董天寶，韋興文，張巍耀，甘海嘯

(中國工程物理研究院化工材料研究所，四川 綿陽 621900)

PBX斷裂力學行為研究進展

董天寶，韋興文，張巍耀，甘海嘯

(中國工程物理研究院化工材料研究所，四川 綿陽 621900)

從常用實驗方法、細觀斷裂模式、宏觀斷裂力學以及動態(tài)斷裂方面，概述了近年來國內(nèi)外關于PBX斷裂力學行為的研究狀況;介紹了PBX宏觀和細觀斷裂特征及表征手段；闡述了細觀結構、力學特性、溫度和加載率對PBX斷裂行為的影響。指出應開展PBX細觀微裂紋萌生和擴展、宏觀起裂機理研究，及動態(tài)加載下PBX裂紋擴展行為研究，建立適合PBX材料特性的復合型斷裂準則。附參考文獻51篇。

固體力學；PBX；細觀斷裂；斷裂力學；高聚物黏結炸藥

引 言

高聚物黏結炸藥(PBX)構件是武器實現(xiàn)毀傷打擊的核心部件。在武器系統(tǒng)中，PBX除具備固有的爆轟性能外，常以承受載荷的結構件形式存在。一般認為，開裂是PBX力學失效的主要原因。PBX構件的開裂嚴重影響武器使用的可靠性。因此，對其斷裂力學行為進行研究非常體要。

PBX在生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生一些含空隙的微缺陷，這些微缺陷在外界環(huán)境(溫度變化、振動、沖擊等)的影響下很可能發(fā)展成為微損傷，進而形成微裂紋。PBX細觀研究表明，微裂紋最容易出現(xiàn)黏結劑、黏結劑與炸藥顆粒黏合面。裂紋一旦出現(xiàn)，裂紋尖端應力場將會重新分布。局部應力、局部強度及材料本身的缺陷等因素將導致微裂紋在裂紋尖端不斷擴展，進而誘發(fā)宏觀裂紋。PBX裂紋尖端區(qū)域材料承受著很大的應變，存在一定的失效損傷區(qū)域。當局部應變達到臨界狀態(tài)，隨著黏結劑和炸藥顆粒的脫粘失效，裂紋將進入失效損傷區(qū)域并進一步擴展。復雜荷載下PBX斷裂失效，特別是裂紋形成以及擴展問題，具有重要的研究價值，受到國內(nèi)外學者的廣泛關注[1-4]。

由于材料本身表現(xiàn)出的非線性力學特性， PBX斷裂力學行為研究是一個難點和熱點。細觀方面，綜合考慮炸藥晶體構型、晶體和黏結劑力學特性、體積配比等因素，國內(nèi)外在PBX微裂紋形成和裂紋擴展路徑方面開展較多研究。宏觀方面，PBX斷裂理論研究方法主要包括線彈性斷裂力學和彈塑性/黏彈性斷裂力學。目前線彈性斷裂力學已經(jīng)很好地應用于部分脆性PBX斷裂研究中，PBX平面斷裂韌性的實驗測試技術已經(jīng)相對較為完善。對于具有較強塑性/黏彈性的高聚物黏結炸藥，如黏結劑體積分數(shù)較高的澆注型PBX，其彈塑性/黏彈性斷裂力學問題更加復雜，相關研究工作也較少。隨著高速相機等動態(tài)線監(jiān)測技術的不斷發(fā)展，高應變率下PBX動態(tài)斷裂行為研究也在不斷深入。本文對PBX細觀斷裂模式、宏觀斷裂力學和動態(tài)斷裂的研究現(xiàn)狀進行報道，并對今后的研究方向進行了展望。

1 常用實驗方法

目前，應用于PBX斷裂研究的實驗方法包括：三點彎曲試驗(Three-point Bending Test)、半圓盤三點彎曲試驗(Semi-circular Bending Test)、緊湊拉伸試驗(Compact Tension Test)、平臺巴西圓盤試驗(Flattened Brazilian Disc Test)等[5-6]。

