固化溫度對PBX炸藥結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的影響研究

陳春燕，高立龍，南 海，李 昆，王曉峰

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固化溫度對PBX炸藥結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的影響研究

陳春燕，高立龍，南 海，李 昆，王曉峰

（西安近代化學(xué)研究所，陜西西安，710065）

PBX(高聚物粘結(jié)炸藥)固化后的內(nèi)部結(jié)構(gòu)直接影響其安全性，影響PBX結(jié)構(gòu)形成的外界因素成為控制PBX安全性的主要條件。本文研究了不同固化溫度下PBX的粘結(jié)強度、壓縮強度和微觀結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明：固化溫度從60℃逐漸增加至100℃時，分子量為1 500的HTPB的粘結(jié)強度從342kPa降為280kPa；分子量為2 800的HTPB的粘結(jié)強度從389kPa降為310kPa；分子量為3 400的HTPB的粘結(jié)強度從399kPa降為352kPa；分子量為4 000的HTPB的粘結(jié)強度從390kPa降為354kPa。在此溫度區(qū)間內(nèi)，隨著溫度的增加，固化后PBX沿徑向的壓縮強度梯度增加，PBX粘結(jié)劑出現(xiàn)鼓包和裂紋及固體顆粒的裸露現(xiàn)象。從PBX內(nèi)部性能的均勻性和安全性考慮，選取固化溫度為60℃的固化工藝。

PBX；固化溫度；炸藥結(jié)構(gòu)；力學(xué)性能；粘結(jié)強度

熱固性PBX的固化工藝直接決定PBX的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和性能，從PBX的固化反應(yīng)動力學(xué)方程可知，固化溫度是影響PBX固化速率和固化應(yīng)力的主要因素[1-4]，因此固化溫度的確定對制備一個內(nèi)部結(jié)構(gòu)完整、性能穩(wěn)定的PBX至關(guān)重要。目前，固化溫度對PBX結(jié)構(gòu)的影響未見公開報道，在非含能材料研究的領(lǐng)域中，撓性印制線路板的尺寸穩(wěn)定性是一個重要的質(zhì)量指標，采用高溫長時間固化的工藝，對印制線路板的尺寸穩(wěn)定性的質(zhì)量控制極為不利。周文林[5]采用在環(huán)氧膠粘劑中加入自行合成的促進劑AA的方法，在大大降低所需的固化溫度的同時，又保證了其印制線路板的質(zhì)量全面達到IEC-249標準的要求。劉燕峰[6]研究了固化溫度對苧麻纖維增強復(fù)合材料力學(xué)性能的影響，結(jié)果表明升高固化溫度可明顯提高復(fù)合材料的力學(xué)性能。目前固化溫度對材料性能的影響研究主要集中在對尺寸穩(wěn)定性、內(nèi)應(yīng)力和力學(xué)性能的影響方面[7-9]，對材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)和內(nèi)部力學(xué)性能的影響研究較少。在過載條件下，PBX的內(nèi)部結(jié)構(gòu)直接影響PBX內(nèi)部界面間的剪切、摩擦力的大小[10]，進而影響PBX的安全性，因此對PBX固化溫度的研究可為PBX的制備工藝和性能控制提供理論依據(jù)。

1 實驗

1.1 粘結(jié)強度的測試原理

一定形狀的標準試件，在規(guī)定的試驗溫度和加載速度下，使粘結(jié)部位受一拉伸力作用而破壞，用其破壞時的最大作用力與啞鈴柱面積之比表示其粘結(jié)拉伸強度：=/，為最大粘結(jié)強度，MPa；為試件粘結(jié)處斷開時承受的最大力，N；為試件粘結(jié)面積，mm2。

1.2 試件

注：尺寸單位mm

Fig 1 The test device of cohesional strength

粘結(jié)強度的測試樣為F20mm′10mm的HTPB固化物，兩端面經(jīng)固化粘結(jié)在啞鈴型鋼柱上。

1.3 PBX壓縮力學(xué)性能的測試

按GJB 772A-97軍用標準進行壓縮力學(xué)性能測試，加載速度為10mm/min。試樣大小為F20mm′20mm，測試溫度為25℃。

試樣的抗壓強度按式（1）計算：

式（1）中：σ為第個試樣的抗壓強度，MPa；F為第個試樣破壞時承受的最大壓縮負荷，N；為第個試樣的初始橫截面的直徑，mm。

1.4 力學(xué)試驗件的制備

取不同固化溫度下F120mm′20mm的澆注PBX大藥柱各5個，按照圖2的取樣位置，加工成F20mm′20mm的小藥柱，利用壓縮實驗進行壓縮強度測試。

圖2 F20mm′20mm小藥柱的取樣位置

2 結(jié)果與討論

2.1 固化溫度對粘結(jié)劑粘結(jié)強度的影響

粘結(jié)強度是膠液粘性和固化收縮應(yīng)力的綜合體現(xiàn)，因為測試的都是HTPB，所以其粘性為一定值。固化溫度對不同分子量HTPB的粘結(jié)強度的影響見表1。

