熱沖擊對(duì)壓裝含鋁炸藥性能的影響

王彩玲, 趙省向, 方 偉, 李文祥, 姚李娜

(西安近代化學(xué)研究所, 陜西 西安 710065)

1 引 言

炸藥在貯存、運(yùn)輸和使用過(guò)程中不可避免地受熱應(yīng)力作用,產(chǎn)生熱損傷,導(dǎo)致武器系統(tǒng)失效。壓裝含鋁炸藥是由炸藥晶體、鋁粉以及少量的鈍感粘結(jié)劑組成的復(fù)合材料,各組分力學(xué)性能、熱膨脹系數(shù)等性能相差較大。由于采用壓裝裝藥工藝,壓制成型后的炸藥裝藥內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生一定的初始損傷,經(jīng)受不同的環(huán)境溫度熱應(yīng)力的載荷后,會(huì)產(chǎn)生甚至加重?zé)釗p傷[1-6],使炸藥的結(jié)構(gòu)遭到嚴(yán)重破壞,影響炸藥的正常使用。炸藥熱損傷以及損傷對(duì)炸藥的性能的影響研究已成為近來(lái)含能材料的熱點(diǎn)。Elban等[7]和張偉斌等[8]分別研究了低溫?zé)釕?yīng)力、高溫?zé)釕?yīng)力作用下炸藥的微觀結(jié)構(gòu),觀察到了炸藥微裂紋的萌生和穿晶斷裂現(xiàn)象。韋興文等[9]研究了熱老化對(duì)TATB基高聚物粘結(jié)炸藥力學(xué)性能的影響,楊國(guó)滿[10]等研究了時(shí)間、溫度對(duì)塑料粘結(jié)炸藥力學(xué)性能的影響。這些研究主要集中在低溫或者高溫?zé)釕?yīng)力對(duì)炸藥性能影響,而高低溫交替沖擊作用下產(chǎn)生的熱應(yīng)力對(duì)炸藥的微觀結(jié)構(gòu)以及炸藥的安全性能和力學(xué)性能的變化研究較少,對(duì)壓裝含鋁炸藥性能的影響研究至今尚未見(jiàn)報(bào)道。

為了探討溫度冷熱交變作用下的熱應(yīng)力對(duì)壓裝用含鋁炸藥使用性能的影響,本研究對(duì)黑索今(RDX)基壓裝含鋁炸藥(JHL-X)進(jìn)行了高低溫循環(huán)沖擊試驗(yàn),通過(guò)觀察試驗(yàn)前后炸藥微觀結(jié)構(gòu),測(cè)量自發(fā)火溫度、力學(xué)強(qiáng)度和沖擊波感度等參數(shù),研究了熱沖擊對(duì)炸藥微觀結(jié)構(gòu)損傷以及安全性能和力學(xué)性能等的影響。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 試驗(yàn)樣品

JHL-X炸藥是以RDX為主體的壓裝含鋁炸藥,鈍感黏結(jié)劑主要由高分子碳?xì)湫蜔崴苄詷?shù)脂A和低分子有機(jī)混合物B組成。采用60t精密壓機(jī)將其造型粉壓制成不同尺寸的試樣藥柱,其中: Ф40 mm×40 mm藥柱3發(fā)用于藥柱損傷檢測(cè); Ф50 mm×50 mm藥柱16發(fā),Ф50 mm×40 mm藥柱8發(fā),用于沖擊波感度測(cè)試; Ф20 mm×20 mm藥柱7發(fā),其中2發(fā)打孔,孔徑為Ф3 mm,孔深約15 mm,用于自發(fā)火溫度的測(cè)試,5發(fā)用于力學(xué)性能測(cè)試。藥柱密度范圍(1.750±0.003) g·cm-3。

2.2 試驗(yàn)方法

2.2.1 熱沖擊試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)參考標(biāo)準(zhǔn)GJB150.5-1986《軍用設(shè)備環(huán)境試驗(yàn)方法溫度沖擊試驗(yàn)》進(jìn)行。試驗(yàn)使用SDJ705型高低溫濕熱交變?cè)囼?yàn)箱,其溫濕度調(diào)節(jié)范圍分別為-70～100 ℃和30%～98%。溫濕度偏差分別為±2 ℃和±3%,在濕熱模式下其溫度均勻度≤1 ℃,波動(dòng)度為±0.5℃。結(jié)合GJB1172.2-1991《軍用設(shè)備氣候極值地面氣溫》,選定的熱沖擊試驗(yàn)參數(shù)如下:

(1)一個(gè)周期的循環(huán)溫度順序?yàn)? 20～70 ℃至-55～20 ℃(如圖1所示)。

(2)試驗(yàn)溫度保持時(shí)間: 高溫(70 ℃)、低溫(-55 ℃)均保持30 min。

(3)轉(zhuǎn)換時(shí)間: 高溫和低溫之間的轉(zhuǎn)換時(shí)間為5 min。

(4)循環(huán)程序與周期; 一個(gè)周期1 h,先高溫,后低溫,依此順序分別進(jìn)行3個(gè)循環(huán)。

圖1 熱沖擊試驗(yàn)程序

Fig.1 Test program of the thermal shock

2.2.2 藥柱內(nèi)部損傷檢測(cè)

炸藥內(nèi)部損傷情況采用美國(guó)FEI公司QUAINTA 600場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(SEM)觀察。

2.2.3 自發(fā)火溫度測(cè)試

采用自行設(shè)計(jì)的一種烤燃實(shí)驗(yàn)裝置[11]。包括加熱爐、環(huán)形熱電極、熱電偶、控溫儀和計(jì)算機(jī)。通過(guò)控溫儀控制加熱爐溫度,控溫范圍為0～800 ℃,控溫精度為±0.5 ℃。加熱爐爐壁的環(huán)形熱電極用于均衡加熱爐的溫度。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中用4個(gè)直徑為2 mm測(cè)量熱電偶測(cè)量溫度,用計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄和處理。實(shí)驗(yàn)時(shí),將試樣安裝于加熱爐中,樣品中心孔內(nèi)布放一只測(cè)溫傳感器,再以1 ℃·min-1的升溫速率進(jìn)行加熱,直至樣品發(fā)生反應(yīng)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到炸藥發(fā)生爆炸的時(shí)間、溫度、現(xiàn)象以及炸藥內(nèi)部溫度隨時(shí)間變化的曲線。平行實(shí)驗(yàn)至少2發(fā),實(shí)驗(yàn)結(jié)果為平行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的平均值,誤差≤±2 ℃。

2.2.4 沖擊波感度測(cè)試

采用標(biāo)準(zhǔn)隔板試驗(yàn)[12]測(cè)得炸藥50%起爆時(shí)的隔板厚度,用以比較試樣的相對(duì)沖擊波感度。施主藥柱為太安標(biāo)準(zhǔn)藥柱,密度為1.57 g·cm-3,高度為50 mm,直徑為50 mm,衰減隔板為有機(jī)玻璃板,被測(cè)炸藥由2發(fā)高度為50 mm、1發(fā)高度為40 mm的藥柱組成,總高度140 mm。實(shí)驗(yàn)按Bruceton升降法[13]進(jìn)行,隔板厚度的升降步長(zhǎng)為0.5 mm; 被測(cè)試樣末端鋼鑒定塊上的炸痕深度大于零間隙(隔板厚度為零)時(shí)平均炸痕深度的50%,判定為起爆。由錳銅壓力傳感器法[14]得到標(biāo)準(zhǔn)施主藥柱所產(chǎn)生的沖擊波在有機(jī)隔板中的衰減規(guī)律,根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的50%隔板值,測(cè)得對(duì)應(yīng)的沖擊波輸出壓力(有機(jī)玻璃)端面輸出壓力。

2.2.5 力學(xué)性能測(cè)試

抗壓強(qiáng)度采用GJB772A-1997炸藥試驗(yàn)方法方法416.1抗壓強(qiáng)度壓縮法[15]。

2.3 結(jié)果與討論2.3.1 熱沖擊對(duì)炸藥裝藥的微觀損傷

采用掃描電鏡研究了JHL-X炸藥熱沖擊前后炸藥內(nèi)部的微觀形貌,結(jié)果如圖2所示。由圖2a可見(jiàn),熱沖擊前,炸藥表面顆粒之間的交界面可分辨(圖中箭頭所指的位置),但并不很明顯。熱沖擊以后,相同放大倍數(shù)情況下,可清楚地觀察到炸藥造型粒之間明顯的交界面,還可看到界面之間出現(xiàn)了孔穴和脫粘以及裂痕(見(jiàn)圖2b)。放大1000倍后,顆粒界面間的裂痕變得更加明顯(見(jiàn)圖2c)。從圖2中未觀察到炸藥晶體大面積的斷裂。

圖2 JHL-X炸藥藥柱斷面掃描電鏡圖

Fig.2 SEM images of JHL-X explosive cylinder cuttingsectionbefore and after thermal shock

由圖2可以看出,在熱沖擊作用下,JHL-X炸藥發(fā)生界面脫粘和成穴的形成,當(dāng)成穴和脫粘發(fā)展到一定程度后,粘結(jié)劑開(kāi)裂,產(chǎn)生微裂紋。因此,JHL-X炸藥在熱沖擊作用下的損傷形式主要包括空穴、脫粘和微裂紋。這與陳鵬萬(wàn)等[1]的研究結(jié)果相同。針對(duì)熱沖擊作用下炸藥晶體未發(fā)生大面積斷裂這一現(xiàn)象,陳鵬萬(wàn)采用Griffith斷裂理論估算了界面脫粘應(yīng)力和粘結(jié)劑成穴應(yīng)力,獲得了界面脫粘應(yīng)力和粘結(jié)劑成穴應(yīng)力顯著低于炸藥晶體的斷裂應(yīng)力的結(jié)果,合理地解釋了炸藥晶體未發(fā)生大面積斷裂的原因。