PBX裂紋表征方法主要有掃描電子顯微鏡(SEM)法、光學顯微鏡法[7-9]。在微觀尺度上，掃描電子顯微鏡可以表征黏結劑和炸藥晶體之間微裂紋的萌生和擴展[7]，如圖1(a)所示。在細觀尺度上，光學顯微鏡可以表征PBX的裂紋擴展路徑[8]，PBX微裂紋及裂紋擴展路徑如圖1(b)所示。

圖1 PBX微裂紋及裂紋擴展路徑Fig.1 Microcrack and crack propagation path in PBX

數(shù)字圖像相關方法(Digital Image Correlation Method)由日本的Yamaguchi I[10]和美國的Peter W H和Ranson W F[11]在20世紀80年代提出，具有非接觸、全場測量、光路簡單、可以采用白光作為光源和對測量環(huán)境無特殊要求等優(yōu)點，在PBX斷裂研究方面已有較多應用。美國阿拉莫斯實驗室研究者利用DIC方法，在PBX裂紋尖端位移、應變場及裂紋擴展速率等方面，取得了很好的研究成果，圖2為PBX-9502帶孔板壓縮過程中裂紋尖端應變及裂紋擴展監(jiān)測[12]。

圖2 基于DIC方法監(jiān)測的應變云圖及裂紋擴展速率Fig.2 Strain nephogram and crack growth rate monitored by DIC method

陳鵬萬等[13]基于PBX代用材料半圓盤三點彎曲試驗，結合SEM和DIC方法，實現(xiàn)了對PBX材料微區(qū)域應變場的測量，揭示了PBX材料損傷演化規(guī)律。研究表明，數(shù)字圖像相關方法用于研究PBX材料細觀尺度上的變形破壞是有效的。

2 PBX細觀斷裂模式及影響因素

PBX作為一類以高聚物黏結劑為連續(xù)相、高能混合顆粒炸藥為分散相的非均質(zhì)顆粒填充的復合材料，其力學行為表現(xiàn)出拉、壓不對稱性，溫度、時間等參量的相關性，具有彈塑性、黏彈性等特點，具有非線性本構關系[14]。

PBX中炸藥晶粒、黏結劑、晶粒-黏結劑界面的強度不同，因此加載方式對其細觀破壞模式具有很大影響。壓縮載荷下，PBX內(nèi)部主要承力結構是炸藥晶粒，細觀破壞形式多表現(xiàn)為炸藥晶粒斷裂；拉伸載荷下，PBX的主要承力結構是炸藥晶粒與黏結劑界面，由于界面強度小于炸藥顆粒的強度，拉伸載荷下PBX細觀破壞模式為炸藥晶粒與黏結劑的界面脫粘，此外可能伴隨黏結劑的拉斷或撕裂[15-16]。因此，PBX在拉伸載荷下以晶粒界面斷裂(沿晶斷裂)為主，壓縮載荷下以晶粒斷裂(穿晶斷裂)為主。

吳會民等[17]利用MTS機對固體推進劑、高聚物黏結炸藥和B炸藥進行了準靜態(tài)實驗。發(fā)現(xiàn)3者本構曲線都表現(xiàn)出非線性特性，高聚物黏結炸藥的破壞形式為碎裂，而固體推進劑則是軟化。表明在準靜態(tài)條件下PBX體現(xiàn)出一定的脆性，而推進劑更多體現(xiàn)出黏彈性的特點。

