀器

INSTRON 8862材料實驗機,美國INSTRON公司。溫度沖擊試驗設備采用GTS-15溫度沖擊試驗箱,高低溫循環(huán)試驗采用GGV-20溫度高度試驗箱。

2.3 溫度沖擊試驗

針對Ф100 mm×200 mm-1(1發(fā))、Ф150 mm×300 mm-1(1發(fā))、Ф200 mm×400 mm-1(1發(fā))、Ф20 mm×20 mm-1(20發(fā))、Ф15 mm×65 mm-1(5發(fā))共28發(fā)試樣,參照軍用設備環(huán)境試驗方法: GJB 150.5A-2009溫度沖擊試驗——恒定極值溫度沖擊法,高溫70 ℃,低溫-55 ℃,每個高溫、低溫極值下的保溫時間為24 h,試驗箱內溫度偏差嚴格控制在±2 ℃以內,依高—低—高—低—高—低—高的循環(huán)順序進行實驗,試驗過程中溫度轉換時,直接將試驗件從試驗箱轉移至另一恒溫的試驗箱中,溫度沖擊轉換時間小于1 min,未出現(xiàn)試驗中斷或超差,實際溫度加載曲線如圖2所示。

圖2 溫度沖擊試驗試驗箱內溫度實際加載曲線

Fig.2 The actual temperature loading cureve in the temperature impact test chamber

2.4 溫度循環(huán)試驗

針對預制缺陷的Ф100 mm×200 mm-2、Ф150 mm×300 mm-2、Ф200 mm×400 mm-2三發(fā)試樣,參照軍用設備環(huán)境試驗方法: GJB 150.5A-2009溫度沖擊試驗、GJB 150.3A-2009高溫試驗,GJB 150.4A-2009低溫試驗進行,高溫70 ℃,低溫-55 ℃,每個高溫、低溫極值下的保溫時間為24 h,試驗箱內溫度偏差嚴格控制在±2 ℃以內,依高—低—高—低—高—低—高的循環(huán)順序進行實驗,高低溫轉換的升降溫速率為1.4 ℃/min,未出現(xiàn)試驗中斷或超差,實際溫度加載曲線如圖3所示。

圖3 高低溫循環(huán)試驗箱內溫度實際加載曲線

Fig.3 The actual temperature loading cureve in the high and low temperature cycle test chamber

3 結果與討論

3.1 試驗件內部裝藥質量變化

溫度沖擊、溫度循環(huán)試驗后試驗件及澆注PBX藥柱如圖4所示。由圖4可看出,試驗后試驗彈殼體無破裂變形,炸藥藥柱表面字跡清晰,沒有明顯滲出物產(chǎn)生,表明試驗所用澆注PBX的熱穩(wěn)定性和環(huán)境適應性能良好。

在溫度沖擊試驗和溫度循環(huán)試驗前后,對各試驗件距離底端13 mm處(殼體厚度3 mm,即距藥柱下端面10 mm處)進行徑向掃描,如圖5～圖8所示。

a. temperature impact test

b. temperature cycle test

圖4 溫度沖擊和溫度循環(huán)試驗后試驗件

Fig.4 The test specimen after temperature impact test and temperature cycle test

a.Φ100 mm×200 mm-1 b.Φ150 mm×300 mm-1 c.Φ200 mm×400 mm-1

圖5 溫度沖擊試驗前距藥柱底端10 mm處CT掃描斷面圖

Fig.5 The section diagrams of CT scan at 10 mm distance to the charge bottom before temperature impact test

a.Φ100 mm×200 mm-1 b.Φ150 mm×300 mm-1 c.Φ200 mm×400 mm-1

圖6 溫度沖擊試驗后距藥柱底端10 mm處CT掃描斷面圖

Fig.6 The section diagrams of CT scan at 10 mm distance to the charge bottom after temperature impact test

a.Φ100 mm×200 mm-2 b.Φ150 mm×300 mm-2 c.Φ200 mm×400 mm-2

圖7 溫度循環(huán)試驗前距藥柱底端10 mm處CT掃描斷面圖

Fig.7 The section diagrams of CT scan at 10 mm distance to the charge bottom before temperature cycle test

a.Φ100 mm×200 mm-2 b.Φ150 mm×300 mm-2 c.Φ200 mm×400 mm-2

圖8 溫度循環(huán)試驗后距藥柱底端10 mm處CT掃描斷面圖

Fig.8 The section diagrams of CT scan at 10 mm distance to the charge bottom after temperature cycle test

