溫度對(duì)壓裝RDX基含鋁炸藥力學(xué)性能的影響

姚李娜，王海清，趙省向，王彩玲，陶 俊，戴致鑫

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溫度對(duì)壓裝RDX基含鋁炸藥力學(xué)性能的影響

姚李娜1，王海清2，趙省向1，王彩玲1，陶 俊1，戴致鑫1

（1.西安近代化學(xué)研究所，陜西西安, 710065；2. 北方特種能源集團(tuán)西安慶華公司，陜西西安，710062）

為了分析溫度對(duì)壓裝RDX 基含鋁炸藥的性能變化規(guī)律，對(duì)該炸藥在不同溫度下的抗壓、抗拉性能及泊松比進(jìn)行了測(cè)試，并對(duì)拉伸試驗(yàn)后的樣品進(jìn)行了形貌觀察。結(jié)果表明：在高溫下，壓裝RDX基含鋁炸藥粘結(jié)劑軟化，炸藥顆粒與高分子粘結(jié)劑界面作用減弱，其拉伸強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度性能均隨溫度升高而降低；在拉伸試驗(yàn)中，從低溫到高溫狀態(tài)，該炸藥的泊松比隨溫度升高卻變化不大；高溫下，炸藥斷面損傷形式表現(xiàn)為炸藥顆粒與粘結(jié)劑脫粘。

壓裝RDX基含鋁炸藥；力學(xué)性能；泊松比；損傷形式

炸藥部件的跌落、撞擊、沖擊過程從力學(xué)角度看是一個(gè)高應(yīng)變率下材料的變形（響應(yīng)）過程[1]。通過實(shí)驗(yàn)手段研究炸藥在復(fù)雜條件下的力學(xué)性能，得到其各種力學(xué)參數(shù)隨條件的基本變化規(guī)律，可以為裝藥設(shè)計(jì)提供有益的指導(dǎo)。國(guó)外Blumenthal[2]用SHPB對(duì)PBXN-110 和以HTPB為基的粘結(jié)劑在不同溫度和應(yīng)變率條件下的壓縮性能進(jìn)行了研究，得出此炸藥的溫度對(duì)壓縮應(yīng)力峰值影響很大，即隨著溫度的降低，材料的壓縮強(qiáng)度和模量會(huì)有所增加。Wiegand[3]在Comp B和TNT的單軸實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)它們的壓縮強(qiáng)度都隨溫度的增加而增加，楊氏模量隨溫度升高而降低，拉伸強(qiáng)度σ也隨溫度的升高而降低。國(guó)內(nèi)陳榮[4]等對(duì)某含鋁炸藥進(jìn)行了準(zhǔn)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)，建立了材料在不同初始密度、不同應(yīng)變率下的本構(gòu)模型，對(duì)該炸藥不同密度下的力學(xué)行為特征和應(yīng)變率效應(yīng)得到了較為系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)。

基于以上研究，為了研究RDX基炸藥在高低溫條件下的力學(xué)性能變化和微觀形貌的變化，筆者對(duì)RDX基含鋁炸藥不同溫度條件下抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、彈性模量和泊松比等性能進(jìn)行研究，分析了溫度對(duì)其性能變化的機(jī)理，進(jìn)一步探討了力學(xué)試驗(yàn)后炸藥的微觀形貌，從而為該炸藥在不同溫度環(huán)境條件下的裝藥應(yīng)用提供參考。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)樣品

樣品制備采用“直接法”工藝制備而成。RDX基炸藥的組成為RDX、鋁粉、粘結(jié)劑和鈍感劑。

RDX基炸藥造型粉，采用10t精密壓機(jī)壓制成不同尺寸的試樣藥柱。其中：Ф20mm×20mm藥柱50發(fā)，用于不同溫度藥柱抗壓、抗拉測(cè)試；Ф20mm×30mm藥柱30發(fā)，用于抗剪強(qiáng)度測(cè)試；Ф20mm×20mm藥柱20發(fā)，用于藥柱壓縮模量（彈性模量）測(cè)試，試樣密度為1.70 g/cm3，藥柱密度差為±0.003 g/cm3。每個(gè)項(xiàng)目以5發(fā)藥柱為1組數(shù)據(jù)。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 力學(xué)性能測(cè)試

