姚李娜，王海清，趙省向，王彩玲，陶 俊，戴致鑫

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溫度對壓裝RDX基含鋁炸藥力學性能的影響

姚李娜1，王海清2，趙省向1，王彩玲1，陶 俊1，戴致鑫1

（1.西安近代化學研究所，陜西西安, 710065；2. 北方特種能源集團西安慶華公司，陜西西安，710062）

為了分析溫度對壓裝RDX 基含鋁炸藥的性能變化規(guī)律，對該炸藥在不同溫度下的抗壓、抗拉性能及泊松比進行了測試，并對拉伸試驗后的樣品進行了形貌觀察。結果表明：在高溫下，壓裝RDX基含鋁炸藥粘結劑軟化，炸藥顆粒與高分子粘結劑界面作用減弱，其拉伸強度和抗壓強度性能均隨溫度升高而降低；在拉伸試驗中，從低溫到高溫狀態(tài)，該炸藥的泊松比隨溫度升高卻變化不大；高溫下，炸藥斷面損傷形式表現(xiàn)為炸藥顆粒與粘結劑脫粘。

壓裝RDX基含鋁炸藥；力學性能；泊松比；損傷形式

炸藥部件的跌落、撞擊、沖擊過程從力學角度看是一個高應變率下材料的變形（響應）過程[1]。通過實驗手段研究炸藥在復雜條件下的力學性能，得到其各種力學參數(shù)隨條件的基本變化規(guī)律，可以為裝藥設計提供有益的指導。國外Blumenthal[2]用SHPB對PBXN-110 和以HTPB為基的粘結劑在不同溫度和應變率條件下的壓縮性能進行了研究，得出此炸藥的溫度對壓縮應力峰值影響很大，即隨著溫度的降低，材料的壓縮強度和模量會有所增加。Wiegand[3]在Comp B和TNT的單軸實驗中發(fā)現(xiàn)它們的壓縮強度都隨溫度的增加而增加，楊氏模量隨溫度升高而降低，拉伸強度σ也隨溫度的升高而降低。國內陳榮[4]等對某含鋁炸藥進行了準靜態(tài)和動態(tài)壓縮實驗，建立了材料在不同初始密度、不同應變率下的本構模型，對該炸藥不同密度下的力學行為特征和應變率效應得到了較為系統(tǒng)的認識。

基于以上研究，為了研究RDX基炸藥在高低溫條件下的力學性能變化和微觀形貌的變化，筆者對RDX基含鋁炸藥不同溫度條件下抗拉強度、抗壓強度、彈性模量和泊松比等性能進行研究，分析了溫度對其性能變化的機理，進一步探討了力學試驗后炸藥的微觀形貌，從而為該炸藥在不同溫度環(huán)境條件下的裝藥應用提供參考。

1 試驗部分

1.1 試驗樣品

樣品制備采用“直接法”工藝制備而成。RDX基炸藥的組成為RDX、鋁粉、粘結劑和鈍感劑。

RDX基炸藥造型粉，采用10t精密壓機壓制成不同尺寸的試樣藥柱。其中：Ф20mm×20mm藥柱50發(fā)，用于不同溫度藥柱抗壓、抗拉測試；Ф20mm×30mm藥柱30發(fā)，用于抗剪強度測試；Ф20mm×20mm藥柱20發(fā)，用于藥柱壓縮模量（彈性模量）測試，試樣密度為1.70 g/cm3，藥柱密度差為±0.003 g/cm3。每個項目以5發(fā)藥柱為1組數(shù)據(jù)。

1.2 試驗方法

1.2.1 力學性能測試

將壓制好的炸藥藥柱分別在溫度-55℃、-20℃、20℃和65℃條件下采用高低溫恒溫烘箱進行處理，時間為4h，烘好的藥柱用保溫桶儲存，備用。

采用AG-IC l00型萬能試驗機測試了RDX基炸藥藥柱準靜態(tài)下（密度為1.70g/cm3）的力學性能，試驗采用控制速度方式加載，加載速度為10 mm/min。

抗壓強度采用GJB 772A-97方法416.1 抗壓強度壓縮法[5]，抗壓強度用σ表示；抗拉強度采用Q/AY91-90方法413.1 抗拉強度劈裂法[5]參考，抗拉強度用σ表示，臨界應變用ε表示。

1.2.2 彈性模量測試

彈性模量采用GJB 772A-97方法418.1 壓縮應力-應變曲線 電子引伸計法[5]。

1.2.3 形貌分析

采用電子掃描顯微鏡分析樣品的微觀形貌，型號：QUAINTA 600，產(chǎn)地：美國FEI公司。測試前對樣品進行噴金處理。

2 結果與討論

2.1 溫度對RDX基炸藥的抗壓和抗拉強度的影響

3種溫度下藥柱的抗壓、抗拉應力——應變曲線如圖1~2所示。各個溫度條件下RDX基炸藥的抗壓、抗拉強度及臨界應變數(shù)據(jù)見表1。

表1 不同溫度下RDX基炸藥的抗壓強度和抗拉強度試驗結果

Tab.1 Results of compressive strength and tensile strength of RDX-based explosive in different temperatures

