中物院流體物理研究所基于有限元-離散元結合方法進行Steven 試驗三維模擬

中物院流體物理研究所研究人員針對有限元方法描述斷裂與摩擦時存在算法困難，而離散元方法難以描述炸藥結構響應的問題，建立了有限元-離散元相結合的三維數值模擬方法與Fortran 計算程序。通過有限元模擬炸藥外金屬殼體變形，離散元模擬炸藥內部的裂紋擴展與摩擦升溫，采用Arrhenius 方程描述炸藥熱分解反應放熱，實現了裝藥低速撞擊非沖擊點火的三維模擬。以Steven 實驗作為算例，開展了脆性炸藥PBX-2 在鈍頭彈與平頭彈兩種撞擊條件下裝藥破壞與點火的模擬，考察了炸藥非均勻性的影響，獲得了裝藥受載應力歷史、裂紋分布、溫升曲線、點火時間與位置、撞擊點火速度閾值等，分析了鈍頭彈與平頭彈撞擊點火的分布特性。以炸藥裂紋摩擦以及自反應放熱為點火機制的模擬結果與文獻報道的實驗結果符合較好。

源自：HUANG Bin-bin，FU Hua，YU Yin，et al. Three-dimensional Numerical Simulation of Steven Test by the Combined Finite-Discrete Element Method. Chinese Journal of Energetic Materials，DOI：10.11943/CJEM2020115.

中物院化工材料研究所利用有限元軟件揭示了PBX 含能材料的協(xié)同切削機理

晶體顆粒與聚合物粘結劑之間的協(xié)同變形行為決定了含能材料的可加工性。中物院化工材料研究所基于粘聚力有限元框架闡明了HMX 基PBX 正交切削中的的切割機制。粒子體積分數為90%的多邊形HMX 晶體采用線彈性模型建模，而HTPB 粘結劑則采用與速率無關的超彈性及率相關塑性耦合模型。此外，在晶體顆粒和粘結劑中實現了粘聚力單元，以描述PBX 在切割過程中熱-機械耦合引起的材料失效行為。仿真結果顯示了PBX 的不同變形模式，以及破壞模式與加工表面形貌的相關性。此外，切割深度對PBX 的切削過程有較大的影響，包括材料破壞模式、損傷和能量耗散。為設計和合成具有高可加工性的高能材料提供了重要的指導方針。

源自：Jiaohu Huang，Shijin Lu，Fengying Xie，et al. Finite element analysis of synergetic deformation in precision cutting of polymer bonded explosive. 2020，188. https：//doi.org/10.1016/j.matdes.2020.108471.

北京理工大學研究人員提出了一種三聚氰胺/F2311 的裂紋修復技術

北京理工大學研究人員從三聚氰胺/F2311（PBX 模擬復合材料）的微觀結構和力學性能兩個方面，系統(tǒng)研究了F2311 含量對三聚氰胺/F2311 復合材料裂紋形貌和裂紋愈合行為的影響。采用掃描電鏡和CT 分析對微裂紋區(qū)進行定量表征。結果表明，熱壓處理可以消除裂紋，進一步提高密度和力學性能。M-10F 試樣的密度和力學性能提高幅度最大，密度提高了1.9%，抗拉抗壓強度提高超過100%。密度和力學性能的改善與工藝參數、初始密度和粘結劑含量有關。熱壓過程中提供給系統(tǒng)的熱能和壓應力可以促進粘結劑在界面處的遷移。此外，容易發(fā)生位移和旋轉的小尺寸三聚氰胺顆?？赡芘cF2311 一起遷移以填充裂紋。這一過程共同減少損壞和缺陷，使得裂紋部分或完全愈合，恢復材料的結構和性能。這項工作表明，熱壓處理對修復熱塑性粘結劑復合材料損傷具有很大的潛力，擴大了未來材料設計的思路。

源自：Yuchen Guo，Qiong Lan，Chao Han，et al. Microstructural characterization of pressure-induced cracking in melamine/F2311 composites and crack-healing behavior via thermal-pressure aging treatment. 2020，189.https：//doi.org/10.1016/j.matdes.2020.108538.