將壓制好的炸藥藥柱分別在溫度-55℃、-20℃、20℃和65℃條件下采用高低溫恒溫烘箱進(jìn)行處理，時(shí)間為4h，烘好的藥柱用保溫桶儲(chǔ)存，備用。

采用AG-IC l00型萬能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試了RDX基炸藥藥柱準(zhǔn)靜態(tài)下（密度為1.70g/cm3）的力學(xué)性能，試驗(yàn)采用控制速度方式加載，加載速度為10 mm/min。

抗壓強(qiáng)度采用GJB 772A-97方法416.1 抗壓強(qiáng)度壓縮法[5]，抗壓強(qiáng)度用σ表示；抗拉強(qiáng)度采用Q/AY91-90方法413.1 抗拉強(qiáng)度劈裂法[5]參考，抗拉強(qiáng)度用σ表示，臨界應(yīng)變用ε表示。

1.2.2 彈性模量測(cè)試

彈性模量采用GJB 772A-97方法418.1 壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線 電子引伸計(jì)法[5]。

1.2.3 形貌分析

采用電子掃描顯微鏡分析樣品的微觀形貌，型號(hào)：QUAINTA 600，產(chǎn)地：美國(guó)FEI公司。測(cè)試前對(duì)樣品進(jìn)行噴金處理。

2 結(jié)果與討論

2.1 溫度對(duì)RDX基炸藥的抗壓和抗拉強(qiáng)度的影響

3種溫度下藥柱的抗壓、抗拉應(yīng)力——應(yīng)變曲線如圖1~2所示。各個(gè)溫度條件下RDX基炸藥的抗壓、抗拉強(qiáng)度及臨界應(yīng)變數(shù)據(jù)見表1。

表1 不同溫度下RDX基炸藥的抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

Tab.1 Results of compressive strength and tensile strength of RDX-based explosive in different temperatures

圖1 RDX基炸藥的抗壓應(yīng)力——應(yīng)變曲線

圖2 RDX基炸藥的抗拉應(yīng)力——應(yīng)變曲線

從圖1~2及表1可以看出，隨著試樣溫度的升高，相同實(shí)驗(yàn)條件下所獲得的抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度都在降低，而應(yīng)變率隨之升高。

對(duì)于拉伸試驗(yàn)曲線（圖2），當(dāng)藥柱溫度為-55℃時(shí)，炸藥的應(yīng)力隨應(yīng)變成正比地增加，抗拉強(qiáng)度最大，臨界應(yīng)變不到0.4%就發(fā)生斷裂；當(dāng)藥柱溫度為20℃時(shí)，應(yīng)力隨應(yīng)變也是成正比地增加，但是增加幅度降低，抗拉強(qiáng)度較小，臨界應(yīng)變不到0.6%就發(fā)生斷裂；而當(dāng)藥柱溫度為65℃時(shí)，應(yīng)力隨應(yīng)變成正比地增加的幅度更小，抗拉強(qiáng)度最小，臨界應(yīng)變不到0.7%就發(fā)生斷裂。對(duì)于壓縮試驗(yàn)曲線（圖1），同樣存在這樣的變化趨勢(shì)。這些現(xiàn)象說明，隨著溫度的增加，RDX基炸藥在低溫時(shí)，小的應(yīng)變可以使炸藥的抗壓和抗拉強(qiáng)度達(dá)到最大，此時(shí)炸藥表現(xiàn)出一定的脆性；當(dāng)藥柱溫度繼續(xù)升高到65℃時(shí)，炸藥脆性小，應(yīng)變大，抗壓和抗拉強(qiáng)度最小。

壓裝RDX基含鋁炸藥是以高分子為粘結(jié)劑的復(fù)合材料，其力學(xué)性質(zhì)與單體材料不同。對(duì)于高分子粘結(jié)劑（EVA）來說，可以承受較大的變形，表現(xiàn)出粘彈性，起著粘結(jié)炸藥顆粒及傳遞應(yīng)力的作用。高分子粘結(jié)劑的性質(zhì)、高分子-炸藥界面的相互作用和炸藥顆粒之間的相互作用影響著PBX炸藥的粘彈性。對(duì)于高分子粘結(jié)劑來說，部分高聚物分子鏈的重新取向和高分子鏈之間的滑動(dòng)會(huì)引起炸藥粘彈性變化；對(duì)于炸藥之間的相互作用來說，其可以引起炸藥力學(xué)性能的不同。在拉伸試驗(yàn)時(shí)，拉伸使得顆粒相互分離，壓縮時(shí)顆粒相互擠壓，導(dǎo)致在拉伸時(shí)高分子粘結(jié)劑的力學(xué)行為顯得比較重要。

