澆注PBX炸藥的準(zhǔn)靜態(tài)壓縮力學(xué)性能

席 鵬， 鄭元鎖，陳春燕，楊 惠

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澆注PBX炸藥的準(zhǔn)靜態(tài)壓縮力學(xué)性能

席 鵬1， 鄭元鎖2，陳春燕1，楊 惠1

（1.西安近代化學(xué)研究所，陜西西安，710065；2.西安交通大學(xué)理學(xué)院，陜西西安，710049）

利用材料實(shí)驗(yàn)機(jī)進(jìn)行了PBX-1炸藥準(zhǔn)靜態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)，獲得PBX-1炸藥真應(yīng)力——應(yīng)變曲線和表觀應(yīng)力——應(yīng)變曲線，分析了應(yīng)變速率和溫度對(duì)炸藥力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明：與表觀應(yīng)力——應(yīng)變曲線相比，真應(yīng)力——應(yīng)變曲線所測(cè)的抗壓強(qiáng)度值下降了0.09MPa，屈服應(yīng)變也降低了0.8%，=7%時(shí)壓縮模量降低了1.0MPa。PBX-1炸藥的抗壓強(qiáng)度隨著應(yīng)變速率增加而增高，隨溫度的增高而降低；屈服應(yīng)變并沒(méi)有隨應(yīng)變速率和溫度發(fā)生變化。PBX-1炸藥在71℃固化75d內(nèi)，抗壓強(qiáng)度沒(méi)有隨時(shí)間降低。

澆注炸藥；力學(xué)性能；抗壓強(qiáng)度；真應(yīng)力

澆注型高聚物粘結(jié)炸藥（澆注PBX）是一種聚合物基復(fù)合材料，因其優(yōu)異的低易損性能和爆轟性能，可以廣泛應(yīng)用于侵戰(zhàn)斗部器、水下戰(zhàn)斗部等[1-3]。研究澆注PBX炸藥的準(zhǔn)靜態(tài)壓縮力學(xué)性能，可以分析炸藥在貯存、運(yùn)輸、跌落等低速條件下的安全性，所獲取力學(xué)性能參數(shù)也有助于炸藥在侵徹、沖擊等應(yīng)用工況下的安全性研究[4-5]，是炸藥數(shù)值仿真計(jì)算的必備條件。拉伸和壓縮是典型的準(zhǔn)靜態(tài)力學(xué)實(shí)驗(yàn)。唐明峰[6]利用材料實(shí)驗(yàn)機(jī)獲得RDX基澆注PBX循環(huán)加載、卸載應(yīng)力——應(yīng)變曲線；周紅萍[7]等人采用單軸拉伸實(shí)驗(yàn)和拉伸蠕變實(shí)驗(yàn)分析了溫度對(duì)澆注PBX力學(xué)性能的影響；Belmas等人[8]研究TATB基壓裝PBX炸藥，發(fā)現(xiàn)不同載荷作用下的破壞機(jī)制存在差異，拉伸和壓縮二種載荷下的力學(xué)性能不同。此外，諸多學(xué)者[9]對(duì)推進(jìn)劑進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)，并用抗拉強(qiáng)度和斷裂延伸率來(lái)評(píng)估推進(jìn)劑的優(yōu)劣。澆注PBX配方體系和力學(xué)性能與復(fù)合推進(jìn)劑相似，與壓裝PBX差異較大，但是炸藥在戰(zhàn)斗部?jī)?nèi)密實(shí)填裝，受到戰(zhàn)斗部殼體的約束作用，針對(duì)外載荷刺激所呈現(xiàn)的壓縮行為遠(yuǎn)超過(guò)拉伸行為。本文主要研究PBX-1炸藥在壓縮條件下的力學(xué)特征，討論澆注PBX力學(xué)特點(diǎn)和影響因素，為安全性預(yù)估提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，有助于澆注PBX炸藥的應(yīng)用和推廣。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 試樣制備

PBX-1炸藥藥柱由64%黑索今（RDX）、20%鋁粉（Al）和粘結(jié)劑組成，按照文獻(xiàn)[10]報(bào)道的炸藥配方，根據(jù)文獻(xiàn)[11]要求外加0.01%的TPB催化劑；炸藥尺寸：φ20mm×20mm藥柱，密度1.645～1.647g?cm-3。

