壓裝HMX基PBX老化損傷及力學(xué)環(huán)境適應(yīng)性

尹俊婷， 袁寶慧， 石瑋緯， 王建朝， 高玉玲

(1. 西安近代化學(xué)研究所， 陜西 西安 710065; 2. 中國人民解放軍第5715工廠， 河南 洛陽 471000)

1 引 言

彈藥具有“長期貯存、一次使用”的特點(diǎn)，在貯存期內(nèi)受到熱應(yīng)力和低機(jī)械應(yīng)力等復(fù)雜加載環(huán)境的長期作用，裝藥會(huì)發(fā)生緩慢的物理及化學(xué)變化，產(chǎn)生老化損傷。高聚物粘結(jié)炸藥(PBX)廣泛應(yīng)用于高效毀傷武器彈藥裝藥，研究其長貯性能對于彈藥安全與可靠使用至關(guān)重要。目前對PBX的老化研究大都采用小尺寸試驗(yàn)件，通過加速老化，輔以常規(guī)拉伸壓縮、應(yīng)力應(yīng)變等力學(xué)實(shí)驗(yàn)[1-6]。長貯裝藥承受的載荷具有加載緩慢、多應(yīng)力疊加、作用時(shí)間長的特點(diǎn)[7]，與加速試驗(yàn)載荷作用下的老化機(jī)理存在一定差異，另外尺寸效應(yīng)對研究結(jié)果也會(huì)產(chǎn)生一定影響。由于開展彈藥裝藥自然長貯老化研究危險(xiǎn)性大，保密性強(qiáng)，且需要較長的周期，相關(guān)資料和公開的文獻(xiàn)較少。

為了研究彈藥裝藥的長貯老化損傷及力學(xué)環(huán)境適應(yīng)性，本研究針對庫房標(biāo)準(zhǔn)條件下自然長貯4，8，12 a的壓制奧克托今(HMX)基PBX彈藥裝藥，運(yùn)用CT掃描觀察了貯存4，8，12 a裝藥的結(jié)構(gòu)完整性，采用掃描電子顯微鏡SEM表征了貯存12 a裝藥的細(xì)觀形貌損傷，根據(jù)機(jī)載武器平臺(tái)典型沖擊、振動(dòng)實(shí)驗(yàn)條件，采用振動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)考核了貯存12 a的帶缺陷彈藥裝藥的力學(xué)環(huán)境適應(yīng)性。研究結(jié)果可應(yīng)用于長貯彈藥的使用安全性分析及貯存可靠性評(píng)估。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)樣品

試驗(yàn)樣品為裝填壓裝HMX基PBX的彈藥，PBX組成為HMX96%、地蠟2.0%、三元乙丙共聚物2%，裝藥質(zhì)量2.5 kg、外徑170 mm、內(nèi)徑90 mm。彈藥在庫房標(biāo)準(zhǔn)條件(溫度低于30 ℃，濕度小于80%)下分別貯存4、8、12 a。CT掃描樣品為貯存4、8、12 a的彈藥各2發(fā),SEM樣品為貯存4、12 a的彈藥各1發(fā)中取出的裝藥,力學(xué)環(huán)境適應(yīng)性樣品為貯存12 a的彈藥1發(fā)。

2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及條件

CT掃描采用俄羅斯莫斯科探傷有限公司BT-400型工業(yè)CT機(jī)，任意方向的裂紋敏感度為0.05 mm； SEM采用日本日立S-2150型掃描電子顯微鏡； 力學(xué)環(huán)境適應(yīng)性實(shí)驗(yàn)采用SAI 120F-T2000-44/ST振動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)。

力學(xué)環(huán)境適應(yīng)性實(shí)驗(yàn)參照GJB150-86《軍用設(shè)備環(huán)境實(shí)驗(yàn)方法》[8]，根據(jù)機(jī)載武器平臺(tái)典型的使用環(huán)境要求進(jìn)行沖擊和振動(dòng)考核。沖擊實(shí)驗(yàn)的沖擊脈沖波形為后峰鋸齒波，瞬時(shí)加速度峰值為7 g，脈沖持續(xù)時(shí)間25～30 ms,沖擊次數(shù)20次；Y軸、Z軸的隨機(jī)振動(dòng)實(shí)驗(yàn)每個(gè)軸向2 h，頻率范圍為15～2000 Hz，功率譜密度W1=0.01 g2/Hz，W2=0.06 g2/Hz。沖擊與振動(dòng)實(shí)驗(yàn)均采用單點(diǎn)控制，傳感器靈敏度10.156。