圖1 RDX基炸藥的抗壓應力——應變曲線

圖2 RDX基炸藥的抗拉應力——應變曲線

從圖1~2及表1可以看出，隨著試樣溫度的升高，相同實驗條件下所獲得的抗壓強度和抗拉強度都在降低，而應變率隨之升高。

對于拉伸試驗曲線（圖2），當藥柱溫度為-55℃時，炸藥的應力隨應變成正比地增加，抗拉強度最大，臨界應變不到0.4%就發(fā)生斷裂；當藥柱溫度為20℃時，應力隨應變也是成正比地增加，但是增加幅度降低，抗拉強度較小，臨界應變不到0.6%就發(fā)生斷裂；而當藥柱溫度為65℃時，應力隨應變成正比地增加的幅度更小，抗拉強度最小，臨界應變不到0.7%就發(fā)生斷裂。對于壓縮試驗曲線（圖1），同樣存在這樣的變化趨勢。這些現(xiàn)象說明，隨著溫度的增加，RDX基炸藥在低溫時，小的應變可以使炸藥的抗壓和抗拉強度達到最大，此時炸藥表現(xiàn)出一定的脆性；當藥柱溫度繼續(xù)升高到65℃時，炸藥脆性小，應變大，抗壓和抗拉強度最小。

壓裝RDX基含鋁炸藥是以高分子為粘結劑的復合材料，其力學性質與單體材料不同。對于高分子粘結劑（EVA）來說，可以承受較大的變形，表現(xiàn)出粘彈性，起著粘結炸藥顆粒及傳遞應力的作用。高分子粘結劑的性質、高分子-炸藥界面的相互作用和炸藥顆粒之間的相互作用影響著PBX炸藥的粘彈性。對于高分子粘結劑來說，部分高聚物分子鏈的重新取向和高分子鏈之間的滑動會引起炸藥粘彈性變化；對于炸藥之間的相互作用來說，其可以引起炸藥力學性能的不同。在拉伸試驗時，拉伸使得顆粒相互分離，壓縮時顆粒相互擠壓，導致在拉伸時高分子粘結劑的力學行為顯得比較重要。

2.2 RDX基含鋁炸藥的壓縮模量研究

2.2.1不同溫度對炸藥壓縮模量的影響

試驗加載速率為0.5mm/min，4種溫度下壓裝RDX基含鋁炸藥的應力——應變曲線變化如圖3所示。

圖3 不同溫度條件下RDX基炸藥的（密度為1.70 g/cm3）應力——應變曲線

由圖3可看出，在準靜態(tài)壓縮下，曲線整體表現(xiàn)出強烈的非線性變化，此變化可分3個階段：即很小的線性段、強化階段及應變軟化階段，且此變化是由高聚物粘結劑的非線性造成的。采用壓縮模量、臨界應變ε描述溫度對壓裝RDX基含鋁炸藥準靜態(tài)下的力學性能。模量參照文獻[6-7]來計算，σ和ε由應力——應變曲線上應力最大值對應的應力和應變確定。

表2 給出了4個不同溫度下壓裝RDX基含鋁炸藥力學性能參數(shù)的值。根據(jù)表2數(shù)據(jù)分析知，當壓裝RDX基含鋁炸藥經(jīng)歷從低溫到高溫的過程時，壓縮模量的變化從緩慢降低（0.82%）到快速降低（36%），再到緩慢降低（7.5%）；對于壓縮強度σ，則其經(jīng)歷先緩慢降低（8.6%）到快速降低（29%），再到快速升高（39%）的過程；而臨界應變ε則經(jīng)歷先從緩慢降低（7.8%）到緩慢升高（12%），再到快速升高（50%）的過程。這些結果得出：溫度對含鋁炸藥的力學性能影響很大，即從低溫到高溫，壓縮模量降低，壓縮強度和臨界應變都表現(xiàn)出先降低后升高的現(xiàn)象。

表2 不同溫度條件下壓裝RDX基含鋁炸藥的力學性能試驗結果

Tab.2 Results of mechanical properties of RDX-based explosive in different temperatures

