拉剪復(fù)合試驗(yàn)測(cè)試炸藥晶體/粘結(jié)劑界面力學(xué)特性

顏熹琳, 唐明峰, 甘海嘯, 王 林, 李 明, 溫茂萍

(中國(guó)工程物理研究院化工材料研究所, 四川 綿陽(yáng) 621999)

1 引 言

高聚物粘結(jié)炸藥(PBX)作為一類重要的高能炸藥,廣泛應(yīng)用于武器戰(zhàn)斗部中,在國(guó)防領(lǐng)域中具有重要地位。但是,PBX組分的特殊性(炸藥晶體顆粒高度填充,且炸藥晶體模量遠(yuǎn)高于粘結(jié)劑模量[1])和成型工藝的復(fù)雜性(由各組分經(jīng)過(guò)造粒及高溫高壓壓制而成)決定了PBX中界面大量存在,且結(jié)構(gòu)異常復(fù)雜,界面處必然會(huì)出現(xiàn)熱物理性能、力學(xué)性能等的跳躍。炸藥晶體/粘結(jié)劑界面的力學(xué)特性研究對(duì)PBX的配方設(shè)計(jì)具有參考價(jià)值,對(duì)PBX力學(xué)性能的改善和安全性能的提高具有指導(dǎo)作用。

目前PBX界面力學(xué)性能的研究方法主要包括模擬計(jì)算[2-3]和試驗(yàn)測(cè)試[4-5]兩種。南京理工大學(xué)的馬秀芳等人[6]采用分子動(dòng)力學(xué)方法計(jì)算PBX中奧克托今(HMX)/氟橡膠F2311的界面結(jié)合能為314.2 kJ·mol-1,且發(fā)現(xiàn)PBX中HMX與F2311之間存在氫鍵作用和較強(qiáng)的范德華力。Hackjin Kim等[7]采用和頻振動(dòng)光譜的方法測(cè)試了β-HMX單晶和高分子粘結(jié)劑Estane之間的界面情況,發(fā)現(xiàn)HMX的CH鍵延伸在HMX-Estane界面上比自由表面分裂更小,但作者同時(shí)指出該試驗(yàn)結(jié)果可能并不具有代表性。肖繼軍等人[8-9]通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)模擬方法理論研究了β-HMX晶體的(100)晶面與聚合物粘結(jié)劑聚乙二醇(PEG)、端羥基聚丁二烯(HTPB)和Estane5703之間的界面情況,包括界面結(jié)構(gòu)、界面力學(xué)性能(例如界面的彈性性能和延展性等),研究發(fā)現(xiàn),添加少量聚合物粘結(jié)劑,可以有效提高HMX晶體的延展性。Palmer等人[10]通過(guò)將HMX晶體與粘結(jié)劑粘接后開(kāi)展直接拉伸試驗(yàn),測(cè)量了EDC37(一種高聚物粘結(jié)炸藥)中HMX與聚合物粘結(jié)劑之間的界面斷裂所需要的力,發(fā)現(xiàn)該界面強(qiáng)度僅有75 kPa。這些研究為認(rèn)識(shí)PBX中炸藥晶體/粘結(jié)劑的界面力學(xué)特性提供了途徑,但其中數(shù)值模擬等間接方法偏多,而針對(duì)PBX真實(shí)界面的力、變形等參量的直接測(cè)量則很缺乏。

基于此,本研究針對(duì)壓裝PBX的界面特性,設(shè)計(jì)了可實(shí)現(xiàn)拉剪復(fù)合加載的多角度拉伸夾具和PBX模擬界面的制備方法,開(kāi)展了PBX模擬界面力學(xué)特性試驗(yàn)方法研究,對(duì)PBX模擬界面在不同加載角度下的力學(xué)行為特征進(jìn)行了試驗(yàn)分析,并對(duì)PBX界面的強(qiáng)度相關(guān)性規(guī)律進(jìn)行探索。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 設(shè)計(jì)原理