3 結(jié)果與討論

3.1 裝藥結(jié)構(gòu)缺陷

采用數(shù)字放射顯影(DR)技術(shù)對貯存4，8，12 a的彈藥各2發(fā)進(jìn)行裝藥軸向檢測，根據(jù)軸向DR情況，進(jìn)行徑向CT掃描，觀察裝藥結(jié)構(gòu)老化缺陷。典型CT掃描照片如圖1所示。

a. 4 ab. 8 ac. 12 a

圖1 不同貯存年限PBX的 CT照片

Fig.1 CT images of PBX stored for different years

CT結(jié)果(圖1)表明，自然貯存后PBX裝藥結(jié)構(gòu)出現(xiàn)明顯的老化缺陷，表現(xiàn)為沿徑向貫通，沿軸向延伸一定長度或貫通的裂紋。裂紋斷裂面比較平直，并且沿周向分布較為均勻； 貯存4 a的彈藥有1條裂紋，貯存8 a的彈藥有3條裂紋，貯存12 a的則有5條裂紋，即隨貯存年限增加，裂紋數(shù)量呈增加的趨勢。

3.2 裝藥細(xì)觀損傷

為分析彈藥裝藥結(jié)構(gòu)缺陷的細(xì)觀損傷形貌，進(jìn)行了不同倍數(shù)(200，500，1000倍)SEM分析，結(jié)果如圖2所示。由于SEM分析用樣品是彈藥拆分后取出的裝藥，需損耗彈藥且具有危險(xiǎn)性，故僅對貯存年限較短的4 a和貯存年限較長的12 a彈藥裝藥各1發(fā)進(jìn)行了SEM分析。

由200倍SEM(圖2a、圖2d)可見，HMX晶體粒度分布為100～400 μm，結(jié)晶致密，晶粒較為完整，晶體形狀相對規(guī)則，晶粒斷面較平整光滑，晶粒與粘結(jié)劑之間解理面清晰，斷面上有HMX晶粒脫離粘結(jié)劑后留下的空隙；由500倍SEM(圖2b、圖2e)可見，貯存4 a的PBX其HMX晶粒與粘結(jié)劑之間界面脫粘形成了裂紋，貯存12 a的PBX出現(xiàn)了明顯的界面脫粘及沿晶斷裂裂紋，斷面上有HMX顆粒從粘結(jié)劑中脫離出留下的孔洞； 由1000倍SEM(圖2c、圖2f)可見，貯存4 a PBX粘結(jié)劑基體完整，貯存12 a PBX出現(xiàn)了粘結(jié)劑基體開裂現(xiàn)象。上述SEM分析結(jié)果表明，長貯PBX結(jié)構(gòu)缺陷的細(xì)觀損傷為HMX晶粒與粘結(jié)劑之間界面脫粘及粘結(jié)劑基體開裂。

a. 4 a(×200)b. 4 a(×500)

c. 4 a(×1000)d. 12 a(×200)

e. 12 a(×500)f. 12 a(×1000)

圖2 不同貯存年限PBX 的SEM照片

Fig.2 SEM images of PBX stored for different years

3.3 老化損傷模式分析

從力學(xué)角度表征裝藥的老化損傷模式，可以明確誘導(dǎo)損傷發(fā)生的關(guān)鍵因素，為分析損傷對裝藥性能的影響提供依據(jù)。根據(jù)D.W.Nicholson[9]能量守恒模型，在晶體模量比粘結(jié)基體模量大數(shù)個(gè)量級(jí)的情況下，臨界脫粘應(yīng)力可簡化為將彈性基體中的剛性球從基體脫離出來所需的外界應(yīng)力，PBX各組分間的彈性模量存在較大差別，HMX晶體的彈性模量達(dá)10 GPa以上，而粘結(jié)劑的模量僅為0.01～0.40 GPa[10-11]，故可采用該能量守恒模型計(jì)算其臨界脫粘應(yīng)力:

(1)

式中，Eb為粘結(jié)劑的模量彈性模量，取0.40 GPa，γ為界面粘著力做功，取50 mJ·m-2，φ為晶體顆粒體積分?jǐn)?shù)，該P(yáng)BX的顆粒體積分?jǐn)?shù)為96%，最大顆粒半徑r≈200 μm(由圖2a,圖2d得到)，代入公式(1)計(jì)算，得到臨界脫粘應(yīng)力σd為4.03 MPa。