需要特別提出的是,本試驗(yàn)未觀察到RDX炸藥晶體的穿晶,這可能與炸藥試樣的制備,或與包覆RDX的鈍感粘結(jié)劑體系對(duì)熱應(yīng)力的釋放有關(guān),需要進(jìn)一步研究。

2.3.2 熱沖擊對(duì)炸藥安全性的影響

在上述實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)條件下,測(cè)試了熱沖擊前后JHL-X炸藥自發(fā)火溫度和沖擊波感度,并進(jìn)行了對(duì)比分析,結(jié)果如圖3和表1所示。

由圖3可以看出,JHL-X炸藥在藥柱沖擊前自發(fā)火溫度為211 ℃,熱沖擊后自發(fā)火溫度為208 ℃。與熱沖擊前相比,自發(fā)火溫度降低了3 ℃。表明JHL-X炸藥的熱安定性在受到熱沖擊后有一定程度的降低,但不顯著。

圖3 JHL-X炸藥藥柱的溫度-時(shí)間歷程曲線

Fig.3 Curves of temperature-time course for JHL-X cylinder

表1 JHL-X炸藥藥柱在熱沖擊前后的沖擊波感度

Table 1 Shock wave sensitivity of JHL-X cylinder before and after thermal shock test

testprojectsJHL-XbeforeafterG50/mm51.553.5p/GPa2.001.85

Note:G50represents the shock sensitivity,prepresents the critical detonation pressure.

由表1可以看出,熱沖擊后JHL-X炸藥沖擊波起爆臨界隔板值為53.5 mm,較熱沖擊前提高了2 mm; 臨界起爆壓力為1.85 GPa,較熱沖擊前的臨界起爆壓力(2.00 GPa)降低了0.15 GPa?？梢?jiàn)熱沖擊后,炸藥沖擊波感度有一定的提高,但增幅較小。

理論上講,炸藥內(nèi)部的晶體缺陷、空穴和裂紋是引起炸藥起爆的熱點(diǎn)點(diǎn)火源,會(huì)對(duì)炸藥熱感度和沖擊波感度產(chǎn)生不同程度的影響,其中晶體缺陷是炸藥安全性能最薄弱的環(huán)節(jié)。這是由于熱作用下,炸藥的熱分解首先在晶體缺陷處開(kāi)始,然后才向晶體表面擴(kuò)展; 沖擊波作用下,晶體內(nèi)部缺陷的尺寸及數(shù)量促進(jìn)了熱點(diǎn)群的形成和熱點(diǎn)的傳播,顯著增加炸藥爆炸的概率。研究結(jié)果也表明,對(duì)于不同品質(zhì)的RDX/HMX炸藥,晶體缺陷的增加將引起炸藥熱感度和沖擊波感度的顯著增加,可使5 s延滯期爆發(fā)點(diǎn)降低51～54 ℃[16],沖擊波感度G50降低50%[17]。

從圖3和表1可以看出,熱損傷對(duì)JHL-X炸藥的熱感度和沖擊波感度影響較小,說(shuō)明了熱沖擊并未使JHL-X炸藥晶體內(nèi)部晶體缺陷顯著增加。因此,炸藥內(nèi)部空穴、微裂紋等損傷的增加是導(dǎo)致JHL-X炸藥熱感度和沖擊波感度升高的主要原因。這與熱沖擊對(duì)炸藥裝藥的微觀損傷研究結(jié)果一致。

2.3.3 熱沖擊后藥柱準(zhǔn)靜態(tài)力學(xué)性能研究

采用彈性模量E、壓縮強(qiáng)度σm、斷裂應(yīng)變?chǔ)舖描述熱沖擊后JHL-X炸藥準(zhǔn)靜態(tài)下的力學(xué)性能。彈性模量E由最大載荷量5%～20%對(duì)應(yīng)的應(yīng)力-應(yīng)變確定[18],結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 熱沖擊前后JHL-X炸藥藥柱的力學(xué)性能參數(shù)

Table 2 Mechanical performances of JHL-X cylinder before and after thermal shock

sampleE/MPaσm/MPaεm/%beforethermalshock534.09.003.42afterthermalshock990.012.42.42

Note:Eis elastic modulus,σmis compressive strength,εmis fracture strain.