PBX的力學性能還表現(xiàn)出強烈的溫度與加載率相關性。李俊玲等[18]用MTS試驗機對PBX進行準靜態(tài)巴西試驗，獲得PBX在光學顯微鏡下的細觀損傷形貌，結合高速攝影和數(shù)字圖像相關分析技術得到了其變形和破壞過程。研究發(fā)現(xiàn)顆粒尺寸較大的晶體容易發(fā)生穿晶斷裂，顆粒尺寸很小的晶體則容易發(fā)生界面脫粘。Wiegand D A和Gray G T等[19-20]研究了溫度和應變率對PBX及其他含能材料變形破壞的影響。研究發(fā)現(xiàn)，當溫度降低和應變率增加時，PBX斷裂路徑從黏結劑轉到了炸藥晶體。Lanzerotti M Y等[21]研究表明，Comp B炸藥在低應變率下，其斷裂主要沿晶粒邊界。在高應變率下，晶粒會發(fā)生穿晶斷裂。蔡宣明等[22]基于分離式霍普金壓桿裝置對PBX代用材料進行高應變率動態(tài)壓縮實驗，認為晶粒與黏結劑分離、晶體斷裂是PBX代用材料動態(tài)壓縮的主要細觀損傷模式。Liu Z W等[23]在PBX代用材料準靜態(tài)三點彎曲實驗中發(fā)現(xiàn)，隨著溫度的升高，斷裂模式從以剪切作用為主轉變?yōu)榧羟泻屠鞆秃献饔茫⒂^斷裂模型從脆性斷裂的穿晶斷裂模式轉變?yōu)榻缑婷撜车难鼐嗔涯Ｊ?。相關試驗也證明，溫度對PBX斷裂韌性具有顯著影響[24]。

3 PBX宏觀斷裂力學行為研究

3.1 線彈性斷裂力學方法

自1921年Griffith A提出脆性固體材料斷裂理論，后經(jīng)Irwin G R推廣至小范圍屈服下的線彈性斷裂力學理論[25-26]，線彈性斷裂力學在解析、數(shù)值與實驗研究方面都取得了許多成果，廣泛應用于疲勞裂紋擴展、蠕變和應力腐蝕裂紋擴展等方面的研究。美國勞倫斯利弗莫爾實驗室(LLNL)的Hoffman D M[27]對LX-14和LX-19兩種PBX的疲勞裂紋擴展進行了研究，獲得了該型炸藥疲勞壽命曲線，并預測了熱應力疲勞壽命。

部分含能顆粒復合材料的斷裂研究是基于線彈性斷裂力學理論[28]。Palmer S J P等[29]通過巴西實驗研究發(fā)現(xiàn)，對于體積分數(shù)很高的PBX炸藥，即包含相對較多的脆性晶體，其材料破壞最可能的原因就是Griffith脆性斷裂。羅景潤、溫茂萍等[30-31]利用金屬材料平面應變斷裂韌性實驗標準，在室溫準靜態(tài)加載下，對高聚物黏結炸藥的斷裂韌性進行實驗研究，測得了幾種脆性較強PBX的平面應變斷裂韌性，實驗測量結果并不穩(wěn)定。由于PBX的力學行為與金屬材料有著很大的差別，能否借助金屬材料平面應變斷裂韌性的測試方法來研究PBX的斷裂韌性，尚待進一步研究。Li M等[32]利用數(shù)字圖像相關法(DIC)獲取PBX三點彎曲裂紋尖端位移場，基于線彈性斷裂力學理論，根據(jù)位移場與應力強度因子關系式，采用位移外推法計算得到PBX平面應變斷裂韌性。線彈性理論計算與實驗結果有著較好的趨勢擬合。

3.2 彈塑性/黏彈性斷裂力學方法

PBX發(fā)生開裂時，黏結劑、黏結劑與炸藥顆粒的結合界面共同承受著裂紋尖端急劇增大的拉應力，這預示著裂紋尖端應力場體現(xiàn)更多的是黏結劑材料的塑性[6]。美國阿拉莫斯國家實驗室的Liu C等[33-36]基于緊湊拉伸試驗，對PBX-9501斷裂研究發(fā)現(xiàn)，在裂紋萌生和擴展前，裂紋尖端有很大的損傷區(qū)域，在彈性變形和裂紋擴展過程之間存在應力橋接區(qū)域[33,36]，如圖3所示。他進一步將界面脫粘定律應用于實驗監(jiān)測中，成功解釋了PBX裂紋尖端應力場的分布及脫粘現(xiàn)象。