圖1為PBX中界面結(jié)構(gòu)示意圖, 其中炸藥晶體數(shù)量眾多,方向各異,界面構(gòu)成復(fù)雜(圖1b),但對(duì)于一個(gè)特定的界面,其受力狀況都可分解為平行于界面的橫向作用(剪切)和垂直于界面的縱向作用(拉壓),且多以拉剪或壓剪復(fù)合的形式承受載荷(圖1c)。因此,為了復(fù)現(xiàn)PBX中炸藥晶體/粘結(jié)劑界面的真實(shí)力學(xué)作用,必須使試樣在受載過(guò)程中同時(shí)受到拉伸(壓縮)和剪切的作用。對(duì)于絕大多數(shù)PBX來(lái)講,拉伸和壓縮下材料的宏觀力學(xué)響應(yīng)是不一致的,拉伸強(qiáng)度小于壓縮強(qiáng)度,即存在所謂的拉壓不對(duì)稱性; 就微觀破壞形式而言,二者也是不一致的,拉伸載荷作用下PBX的破壞形式主要表現(xiàn)為炸藥晶體和粘結(jié)的分離,即脫粘,而壓縮載荷下材料的破壞形式還包括炸藥晶體的斷裂和破碎?？梢?jiàn)從受力和變量最小化的角度,拉伸、剪切的耦合對(duì)PBX中炸藥晶體/粘結(jié)劑界面的力學(xué)分析無(wú)疑是更有利的。因此本研究重點(diǎn)考慮PBX中界面的拉伸、剪切復(fù)合作用。

a. PBX sampleb. different crystal-binderc. load on

interface interface

圖1PBX中炸藥晶體/粘結(jié)劑界面示意圖

Fig.1Schematic illustration of the crystal/binder interface for PBX

基于界面法向和載荷方向夾角可調(diào)、以實(shí)現(xiàn)正應(yīng)力和剪應(yīng)力的不同比例分配的設(shè)計(jì)原則,設(shè)計(jì)了一種界面測(cè)試裝置,該裝置可滿足界面的拉伸、剪切及拉剪復(fù)合測(cè)試需求。設(shè)計(jì)的拉剪復(fù)合加載裝置及其裝配工裝如圖2。通過(guò)插銷固定不同位置的定位孔,該裝置可實(shí)現(xiàn)0°、15°、30°、45°、60°、75°及90°共7個(gè)不同角度的拉/剪加載試驗(yàn)。圖3為粘結(jié)好的試樣在0°、45°、90°三個(gè)角度加載時(shí)的實(shí)際效果圖。根據(jù)受力分析,材料試驗(yàn)機(jī)橫梁對(duì)夾具施加載荷作用時(shí),界面上的拉伸載荷與剪切載荷分別為:

(1)

式中,F為橫梁施加的載荷,Fn為界面上的拉伸力,Fτ為界面上的剪切力,單位均為N,α為試樣軸向與載荷方向的夾角,°。

圖2拉伸夾具實(shí)物圖

1—弧形連接片, 2—試樣粘結(jié)頭, 3—試樣安裝夾具座

Fig.2Tensile fixture used in the experiment

1—arc connector, 2—bonding part, 3— samplefixture

a. tension(0°loading)b. 45°loadingc. shear(90°loading)

