熱老化及輻照對(duì)TATB基PBX熱膨脹性能的影響

涂小珍， 沈 明， 鄭 春， 李 磊

(1. 中國(guó)工程物理研究院化工材料研究所, 四川 綿陽(yáng) 621999; 2. 中國(guó)工程物理研究院核物理與化學(xué)研究所, 四川 綿陽(yáng) 621999)

1 引 言

1,3,5-三氨基-2,4,6三硝基苯(TATB)是一種高能鈍感炸藥，因其與高分子粘結(jié)劑通過(guò)一定工藝壓制成型的高聚物粘結(jié)炸藥(polymer bonded explosive,PBX)具有能量高、感度低、易機(jī)械加工等優(yōu)良的綜合性能，目前已被廣泛應(yīng)用于各種尖端和常規(guī)武器中。如美國(guó)勞倫斯利氟莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(LLNL)和洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(LANL)分別開發(fā)了以TATB為基的主炸藥配方LX-17和PBX-9502，并已用于美國(guó)核武器裝備中[1]。但由于TATB晶體結(jié)構(gòu)不對(duì)稱，在溫度升高條件下，將發(fā)生各向異性膨脹，使成型高聚物粘結(jié)炸藥尺寸長(zhǎng)大、密度降低。因此，國(guó)內(nèi)外對(duì)以TATB為基的PBX的熱膨脹性能非常關(guān)注并開展了許多研究工作。如LLNL的Kolb等[2-3]對(duì)TATB成型PBX的熱膨脹性能進(jìn)行了詳細(xì)研究，指出所有TATB/Kel-F800炸藥體系都會(huì)在-54～74 ℃的熱循環(huán)中發(fā)生1.5%～2.0%的不可逆長(zhǎng)大，且TATB晶體的二級(jí)力學(xué)松弛使其熱膨脹系數(shù)(CTE)上升。LANL的Cary等[4]對(duì)非全等靜壓成型PBX9502半球不同方向取樣試件熱膨脹性能進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果表明，沿半球徑向方向的熱膨脹量比其沿半球表面切向方向的熱膨脹量增大16%～19%。李玉斌等[5]為了改善以TATB為基的PBX的熱膨脹性能，對(duì)TATB粒子尺寸、高聚物的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能與TATB基復(fù)合材料的熱膨脹間的關(guān)系也進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，PBX中粘結(jié)劑對(duì)TATB粒子約束力越強(qiáng)，其線膨脹系數(shù)越小。另外，孫杰等[6]在對(duì)PBX變形及殘余應(yīng)力形成機(jī)理研究中發(fā)現(xiàn)，TATB基PBX藥柱熱膨脹系數(shù)隨TATB晶體取向增大而增大。

TATB基PBX作為武器中的重要裝藥，其尺寸穩(wěn)定性將影響整個(gè)裝藥結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，與武器安全具有很大的關(guān)系。為了掌握該P(yáng)BX件在長(zhǎng)期貯存中受熱老化及輻照老化后的尺寸穩(wěn)定性變化情況，本工作通過(guò)不同的高溫加速老化實(shí)驗(yàn)和輻照實(shí)驗(yàn)，采用熱膨脹儀對(duì)該P(yáng)BX經(jīng)熱及輻照老化試驗(yàn)后的熱膨脹性能變化進(jìn)行了研究。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 樣品

樣品先由PBX造型粉經(jīng)等靜壓成型為Φ270 mm×95 mm的藥餅毛坯，該毛坯再經(jīng)一定高溫時(shí)效處理一定時(shí)間后加工成尺寸規(guī)格為Φ6 mm×50 mm的小藥柱，取初始密度相同的小藥柱作為本研究用樣品。

2.2 儀器及試驗(yàn)方法

熱膨脹系數(shù)測(cè)試采用德國(guó)耐馳公司生產(chǎn)的NETZSCH/DIL402C型熱膨脹系數(shù)測(cè)定儀測(cè)試。儀器適用溫度范圍: -160～2400 ℃，儀器分辨率為10 nm,0.05 ℃，測(cè)試準(zhǔn)確度為0.03×10-6K-1。溫度設(shè)置范圍為-45～90 ℃，升降溫速率為1 ℃·min-1。