1.2 儀器設(shè)備

水浴烘箱，CTA-F型，常州范群設(shè)備有限公司。防爆材料實(shí)驗(yàn)機(jī)，西安近代化學(xué)研究所研制，最大壓力30kN，具備樣品恒溫和壓力、位移、時(shí)間測(cè)試功能。壓力測(cè)試采用1 000N壓力傳感器，量程0～1 000N，相對(duì)誤差0.29%；位移測(cè)量量程0～1 000mm，相對(duì)誤差0.28%；溫度測(cè)量量程-50～120℃，相對(duì)誤差±0.1℃。

1.3 實(shí)驗(yàn)條件

應(yīng)變速率效應(yīng)實(shí)驗(yàn)：樣品固化7d，固化溫度60℃；在25℃烘箱內(nèi)貯存2h，應(yīng)變速率8.3×10-4～1.7×10-2s-1。溫度效應(yīng)實(shí)驗(yàn)：樣品固化7d，固化溫度60℃；在不同溫度烘箱內(nèi)貯存24h，應(yīng)變速率8.3×10-3s-1。固化/后固化影響實(shí)驗(yàn)：0～7d固化溫度60℃，7～75d固化溫度71℃；在25℃烘箱內(nèi)恒溫2h，應(yīng)變速率8.3×10-3s-1。

2 結(jié)果和分析

2.1 真應(yīng)力和表觀應(yīng)力

在壓縮過(guò)程中，隨著應(yīng)變?cè)黾?，?yīng)力值增大，藥柱呈現(xiàn)出腰鼓狀，試樣截面積增大，如圖1所示。為減小截面積增量對(duì)力學(xué)性能數(shù)據(jù)的影響，根據(jù)文獻(xiàn)[12]提出的應(yīng)力——應(yīng)變曲線修正方法，對(duì)炸藥的表觀應(yīng)力——應(yīng)變曲線進(jìn)行修正，擬合真應(yīng)力——應(yīng)變曲線和表觀應(yīng)力——應(yīng)變曲線，如圖2所示。

從真應(yīng)力/表觀應(yīng)力——應(yīng)變曲線可以看出，在應(yīng)變值小于5%時(shí)，二條曲線近似重合，當(dāng)應(yīng)變值增大后，差距逐漸明顯。兩種條件下獲得的炸藥力學(xué)性能參數(shù)如表1所示。

圖1 PBX-1的壓縮形變圖

圖2 真應(yīng)力/表觀應(yīng)力——應(yīng)變曲線

表1 2種曲線所獲得力學(xué)參數(shù)

Tab.1 The data of two stress vs strain curves

由表1及圖2可以看出，真應(yīng)力——應(yīng)變曲線所測(cè)試的壓縮模量低于表觀應(yīng)力——應(yīng)變曲線測(cè)試值；相對(duì)于表觀應(yīng)力——應(yīng)變曲線，真應(yīng)力——應(yīng)變曲線所得抗壓強(qiáng)度降低了0.09MPa，下降了12%左右；真應(yīng)力——應(yīng)變曲線獲取的屈服應(yīng)變也降低了0.8%。文獻(xiàn)報(bào)道[5,6,13]的PBX9501等壓裝PBX炸藥主要采用表觀應(yīng)力——應(yīng)變曲線表征其力學(xué)性能，是由于壓裝PBX屬于脆性炸藥，其屈服應(yīng)變主要在0.3%～3%之間，在該范圍其真應(yīng)力——應(yīng)變與表觀應(yīng)力——應(yīng)變差異較??；而PBX-1炸藥屬于高彈性材料，其屈服應(yīng)變遠(yuǎn)大于壓裝PBX，對(duì)此分析認(rèn)為，采用表觀應(yīng)力——應(yīng)變曲線更能反映PBX-1類高彈性炸藥的壓縮行為。

2.2 應(yīng)變速率效應(yīng)

PBX-1炸藥在不同應(yīng)變速率下的真應(yīng)力——應(yīng)變曲線，如圖3所示。PBX-1炸藥存在豐富的界面層，在應(yīng)變初始階段產(chǎn)生界面壓縮形變，4組壓縮曲線均表現(xiàn)出較低的壓縮模量。

