壓縮剪切作用下PBX的響應(yīng)特性

代曉淦, 王 娟, 黃 謙, 申春迎, 黃風(fēng)雷

(1. 中國工程物理研究院化工材料研究所， 四川 綿陽 621999； 2. 北京理工大學(xué)機電學(xué)院， 北京 100081)

1 引 言

目前，侵徹彈藥是打擊加固和地下深埋目標的有效手段之一。近年來，對攻擊地面加固目標、地下設(shè)施等硬目標的侵徹裝藥要求日益提高，其安全性模擬研究顯得尤為重要。在武器侵徹過程中，炸藥的作用環(huán)境十分復(fù)雜, 受到壓縮、剪切、摩擦等綜合作用，長脈沖載荷是顯著特征，其經(jīng)受的沖擊過載持續(xù)時間達到毫秒量級以上、炸藥內(nèi)部的應(yīng)力波峰值可達幾百兆帕[1]，已建立的如撞擊、摩擦、靜電、熱等標準試驗方法[2-4]，均難以有效地模擬表征武器侵徹過程中炸藥受到的復(fù)合作用特點。

針對撞擊(即壓縮作用)、剪切等刺激作用的不同特點，國內(nèi)先后建立了模擬撞擊藥片的落錘撞擊試驗[5]、剪切試驗[6]，以及針對炸藥柱撞擊的Steven試驗[7]、模擬跌落試驗[8]。陳鵬萬等[9]采用低速氣炮進行撞擊加載，以模擬撞擊壓縮狀態(tài)下低強度長脈沖載荷的作用，壓力峰值約600 MPa，脈寬約1.5 ms。針對二者的復(fù)合作用，國外Chabin等人[1,10]研究了炸藥受到壓剪程度與炸藥對應(yīng)的反應(yīng)程度間的關(guān)系，對幾種炸藥(B2211D，PBXN109，B2238)進行了不同程度的試驗，結(jié)果表明大部分樣品受到壓縮剪切作用，持續(xù)時間1～2 ms，壓力峰值約500 MPa，部分樣品可觀測到局部的化學(xué)反應(yīng)。國內(nèi)主要采用Hopkinson壓桿[11]加載實現(xiàn)壓縮剪切的復(fù)合作用，以獲得炸藥材料的力學(xué)性能，但難以觀測炸藥點火以及后續(xù)的反應(yīng)程度。為分析侵徹過程中炸藥的安定性問題，掌握炸藥的壓縮剪切作用響應(yīng)特性就非常必要。

本研究主要通過壓縮剪切作用試驗，研究了兩種PBX( PBX-932和PBX-C43)在壓縮剪切作用下的響應(yīng)特性，分析了炸藥壓剪變形程度與受力以及反應(yīng)程度的關(guān)系。

2 試驗

2.1 材料

PBX-932和PBX-C43藥柱(兩種炸藥配方基本相近)，尺寸均為Ф20 mm×40 mm，密度分別約1.76 g·cm-3和1.80 g·cm-3，樣品質(zhì)量分別為22.1 g和22.6 g，中國工程物理研究院化工材料研究所提供。

主要測試： 采用MEMRECAM GX-1高速錄像機，拍攝撞擊過程，測試撞擊速度，觀測炸藥點火反應(yīng)情況； 用沖擊波超壓測試系統(tǒng)(沖擊波超壓傳感器、YE6600電荷放大器以及泰克示波器)測量炸藥反應(yīng)超壓； 通過壓電式壓力傳感器，測試壓縮剪切試驗過程中壓力變化情況。

2.2 壓縮剪切試驗裝置與試驗原理

參考Chabin等[10]建立的試驗方法，設(shè)計了壓縮剪切試驗，其裝置示意圖如圖1所示。壓縮剪切試驗裝置主要由活塞、鋼制外殼、聚四氟乙烯套、底座等組成。利用文獻[12]建立的發(fā)射裝置(火藥加速方式，通過調(diào)節(jié)火藥的藥量來控制射彈撞擊速度)對射彈進行加載，其實物裝配如圖2所示。