在微觀結(jié)構(gòu)中，原子之間的強(qiáng)度取決于它們的化學(xué)鍵,兩個(gè)原子之間的吸引力在一定范圍內(nèi)隨兩個(gè)原子之間距離r的增加而增加，但吸引力達(dá)到極值后，r再增加，作用力反而減弱了,此時(shí)的σ為化學(xué)鍵的理論拉伸強(qiáng)度σmax，介質(zhì)的臨界破壞強(qiáng)度可用(2)式[12]近似計(jì)算:

σmax≈0.1Eα

(2)

式中，Eα為介質(zhì)的彈性模量，根據(jù)李明等[11]針對含HMX壓裝PBX測定的彈性模量，取Eb=6 GPa，對粘結(jié)劑取Eb=0.40 GPa。帶入(2)式得粘結(jié)劑開裂臨界應(yīng)力為40 MPa，HMX晶體穿晶斷裂臨界應(yīng)力為600 MPa。

計(jì)算結(jié)果表明，HMX晶體界面脫粘臨界應(yīng)力僅為4.03 MPa，粘結(jié)劑基體開裂臨界應(yīng)力是HMX晶體界面脫粘臨界應(yīng)力的10倍，而HMX晶體穿晶斷裂臨界應(yīng)力達(dá)HMX晶體界面脫粘臨界應(yīng)力的150倍，所以界面脫粘和粘結(jié)劑開裂可在很小應(yīng)力條件下發(fā)生，是PBX長貯老化的損傷模式。

裝藥在貯存期內(nèi)受到熱應(yīng)力和低機(jī)械應(yīng)力等復(fù)雜加載環(huán)境的長期作用及外部環(huán)境冷熱交替變化的影響，在裝藥內(nèi)部產(chǎn)生較為緩和的低機(jī)械應(yīng)力，受低應(yīng)力作用，PBX首先產(chǎn)生界面脫粘和粘結(jié)劑開裂的現(xiàn)象，隨著應(yīng)力繼續(xù)作用，炸藥中的微裂紋將經(jīng)過匯集、貫通等過程形成宏觀裂紋，同時(shí)宏觀裂紋的端部又因應(yīng)力集中而出現(xiàn)新的微裂紋，進(jìn)而發(fā)展成新的宏觀裂縫或體現(xiàn)為原有宏觀裂縫的延伸。

3.4 力學(xué)環(huán)境適應(yīng)性

力學(xué)環(huán)境適應(yīng)性關(guān)系到武器裝備在戰(zhàn)場環(huán)境下的生存能力和作戰(zhàn)效率的發(fā)揮，是裝備的重要質(zhì)量特性之一[13]。為了考核帶損傷裝藥彈藥的力學(xué)環(huán)境適應(yīng)性，為彈藥使用、維修和后勤保障提供技術(shù)參考，通過實(shí)驗(yàn)設(shè)備模擬國內(nèi)典型機(jī)載武器在運(yùn)輸、儲(chǔ)存、使用中所經(jīng)受的載荷條件和接口界面，對貯存12 a的1發(fā)PBX裝藥彈藥進(jìn)行了沖擊實(shí)驗(yàn)及振動(dòng)實(shí)驗(yàn)。

完成+X軸、-X軸的軸向沖擊實(shí)驗(yàn)及Y、Z軸向隨機(jī)振動(dòng)實(shí)驗(yàn)后，實(shí)驗(yàn)彈藥未發(fā)生爆炸或燃燒現(xiàn)象，檢查彈藥外觀情況，可以看出整體結(jié)構(gòu)無松動(dòng)。通過CT掃描進(jìn)一步觀察彈藥裝藥內(nèi)部結(jié)構(gòu)，實(shí)驗(yàn)前后CT照片對比如圖3所示。

a. before the testb. after the test

圖3 環(huán)境實(shí)驗(yàn)前后貯存12 a的PBX 的CT照片

Fig.3 CT images of PBX stored for 12 years before and after the environmental test

由圖3可見，沖擊實(shí)驗(yàn)及振動(dòng)實(shí)驗(yàn)完成后，裝藥結(jié)構(gòu)僅增加了2條徑向裂紋，且增加的裂紋損傷形態(tài)與原裂紋相似，說明在經(jīng)受一定的沖擊及振動(dòng)載荷后，帶裂紋PBX裝藥雖然結(jié)構(gòu)缺陷有所增加，但能夠保證安全。

