周忠彬 高金霞 袁寶慧

西安近代化學(xué)研究所(陜西西安，710065)

引言

隨著軍事技術(shù)的不斷發(fā)展，涌現(xiàn)了大量現(xiàn)代高性能武器。戰(zhàn)斗部是各類彈藥實現(xiàn)毀傷效能的重要作戰(zhàn)單元，而影響毀傷效能的重要因素之一就是裝藥質(zhì)量[1-2]。在彈藥生產(chǎn)過程中，裝藥工藝及參數(shù)直接關(guān)系著裝藥質(zhì)量[3]。工藝參數(shù)設(shè)置不合理，將會導(dǎo)致成型炸藥產(chǎn)生裂紋、縮孔、氣泡及裝藥密度不均勻等缺陷，這會嚴(yán)重影響彈藥的毀傷性能、發(fā)射安全性及侵徹安定性等[4-5]。

壓裝法具有生產(chǎn)周期短、適用炸藥廣、藥柱爆轟感度相對較高等優(yōu)勢，是一種相對應(yīng)用廣泛且不可缺少的裝藥方式[6]。在炸藥壓制成型過程中，影響藥柱成型質(zhì)量的工藝因素很多，如加載在沖頭上的壓力、保壓時間、循環(huán)次數(shù)、藥粉溫度、藥粉裝填質(zhì)量和松弛程度等[7]。壓力和保壓時間對藥柱成型質(zhì)量的影響最先得到關(guān)注。其中，壓力過大或過小都可能使成型藥柱的內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，產(chǎn)生密度不均勻的問題。壓力達(dá)到規(guī)定值時需要進(jìn)行保壓。若保壓時間較長，則藥柱密度會隨加載時間的延長而提高；但過長時間的保壓會引起藥柱的蠕變，導(dǎo)致藥柱的物理穩(wěn)定性變差[8-9]。選擇合適的保壓時間是提高成型藥柱質(zhì)量的關(guān)鍵。藥粉溫度變化是影響成型藥柱質(zhì)量的又一重要因素，常使用的室溫壓制工藝簡單，藥粉不需加熱，但CT 檢測發(fā)現(xiàn)，成型藥柱內(nèi)部存在裂紋，偶爾伴隨有低密度區(qū)現(xiàn)象，嚴(yán)重制約了藥柱的使用范圍。

本文中，以某高聚物黏結(jié)炸藥(polymer-bonded explosives，簡稱PBX)為對象，對造型粉在室溫壓制和加熱壓制兩種工藝條件下的成型質(zhì)量、靜態(tài)力學(xué)性能的差異進(jìn)行了對比研究，分析壓制時溫度差異對成型炸藥裝藥性能的影響。

1 實驗部分

1.1 材料及成型工藝

PBX 炸藥的壓制成型壓力為200 MPa。壓制前，將一定質(zhì)量的藥粉倒入專用的成型模具中；在室溫或加熱條件下均采用人機(jī)隔離的措施壓制藥柱，且壓制過程中嚴(yán)格監(jiān)測壓機(jī)的壓力數(shù)值變化，確保人員和設(shè)備安全。

為方便研究，防止事故發(fā)生，選擇PBX 炸藥的模擬材料為研究對象。該PBX 模擬材料主要由硝酸鋇顆粒和氟橡膠黏結(jié)劑等組成，壓制成型壓力為200 MPa，加熱溫度為100 ℃，通過電加熱模具外層的石蠟傳熱實現(xiàn)加熱。溫度由置于石蠟中的溫度傳感器控制。加熱壓制和室溫壓制時，壓力達(dá)到規(guī)定值時均保壓5 min，然后升、卸壓循環(huán)3 次，最后保壓30 min[10]。加熱壓制完成后，采用自然冷卻降溫，室溫下退模，得到試樣。

1.2 實驗方法

選擇巴西實驗測試成型藥柱的靜態(tài)拉伸力學(xué)性能[11]。巴西實驗的試樣為圓盤狀，尺寸為直徑20 mm、厚度20 mm，采用準(zhǔn)靜態(tài)徑向加載。原理如圖1 所示，在圓盤試樣的側(cè)表面施加沿試樣長度均勻分布的兩個對等徑向集中載荷，則在試樣內(nèi)垂直于加載面方向上產(chǎn)生拉應(yīng)力，當(dāng)超過材料的抗拉強(qiáng)度時，試樣劈裂破壞。根據(jù)二維彈性理論，各向同性材料中心點的拉伸強(qiáng)度σt為:

式中:pt為圓盤試樣劈裂時的壓縮載荷；D為試樣直徑；B為試樣厚度。

2 結(jié)果與討論

2.1 壓制溫度對PBX 內(nèi)部質(zhì)量的影響

準(zhǔn)備室溫壓制和加熱壓制成型的PBX 圓盤試樣。巴西實驗前，采用工業(yè)CT 無損檢測技術(shù)對圓盤1/2 高度的橫截面進(jìn)行檢測，結(jié)果分別如圖2 所示。對比CT 檢測結(jié)果看到，室溫壓制成型的PBX內(nèi)部存在較明顯的密度分布不均勻現(xiàn)象，約2/3 半徑的中心區(qū)域密度較均勻，且與之相比較，外側(cè)約1/3 半徑的圓環(huán)區(qū)域密度略高，并有初始空隙損傷存在(白色亮點)。加熱壓制成型的PBX 內(nèi)部質(zhì)量良好，且密度基本一致，無初始損傷。

2.2 壓制溫度對PBX 靜態(tài)力學(xué)性能的影響

對室溫壓制和加熱壓制的圓盤試樣進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)巴西實驗，位移加載速率為0.1 mm/min，材料實驗機(jī)記錄得到載荷隨加載位移(或加載時間)的變化曲線。

圖3(a)是室溫壓制成型試樣的載荷-位移變化關(guān)系。結(jié)果表明，載荷隨加載位移的增加幾乎呈線性增大。當(dāng)載荷達(dá)到最大時，圓盤發(fā)生破壞；隨后，載荷降低，并伴隨著裂紋的不斷擴(kuò)展；當(dāng)載荷降低至最小局部載荷pmin時，分析認(rèn)為，此時裂紋已貫通圓盤，由于PBX 炸藥的脆性相對較小，劈裂的圓盤仍可以繼續(xù)承載，因此，經(jīng)過pmin后載荷出現(xiàn)緩慢爬升，達(dá)到第二次載荷峰值，但此載荷遠(yuǎn)小于第一次載荷峰值；最后，圓盤試樣破碎，載荷降低。

圖3(b)給出了加熱壓制成型試樣的載荷-位移曲線?？梢钥吹?在達(dá)到最大載荷之前，載荷隨位移的增加也是線性增大的；達(dá)到載荷峰值時，圓盤發(fā)生破壞，載荷迅速降低。實驗中也記錄到類似于室溫壓制成型試樣的載荷-位移變化規(guī)律曲線。在圓盤試樣破壞后，載荷迅速降低至局部最小載荷pmin，此時圓盤已劈開成兩半圓盤，經(jīng)歷二次承載過程，最后破碎。對比分析圖3(a)、圖3(b)看到，室溫壓制成型和加熱壓制成型PBX 的載荷-位移曲線有明顯差別，特別是載荷峰值過后，載荷隨位移變化的曲線差別很大，這說明受壓制溫度的影響，PBX 表現(xiàn)出明顯不同的靜態(tài)力學(xué)響應(yīng)。

巴西實驗可準(zhǔn)確地測得PBX圓盤試樣中心承受的拉伸載荷，結(jié)合數(shù)字圖像相關(guān)方法可測得與載荷對應(yīng)狀態(tài)的圓盤全場應(yīng)變[12]，從而可得到PBX圓盤中心的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。圖4是室溫和加熱兩種成型溫度下PBX的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線。結(jié)果表明:室溫壓制成型PBX的破壞拉伸應(yīng)力較低，為0.9 MPa，破壞應(yīng)變較大，為3.0%，拉伸模量為0.36 GPa；加熱壓制成型PBX 的破壞拉伸應(yīng)力較大，為5.3 MPa，拉伸模量較高，為5.00 GPa，但破壞應(yīng)變相對較小，為0.6%。對比室溫和加熱兩種溫度壓制成型試樣的破壞應(yīng)變可知，加熱壓制成型PBX 表現(xiàn)出明顯的脆性特征。

2.3 壓制溫度影響PBX 性能的機(jī)理分析

對炸藥成型件的基本性能要求是它的密度，密度越高，成型件的尺寸越穩(wěn)定，特別是退模后在較長存放時間內(nèi)不會發(fā)生體積膨脹等變化，這對炸藥成型件的力學(xué)性能有重要意義。