高溫加速老化實(shí)驗(yàn)以模擬PBX在長(zhǎng)時(shí)貯存過(guò)程中受熱環(huán)境影響，采用型號(hào)為AHX-863的油浴烘箱，在溫度分別為55、65℃和75℃條件下進(jìn)行加速老化實(shí)驗(yàn)。

γ輻照實(shí)驗(yàn)將試件放置在防爆罐中，采用單板鈷源輻照裝置，總劑量分別為42.0Gy(Si)、85.2Gy(Si)和126Gy(Si)，輻照時(shí)間由總劑量及試樣放置位置處測(cè)得劑量率確定。中子輻照實(shí)驗(yàn)采用小中子源，中子注量率為3.31×103n/(s·cm2)、輻照時(shí)間52 d。

3 結(jié)果與討論

3.1 熱老化對(duì)PBX熱膨脹性影響

樣品在55,65 ℃和75 ℃加速老化不同時(shí)間后測(cè)得熱膨脹率隨溫度變化曲線如圖1所示。

a. 55 ℃b. 65 ℃c. 75 ℃

圖1PBX試樣經(jīng)不同溫度加速老化不同時(shí)間后熱膨脹率曲線

Fig.1Thermal expansion rate curves of the PBX samples after accelerated aging for different time at different temperature

從圖1可以看出，在低溫階段(55 ℃)，加速老化不同時(shí)間后，PBX試樣尺寸變化量無(wú)明顯變化，但隨老化溫度的升高(65 ℃，75 ℃)，PBX試樣尺寸變化量出現(xiàn)了一定下降。同時(shí)，在熱膨脹性能測(cè)試前，對(duì)經(jīng)高溫加速老化試驗(yàn)后的PBX軸向尺寸進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果表明，不同高溫下加速老化后的PBX試件軸向尺寸均出現(xiàn)了不同程度的增長(zhǎng)。這說(shuō)明，在高溫加速老化試驗(yàn)過(guò)程中，該P(yáng)BX出現(xiàn)了不可逆長(zhǎng)大。因此，分析認(rèn)為，該P(yáng)BX在高溫?zé)崤蛎浶阅軠y(cè)試中出現(xiàn)熱膨脹率下降的原因與其在老化過(guò)程中尺寸長(zhǎng)大產(chǎn)生的孔隙有關(guān)。因?yàn)樵诟邷仉A段，孔隙中空氣的膨脹量小于該P(yáng)BX炸藥[7-8]。

為了進(jìn)一步獲得該P(yáng)BX經(jīng)高溫老化后的熱膨脹系數(shù)，采用“函數(shù)求導(dǎo)法”，先對(duì)PBX在不同高溫下老化60 d后的熱膨脹率曲線進(jìn)行公式(1)所示的二次函數(shù)擬合。表1為各熱膨脹率曲線二次函數(shù)擬合結(jié)果，圖2為各熱膨脹率曲線及其擬合曲線。

dL/dL0=A+BT+CT2

(1)

式中，L0為該炸藥柱在室溫(22±2) ℃的初始尺寸，mm; dL為該炸藥柱在溫度升高ΔT范圍內(nèi)的尺寸變化量，mm;T為溫度，℃;A、B、C均為待定參數(shù)。

從表1可以看出，采用公式(1)擬合出的相關(guān)系數(shù)R2接近1，且其擬合標(biāo)準(zhǔn)偏差SD均很小。這說(shuō)明，采用公式(1)能有效表征該P(yáng)BX在各狀態(tài)下的熱膨脹率曲線。

表1熱膨脹率曲線二次函數(shù)擬合結(jié)果

Table1Quadratic function fitting results of thermal expansion rate curves

parameterABCR2SDunaged0.00175.2724E-52.8045E-70.99908.8168E-555℃/60d0.00144.8748E-52.2813E-70.99916.8484E-565℃/60d0.00175.0620E-51.8865E-70.99935.9780E-575℃/60d0.00175.1893E-51.6048E-70.99973.3840E-5

根據(jù)線膨脹系數(shù)的定義:

(2)

對(duì)公式(2)兩邊進(jìn)行溫度T求導(dǎo)，得PBX熱膨脹系數(shù)函數(shù):

α=B+2CT

(3)

圖3是由公式(3)和表1中擬合參數(shù)結(jié)果獲得的PBX經(jīng)不同高溫老化60 d后在(-30～90 ℃)的熱膨脹系數(shù)隨溫度變化曲線。

從圖3可以看出，該TATB基PBX經(jīng)不同高溫老化后，其熱膨脹系數(shù)均出現(xiàn)了下降，且老化溫度越高，經(jīng)相同時(shí)間老化后其熱膨脹系數(shù)越小。這說(shuō)明，熱老化對(duì)該P(yáng)BX熱膨脹性能具有一定的影響。分析認(rèn)為，這主要是由于該TATB基PBX試件經(jīng)高溫?zé)崂匣髢?nèi)部孔隙出現(xiàn)了長(zhǎng)大的緣故[7-8]。

a. unaged

b. aged for 60 d at 55 ℃

c. aged for 60 d at 65 ℃

d. aged for 60 d at 75 ℃

圖2不同溫度老化60天后PBX的熱膨脹率曲線及其擬合曲線

Fig.2Thermal expansion rate curves and its fitting curves of the PBX after aging for 60d at different temperature

圖3不同狀態(tài)PBX的熱膨脹系數(shù)隨溫度的變化曲線

Fig.3The curves of thermal expansion coefficients of the PBX in different temperature

2.2 輻照對(duì)PBX熱膨脹性能的影響

2.2.1 γ輻照對(duì)PBX熱膨脹性能的影響

表2是γ輻照實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)條件。圖4是PBX經(jīng)不同γ輻照條件輻照實(shí)驗(yàn)后在升溫過(guò)程熱膨脹率隨溫度變化曲線。

從圖4可以看出，PBX經(jīng)不同時(shí)間及不同總劑量γ輻照試驗(yàn)后，其熱膨脹率隨溫度變化曲線與未經(jīng)輻照試樣相比無(wú)明顯變化。這說(shuō)明，該γ輻照實(shí)驗(yàn)對(duì)該P(yáng)BX熱膨脹性能無(wú)顯著影響。

表2模擬γ輻照實(shí)驗(yàn)的條件

Table2The conditions of simulating γ irradiation test

sampledoserate/Gy(Si)/minirradiationtime/mintotaldose/Gy(Si)1#0.76554'54″42.02#0.74956'50″×242.6×23#0.79754'54″×342.0×3

圖4經(jīng)γ輻照試驗(yàn)后PBX的熱膨脹率曲線

Fig.4Thermal expansion rate curves of the PBX after γ irradiation test

2.2.2 中子輻照對(duì)PBX熱膨脹性能的影響

圖5是該P(yáng)BX先經(jīng)中子輻照再經(jīng)表1中3#樣品的γ輻照條件后測(cè)得的熱膨脹率隨溫度變化曲線。

圖5經(jīng)中子及γ輻照試驗(yàn)后PBX的熱膨脹率曲線

Fig.5Thermal expansion rate curves of the PBX after neutron and γ irradiation test

從圖5可以看出，該P(yáng)BX先經(jīng)中子輻照再經(jīng)γ輻照試驗(yàn)后的熱膨脹率曲線與未經(jīng)輻照試樣相比無(wú)明顯變化。這說(shuō)明，該中子輻照對(duì)該P(yáng)BX熱膨脹性能也無(wú)顯著影響。

3 結(jié) 論

對(duì)TATB基PBX經(jīng)高溫老化及輻照環(huán)境試驗(yàn)后的熱膨脹性進(jìn)行了研究，結(jié)果表明: 經(jīng)高溫55 ℃、65 ℃和75 ℃老化60 d后，該TATB基PBX熱膨脹系數(shù)出現(xiàn)了下降，且熱老化溫度越高，熱膨脹系數(shù)越小，但經(jīng)一定條件下的γ及中子輻照環(huán)境試驗(yàn)后，其熱膨脹性能無(wú)明顯變化。

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