有研究表明，老化會(huì)對裝藥安全性能產(chǎn)生一定影響[14-15]，該P(yáng)BX老化后仍能經(jīng)受一定的沖擊及振動(dòng)載荷并保證安全，分析其原因是因?yàn)镠MX主體炸藥中添加了高聚物三元乙丙共聚物，該聚合物兼有粘結(jié)和鈍感兩種作用，與蠟共同作用，對HMX晶粒充分浸潤包覆，形成三維網(wǎng)狀嵌段共聚物結(jié)構(gòu)，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)通過形變吸收外界壓力，減輕HMX晶粒上的應(yīng)力集中，大大改善了裝藥的安全性能[16]。而該P(yáng)BX老化現(xiàn)象主要為粘結(jié)劑開裂和界面脫粘形成的沿晶斷裂裂紋，老化后炸藥晶粒仍然完整，鈍感劑對晶粒的包覆也基本完好，經(jīng)受一定的沖擊振動(dòng)載荷時(shí)，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)仍可起到吸熱、隔熱、緩沖與潤滑的鈍感作用，炸藥晶粒間并未產(chǎn)生較為強(qiáng)烈的相互作用，使得帶裂紋缺陷裝藥承受一定的沖擊、振動(dòng)載荷時(shí)，能夠保持其安全性。該結(jié)論對于研究缺陷裝藥彈藥的應(yīng)用、保障部隊(duì)裝備的可靠性和安全性具有借鑒意義。

4 結(jié) 論

(1)在庫房標(biāo)準(zhǔn)條件(溫度低于30 ℃，濕度小于80%)下分別貯存4、8、12 a后，壓裝HMX基PBX均出現(xiàn)老化現(xiàn)象。CT結(jié)果表明，老化產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)缺陷為沿徑向貫通，沿軸向延伸一定長度或貫通的裂紋，裂紋斷裂面比較平直，沿周向分布較為均勻；隨貯存年限增加，裂紋數(shù)量增加。

(2)SEM觀測到裂紋的細(xì)觀形貌為HMX晶粒與粘結(jié)劑之間界面脫粘、沿晶斷裂及粘結(jié)劑基體開裂。計(jì)算得到界面脫粘臨界應(yīng)力為4.03 MPa，粘結(jié)劑開裂臨界應(yīng)力為40 MPa，HMX晶體穿晶斷裂臨界應(yīng)力為600 MPa，驗(yàn)證了界面脫粘與粘結(jié)劑基體開裂是PBX長貯老化的主要損傷模式。

(3)貯存12 a后帶缺陷PBX裝藥彈藥完成沖擊實(shí)驗(yàn)及振動(dòng)實(shí)驗(yàn)后，增加了2處徑向裂紋，但能夠保證安全。實(shí)驗(yàn)結(jié)果對于研究長貯彈藥的應(yīng)用、保障部隊(duì)裝備的可靠性和安全性具有借鑒意義。

參考文獻(xiàn):

[1] 賀傳蘭,蘭林鋼,溫茂萍,等.HTPB熱固PBX老化過程中的體積收縮[J]. 火炸藥學(xué)報(bào), 2014, 37(5): 20-24.

HE Chuan-lan, LAN Lin-gang, WEN Mao-ping, et al. Volume shrinkage of HTPB thermosetting PBX in the aging process[J].ChineseJournalofExplosives&Propellants, 2014, 37(5): 20-24.

[2] 丁黎,鄭朝民,梁憶,等.RDX基澆鑄PBX的老化性能[J].含能材料,2015, 23(2): 156-162.

DING Li, ZHENG Chao-min, LIANG Yi, et al. Aging properties of casted RDX- based PBX [J].ChineseJournalofEnergeticMaterials(HannnengCailiao), 2015, 23(2): 156-162.

[3] 高大元,申春迎,文尚剛,等.加速老化對炸藥件安全性的影響研究[J].含能材料, 2011, 19(6): 673-678.

GAO Da-yuan, SHEN Chun-ying, WEN Shang-gang, et al. Accelerated aging on effect of safety for explosive parts [J].ChineseJournalofEnergeticMaterials(HannnengCailiao), 2011, 19(6): 673-678.

[4] 溫茂萍,周紅萍,徐濤,等.高溫老化后HMX基PBX的壓縮與拉伸性能反向變化研究[J]. 含能材料, 2011, 19(4): 420-424.

WEN Mao-ping, ZHOU Hong-ping, XU Tao, et al. Reverse change of compressive and tensile properties of PBX based on HMX aged at high temperature [J].ChineseJournalofEnergeticMaterials(HannnengCailiao), 2011, 19(4): 420-424.

[5] 韋興文,李敬明,涂小珍,等.熱老化對TATB基高聚物粘結(jié)炸藥力學(xué)性能的影響[J].含能材料, 2010, 18(2): 157-161.

WEI Xing-wen, LI Jing-ming, TU Xiao-zhen, et al. Effects of thermal ageing on mechanical properties of PBX based on TATB[J].ChineseJournalofEnergeticMaterials(HannnengCailiao), 2010, 18(2): 157-161.