中國科學技術大學研究人員進行了長管強約束條件下壓裝PBX 炸藥點火試驗研究

為探究壓裝炸藥PBX-A 在較強約束條件下、在藥柱一端使用點火藥引燃后能否發(fā)生燃燒轉爆轟，中科大研究人員在傳統(tǒng)DDT 管的基礎上重新設計了特定位置約束增強的厚壁鋼柱殼管實驗裝置，利用多路PDV 診斷技術，配套高速攝影記錄對點火藥引燃炸藥實驗過程中的柱殼膨脹、斷裂特性等實驗現象進行了全過程連續(xù)監(jiān)測。對比由爆轟驅動的相同裝藥條件下實驗現象及對應過程物理狀態(tài)的區(qū)別，發(fā)現：爆轟實驗和點火實驗的總反應時間歷程存在數量級的差別；柱殼上各個測點速度歷程反映出內部炸藥反應引起的壓力增長歷程特征，以及炸藥反應的傳播過程均存在明顯差異。分析表明，在較強約束條件下，典型壓裝炸藥PBX-A 在一端使用點火藥引燃后的反應行為實際是以高溫、高壓反應產物沿裝藥縫隙對流，炸藥表面的層流燃燒及其伴隨的結構響應行為為主要表現形態(tài)；從反應壓力水平及其增長的時間歷程來看，炸藥基體中沒有形成沖擊波，因而無法實現從沖擊到爆轟的轉變。

源自：Experimental study on ignition reaction evolution of pressed PBX-B in long thick wall cylinder confinement，T Qiu et al，2020，J. Phys.：Conf. Ser. DOI：10.1088/1742-6596/1507/3/032022.

西安近代化學研究所分析了HTPE 推進劑子彈撞擊和快速烤燃特性

目前，固體推進劑熱安全性的研究主要以小尺寸試驗的烤燃實驗和熱分析為主，對HTPE鈍感推進劑的機械安全性能和易損特性（子彈撞擊、快速烤燃等）研究較少。為此，西安近代化學所人員計算了以PET/Bu-NENA 為黏合劑體系、AP 和AL 為固體填料的HTPE（端羥基聚醚）鈍感推進劑的理論比沖、特征速度等能量性能，測定了推進劑的機械感度，結合推進劑的機械感度研究了HTPE 推進劑的子彈撞擊和快速烤燃特性，分析了影響HTPE 推進劑子彈撞擊和快速烤燃響應的因素，為該類推進劑的發(fā)動機低易損性設計和應用提供參考。同時HTPE 推進劑具有較低的易損特性，子彈直徑為12.7 mm 的子彈撞擊試驗和快速烤燃試驗均表現為燃燒反應，可安全用于高速動能彈、超高速導彈等武器系統(tǒng)中，是一類具有發(fā)展前途的高能鈍感推進劑。

源自：X Lü，Pang W Q，Li J Q，et al. Bullet Impact and Fast cookoff characteristics of HTPE Insensitive Solid Propellant. Huozhayao Xuebao/Chinese Journal of Explosives and Propellants，2019，42（1）：79-83.

法國布爾日奧爾良大學研究人員研究了基于RDX 的低易損性推進劑點火和燃燒特性

純RDX 用于低易損推進劑的組成，然而文獻中很少有人對RDX 基推進劑的燃燒特性進行實驗研究。為了產生關于一種低易損性RDX 基推進劑點火和燃燒特性的新實驗數據。奧爾良大學工作者使用激光二極管獲得點火，并在一個圓柱形的封閉式反應器中，對不同的初始壓力和初始的推進劑質量進行了實驗。在不同初始壓力下，得到點火延遲、最大超壓和傳播速率以及激光功率等實驗數據。同時實驗結果與超壓的熱力學預測進行了比較。最后，用修正的Langlie 方法研究了不同激光功率和大氣條件下的點火概率。

源自：Ehrhardt J，Courty L，Gillard P，Baschung B. Experimental Study of Pyrolysis and Laser Ignition of Low-Vulnerability Propellants Based on RDX. Molecules 2020，25，2276.