國外PBX大多具有模量和強度低的特點，基于Liu C等關于PBX裂紋尖端存在較大屈服區(qū)的實驗結果，Wiliamson D M等[37]認為針對材料非線性較強的PBX斷裂研究，建議采用彈塑性斷裂力學J-積分的分析方法[38]。對PBX-9501、EDC-37、EDC-32炸藥的模擬材料開展斷裂力學試驗，獲得了伴隨裂紋擴展過程的J-積分阻力曲線(見圖4)，得出PBX的斷裂性能主要取決于黏結劑材料的力學特性。然而，阿拉莫斯和利弗莫爾實驗室研究者不認同此觀點，依然采用線彈性斷裂力學中的斷裂韌性來研究PBX-9501、LX-17等炸藥的斷裂行為[39-41]。

固體推進劑作為一種剛粒復合含能材料，由于含能顆粒體積分數(shù)較低，具有更強的黏彈性力學特性，對黏彈性較強的澆注型PBX斷裂行為研究具有一定的借鑒意義。美國空軍實驗室的Liu C T等[42-43]對固體推進劑裂紋萌生和擴展進行了長期研究。圖5為裂紋尖端應變及擴展速率[42]。認為線彈性斷裂力學適用于單相材料，對固體推進劑裂紋生長的研究應該采用黏彈性斷裂力學方法。在不同應變率下，對表面裂紋尖端應變場、張開位移和裂紋生長行為的監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，固體推進劑裂紋尖端存在著狹長的三角形失效損傷區(qū)，建議采用黏彈性斷裂力學的研究方法。周廣盼等[44]對三點彎曲和緊湊拉伸試樣進行斷裂分析，觀測到推進劑裂紋尖端的鈍化過程，表現(xiàn)出黏彈性材料裂紋尖端的特點。測定了單邊和雙邊穿透裂紋的HTPB固體火箭推進劑拉伸試樣的裂紋啟裂臨界J-積分值。

圖3 PBX裂紋尖端的應力橋接現(xiàn)象Fig.3 Stress bridging junction phenomenon in crack tip of PBXs

圖4 PBX模擬材料J-積分阻力曲線Fig.4 J-integral resistance curves for PBX simulant materials

圖5 固體推進劑裂尖應變與擴展速率Fig.5 Crack tip strain and propagation rate in solid propellant

3.3 動態(tài)加載下PBX斷裂研究

動態(tài)加載下PBX材料的力學行為更加復雜，非線性的力學特性更加明顯[45]。研究表明，PBX斷裂韌性與加載率有一定的相關性。因此，動態(tài)加載下PBX材料斷裂行為非常復雜。羅景潤等[46]最早對PBX動態(tài)加載下斷裂性能進行了系統(tǒng)性的研究。在Hopkinson壓桿實驗系統(tǒng)上建立動態(tài)斷裂試驗裝置，在較高的加載速率下，對三點彎曲試件的動態(tài)應力強度因子進行研究，并分析了試件的動態(tài)斷裂韌性(KID)和起裂時間。鐘衛(wèi)洲[47]基于羅景潤建立的PBX動態(tài)斷裂實驗，對PBX線彈性動態(tài)斷裂韌性進行數(shù)值模擬研究，模擬結果與實驗結果相差較大。Zhou Z B等[48]也采用分離式霍普金森壓桿動態(tài)加載技術，進行半圓盤三點彎曲斷裂韌性測試實驗。研究發(fā)現(xiàn)PBX模擬材料的動態(tài)斷裂韌性與加載率有著很強的線性關系，如圖6所示。陳榮等[49-50]提出一種脆性材料動態(tài)斷裂性能研究的新方案，利用Hopkinson加載半圓盤三點彎曲試驗，在一次試驗中測量包括起裂韌度、平均斷裂能、平均傳播韌度和平均裂紋傳播速度在內(nèi)的4個斷裂參數(shù)，PBX動態(tài)起裂韌度隨著加載率的增加而增加。Long B等[51]對固體推進劑的動態(tài)斷裂研究發(fā)現(xiàn)，動態(tài)斷裂韌性對溫度和應變率變化非常敏感，斷裂韌性與應變之間存在簡單的線性關系，如圖7所示?；趯嶒灲Y果的分析，給出了溫度與應變率對斷裂韌性的影響關系式。

