席 鵬 孫培培 鄭亞峰 南 海 潘 文

西安近代化學(xué)研究所(陜西西安，710065)

引言

炸藥是武器系統(tǒng)中彈藥和戰(zhàn)斗部的能源，通過爆轟實(shí)現(xiàn)毀傷效應(yīng)。 作為結(jié)構(gòu)材料，炸藥在運(yùn)輸、儲存和使用過程中需要耐受一定的應(yīng)力和變形。 炸藥的強(qiáng)度和剛度較低，在一定外載荷作用下會產(chǎn)生不同程度的損傷，影響炸藥的點(diǎn)火閾值和爆轟波傳播。炸藥損傷后的力學(xué)行為直接關(guān)系到自身的應(yīng)用安全性、爆轟穩(wěn)定性和起爆可靠性等，從而影響武器系統(tǒng)的使用壽命、安全性和作戰(zhàn)效果。 針對軍事需求的迫切性，炸藥損傷的研究越來越受到關(guān)注。 有學(xué)者對壓裝PBX 炸藥(高聚物黏結(jié)炸藥)進(jìn)行徑向壓縮試驗(yàn)，觀察到了顆粒斷裂、界面脫黏、變形孿晶等多種損傷破壞形式，并在試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上對PBX 材料幾種可能的變形破壞機(jī)理進(jìn)行了分析[1-2]。 陳鵬萬等[3]利用巴西試驗(yàn)對高聚物黏結(jié)炸藥的變形破壞機(jī)理進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，試樣最主要的破壞機(jī)理是界面脫黏和黏結(jié)劑的成穴失效。 目前，國內(nèi)研究人員對炸藥損傷的研究大多集中在壓裝PBX 方面，對澆注PBX 炸藥損傷研究主要集中在損傷形貌特征方面，對于損傷后的力學(xué)行為討論較少。

澆注PBX 炸藥是一種聚合物基復(fù)合材料，具有優(yōu)異的低易損性能和爆轟性能，廣泛應(yīng)用于侵徹戰(zhàn)斗部、水下戰(zhàn)斗部等[4-6]。 澆注PBX 炸藥的配方體系和力學(xué)性能與壓裝PBX 炸藥差異較大[7]。 研究澆注PBX 炸藥的損傷行為，可以分析炸藥在儲存、運(yùn)輸?shù)葴?zhǔn)靜態(tài)條件下的安全性，獲取的力學(xué)性能參數(shù)也是炸藥數(shù)值仿真計(jì)算的必備條件，有助于炸藥在侵徹、沖擊、跌落等應(yīng)用工況下的安全性[8-9]。

本文中，主要以準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗(yàn)作為實(shí)施損傷的手段，通過壓縮應(yīng)變控制炸藥的損傷程度，研究典型澆注炸藥PBX-1 損傷過程中的力學(xué)行為，討論澆注PBX 炸藥材料的微觀結(jié)構(gòu)和破壞性能，分析炸藥的損傷演化過程，為其安全性預(yù)估提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試樣制備

PBX-1 炸藥配方(質(zhì)量分?jǐn)?shù))由64% 黑索今(RDX)、20%鋁粉(Al)和黏結(jié)劑組成。 黏結(jié)劑配比參考文獻(xiàn)[10]中的PBXN-109 炸藥，外加0.01%的TPB 催化劑[11]。 炸藥藥柱尺寸?20 mm × 20 mm，密度1.645 g/cm3。

1.2 儀器設(shè)備

防爆材料實(shí)驗(yàn)機(jī)，西安近代化學(xué)研究所研制，最大壓力30 kN，壓力相對誤差0.29%，位移相對誤差0.28%；微觀掃描電子顯微鏡，F(xiàn)EI QUANTA-600型，環(huán)境為高真空模式。

1.3 試驗(yàn)條件

固定應(yīng)變條件下連續(xù)進(jìn)行3 次壓縮-恢復(fù)試驗(yàn)，壓縮速率與恢復(fù)速率均為5 mm/min，當(dāng)位移恢復(fù)到起始點(diǎn)后，立即進(jìn)行第2 次壓縮，試驗(yàn)溫度25 ℃。定應(yīng)變壓縮后立即進(jìn)行真應(yīng)力-應(yīng)變[7]測試。 密度測試參考GJB772A—1997 方法401.2 液體靜力稱量法，分度值0.001 g/cm3。