圖1 壓縮剪切試驗示意圖

1—射彈, 2—活塞, 3—鋼制外殼, 4—聚四氟乙烯套, 5—炸藥, 6—底座, 7—壓力傳感器

Fig.1 Configuration of compression and shear test

1-projectile, 2-piston, 3-steel shell, 4-teflon cover, 5-explosive, 6-pedestal, 7-pressure gauge

圖2 壓縮剪切試驗實物裝配照片

Fig.2 Assembly photograph of compression/shear test apparatus

將Φ20 mm×40 mm炸藥柱放進7 mm壁厚的聚四氟乙烯(PTFE) “啞鈴”狀圓筒中(如圖3所示)，聚四氟乙烯套能傳遞射彈撞擊的壓力，還可以消除與炸藥的摩擦，其外側(cè)留有空隙。活塞受到射彈撞擊，壓縮含有炸藥柱的聚四氟乙烯套，在空隙存在前主要體現(xiàn)壓縮過程，隨后聚四氟乙烯套外側(cè)接觸鋼制外殼，徑向變形受到限制，炸藥內(nèi)產(chǎn)生壓縮剪切綜合作用，用底部的壓力傳感器可以測試壓力變化過程，研究變形與壓力的關(guān)系。觀察回收樣品的變形程度、反應(yīng)狀況，分析不同撞擊速度等壓縮剪切作用下炸藥的反應(yīng)情況。

a. before assembling

b. assembling

圖3 壓縮剪切試驗中樣品裝配照片

Fig.3 Assembly photograph for explosive sample in compression and shear test

3 結(jié)果與討論

3.1 撞擊點火反應(yīng)結(jié)果

參照GJB772A-1997中蘇珊撞擊試驗方法[2]，研究不同撞擊速度下炸藥的響應(yīng)、獲得炸藥的撞擊速度閾值。壓縮剪切試驗主要在22～57 m·s-1撞擊速度范圍內(nèi)研究了PBX的點火響應(yīng)特性。圖4為PBX-932的典型高速錄象照片(速度為28.7 m·s-1)。由圖4可見，在壓縮剪切試驗中，對于Φ20 mm×40 mm 的PBX-932，在28.7 m·s-1壓縮速度下，PBX-932炸藥未發(fā)生點火反應(yīng)，活塞被反彈。

圖5為壓縮剪切試驗中回收的炸藥樣品照片。從圖5中可以看出，在22.7 m·s-1時PBX-932炸藥未有反應(yīng)跡象，有明顯的壓縮、剪切現(xiàn)象； 在24.4, 28.7 m·s-1時，PBX-932炸藥完整，表面有發(fā)黑的反應(yīng)痕跡，表明炸藥發(fā)生了分解，但反應(yīng)并未增長； 在56.8 m·s-1時，聚四氟乙烯套裂成幾塊，剩余有大塊的PBX-932炸藥，表明此時炸藥發(fā)生了分解以上等級的反應(yīng)。對于PBX-C43炸藥，在25.5 m·s-1時，炸藥外形完好，有明顯的壓縮、剪切現(xiàn)象； 在27.7, 30.8 m·s-1時，長徑比明顯變化，炸藥表面發(fā)黑，即僅發(fā)生分解反應(yīng)。結(jié)果表明，設(shè)計的壓縮剪切試驗裝置使炸藥受到了明顯的壓縮剪切作用。

圖4 PBX-932炸藥壓縮剪切試驗典型高速錄象照片(28.7 m·s-1)

Fig.4 Photographs of PBX-932 explosive in compression and shear test at 28.7 m·s-1