由表2可知,熱沖擊對(duì)JHL-X炸藥的力學(xué)性能影響顯著。經(jīng)受熱沖擊后,彈性模量E和壓縮強(qiáng)度σm分別提高了85.3%和37.7%,斷裂應(yīng)變?chǔ)舖降低了29.2%。結(jié)果表明,受高低溫度沖擊循環(huán)后的炸藥發(fā)生了硬化,脆性提高,彈性模量和壓縮強(qiáng)度顯著增加。

溫度對(duì)炸藥力學(xué)性能的影響主要包括以下兩個(gè)方面: 一是炸藥的損傷。經(jīng)熱沖擊后的JH-X炸藥內(nèi)部存在許多微裂紋、孔洞等缺陷,在外力作用下,這些缺陷附近就會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象,成為炸藥結(jié)構(gòu)中的薄弱環(huán)節(jié),降低了炸藥的力學(xué)強(qiáng)度和彈性模量; 二是炸藥組分在低溫或高溫?zé)釕?yīng)力作用下力學(xué)性能的變化。在JHL-X組分中, RDX、Al粉與黏結(jié)劑間的彈性模量、壓縮強(qiáng)度和應(yīng)變有數(shù)量級(jí)的差別,RDX晶體、Al粉的彈性模量、壓縮強(qiáng)度可以達(dá)到吉帕級(jí),而鈍感黏結(jié)劑是由高分子碳?xì)湫蜔崴苄詷?shù)脂A和低分子有機(jī)混合物B組成的,黏結(jié)劑體系的彈性模量和壓縮強(qiáng)度僅在兆帕級(jí)[18]。RDX晶體、Al粉的彈性模量、壓縮強(qiáng)度隨著溫度的變化不大,仍在吉帕級(jí)以上,但鈍感黏結(jié)劑體系的力學(xué)性能隨溫度的變化卻很大。因此,與其他組分相比較,鈍感黏結(jié)劑在熱作用下力學(xué)性能的優(yōu)劣是影響炸藥力學(xué)性能的另一個(gè)主要因素。以上兩方面因素的共同作用決定了熱沖擊后炸藥的力學(xué)性能的變化。從表2可以看出,JHL-X炸藥中的鈍感黏結(jié)劑體系在經(jīng)受熱沖擊后力學(xué)性能增強(qiáng)作用大于損傷對(duì)炸藥力學(xué)性能的減弱作用。

為了探究熱沖擊后鈍感黏結(jié)劑體系力學(xué)性能增強(qiáng)作用,分別回收了熱沖擊前后壓縮強(qiáng)度試驗(yàn)的JHL-X炸藥藥柱,觀察藥柱的斷面,熱沖擊前后力學(xué)性能試驗(yàn)的藥柱斷面形貌如圖4所示。比較圖4a和圖4b可以看出,熱沖擊前的藥柱斷裂面較為平整,鮮有凹坑,而經(jīng)受熱沖擊后的炸藥斷裂面多處有較深的凹坑,且凹坑處填充有橙紅色物質(zhì)。分析認(rèn)為,JHL-X炸藥中的鈍感黏結(jié)劑體系在受到熱沖擊時(shí),低分子有機(jī)混合物B發(fā)生相變、溶出,與高分子碳?xì)湫蜔崴苄詷?shù)脂A脫離,失去了增塑作用。同時(shí),樹(shù)脂A受到熱沖擊后,樹(shù)脂結(jié)晶度增加,造成了分子的緊密堆集,分子間作用力增強(qiáng),也使樹(shù)脂A強(qiáng)度和硬度增加,彈性下降,表現(xiàn)為破壞應(yīng)力提高,脆性增加,應(yīng)變減小。因此,熱沖擊后的JHL-X炸藥彈性模量和抗壓強(qiáng)度增加,斷裂應(yīng)變降低。

a. before thermal shock test b. after thermal shock test

圖4 熱沖擊前后JHL-X炸藥斷面圖

Fig.4 Cutting section of JHL-Xcylinderbefore and after thermal shock

3 結(jié) 論

(1) 熱沖擊后JHL-X炸藥內(nèi)部產(chǎn)生的孔隙、微裂紋等損傷是炸藥自發(fā)火溫度和沖擊波感度發(fā)生變化的根本原因。

(2) 熱沖擊后的JHL-X炸藥自發(fā)火溫度208 ℃,較熱沖擊試前降低了3 ℃,沖擊波感度臨界起爆壓力1.85 GPa,較熱沖擊前試驗(yàn)前低了0.15 GPa。與熱沖擊試驗(yàn)前比較,熱沖擊后JHL-X炸藥熱感度和沖擊波感度略有升高。

(3) 熱沖擊對(duì)JHL-X炸藥的力學(xué)性能影響顯著。經(jīng)受熱沖擊后,JHL-X炸藥的彈性模量E和壓縮強(qiáng)度σm明顯增加,分別提高了85.3%和37.7%,而斷裂應(yīng)變?chǔ)舖顯著降低,減小了29.2%。

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