2 結(jié)果和分析

2.1 壓縮損傷后的真應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖1 連續(xù)壓縮3 次后的真應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.1 True stress-strain curves after compression by three cycles

圖1為PBX-1炸藥在準(zhǔn)靜態(tài)壓縮損傷前、后的真應(yīng)力-應(yīng)變曲線。其中，曲線1＃是炸藥損傷前的真應(yīng)力-應(yīng)變曲線；曲線 2?！?曲線 6＃分別是 PBX-1 炸藥在經(jīng)歷壓縮應(yīng)變分別為 4%、 6%、 8%、 10%、14%條件下連續(xù)壓縮3 次后的真應(yīng)力-應(yīng)變曲線。從曲線1?？梢钥闯?，在準(zhǔn)靜態(tài)壓縮條件下，PBX-1 炸藥的應(yīng)力應(yīng)變曲線表現(xiàn)出顯著的非線性，主要由3個階段組成：低模量的線性階段、強(qiáng)化階段和應(yīng)變軟化階段。 PBX-1 炸藥存在豐富的界面層，在應(yīng)變初始階段產(chǎn)生界面壓縮變形，表現(xiàn)出較低的壓縮模量。隨著應(yīng)變增加，聚合物剛度逐漸增大，炸藥處于一種高模量狀態(tài)，發(fā)生大應(yīng)變變形。 當(dāng)壓縮應(yīng)變大于6%，高彈形變逐漸向黏性流動轉(zhuǎn)變，壓縮模量逐漸降低；在越過屈服點(diǎn)后，應(yīng)力逐漸下降，表現(xiàn)為明顯的應(yīng)變軟化特征。

從曲線2?！€6＃可以看出，在壓縮應(yīng)變不超過8%時，由于澆注PBX 炸藥豐富的聚合物的蠕變特征，在3 次低應(yīng)變壓縮后界面壓縮尚未恢復(fù)，顆粒填充更加密實(shí)，曲線表現(xiàn)為彈性段和軟化段，在彈性段炸藥的剛度增加；在壓縮應(yīng)變大于10%后，炸藥損傷導(dǎo)致應(yīng)變軟化，失去彈性自持性，表現(xiàn)出聚合物黏性特征。 此外，從曲線2?！€6＃還可以看出，由于損傷后的力學(xué)性能曲線是在連續(xù)3 次損傷后直接測量，損傷應(yīng)變沒有恢復(fù)，PBX-1 炸藥在壓縮初期存在0.5% ～2.5%的殘余應(yīng)變。

表1 給出了損傷前、后PBX-1 炸藥的力學(xué)性能參數(shù)，未損傷炸藥屈服強(qiáng)度σm為0.60 MPa，屈服應(yīng)變εm為10.6%。 在定應(yīng)變壓縮≤8%并連續(xù)壓縮3次后，炸藥的σm和εm沒有發(fā)生顯著變化，壓縮處于PBX-1 炸藥的彈性壓縮階段；當(dāng)定應(yīng)變壓縮≥10%以后，炸藥損傷導(dǎo)致應(yīng)變軟化，失去彈性自持性，表現(xiàn)出聚合物黏性特征。

2.2 準(zhǔn)靜態(tài)壓縮條件下的殘余應(yīng)變和密度變化

樣品在壓縮后的殘余應(yīng)變測試結(jié)果如圖2所示。澆注PBX炸藥是一種介于理想彈性體和理想黏性體之間的黏彈性材料，當(dāng)受到外力作用后，平衡形變迅速完成，與理想彈性體相關(guān)；在外力卸去后，形變還會隨時間發(fā)展，又與黏性材料相似[7]。 PBX-1 炸藥在宏觀上表現(xiàn)為黏彈性材料，其力學(xué)松弛也表現(xiàn)在蠕變、滯后等方面，即使在2%壓縮應(yīng)變后，也存在接近0.5%的殘余應(yīng)變。 雖然在壓縮應(yīng)變小于6%時的殘余應(yīng)變差異不大，但是，總體上依然體現(xiàn)出殘余應(yīng)變隨壓縮應(yīng)變增加而增長的趨勢。 從壓縮24 h 后的殘余應(yīng)變曲線可以看出，在壓縮應(yīng)變小于8%時，殘余應(yīng)變經(jīng)過24 h 得到恢復(fù)；當(dāng)壓縮應(yīng)變大于8%以后，殘余應(yīng)變隨著壓縮應(yīng)變的增加而增大，表明在壓縮應(yīng)變大于8%以后，損傷逐漸增大，炸藥發(fā)生明顯的塑性變形。