美國阿拉莫斯國家實驗室利用透明目標直接觀察HMX 基PBX 炸藥摩擦點火

PBX 撞擊時熱點的形成是其沖擊起爆的關鍵因素。G.R.Parker 等人對高能炸藥斜向撞擊事件（類似跌落）進行了實驗研究，研究大型PBX 裝藥對于低速沖擊和摩擦的響應。該實驗通過直接觀察而不是過去的推斷收集的數據是為了聲明（并重申）松散砂礫顆粒在摩擦點火中所起的作用，并證實了一些早期的摩擦點火機制。實驗中通過采用剛性臂擺將高能裝藥傳遞到沖擊表面，并對其方向進行精確控制，而該項工作的創(chuàng)新之一是使用透明目標來觀察高能炸藥與撞擊表面之間的接觸界面，且利用定量圖像分析識別不是點火結果的發(fā)光點。得到結論：點火不是由PBX 與受沖擊表面的摩擦相互作用引起的，而是產生于嵌入在PBX 中硬的、高熔點的砂礫顆粒與具有硬的、高熔點的沖擊表面的局部摩擦相互作用，砂礫顆粒被迅速加熱到高溫（＞600℃），并成為PBX 的關鍵熱點。這一機制完全依賴于兩個高熔點組分的相互作用-通常是砂礫顆粒和撞擊表面-因此，防止點火的最明顯的策略是確保二者中一個或兩個都不存在。然最實際的緩解策略是通過使用低熔點橡膠墊、橡膠涂層等來避免高能炸藥撞擊在高熔點表面。如果對精密表面或模具的要求與橡膠涂層等不相容，則使用裸鋁（非表面處理）來替代。它的熔點相對于HMX 來說是邊緣的，但它的高熱擴散率導致了較低的熱點。

源自：Gary R Parker，Matthew D Holmes，Eric M Heatwole，Robert M Broilo，Michelle N Pederson，Peter M Dickson. Direct observation of frictional ignition in dropped HMX-based polymer-bonded explosives. Combustion and Flame，2020，221.313-318.

韓國首爾國立大學為老化THPP 的燃燒性能提供了新的見解

THPP 是最常用的煙火引發(fā)劑之一，自20 世紀60 年代以來，其一直被使用。老化帶來的挑戰(zhàn)是眾所周知的，現如今，含能材料的老化已然成為一個關鍵問題。THPP 在老化過程中會失效或偏離預期的性能。老化過程已知會改變其組成及其熱化學動力學；然而，THPP 在燃燒行為方面的性能變化尚未得到解決。Juyoung 等人通過三種類型的實驗，研究了其反應路徑：（一）通過SEM-EDS 進行形態(tài)和元素組成觀測，（二）通過DSC 和TG 進行熱分析，（三）點火和燃燒特性的測量和燃燒機制的核查，報道了THPP 的點火和燃燒特性之間的新關聯(lián)。對老化樣品進行的熱分析和形態(tài)學觀察顯示，老化導致燃料的不斷氧化和隨后的氧化劑的分解。用等轉換法提取的反應動力學表明，熱老化導致活化能降低，而濕熱老化則相反。特別是活化能的增加限制了點火溫度的范圍，降低了反應活性，從而增加了點火延遲時間和燃燒時間。熱老化樣品的KClO3含量增加，氧化劑表面出現一些裂紋，而濕熱老化樣品的TiO2含量增加。因此，KClO4分解和TiO2的形成可以被認為是熱老化和濕熱老化下的主要反應機制。THPP點火和燃燒特性的下降會導致煙火裝置的嚴重損壞，為確保其99%的熱性能，其理想保質期為10 年。

源自：Juyoung Oh，Jack J. Yoh. Critical changes in the ignition and combustion characteristics of aged titanium-based initiators. Combustion and Flame，2020，221.