22.7 m·s-124.4 m·s-128.7 m·s-156.8 m·s-1

a. PBX-932

25.5 m·s-127.7 m·s-130.8 m·s-1

b. PBX-C43

圖5 壓縮剪切試驗中回收的炸藥樣品

Fig.5 Recovery sample after compression and shear test

3.2 受力過程

依據(jù)壓電式壓力傳感器測試技術(shù)，獲得了完整的撞擊壓力變化過程信息，圖6給出了PBX-932典型的壓力-時間變化曲線，表1詳細地給出了兩種炸藥壓縮剪切試驗結(jié)果，主要包括不同速度撞擊下對應(yīng)的壓力數(shù)據(jù)、作用時間以及反應(yīng)程度等。

由圖6可見，在速度28.7 m·s-1時，測試的最大壓力約300 MPa，隨后壓力逐漸降低，壓力持續(xù)作用時間約1.5ms； 在速度37.4 m·s-1時，測試的最大壓力約400 MPa，隨后壓力逐漸降低，壓力持續(xù)作用時間約1.5 ms，壓力信號表明在速度28.7 m·s-1和37.4 m·s-1下PBX-932炸藥未發(fā)生劇烈反應(yīng)。

從表1可以看出，在壓縮剪切試驗中，PBX-932炸藥在撞擊速度為22.7 m·s-1時未發(fā)生反應(yīng)； 在撞擊速度分別為24.4, 28.7, 37.4 m·s-1時，未測出超壓，結(jié)合試驗回收的樣品照片，表明此時PBX-932炸藥均發(fā)生了分解反應(yīng)；而在撞擊速度56.8 m·s-1時，測得超壓值為6.9 kPa，結(jié)合試驗回收的樣品照片，表明PBX-932炸藥發(fā)生了爆燃反應(yīng)，因此在壓縮剪切試驗中PBX-932炸藥發(fā)生反應(yīng)的撞擊速度閾值為22.7～24.4 m·s-1。PBX-C43炸藥在撞擊速度分別為21.7, 25.5 m·s-1時均未發(fā)生反應(yīng)，在撞擊速度分別為27.7, 30.8 m·s-1時，未測有超壓，結(jié)合試驗回收的樣品照片，表明均發(fā)生了分解反應(yīng)，因此在壓縮剪切試驗中PBX-C43炸藥發(fā)生反應(yīng)的撞擊速度閾值為25.5～27.7 m·s-1。因而，PBX-C43炸藥發(fā)生反應(yīng)的撞擊速度閾值略高于PBX-932炸藥，兩種炸藥的反應(yīng)程度基本一致。

a.v=28.7 m·s-1

b.v=37.4 m·s-1

圖6 壓縮剪切試驗中測試的PBX-932典型壓力-時間變化曲線

Fig.6 Typical curves of pressure vs time in compression and shear test for PBX-932

表1 兩種炸藥在不同撞擊速度下的壓縮剪切試驗結(jié)果

Table 1 Results of compression and shear test for two explosive under different impacting velocity

samplevelocity/m·s-1pressurepeakvalue/MPapulseextent/mstestphenomenonoverpressure/kPareactiondegree22.7--noignitionnoreaction24.41801.5noignitionnooverpressuredecompositionPBX-93228.73001.5noignitiondecomposition37.44001.5noignitiondecomposition56.8--ignition6.9deflagration21.71601.5noreactionPBX-C4325.51901.5noignitionnooverpressurenoreaction27.7--decomposition30.83001.5decomposition

3.3 壓縮變形量

回收撞擊試驗后的PBX-932和PBX-C43炸藥，測量每一發(fā)回收樣品的厚度變化，確定不同撞擊速度下兩種炸藥對應(yīng)的壓縮變形量(ΔL/L，L為炸藥初始厚度，mm)。圖7為兩種炸藥壓縮變形量-速度測試結(jié)果，對于PBX-932和PBX-C43炸藥，隨著速度增加，壓縮變形量也隨之增加，在約37 m·s-1速度壓縮下，PBX-C43炸藥的壓縮量約20%。在速度22～26 m·s-1，兩種炸藥的壓縮變形量基本一致； 當速度高于26 m·s-1時，相同速度下PBX-C43炸藥壓縮變形量高于PBX-932炸藥。