表1 損傷前、后的力學(xué)性能參數(shù)Tab.1 Mechanical property parameters before and after damage

圖2 PBX-1 在不同壓縮應(yīng)變下的殘余變形Fig.2 Residual deformation of PBX-1 under different compression strains

圖3 是PBX-1 炸藥在定應(yīng)變壓縮前、后的密度變化曲線。 在壓縮后立即進(jìn)行密度測量，炸藥密度隨著壓縮應(yīng)變的增大而逐漸增大；在壓縮應(yīng)變8%時，密度達(dá)到最大值1.65 g/cm3；隨后密度迅速減小。 定應(yīng)變壓縮24 h，炸藥的密度變化相對平緩，在壓縮應(yīng)變小于8%時，密度與壓縮前基本一致；在壓縮應(yīng)變大于8%以后，密度顯著降低。

2.3 PBX-1 炸藥的損傷形貌

在定應(yīng)變壓縮過程中，炸藥在達(dá)到最大應(yīng)力之前已經(jīng)可以目測到局部微小裂紋和裂紋增長現(xiàn)象。

圖3 PBX-1 在不同壓縮應(yīng)變下的密度Fig.3 Density of PBX-1 under different compression strains

圖4 是PBX-1 炸藥在3 次定應(yīng)變壓縮后的表面形貌。 從圖4(a)可以看出，PBX-1 炸藥在較小應(yīng)變壓縮下無明顯損傷，RDX 與鋁顆粒分布均勻，顆粒之間通過黏結(jié)劑密實(shí)填充。 由圖4(b)可知，在定應(yīng)變6%壓縮后，黏結(jié)劑發(fā)生彈性變形，顆粒之間受到擠壓，炸藥顆粒被黏結(jié)劑緊密包裹。 由圖4(c)、圖4(d)可知，在應(yīng)變大于10%以后，炸藥在微觀上表現(xiàn)出明顯的不均勻性，黏結(jié)劑發(fā)生松弛或斷裂，伴隨著顆粒脫黏現(xiàn)象，表現(xiàn)為明顯的損傷狀態(tài)。 從微觀形貌可以看出，在準(zhǔn)靜態(tài)壓縮過程中，澆注PBX 炸藥的力學(xué)行為主要表現(xiàn)為黏結(jié)劑的變形和損傷，未發(fā)現(xiàn)炸藥穿晶斷裂、粉碎等變化。

2.4 PBX-1 炸藥的力學(xué)行為分析

從炸藥損傷前的真應(yīng)力-應(yīng)變曲線(圖1，曲線1＃)可以看出，在準(zhǔn)靜態(tài)壓縮條件下，未損傷PBX-1炸藥在小應(yīng)力( ＜0.05 MPa)下存在一個低模量的線性階段。 根據(jù)文獻(xiàn)[12]報(bào)道，在如此小的應(yīng)力下不可能發(fā)生聚合物斷裂、沿晶斷裂、穿晶斷裂和塑性變形。 與單一聚合物和其他聚合物基復(fù)合材料不同，PBX-1 炸藥是一種帶有預(yù)損傷的復(fù)合材料，壓縮過程中填料與黏結(jié)劑之間豐富的界面層貢獻(xiàn)給壓縮應(yīng)變的壓縮量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他材料。 在應(yīng)變較小時，界面壓縮是澆注PBX 炸藥的主要卸載方式。 結(jié)合準(zhǔn)靜態(tài)壓縮條件下的殘余應(yīng)變和密度變化分析，屈服應(yīng)變并不能表達(dá)炸藥的損傷過程，PBX-1 炸藥在屈服應(yīng)變之前已經(jīng)發(fā)生明顯的損傷，因此存在一個損傷臨界點(diǎn)，臨界點(diǎn)的應(yīng)力和應(yīng)變假定為損傷強(qiáng)度σc和損傷應(yīng)變εc，屈服過程如圖5 所示。