圖3PBX界面力學(xué)特性測(cè)試工裝示意圖

Fig.3Tensile-shear fixture for crystal/binder interface test

2.2 材料及模擬界面的制備

研究對(duì)象為一種以TATB為基的高聚物粘結(jié)炸藥,粘結(jié)劑為一種氟聚合物,采用壓裝工藝制備而成。為了從宏觀加載的角度對(duì)PBX中炸藥晶體/粘結(jié)劑界面進(jìn)行力學(xué)性能分析,需要精確制備的界面。首先加工了Φ20 mm×20 mm的圓柱形試樣,選取兩發(fā)為一組,用手工和精密研磨拋光機(jī)對(duì)試樣進(jìn)行拋光,使炸藥晶體從試樣表面裸露出來(lái),然后用粘結(jié)劑將兩發(fā)試樣拋光過(guò)的表面進(jìn)行粘接形成模擬界面,最后在材料試驗(yàn)機(jī)上對(duì)模擬界面施加固定的壓力(壓力條件如圖4所示),保壓1 h,然后卸載壓力后在常溫下放置24 h,即制備了炸藥晶體/粘結(jié)劑模擬界面。由于粘結(jié)劑在PBX含量極少,因此該模擬界面實(shí)際代表了PBX中炸藥晶體/粘結(jié)劑界面的宏觀統(tǒng)計(jì)效應(yīng),與PBX真實(shí)界面十分接近,可以替代真實(shí)界面進(jìn)行力學(xué)性能研究。事實(shí)上,該P(yáng)BX中超過(guò)90%的成分為T(mén)ATB晶體,按組分密度簡(jiǎn)單計(jì)算可知模擬界面處炸藥晶體-粘結(jié)劑占主要部分,而粘結(jié)劑-粘結(jié)劑間的接觸面積小于5%,因此,從方法和規(guī)律上講,通過(guò)該模擬界面得到的力學(xué)強(qiáng)度可以代表PBX中炸藥晶體/粘結(jié)劑界面的相互作用。當(dāng)然,更深入的理解應(yīng)進(jìn)一步分離其中晶體-粘結(jié)劑界面以及粘結(jié)劑-粘結(jié)劑界面的作用,此處又牽涉到炸藥晶體的各向異性問(wèn)題,這需進(jìn)一步研究。

a. load-time curve

b. load-displacement curve

圖4模擬界面制備壓制曲線

Fig.4Compression curves of the simulated interface for PBX

2.3 界面的拉剪復(fù)合試驗(yàn)

通過(guò)上述設(shè)計(jì)的拉剪復(fù)合試驗(yàn)裝置,對(duì)制備的模擬界面開(kāi)展了0°、30°、45°、60°、75°、90°六個(gè)不同角度的界面力學(xué)作用測(cè)試試驗(yàn)(角度為試樣和加載方向的夾角,并且定義0°為純拉伸,90°為純剪切)。試驗(yàn)溫度23 ℃,加載速率0.5 mm·min-1。

3 結(jié)果與討論

3.1 拉剪試驗(yàn)的有效性

圖5給出了界面失效瞬間試樣的破壞形貌,加載后試樣從兩塊試樣之間的粘結(jié)界面破壞,而兩塊小試樣沒(méi)有發(fā)生破壞,說(shuō)明該試驗(yàn)的夾持加載確實(shí)滿足了界面間的拉剪耦合測(cè)試。圖6是不同加載角度下的載荷-位移曲線,其中每個(gè)加載角度5個(gè)試樣,由圖6可知每一個(gè)加載角度均具有較好的重復(fù)性。表1為不同加載角度的載荷平均值和標(biāo)準(zhǔn)差,可見(jiàn)隨著加載角度的增加,試驗(yàn)結(jié)果穩(wěn)定性良好。不同角度的拉剪復(fù)合試驗(yàn)結(jié)果的一致性表明了基于拉剪復(fù)合試驗(yàn)的炸藥晶體/粘結(jié)劑界面作用力學(xué)特性測(cè)試方法的可行性。

圖5試樣的典型破壞形貌

Fig.5Typical failure model of the sample

a. 0°b. 30°c. 45°

d. 60°e. 90°

圖6不同角度拉剪復(fù)合試驗(yàn)結(jié)果

Fig.6Tensile-shear results in different loading angles

表1不同角度下的載荷平均值與標(biāo)準(zhǔn)差

Table1Average load and standard deviation in different loading angles

loadangle/(°)averageload/Nstandarddeviation/N0224.313.430252.037.945271.731.360283.838.175286.524.790307.722.2

3.2 PBX界面的力學(xué)行為特征

從不同角度的拉剪復(fù)合應(yīng)力試驗(yàn)結(jié)果可以看出,模擬界面的失效載荷隨著加載角度的增加而增加,而根據(jù)圖6,模擬界面破壞對(duì)應(yīng)的位移也幾乎是隨著加載角度的增加而增加的。初步分析認(rèn)為,純拉伸作用下,晶體和粘結(jié)劑的作用變化主要表現(xiàn)為晶體和粘結(jié)劑界面的脫粘,以及占很少比例的粘結(jié)劑斷裂失效; 而純剪切作用下,界面作用的變化還增加了晶體和粘結(jié)劑的摩擦作用。最終的結(jié)果是PBX界面的剪切破壞載荷大于拉伸破壞載荷,這與PBX宏觀試驗(yàn)得到的剪切應(yīng)力大于拉伸應(yīng)力是一致的[11]。更深層次的原因還需進(jìn)一步研究。