通過對比不同尺寸的試驗件在溫度沖擊試驗和溫度循環(huán)前后的內部質量變化,特別是同一試驗件炸藥與殼體的界面情況變化(圖5與圖6,圖7與圖8),可以看出,高低溫反復加載下,由于藥柱與殼體的熱膨脹性能存在差異,導致炸藥與殼體脫粘,間隙有延伸增大趨勢; 但同時發(fā)現(xiàn)試驗后藥柱內部質量完好,沒有氣孔、裂紋等新生缺陷的產(chǎn)生,這說明溫度適應性試驗中熱應力在藥殼間隙處得到有效釋放,也沒有氣體分子聚集形成氣孔,從而未對藥柱內部質量產(chǎn)生負面影響。綜上所述,約束條件澆注PBX炸藥具有較好的耐溫度沖擊和溫度循環(huán)性能,澆注PBX的熱穩(wěn)定性及其與金屬殼體的相容性良好。

為探索熱應力作用下試驗件內部藥柱的損傷及發(fā)展規(guī)律,通過溫度循環(huán)試驗,研究了預制缺陷在溫度反復加載試驗條件下的變化情況。對溫度循環(huán)試驗前后試驗件距離頂端15 mm處(端蓋厚度5 mm,即距藥柱上端面10 mm處)進行徑向掃描,如圖9和圖10所示。

a.Φ100 mm×200 mm-2 b.Φ150 mm×300 mm-2 c.Φ200 mm×400 mm-2

圖9 溫度循環(huán)試驗前距藥柱頂端10 mm處CT掃描斷面圖

Fig.9 The section diagrams of CT scan at 10 mm distance to the charge cover before temperature cycle test

a.Φ100 mm×200 mm-2 b.Φ150 mm×300 mm-2 c.Φ200 mm×400 mm-2

圖10 溫度循環(huán)試驗后距藥柱頂端10 mm處CT掃描斷面圖

Fig.10 The section diagrams of CT scan at 10 mm distance to the charge cover after temperature cycle test

由圖9和圖10可以看出: 首先,雖然在藥柱內部預制了缺陷,但試驗后并沒有新的缺陷生成; 其次,試驗件Φ100 mm×200 mm-2、Φ150 mm×300 mm-2溫度循環(huán)試驗前尺寸約Φ1 mm～Φ1.5 mm的低密度點,試驗后沒有發(fā)生明顯變化; 三發(fā)試驗件的低密度區(qū)形狀、面積在溫度循環(huán)試驗前后也沒有發(fā)生明顯變化。結果表明: 在高低溫反復加載條件下,澆注PBX炸藥沒有發(fā)生明顯的小分子物質析出、遷移、聚集以及缺陷擴展現(xiàn)象,具有良好的溫度適應性能。

3.2 試驗件表面的溫度變化

溫度沖擊試驗過程中,試件Ф100 mm×200 mm-1、Ф150 mm×300 mm-1、Ф200 mm×400 mm-1各溫度測點溫度測試曲線見圖11。

從圖11各尺寸試驗件表面溫度測試曲線可以看出,溫度沖擊試驗件溫度穩(wěn)定,推測內部炸藥沒有發(fā)生急劇的分解、相變等物理化學變化。還可以看出,隨著試驗件尺寸的增大,通過升降溫達到溫度平衡所需的時間延長,相對于上、下端面,側壁1/2處對溫度的反饋時間也延長、升降溫速率減小。分析其原因主要是: 內部澆注PBX炸藥導熱系數(shù)4.04×10-1W·(m·K)-1(20℃),而45#鋼殼體的導熱系數(shù)50.2 W·(m·K)-1(20 ℃),內部澆注PBX炸藥導熱系數(shù)小,是熱的不良導體,隨著試驗件尺寸的增大,所需傳遞的熱量變大,因此達到溫度平衡的時間延長。