圖5 PBX-1 炸藥的屈服過程Fig.5 Yield procedure of explosive PBX-1

如圖5 推理，PBX-1 炸藥的準(zhǔn)靜態(tài)壓縮過程分為4 個階段：接觸壓縮階段(0 ＜ε ＜εb)、彈性壓縮階段(εb≤ε ＜εc)、損傷階段(εc≤ε ＜εm)和應(yīng)變軟化階段(ε≥εm)。 在接觸壓縮階段，炸藥受到的壓縮載荷較小，炸藥界面被壓縮成密實(shí)狀態(tài)。 隨著應(yīng)力增大，炸藥中的彈性體被壓縮，聚合物組分以彈性變形作為主導(dǎo)因素；當(dāng)載荷卸去時，彈性體的彈性變形恢復(fù)，由于界面壓縮的滯后性和聚合物的蠕變，原有的顆粒間隙減小，導(dǎo)致炸藥密度增高、剛度增大，在下一次的壓縮過程中表現(xiàn)為剛度強(qiáng)化的特點(diǎn)。 當(dāng)炸藥壓縮應(yīng)變大于損傷應(yīng)變εc時，炸藥中的黏結(jié)劑發(fā)生損傷破壞，逐漸失去對炸藥的保護(hù)作用；但是由于炸藥中的RDX、鋁顆粒堆積，導(dǎo)致炸藥的真應(yīng)力-應(yīng)變曲線繼續(xù)上升，表現(xiàn)為屈服點(diǎn)前、后的屈服階段和應(yīng)變軟化階段。

基于上述分析可知，澆注炸藥在壓縮應(yīng)變大于損傷應(yīng)變εc時，炸藥已經(jīng)發(fā)生損傷。 根據(jù)PBX-1 炸藥在不同壓縮應(yīng)變下的力學(xué)性能參數(shù)和殘余變形曲線變化趨勢，以及掃描電鏡圖的對比，可以得出PBX-1 炸藥的損傷應(yīng)變?yōu)?%。 在材料應(yīng)用或者數(shù)值模擬計(jì)算時，參考損傷強(qiáng)度σc和損傷應(yīng)變εc進(jìn)行強(qiáng)度校核，并賦予一定的安全余量，其真實(shí)性和可行性更優(yōu)于屈服應(yīng)力和屈服應(yīng)變。

3 結(jié)論

1)測試了典型澆注PBX 炸藥PBX-1 在準(zhǔn)靜態(tài)壓縮損傷前、后的真應(yīng)力-應(yīng)變曲線。 PBX-1 炸藥的真應(yīng)力-應(yīng)變曲線表現(xiàn)出顯著的非線性。 當(dāng)應(yīng)變小于8%時，炸藥的屈服強(qiáng)度和屈服應(yīng)變沒有發(fā)生顯著改變；在壓應(yīng)變大于10%后，炸藥損傷導(dǎo)致應(yīng)變軟化，失去彈性的自持性，表現(xiàn)出聚合物黏性特征。PBX-1 炸藥的屈服強(qiáng)度σm為0.6 MPa，屈服應(yīng)變εm為10.6%。

2)PBX-1 炸藥在準(zhǔn)靜態(tài)壓縮條件下的力學(xué)行為分為接觸壓縮、彈性變形、損傷破壞和應(yīng)變軟化4 個過程。 在壓縮應(yīng)變小于損傷應(yīng)變時，澆注炸藥主要以彈性變形為主；在壓縮應(yīng)變超過損傷應(yīng)變后，炸藥中黏結(jié)劑斷裂，發(fā)生塑性變形。

3)PBX-1 炸藥在較小壓縮應(yīng)變下無明顯損傷，顆粒之間通過黏結(jié)劑密實(shí)填充；在壓縮應(yīng)變超過損傷應(yīng)變后，密度降低，殘余應(yīng)變增大。 PBX-1 炸藥的損傷應(yīng)變?yōu)?%。