進一步分析壓縮模量和溫度的變化關系，如圖4所示。圖4曲線說明，隨著溫度的上升，彈性模量呈現(xiàn)非線性的變化，即先緩慢降低，再快速降低，最后趨于平緩。

圖4 RDX基炸藥（密度為1.70 g/cm3）的壓縮模量與溫度的關系曲線

2.2.2 不同溫度對炸藥泊松比的影響

從圖3和表2可得出，在-50~65℃范圍內隨著溫度的升高，壓裝RDX基含鋁炸藥的模量呈逐漸減少趨勢，材料表面剛性逐漸減小，塑性逐漸增強。這是因為此炸藥的力學性能主要依賴于高聚物粘結劑的力學性能[8]，隨著溫度升高，分子運動動能增加，高聚物粘結劑的鏈段更易于通過主鏈單鍵內旋轉改變構象，增強柔性，進而使炸藥彈性增加，但泊松比變化較小。

根據(jù)公式=3（1-2）[9]計算出在拉伸試驗中不同溫度下含鋁炸藥的泊松比，數(shù)據(jù)如表2 所示。從表2可以看出，從低溫狀態(tài)（-55℃）開始，上升到常溫（20℃）再到高溫狀態(tài)下，該炸藥低溫到高溫泊松比變化不大，也就是說，壓裝RDX基含鋁炸藥沿橫向方向和縱向方向的變形比值是相當?shù)腫10]。這說明，受溫度影響，壓裝RDX基含鋁炸藥的橫向應變和縱向應變是一致的。

2.3 不同溫度下RDX基炸藥的微觀形貌分析

陳鵬萬等[11]指出，PBX 炸藥在拉伸載荷作用下，高分子粘結劑與炸藥的界面將起決定作用。因此，為了進一步分析該壓裝RDX基含鋁炸藥在不同溫度下發(fā)生破壞的原因，對該炸藥在低溫（-55℃）、高溫（65 ℃）及常溫（20℃）條件下，進行拉伸試驗后φ20mm×20mm藥柱發(fā)生破壞的斷面形貌進行了觀察，如圖5所示。從圖5可以看出，斷裂主要發(fā)生在炸藥顆粒與高分子粘結劑的界面。

圖5 不同溫度條件下RDX基炸藥（密度為1.70 g/cm3）藥柱拉伸斷面掃描電鏡圖

由圖5（a）和5（c）可見，在低溫和常溫條件下，RDX炸藥表面的顆粒之間交界面可分辨；而在高溫條件、相同放大倍數(shù)情況下（見圖5b），可清楚地觀察到炸藥顆粒之間有明顯的交界面，還可看到界面之間出現(xiàn)了孔穴和脫粘。由圖5還可以看出，從低溫到常溫再到高溫，熱作用使RDX炸藥顆粒發(fā)生形成界面脫粘的現(xiàn)象，但未看到微裂紋，原因可能是因為熱作用不夠，不能促使粘結劑開裂，因而沒有產(chǎn)生微裂紋。因此，熱作用使得RDX基含鋁炸藥的損傷形式主要包括脫粘；隨著溫度升高，粘結劑軟化，其與RDX炸藥顆粒間作用力下降，從而導致該RDX 炸藥在高溫下的抗拉能力減弱。

3 結論

（1）經(jīng)過對RDX基含鋁炸藥力學性能試驗的摸索，得出溫度對含鋁炸藥的抗壓強度和抗拉強度有一定的影響；

（2）RDX基含鋁炸藥的壓縮模量隨溫度的升高而降低，但是，隨溫度增加，該炸藥泊松比則無明顯變化，經(jīng)過對壓縮試驗樣品的形貌分析，炸藥損傷模式為脫粘；

（3）通過本實驗對壓裝RDX基含鋁炸藥各種力學參數(shù)隨溫度變化的基本變化規(guī)律的分析，可以為裝藥設計和應用安全性提供有益的指導。

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Effects of Temperature on Mechanical Properties of Pressed RDX-based Aluminized Explosive

YAO Li-na1, WANG Hai-qing2, ZHAO Sheng-xiang1, WANG Cai-ling1, TAO Jun1, DAI Zhi-xin1

(1.Xi’an Modern Chemistry Research Institute，Xi’an, 710065；2. Xi’an Qinghua Co.,Ltd.,North Special Energy Group, 710062）

In order to analyze the effects of temperature on the properties of pressed RDX-based aluminized explosive, the compressive strength, tensile strength and Poisson’s ratio were measured in different temperature, and the morphology of tensile sample was observed by scanning electric microscopy (SEM). Results show that pressed RDX-based aluminized explosive binder was soften in high temperature, interface interaction was weaken between explosive particle and polymer binder, and the compressive strength, tensile strength of the explosive decreased with temperature increasing. From low temperature to high temperature in the tensile test, the Poisson’s ratio of the explosive was presented a invariable trends with temperature increasing, damage deformation of explosive section showed debinding between explosive crystals and binder in high temperature.

Pressed RDX-based aluminized explosives；Mechanical properties；Poisson’s ratio；Damage deformation

1003-1480（2017）03-0045-04

TQ564

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2017.03.012

2016-12-05

姚李娜（1983-），女，助理研究員，主要從事含能材料研究。