[6] 周紅萍,何強(qiáng),李明,等.低拉伸應(yīng)力下PBX的老化研究[J].火炸藥學(xué)報(bào), 2009, 32(5): 157-161.

ZHOU Hong-ping, HE Qiang, LI Ming, et al. Experimental study on aging of PBX under low tensile stress[J].ChineseJournalofExplosives&Propellants, 2009, 32(5): 157-161.

[7] 尹俊婷,羅穎格,陳智群,等.一種彈藥PBX裝藥的貯存老化機(jī)理及安全性[J].含能材料, 2015, 23(11): 1051-1054.

YIN Jun-ting, LUO Ying-ge, CHEN Zhi-qun, et al. Study on the storage aging mechanism and safety of certain ammunition PBX charge [J].ChineseJournalofEnergeticMaterials(HannnengCailiao), 2015, 23(11): 1051-1054.

[8] 王秀清,劉鳳云,陳素女,等. GJB150-86《軍用設(shè)備環(huán)境實(shí)驗(yàn)方法》[S].北京: 中國科學(xué)技術(shù)出版社,1986.

WANG Xiu-qing, LIU Feng-yun, CHEN Su-nü, et al. GJB150-86《Environmental test methods of military equipment》[S]. Beijing: China Science and Technology Press, 1986.

[9] Nicholson D W. On the detachment of a rigid inclusion from an elastic matrix[J].JournalofDhesion,1979, 10(3): 255-260.

[10] 戴開達(dá), 劉龑龍, 陳鵬萬, 等. PBX炸藥有效彈性模量的有限元模擬[J]. 北京理工大學(xué)學(xué)報(bào),2012, 32(11): 1154-1158.

DAI Kai-da, LIU Yan-long, CHEN Peng-wan, et al. Finite element simulation on effective elastic modulus of PBX explosives[J].TransactionsofBeijingInstituteofTechnology, 2012, (11): 1154-158.

[11] 李明, 藍(lán)林剛, 龐海燕, 等. 基于納米壓痕方式測定PBX的彈性模量[J]. 含能材料, 2007, 15(2): 101-104.

LI Ming, LAN Lin-gang, PANG Hai-yan, et al. Measurement of PBX elastic modulus by nano-indentation[J].ChineseJournalofEnergeticMaterials(HannengCailiao), 2007, 15(2): 101-104.

[12] 蔡宣明, 張偉, 魏剛, 等.PBX模擬材料動(dòng)態(tài)力學(xué)響應(yīng)及細(xì)觀損傷模式[J].含能材料, 2014, 22(5): 658-663.

CAI Xuan-ming, ZHANG Wei, WEI Gang, et al. Dynamic mechanics response and mesoscopic damage of a PBX simulant [J].ChineseJournalofEnergeticMaterials(HannengCailiao), 2014, 22(5): 658-663.

[13] 鞠成玉, 劉宣, 高雅娟. 航空裝備環(huán)境適應(yīng)性定量化表征方法研究[J].航空工程進(jìn)展,2014, 5(Suppl): 34-36.

JU Cheng-yu, LIU Xuan, GAO Ya-juan. Study on quantitative characterization technique of environmental worthiness of aviation equipment[J].AdvancesinAeronauticalScienceandEngineering, 2014, 5(Suppl.): 34-36.

[14] 高大元, 申春迎, 文尚剛, 等. 加速老化對炸藥件安全性的影響研究[J]. 含能材料, 2011, 19(6): 673-678.

GAO Da-yuan,SHEN Chun-ying,WEN Shang-gang, et al.Accelerated aging on effect of safety for explosive parts[J].ChineseJournalofEnergeticMaterials(HannengCailiao), 2011, 19(6): 673-678.

[15] 顏熹琳, 李敬明, 周陽, 等. 高聚物粘結(jié)炸藥溫濕度載荷加速老化試驗(yàn)研究[J].含能材料,2009, 17(4): 412-414.

YAN Xi-lin，LI Jing-ming，ZHOU Yang, et al. Temperature-humidity-load accelerating age tests of PBX[J].ChineseJournalofEnergeticMaterials(HannengCailiao), 2009, 17(4): 412-414.

[16] 孫業(yè)斌, 惠君明, 曹欣茂. 軍用混合炸藥[M]. 北京: 兵器工業(yè)出版社,1995: 283-290.

SUN Ye-bin, HUI Jun-ming, CAO Xin-mao. Military Mixed Explosive[M]. Beijing: Weapon industry Press, 1995: 283-290.