圖3 不同應(yīng)變速率下的真應(yīng)力——應(yīng)變曲線

從圖3可以看出，隨著應(yīng)變?cè)黾?，聚合物壓縮變形，剛度逐漸增大，炸藥處于一種高模量狀態(tài)，發(fā)生高彈形變。當(dāng)應(yīng)變大于6%左右，高彈形變逐漸向粘性流動(dòng)轉(zhuǎn)變，壓縮模量逐漸降低，在越過(guò)屈服點(diǎn)后，應(yīng)力逐漸下降，表現(xiàn)為明顯的應(yīng)變軟化特征。4組實(shí)驗(yàn)中炸藥抗壓強(qiáng)度、屈服應(yīng)變與應(yīng)變速率的關(guān)系如圖4所示。

圖4 不同應(yīng)變速率下的抗壓強(qiáng)度和屈服應(yīng)變

從圖4可以看出，PBX-1炸藥的抗壓強(qiáng)度與應(yīng)變速率相關(guān)，應(yīng)變速率由8.3×10-4s-1上升到1.7×10-2s-1，抗壓強(qiáng)度由0.55MPa上升到0.68MPa，提高了20%以上，而屈服應(yīng)變并沒(méi)有顯著變化，屈服過(guò)程受應(yīng)變控制。對(duì)抗壓強(qiáng)度和應(yīng)變速率對(duì)數(shù)值進(jìn)行線性擬合，建立了抗壓強(qiáng)度和應(yīng)變速率的擬合方程（1）。

擬合方程（1）中，為抗壓強(qiáng)度，是應(yīng)變速率。從圖4中的擬合曲線可以看出，該方程能夠反應(yīng)PBX-1炸藥在準(zhǔn)靜態(tài)壓縮條件下抗壓強(qiáng)度隨應(yīng)變速率的變化趨勢(shì)。

2.3 力學(xué)性能的溫度效應(yīng)

不同溫度下PBX-1炸藥的抗壓強(qiáng)度和屈服應(yīng)變?nèi)鐖D5所示。

在壓縮載荷下，處于不平衡構(gòu)象的聚合物要逐漸過(guò)渡到平衡的構(gòu)象，鏈段沿外力方向運(yùn)動(dòng)，消除內(nèi)部應(yīng)力。隨著溫度升高，鏈段運(yùn)動(dòng)受到的內(nèi)摩擦力減小，內(nèi)部阻抗應(yīng)力很快被松弛掉。從圖5可以看出，隨著溫度升高，炸藥抗壓強(qiáng)度下降；屈服應(yīng)變并沒(méi)有隨溫度變化而發(fā)生改變，屈服過(guò)程依然受應(yīng)變控制。對(duì)抗壓強(qiáng)度和溫度關(guān)系進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，建立了抗壓強(qiáng)度和應(yīng)變速率的擬合方程（2）。

（3）

式（3）中：t為樣本的攝氏溫度，取特征溫度為298k，分子項(xiàng)是樣本溫度轉(zhuǎn)化為開(kāi)爾文溫度后與特征溫度的差值。從圖5可以看出，擬合曲線能夠反應(yīng)PBX-1炸藥抗壓強(qiáng)度隨溫度的變化特征和變化趨勢(shì)。

圖5 不同溫度下的抗壓強(qiáng)度和屈服應(yīng)變

2.4 固化/后固化影響

炸藥在不同時(shí)間內(nèi)的抗壓強(qiáng)度如圖6所示。

圖6 PBX-1炸藥抗壓強(qiáng)度——時(shí)間曲線

PBX炸藥的固化、后固化和老化現(xiàn)象的本質(zhì)是粘結(jié)劑由高分子預(yù)聚體逐漸形成高分子網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)絡(luò)緩慢斷裂的過(guò)程。隨著高分子網(wǎng)絡(luò)增加，炸藥的抗壓強(qiáng)度增大。從抗壓強(qiáng)度——固化時(shí)間曲線可以看出，隨著固化時(shí)間增加，炸藥抗壓強(qiáng)度增大，固化過(guò)程存在明顯的固化-后固化現(xiàn)象。