圖7 兩種炸藥的壓縮變形量-速度曲線

Fig.7 Curves of compression deformation vs velocity for two explosive

圖8為壓縮剪切試驗中測試的壓力-壓縮變形量結(jié)果，相同壓縮變形量下，PBX-C43炸藥對應(yīng)的壓力低于PBX-932炸藥，因此，PBX-932比PBX-C43更易于反應(yīng)。

圖8 壓縮剪切試驗中測試的壓力-壓縮變形量曲線

Fig.8 Curves of pressure vs compression deformation obtained in compression and shear test

3.4 損傷結(jié)果

對于含能材料在刺激作用下的損傷破壞，從力學(xué)的觀點看，是材料結(jié)構(gòu)組織發(fā)生的力學(xué)性能劣化并導(dǎo)致體積單元破壞的現(xiàn)象；從細觀的、物理的觀點來看，是材料組分晶粒的位錯、滑移、(微)孔洞、微裂隙等微缺陷形成和發(fā)展的結(jié)果；從宏觀的、連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的觀點來看，又可認為是材料內(nèi)部微細結(jié)構(gòu)狀態(tài)的一種不可逆的耗能的演變過程[8]。因此，認識損傷過程對含能材料力-熱-化學(xué)反應(yīng)過程至關(guān)重要。目前，通常使用損傷度來表征材料的損傷程度，以此分析材料的損傷演化過程。本研究采用排水法，對每一發(fā)撞擊試驗回收的PBX-932樣品進行密度測量，以密度變化來表征炸藥的損傷度，關(guān)系見式(1)[13]：

D=1-ρ/ρ0

(1)

式中，D表示材料的損傷度；ρ為材料損傷后的密度，g·cm-3；ρ0為材料初始密度，g·cm-3。

圖9是壓縮剪切試驗中PBX-932炸藥損傷度-速度關(guān)系。對于Ф20 mm×40 mm的PBX-932，隨著速度增加，損傷度隨之增加，在22.7 m·s-1速度下，PBX-932炸藥的損傷度達到了約22%，此時炸藥無反應(yīng)； 在37.4 m·s-1速度下，損傷度達到了約25%，PBX-932炸藥僅發(fā)生分解反應(yīng)； 在56.8 m·s-1速度下，PBX-932炸藥的損傷度達到了約32%，炸藥發(fā)生了爆燃反應(yīng)。這一結(jié)果與圖5反映的結(jié)果一致。

圖9 壓縮剪切試驗中PBX-932炸藥損傷度-速度曲線

Fig.9 Curves of damage vs velocity for PBX-932 in compression and shear test

4 小 結(jié)

采用設(shè)計的壓縮剪切試驗裝置研究了PBX-932和PBX-C43兩種炸藥的響應(yīng)特性，PBX-932發(fā)生反應(yīng)的撞擊速度閾值為22.7～24.4 m·s-1，PBX-C43的撞擊速度閾值為25.5～27.7 m·s-1，略高于PBX-932炸藥，兩種炸藥的反應(yīng)程度基本一致。

在壓縮剪切試驗中，在30.8 m·s-1時PBX-C43壓縮變形量約19%。在速度22.7～56.8 m·s-1，PBX-932損傷度在22%～32%間變化，隨著速度增加，壓縮變形量也隨之增加，損傷度增加，在約37 m·s-1速度壓縮下，炸藥的壓縮量約19%，損傷度達到25%，發(fā)生了分解反應(yīng)。

設(shè)計的壓縮剪切試驗裝置實現(xiàn)了壓縮剪切作用下壓力160～400 MPa，脈寬1.5 ms的載荷特點，能用于炸藥壓縮剪切安全性研究。

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