有預制缺陷的試件Ф100 mm×200 mm-2、Ф150 mm×300 mm-2、Ф200 mm×400 mm-2其溫度循環(huán)試驗各測點溫度測試曲線,如圖12所示。

由圖12可知,溫度循環(huán)試驗與溫度沖擊試驗所得試驗件表面溫度曲線類似,隨著試驗件尺寸的增大,通過升降溫達到溫度平衡所需的時間延長,相對于上、下端面,側壁1/2處對溫度的反饋時間也延長、升降溫速率減小。

a. Ф100×200-1

b. Ф150 mm×300 mm-1

c. Ф200 mm×400 mm-1

圖11 溫度沖擊試驗件表面溫度測試曲線

Fig.11 Testing curvess of the test specimen surface temperature in the temperature impact test

a. Ф100 mm×200 mm-2

b. Ф150 mm×300 mm-2

c. Ф200 mm×400 mm-2

圖12 溫度循環(huán)試驗件表面溫度測試曲線

Fig.12 Testing curvess of the test specimen surface temperature in the temperature cycle test

3.3 試驗件表面的應變變化

將溫度沖擊試驗過程中依次處于70,-55,70,-55,70,-55,70 ℃共7個恒溫階段的時間記為t1(70 ℃)、t2(-55 ℃)、t3(70 ℃)、t4(-55 ℃)、t5(70 ℃)、t6(-55 ℃)、t7(70 ℃),各試件在相應恒溫階段溫度穩(wěn)定后應變測試的平均值見表2。表中ε1表示位于端面的應變片測試數(shù)據(jù)平均值,ε2表示側壁1/2處4只應變片軸向應變測試數(shù)據(jù)的平均值,ε3表示側壁1/2處4只應變片周向應變測試數(shù)據(jù)的平均值。

如表3所示,對溫度沖擊試驗各試件恒溫段溫度穩(wěn)定后應變測試值進行數(shù)據(jù)處理,取各測試點70,-55 ℃應變片軸向平均應變值之差記為溫度沖擊試驗過程中應變片的軸向平均應變變化ε4,將各測試點70,-55 ℃應變片周向平均應變值之差記為應變片的周向平均應變變化ε5,按上述方法對溫度循環(huán)試驗應變數(shù)據(jù)進行處理。

溫度沖擊試驗件,在軸向方向上的應變變化: 298(Ф100 mm×200 mm-1)>262(Ф150 mm×300 mm-1)、273(Ф200 mm×400 mm-1); 在周向方向上的應變變化: 610(Ф100 mm×200 mm-1)>374(Ф150 mm×300 mm-1)、425(Ф200 mm×400 mm-1)。溫度循環(huán)試驗件,在軸向方向上的應變變化: 436(Ф100 mm×200 mm-2)>395(Ф150 mm×300 mm-2)、430(Ф200 mm×400 mm-2); 在周向方向上的應變變化: 562(Ф100 mm×200 mm-2)>532(Ф150 mm×300 mm-2)、533(Ф200 mm×400 mm-2)?？梢园l(fā)現(xiàn),隨著試驗件尺寸越大,高低溫應變變化呈現(xiàn)減小的趨勢。分析其原因主要是: 澆注PBX制備工藝過程中是以高溫藥漿澆注裝填入相應溫度的試驗件,內部澆注PBX炸藥線膨脹系數(shù)8.10×10-5/K(20 ℃),而45#鋼殼體的線膨脹系數(shù)11.59×10-6/K(20 ℃),經(jīng)固化反應和冷卻至室溫后,炸藥與試驗件殼體產(chǎn)生間隙,而這個間隙隨著試驗件尺寸的增大而增大,在溫度沖擊試驗過程中,炸藥熱脹冷縮無法填充這個間隙,試驗件尺寸越大,則鋼殼體內壁受到炸藥的作用力越小,殼體向外膨脹的趨勢越小,試驗件整體應變趨于減小。