在開(kāi)始階段，由于體系中高分子預(yù)聚體與固化劑的濃度較大，反應(yīng)速率較快，炸藥在短時(shí)期內(nèi)即具備一定的抗壓強(qiáng)度，如圖6中0～5d時(shí)，抗壓強(qiáng)度和邵氏硬度隨時(shí)間迅速增大。隨著固化反應(yīng)的完成，體系中預(yù)聚體和固化劑被大量消耗，濃度降低，化學(xué)反應(yīng)速率降低，炸藥完成后續(xù)固化的時(shí)間較長(zhǎng)。即使在這個(gè)較長(zhǎng)的時(shí)間段內(nèi)，炸藥也不僅僅在完善固化反應(yīng)，同時(shí)早期形成的高分子網(wǎng)絡(luò)受到溫度刺激、熱應(yīng)力甚至外力作用，在局部已經(jīng)發(fā)生斷裂，因此，在這個(gè)時(shí)期抗壓強(qiáng)度是炸藥固化與老化耦合作用的時(shí)期，只是因?yàn)楣袒磻?yīng)對(duì)力學(xué)性能的貢獻(xiàn)大于老化反應(yīng)，所以藥柱強(qiáng)度出現(xiàn)緩慢的提高，如圖6中5d以后，抗壓強(qiáng)度和邵氏硬度隨時(shí)間緩慢增長(zhǎng)。隨著固化反應(yīng)持續(xù)，炸藥發(fā)生后固化的能力逐漸削弱，發(fā)生老化的幾率逐漸增加。當(dāng)炸藥老化對(duì)力學(xué)性能的影響超過(guò)后固化產(chǎn)生的影響時(shí)，炸藥即進(jìn)入老化階段，力學(xué)性能逐漸降低，只是在上述實(shí)驗(yàn)周期內(nèi)未發(fā)現(xiàn)老化行為的時(shí)間拐點(diǎn)。

3 結(jié)論

（1）在應(yīng)變值小于5%時(shí)，表觀應(yīng)力——應(yīng)變曲線和真應(yīng)力——應(yīng)變曲線近似重合，當(dāng)應(yīng)變值增大后，差距逐漸明顯，真應(yīng)力——應(yīng)變曲線所測(cè)試的壓縮模量低于表觀應(yīng)力——應(yīng)變曲線測(cè)試值；真應(yīng)力——應(yīng)變曲線所測(cè)得抗壓強(qiáng)度值比表觀應(yīng)力——應(yīng)變曲線測(cè)試值下降了12%左右。

（2）PBX-1炸藥的力學(xué)行為顯現(xiàn)出應(yīng)變速率和溫度的相關(guān)性，抗壓強(qiáng)度隨著應(yīng)變速率增加而升高，隨溫度的增高而降低；屈服應(yīng)變并沒(méi)有隨應(yīng)變速率和溫度發(fā)生顯著變化，屈服過(guò)程受應(yīng)變控制。

（3）PBX-1炸藥在71℃固化75d內(nèi)，炸藥處于后固化階段。

（4）獲得了PBX-1炸藥的抗壓強(qiáng)度隨溫度、應(yīng)變速率變化的狀態(tài)方程，為PBX力學(xué)行為的預(yù)估提供了理論模型。

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Static Compression Mechanical Properties of Casting-PBX

XI Peng1，ZHENG Yuan-suo2，CHEN Chun-yan1，YANG Hui1

（1.Xi’an Modern Chemistry Research Institute, Xi’an，710065；2.School of Science,Xi’an Jiaotong University, Xi’an，710049）

The effect of strain rate and temperature on mechanical properties of PBX-1 was studied by material testing machine, and true stressstrain curve, as well as apparent stressstrain curve of explosive were obtained. The results showed that compared to apparent stressstrain curve, compressive strength of PBX-1 reduced 0.09MPa ,yield strain reduced 0.8%and compressed modulus reduced 1.0MPa when the strain is 7% on the true stressstrain curve. It was found that mechanical behavior of PBX-1 was dependent on temperature and strain rate, the compressive strength increased when strain rate increased and decreased when temperature increased, while yield strain was not changed with temperature and strain rate. The PBX-1’s compressive strength reduction is not obvious when it was cured at 71℃ for 75d.

Casting explosive；Mechanical properties；Compressive strength；True stress

1003-1480（2017）02-0042-04

TQ564

A

2017-01-16

席鵬（1985-），男，高級(jí)工程師，主要從事澆注PBX炸藥性能研究。