為便于分析,采取應(yīng)力的形式,并把不同角度的拉剪復(fù)合應(yīng)力分解到拉伸方向和剪切方向,得到對(duì)應(yīng)角度的拉應(yīng)力和剪應(yīng)力,即把式(1)用應(yīng)力進(jìn)行表述:

(2)

3.3 PBX界面作用模型

關(guān)于材料在拉剪、壓剪復(fù)合應(yīng)力共同作用下的強(qiáng)度相關(guān)性規(guī)律,研究者提出了各式各樣的本構(gòu)模型。對(duì)于混凝土、陶瓷等脆性材料,不論是基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析,還是基于Drucker-Prager準(zhǔn)則[12]或莫爾-庫(kù)倫準(zhǔn)則[12]的退化理論,均發(fā)現(xiàn)此類材料的拉剪、壓剪強(qiáng)度相關(guān)關(guān)系可以用橢圓方程、拋物線方程、雙曲線方程等二次曲線來(lái)表示[14-15]。本研究對(duì)象也是一種脆性材料,從3.2節(jié)炸藥晶體/粘結(jié)劑界面作用規(guī)律來(lái)看,其破壞面上拉應(yīng)力增加過(guò)程中剪應(yīng)力是在減小的。在τ-σ平面上,一般認(rèn)為材料的破壞條件由破裂面的正應(yīng)力和剪應(yīng)力共同決定,即

a. total stress

b. tensile and shear stress

圖7拉剪復(fù)合應(yīng)力隨加載角度的變化

Fig.7Tensile-shear results in different loading angles

f(τ,σ)=0

(3)

式中，τ為剪切面上的剪應(yīng)力,MPa;σ為剪切面上的拉應(yīng)力,MPa。不同角度的界面拉應(yīng)力和剪應(yīng)力做成τ-σ平面上應(yīng)力點(diǎn),結(jié)果如圖8所示。由圖8可知,PBX模擬界面的拉剪強(qiáng)度規(guī)律近似為橢圓型,用式(4)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了擬合:

σ2/a2+τ2/b2=1

(4)

式中，a、b為材料常數(shù),單位MPa。擬合結(jié)果如圖8所示,圖中a=0.759 MPa,b=0.970 MPa,可見(jiàn)擬合結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合良好,表明式(4)代表的橢圓模型可以較好地反映PBX中炸藥晶體/粘結(jié)劑界面的拉剪強(qiáng)度特性。

圖8不同角度的界面拉應(yīng)力τ和界面剪應(yīng)力σ的試驗(yàn)結(jié)果以及擬合結(jié)果

Fig.8Experimental data and fitting curve of tensile-shear stress

4 結(jié) 論

(1) 設(shè)計(jì)了一種用于PBX界面拉剪復(fù)合加載的夾具,可實(shí)現(xiàn)0°、15°、30°、45°、60°、75°及90°的多角度加載,同時(shí)探索了PBX晶體/粘結(jié)劑模擬界面的制備方法,試驗(yàn)結(jié)果一致性較好,可用于PBX界面拉剪力學(xué)性能的相關(guān)研究。

(2) PBX界面的剪切破壞應(yīng)力為0.980 MPa,大于拉伸破壞應(yīng)力0.759 MPa,拉應(yīng)力隨著加載角度的增加不斷降低,剪應(yīng)力隨著加載角度的增加不斷增加,而復(fù)合應(yīng)力隨加載角度的增加線性增大,0°、30°、45°、60°、75°、90°加載角度下的應(yīng)力分別為0.759,0.802,0.865,0.903,0.912 MPa和0.980 MPa。

(3) PBX界面的破壞準(zhǔn)則由拉應(yīng)力和剪應(yīng)力共同控制,σ2/a2+τ2/b2=1形式的橢圓模型可以較好地描述PBX中炸藥晶體/粘結(jié)劑界面的拉剪強(qiáng)度特性。