表 1 固化溫度對不同分子量HTPB固化物的粘結(jié)強度的影響 (kPa)

Tab.1 The cohesional strength of HTPB with different molecular weight

從表1粘結(jié)強度的測試結(jié)果可以看出，固化溫度越高粘結(jié)強度越低。因為固化溫度越高，固化收縮應(yīng)力越大。在HTPB粘性一定的前提下，固化物的固化收縮應(yīng)力越大，固化物的粘結(jié)強度就越小。分子量為1 500HTPB固化物的粘結(jié)強度最小，分子量為2 800、3 400和4 000的HTPB的粘結(jié)強度差距不大，這與HTPB分子量對固化應(yīng)力的影響結(jié)果基本一致，隨著HTPB分子量的增加，固化應(yīng)力的減小幅度遞減，所以導(dǎo)致2 800、3 400和4 000的HTPB的粘結(jié)強度差距不大。

2.2 固化溫度對固化物內(nèi)部結(jié)構(gòu)的影響

圖3為不同固化溫度下固化物的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。從圖3可以看出，60℃固化后膠片內(nèi)部結(jié)構(gòu)平整均勻；80℃固化后膠片整體也較平整均勻，但在局部有一隆起的小包，可能是膠液在較快固化時引起的局部團聚所致；100℃固化后膠片內(nèi)出現(xiàn)一內(nèi)凹面和一長裂紋，因為高溫熱應(yīng)力和固化收縮應(yīng)力都較大，而較大的應(yīng)力在膠片內(nèi)分布不均勻，從而使固化物內(nèi)部出現(xiàn)缺陷；當固化溫度增加到120℃后，固化物內(nèi)部的裂紋缺陷更加明顯。

圖3 不同固化溫度下固化物的微觀結(jié)構(gòu)

不同溫度固化后PBX的SEM圖如圖4所示。

圖4 不同溫度固化后PBX的SEM圖

Fig 4 SEM of PBX cured at different temperature

從圖4可以看出，60℃固化的PBX微觀結(jié)構(gòu)較為均勻，固體顆粒處于粘結(jié)劑的包圍中。80℃固化后，有一定固體顆粒從粘結(jié)劑中脫離出來，出現(xiàn)了固體與粘結(jié)劑的分離現(xiàn)象；當固化溫度增加為100℃時，由于較大的固化速率帶來PBX的熱應(yīng)力和收縮應(yīng)力的增加，從而使PBX中的粘結(jié)劑發(fā)生了明顯的團聚現(xiàn)象，固體顆粒裸露。澆注PBX因為粘結(jié)劑對含能粒子的包覆使PBX具有較低的易損性和感度，當固化溫度增加引起粘結(jié)劑的團聚，使含能粒子出現(xiàn)裸露現(xiàn)象時，將會極大地影響PBX的安全性。所以從減小固化應(yīng)力，以確保PBX內(nèi)部粘結(jié)劑對固體顆粒的完整包覆方面考慮，固化溫度應(yīng)該設(shè)置為60℃。

2.3 固化溫度對PBX力學(xué)性能的影響

用方差來檢驗不同固化溫度下藥柱力學(xué)性能的分散性，數(shù)據(jù)方差計算過程為：

式（2）中：=5，x和分別表示不同固化溫度下壓縮強度實驗值和平均值。

當固化溫度為100℃、80℃和60℃時，HTPB分子量為1 500的PBX所測數(shù)據(jù)的方差分別為0.051、0.03和0.008；HTPB分子量為2 800的PBX所測數(shù)據(jù)的方差分別為0.03、0.024和0.015。

表2~3分別為HTPB分子量1 500及2 800的PBX在不同固化溫度下的壓縮強度。

表 2 不同固化溫度PBX（HTPB1 500）藥柱的壓縮強度（MPa）

Tab.2 The compressive data of PBX (HTPB1 500) cured at different temperature

表 3 不同固化溫度PBX（HTPB2 800）藥柱的壓縮強度 （MPa）

Tab.3 The compressive data of PBX(HTPB2800)cured at different temperature

從表2~3的測試結(jié)果可以看出，藥柱在不同固化溫度固化時，所測藥柱的各個部位的壓縮強度的平均值較為接近，但是從數(shù)據(jù)方差的計算結(jié)果可看出，固化溫度越高，藥柱各個部位壓縮強度測試值的分散性越大，此項結(jié)果說明固化溫度越高，藥柱各個部位力學(xué)性能不一致。結(jié)合固化應(yīng)力的測試結(jié)果，可以看出藥柱在較高溫度下固化時，固化熱應(yīng)力和收縮應(yīng)力較大，引起粘結(jié)劑的團聚現(xiàn)象較為明顯，其結(jié)果是藥柱各個部位壓縮強度數(shù)值的不均一性。同時固化溫度越大，固化速率越高，前期升溫過程中藥柱內(nèi)溫度場的差異，使較高溫度固化的藥柱沿溫度場梯度存在固化度差異，也會使力學(xué)性能不均一。所以從藥柱內(nèi)部力學(xué)性能的均一性考慮，應(yīng)該選擇固化速率較為平緩的低溫固化工藝。