所用的PBX 模擬材料的理論成型密度為1.901 g/cm3，利用排水法測試了室溫壓制成型和加熱壓制成型PBX 的密度，分別為1.741 g/cm3和1.829 g/cm3，分別占理論密度的91.58%和96.21%，即室溫下壓制成型PBX 的空隙率較大。密度測試結(jié)果表明，加熱壓制成型PBX 的力學(xué)性能明顯優(yōu)于室溫壓制成型PBX 的性能，2.2 中測得的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變結(jié)果驗證了這一結(jié)論。

分析壓制成型溫度的差異對PBX 力學(xué)性能的影響機(jī)理。室溫壓制成型過程中，PBX 造型粉顆粒的壓制過程經(jīng)歷3 個階段:第一階段是造型粉顆粒的重排，顆粒流動實現(xiàn)小顆粒填充大顆粒間的空隙，顆粒之間也產(chǎn)生相互擠壓和摩擦等作用，但相互作用較弱；隨著顆粒間隙的減少，顆粒間的作用力變大，壓制進(jìn)入第二階段，即顆粒的破碎階段，顆粒間的空隙進(jìn)一步由破碎的顆粒填充；在顆粒破碎達(dá)到一定程度，完成顆粒間填隙后，壓制進(jìn)入第三階段，即壓實階段，造型粉顆粒被壓制成整體。在室溫條件高壓成型過程中，包裹在晶體顆粒表面上的黏結(jié)劑沒有發(fā)生軟化，一方面會使得顆粒間的空隙很難被黏結(jié)劑填充，形成高空隙率；另一方面，顆粒間的黏結(jié)性能較弱，導(dǎo)致室溫下成型PBX 的整體強(qiáng)度低，且比較軟。

加熱壓制成型過程中，PBX 造型粉顆粒也經(jīng)歷顆粒重排、顆粒破碎、壓實的過程，但重要的是，高溫下黏結(jié)劑會發(fā)生軟化，且在上百兆帕壓力下黏結(jié)劑有較好的流動性。一方面，這會使得晶體顆粒表面包覆的黏結(jié)劑能夠完全包裹晶體不規(guī)則的表面，提高了包覆率；另一方面，流動的黏結(jié)劑可以填充造型粉顆粒之間的空隙，降低空隙率。更重要的是，從分子角度看，在高溫下黏結(jié)劑很有可能被活化，使得這類高分子化合物的分子鏈變得活躍，表現(xiàn)出更好的伸長特性，分子鏈之間相互搭接或纏繞，形成整體的分子鏈網(wǎng)絡(luò)，更好地增強(qiáng)了PBX 顆粒之間以及顆粒和黏結(jié)劑界面上的黏合性能，使得PBX 整體力學(xué)性能得到提高，但也增大了PBX 的脆性。

2.4 不同成型溫度條件下PBX 的破壞模式

圖5(a)是室溫壓制成型的PBX 巴西實驗后的斷面形貌，可看到，試樣斷面凹凸不平，不僅存在光滑的顆粒表面，而且還有顆粒拔出后留下的凹坑，顆粒-黏結(jié)劑的界面脫黏是拉應(yīng)力作用下室溫壓制成型PBX 的主要破壞形式。由于室溫條件下黏結(jié)劑不發(fā)生軟化，顆粒間不可避免地存在空隙，如圖5(a)中箭頭所示。圖5(b)是加熱壓制成型PBX 巴西實驗后的斷面形貌，可觀察到，斷面很平整，顆粒周圍被黏結(jié)劑完好地包裹，拉伸應(yīng)力作用下加熱壓制成型PBX 主要發(fā)生顆粒穿晶斷裂。對比分析拉伸應(yīng)力作用下室溫和加熱兩種溫度壓制成型PBX的斷面形貌可知，成型溫度對PBX 的細(xì)觀破壞有重要影響，這也支持了2.3 中成型溫度對PBX 的性能影響機(jī)理分析。

3 結(jié)論

1)對比研究了室溫和加熱兩種溫度條件下壓制成型的PBX 炸藥裝藥的內(nèi)部質(zhì)量、靜態(tài)力學(xué)性能和細(xì)觀破壞形式。結(jié)果表明，加熱壓制成型工藝有利于改善裝藥的內(nèi)部質(zhì)量，可避免初始損傷，提高了密度均勻性，降低了空隙率。

2)加熱壓制成型裝藥的力學(xué)性能得到了改善，提高了抗拉強(qiáng)度，一定程度上增強(qiáng)了裝藥的承受過載能力。

3)室溫壓制成型裝藥的破壞形式主要是界面脫黏；而加熱壓制成型裝藥的主要破壞形式是穿晶斷裂。