表2 溫度沖擊試驗各試件恒溫段溫度穩(wěn)定后應變測試平均值

Table 2 Strain averagevalue of the temperature impact test specimens after constant temperature section is stable

timeФ100mm×200mm?1ε1(×10-6)ε2(×10-6)ε3(×10-6)Ф150mm×300mm?1ε1(×10-6)ε2(×10-6)ε3(×10-6)Ф200mm×400mm?1ε1(×10-6)ε2(×10-6)ε3(×10-6)t1(70℃)13413822015565141156103179t2(-55℃)-286-166-376-212-192-228-229-163-234t3(70℃)13813021216371135161108181t4(-55℃)-276-171-418-207-190-242-320-164-247t5(70℃)14712719917180133170115187t6(-55℃)-262-157-411-190-177-244-306-154-237t7(70℃)15814120417890133181125195

表3 溫度試驗各試件應變變化

Table 3 Strain variation of the test specimens in temperature test

testsample/mmε4(×10-6)ε5(×10-6)temperatureimpactФ100×200?1298610Ф150×300?1262374Ф200×400?1273425temperaturecycleФ100×200?2436562Ф150×300?2395532Ф200×400?2430533

3.4 試驗件裝藥的物化性能變化

對溫度沖擊試驗前后試驗件外型尺寸、密度進行測試,結果見表4。

表4 溫度沖擊試驗前后試驗件平均尺寸和密度

Table 4 The average size and density of specimen before and after temperature impact test

sample/mmheight/mmbeforetestaftertestdiameter/mmbeforetestaftertestdensity/g·cm-3beforetestaftertestФ20×20?1(20)19．9719．9419．8619．821．7151．716Ф16×65?1(5)64．8164．64--1．7151．716

Note: The date in the bracket is the number of test sample.

從表4可以看出,幾乎所有試驗件都發(fā)生收縮現(xiàn)象,各試驗件的收縮略有不同,其中Ф20 mm×20 mm試件高度平均收縮了0.02 mm,收縮率0.1%,直徑平均收縮了約0.04 mm,收縮率0.2%; Ф15 mm×65 mm試件高度平均收縮了約0.17 mm,收縮率0.3%。,溫度沖擊試驗后,試驗件密度也相應地由1.715 g·cm-3變化至1.716 g·cm-3,試驗后炸藥密度略有提高。

對澆注PBX炸藥溫度沖擊試驗前后的拉伸強度和壓縮強度進行了測試。其中,拉伸強度試驗方法為電子引伸計法(GJB772A-1997方法417.1),試樣為Ф15mm×65mm-1(5發(fā))藥柱,加載速度為0.5 mm·min-1; 壓縮強度試驗方法為電子引伸計法(GJB772A-1997方法418.1),試樣為Ф20 mm×20 mm-1(5發(fā))藥柱; 加載速度為0.5 mm·min-1,結果如表5所示,拉伸強度和壓縮強度比試驗前有小幅度升高,分別達到了1.89 MPa和5.06 MPa。分析密度和力學強度升高的原因,溫度沖擊試驗長時間高溫加熱過程中粘結劑發(fā)生進一步固化交聯(lián)反應,反應程度提高[17]。

表5 溫度沖擊試驗前后澆注PBX力學性能

Table 5 Mechanical properties of the cast PBX before and after temperature impact test MPa

4 結 論

(1)溫度沖擊和溫度循環(huán)試驗后,澆注PBX沒有產(chǎn)生新的缺陷; 原有的低密度點、低密度區(qū)等缺陷也沒有發(fā)生明顯的擴展現(xiàn)象。

(2)隨著試驗件尺寸的增大,溫度沖擊和溫度循環(huán)試驗過程中含殼體澆注PBX通過升降溫達到溫度平衡所需的時間延長,相對于上、下端面,側壁對溫度的反饋時間也延長、升降溫速率減小。

(3)裝藥為Ф100 mm×200 mm試驗件的軸向應變和周向應變,明顯大于Ф150 mm×300 mm和Ф200 mm×400 mm兩種尺寸裝藥的試驗件。隨著含殼體試驗件尺寸的增大,溫度沖擊和溫度循環(huán)試驗后,試驗件外部軸向、周向應變有減小趨勢。

(4)溫度沖擊試驗后,澆注PBX藥柱體積收縮,密度增大約0.001 g·cm-3、拉伸強度和壓縮強度增大約0.12 MPa和0.55 MPa,PBX交聯(lián)密度進一步增大。

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