3 結(jié)論

（1）固化溫度在60~120℃間變化時，隨著固化溫度的增加，PBX粘結(jié)劑固化物內(nèi)部出現(xiàn)了鼓包和缺陷裂紋；固化溫度在60~100℃間變化時，隨著固化溫度的增加，PBX內(nèi)出現(xiàn)粘結(jié)劑的團聚和固體顆粒的裸露。較高的固化溫度可導(dǎo)致PBX內(nèi)部的缺陷增加。

（2）固化溫度在60~100℃間變化時，隨著固化溫度的增加，PBX粘結(jié)劑固化物的粘結(jié)強度降低。固化溫度的增加使固化收縮應(yīng)力增加，最終減小了固化物的粘結(jié)強度。

（3）對于大尺寸PBX，隨著固化溫度的增加，PBX表現(xiàn)出沿徑向壓縮強度差異增加。較高的固化溫度使PBX固化速率增加，在溫度場梯度存在時，PBX內(nèi)部較大固化速率的不一致，最終導(dǎo)致PBX壓縮強度的不一致。

[1] 陳春燕,王曉峰,徐洪濤,等.固化溫度對澆注PBX固化應(yīng)力的影響[J].含能材料,2014,22(3):371-375.

[2] 陳春燕,王曉峰,高立龍,鄭亞峰.不同分子量HTPB與TDI的固化反應(yīng)動力學(xué)[J].含能材料,2013,21(6):771-776.

[3] Carvakho.R,Pereira.J,Yoshiyamam.P. A review of polymerize- tion contraction:the influence of stress development versus stress relief[J]. Oper Dent, 1996(21):17-24.

[4] LFS, LMC, NS. Shrinkage stresses generated during resin- composite applications [J].A Review Journal of Dental Biomechanics,2009,22(12):1-14.

[5] 劉燕峰,包建文,李艷亮. 固化溫度對苧麻纖維增強復(fù)合材料性能的影響[J].航空材料學(xué)報,2012,32(2):49-53.

[6] 周文林,吳錦菁.一種撓性印制線路板用膠粘劑的固化溫度研究[J].杭州化工,2003,33(3):8-10.

[7] 喬海濤,賴士洪.固化溫度對SY-H2膠黏劑性能的影響[J].航空材料學(xué)報,2002,22(1):46-50.

[8] 丁儒雅,徐國躍,張偉鋼,等.固化溫度對低發(fā)射率涂層綜合性能的影響[J].兵器材料科學(xué)與工程,2012,35(36):4-7.

[9] 杜立群,朱神渺,喻立川.后烘溫度對SU-8光刻膠熱溶性及內(nèi)應(yīng)力的影響[J].光學(xué)精密工程,2008,16(3):500-504.

[10] Field J E,Bourne N K,Palmer S J P. Hot spot ignition mech- anisms for explosives propellants[J]. Philosophical Transac- tions of the Royal Socie ty A,1992,339(2):269-283.

Effects of Curing Temperature on the Structure and Mechanical Properties of Casting Plastic Bonded Explosives

CHEN Chun-yan, GAO Li-long, NAN Hai, LI Kun, WANG Xiao-feng

(Xi’an Modern Chemistry Research Institute, Xi’an,710065)

The internal structure of PBX has a direct impact on its security, so external factors that affect the formation of PBX structure are the main conditions for controlling the security of PBX. The cohesional strength, compressive strength and microstructure of PBX under different curing temperature were studied. Test results show that when the curing temperature is gradually increased from 60 ℃ to 100℃, cohesional strength of HTPB with 1 500 decreases from 342kPa to 280kPa，cohesional strength of HTPB with 2 800 decreases from 389kPa to 310kPa, cohesional strength of HTPB with 3 400 decreases from 399kPa to 352kPa, cohesional strength of HTPB with 4 000 decreases from 390kPa to 354kPa. In this temperature range, with the increase of temperature, the compressive strength of the PBX increases along the radial direction, the binder in PBX appears the crack and the solid in PBX appears bare phenomenon. Considering safety and uniformity of PBX inner structure, it is better to select curing temperature of 60℃.

Polymeric bonded explosive；Curing temperature；Explosives structure；Mechanical property；Cohesional strength

1003-1480（2017）01-0026-04

TQ564

A

2016-06-29

陳春燕（1979 -），女，工程師，從事熱固性PBX的配方設(shè)計和性能研究。