圖6 加載率對PBX模擬材料斷裂韌性的影響Fig.6 Effect of loading rate on the fracture toughness of simulant materials

圖7 溫度加載率對固體推進劑斷裂韌性的影響Fig.7 Effect of temperature loading rate on the fracture toughness of solid propellant

4 結束語

PBX作為一種高填充的含能顆粒復合材料，力學性能非常復雜。目前關于PBX研究多采用線彈性斷裂力學方法(LEFM)，僅對I型裂紋進行研究。對動態(tài)及復雜環(huán)境下PBX斷裂行為還缺乏深入的了解。因此，認為以下4個方面是PBX斷裂研究值得發(fā)展的方向：

(1)考慮炸藥晶體構型、黏結劑強度、炸藥晶體與黏結劑結合強度等因素，基于PBX材料配比的細觀數(shù)值模擬，對PBX細觀尺度上微裂紋萌生和擴展研究有著積極的意義。

(2)對于脆性較強的PBX，如炸藥晶體體積分數(shù)很高的壓裝PBX，傳統(tǒng)的線彈性斷裂力學方法可以很好地解釋其斷裂行為，建議采用以斷裂韌性為參數(shù)的斷裂判據(jù)；對于塑性/黏彈性較強的PBX，如黏結劑體積分數(shù)較高的澆注型PBX，建議采用彈塑性/黏彈性斷裂力學方法對其斷裂行為進行研究，使用以裂紋尖端張開位移(CTOD)和J-積分為參數(shù)的斷裂判據(jù)。

(3)溫度和應變率對PBX材料的非線性力學特性有著非常大的影響。目前，動態(tài)加載PBX斷裂過程監(jiān)測是一個研究熱點。

(4)加載方式的不同導致結構斷裂模式差別巨大。由于PBX材料具有顯著的拉壓不對稱特性，建立適合PBX材料特性的的復合型斷裂準則值得深入研究。

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Researoh Progress on Fracture Mechanical Behaviors of PBX

DONG Tian-bao，WEI Xing-wen，ZHANG Wei-yao， GAN Hai-xiao

(Institute of Chemical Materials, CAEP, Mianyang Sichuan 621900, China)

In terms of the commonly used experimental methods, mesoscopic fracture modes, macroscopic fracture mechanics and dynamical fracture, the research works on the fracture mechanical behaviors of PBX at home and abroad were reviewed. The macroscopic and mesoscopic-fracture features and characterization methods of PBX were introduced. The effects of mesostructure, mechanical feature, temperature and loading rate on the fracture behavior of PBX were discussed. It is pointed out that the research on PBX mesocrack initiation and extension, macroscopic fracture initiation mechanism and the crack extension behavior under dynamical loading of PBX should be carried out, and the composite fracture criterion fitted the characteristics of PBX should be established. With 51 references.

solid mechanics; PBX; meso-scopic fracture; fracture mechanics;polymer bonded explosive

10.14077/j.issn.1007-7812.2017.04.001

2016-03-21；

2016-05-09

中國工程物理研究院化工材料研究所創(chuàng)新基金(2015KJCX07)

董天寶(1989-)，男，研究實習員，從事含能材料力學性能研究。E-mail：dongtianbao@caep.cn

韋興文(1977-)，男，副研究員，從事炸藥及高分子材料的力學性能研究。E-mail：weixw@caep.cn

TJ55；O346.1

A

1007-7812(2017)04-0001-07