本研究涉及的試驗(yàn)方法適用于PBX中炸藥晶體/粘結(jié)劑界面力學(xué)性能研究,特別是特定壓力下成型的PBX界面的作用強(qiáng)度及破壞規(guī)律,結(jié)果可作為PBX配方研制過(guò)程中的借鑒。而對(duì)于PBX的成型過(guò)程,涉及到的因素還包括溫度、保壓時(shí)間等,實(shí)際應(yīng)用中還可能受到?jīng)_擊載荷的作用,后續(xù)的研究將進(jìn)一步考慮這些因素的影響以及它們耦合作用下PBX界面的力學(xué)性能。

參考文獻(xiàn):

[1] 韋興文, 李明, 李敬明, 等. 空隙對(duì)TATB基高聚物粘結(jié)炸藥有效彈性模量的影響[J]. 含能材料, 2014, 22(4): 493-497.

WEI Xing-wen, LI Ming, LI Jing-ming, et al. Influence of pore properties on effective elastic modulus of TATB based polymer bonded explosive[J].ChineseJournalofEnergeticMaterials(HannengCailiao), 2014, 22(4): 493-497.

[2] Rae P J, Goldrein H T, Palmer S J P, et al. Quasi-static studies of the deformation and failure ofβ-HMX based polymer bonded explosives[J].ProceedingsoftheRoyalSocietyofLondon,SeriesA:Mathematical,PhysicalandEngineeringSciences, 2002, 458: 743-762.

[3] TAN H, HUANG Y, LIU C, et al. The Mori-Tanaka method for composite materials with nonlinear interface debonding[J].InternationalJournalofPlasticity, 2005, 21(10): 1890-1918.

[4] Haycraft J J. The elastic constants and related properties of the energetic material CL-20 determined by Brillouin scattering[J].TheJournalofChemicalPhysics, 2009, 131(21): 1-8.

[5] Drodge D R, Williamson D M, Palmer S J P, et al. The mechanical response of a PBX and binder: combining results across the strain-rate and frequency domains[J].JournalofPhysicsD:AppliedPhysics, 2010, 43(33): 335-403.

[6] MA X, ZHAO F, JI G, et al. Computational study of structure and performance of four constituents HMX-based composite material[J].JournalofMolecularStructure:Theochem, 2008, 851(1-3): 22-29.

[7] Kim H,Lagutchev A, Dlott, D D. Surface and interface spectroscopy of high explosives and binders: HMX and Estane[J].Propellants,Explosives,Pyrotechnics, 2006, 31(2):116-123.

[8] XIAO J J, HUANG H, LI J, et al. A molecular dynamics study of interface interactions and mechanical properties of HMX-based PBXs with PEG and HTPB[J].JournalofMolecularStructure:Theochem, 2008, 851(1-3): 242-248.

[9] XIAO J J, HUANG H, LI J, et al. Computation of interface interactions and mechanical properties of HMX-based PBX with Estane 5703 from atomic simulation[J].JournalofMaterialsScience, 2008, 43(17): 5685-5691.

[10] Palmer S, Williamson D, Proud W. Adhesion studies between HMX and EDC37 binder system[J].AIPConferenceProceedings, 2006, 845: 917-920.

[11] 董海山,周芬芬. 高能炸藥及其相關(guān)物性[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 1989.

[12] Hopkins H G, Prager W. The load carrying capacities of circular plates[J].JournalofMechanicsandPhysicsofSolids, 1954, 2: 1-13.

[13] Bai Y L, Wierzbicki T. Application of extended Mohr-coulomb criterion to ductile fracture[J].InternationalJournalofFracture, 2010,161(1): 1-20.

[14] Bresler B, Pister K S. Strength of concrete under combined stresses[J].JournalofACI, 1958, 55(3): 321-345.

[15] 蔣大驊. 國(guó)外混凝土強(qiáng)度理論研究述評(píng)[J]. 同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào), 1978(1): 145-156.

JIANG Da-hua. A brief review on the failure criterion for concrete[J].JournalofTongjiUniversity,1978(1): 145-156.