2.2 RDX基含鋁炸藥的壓縮模量研究

2.2.1不同溫度對(duì)炸藥壓縮模量的影響

試驗(yàn)加載速率為0.5mm/min，4種溫度下壓裝RDX基含鋁炸藥的應(yīng)力——應(yīng)變曲線變化如圖3所示。

圖3 不同溫度條件下RDX基炸藥的（密度為1.70 g/cm3）應(yīng)力——應(yīng)變曲線

由圖3可看出，在準(zhǔn)靜態(tài)壓縮下，曲線整體表現(xiàn)出強(qiáng)烈的非線性變化，此變化可分3個(gè)階段：即很小的線性段、強(qiáng)化階段及應(yīng)變軟化階段，且此變化是由高聚物粘結(jié)劑的非線性造成的。采用壓縮模量、臨界應(yīng)變ε描述溫度對(duì)壓裝RDX基含鋁炸藥準(zhǔn)靜態(tài)下的力學(xué)性能。模量參照文獻(xiàn)[6-7]來計(jì)算，σ和ε由應(yīng)力——應(yīng)變曲線上應(yīng)力最大值對(duì)應(yīng)的應(yīng)力和應(yīng)變確定。

表2 給出了4個(gè)不同溫度下壓裝RDX基含鋁炸藥力學(xué)性能參數(shù)的值。根據(jù)表2數(shù)據(jù)分析知，當(dāng)壓裝RDX基含鋁炸藥經(jīng)歷從低溫到高溫的過程時(shí)，壓縮模量的變化從緩慢降低（0.82%）到快速降低（36%），再到緩慢降低（7.5%）；對(duì)于壓縮強(qiáng)度σ，則其經(jīng)歷先緩慢降低（8.6%）到快速降低（29%），再到快速升高（39%）的過程；而臨界應(yīng)變ε則經(jīng)歷先從緩慢降低（7.8%）到緩慢升高（12%），再到快速升高（50%）的過程。這些結(jié)果得出：溫度對(duì)含鋁炸藥的力學(xué)性能影響很大，即從低溫到高溫，壓縮模量降低，壓縮強(qiáng)度和臨界應(yīng)變都表現(xiàn)出先降低后升高的現(xiàn)象。

表2 不同溫度條件下壓裝RDX基含鋁炸藥的力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

Tab.2 Results of mechanical properties of RDX-based explosive in different temperatures

進(jìn)一步分析壓縮模量和溫度的變化關(guān)系，如圖4所示。圖4曲線說明，隨著溫度的上升，彈性模量呈現(xiàn)非線性的變化，即先緩慢降低，再快速降低，最后趨于平緩。

圖4 RDX基炸藥（密度為1.70 g/cm3）的壓縮模量與溫度的關(guān)系曲線

2.2.2 不同溫度對(duì)炸藥泊松比的影響

從圖3和表2可得出，在-50~65℃范圍內(nèi)隨著溫度的升高，壓裝RDX基含鋁炸藥的模量呈逐漸減少趨勢(shì)，材料表面剛性逐漸減小，塑性逐漸增強(qiáng)。這是因?yàn)榇苏ㄋ幍牧W(xué)性能主要依賴于高聚物粘結(jié)劑的力學(xué)性能[8]，隨著溫度升高，分子運(yùn)動(dòng)動(dòng)能增加，高聚物粘結(jié)劑的鏈段更易于通過主鏈單鍵內(nèi)旋轉(zhuǎn)改變構(gòu)象，增強(qiáng)柔性，進(jìn)而使炸藥彈性增加，但泊松比變化較小。

根據(jù)公式=3（1-2）[9]計(jì)算出在拉伸試驗(yàn)中不同溫度下含鋁炸藥的泊松比，數(shù)據(jù)如表2 所示。從表2可以看出，從低溫狀態(tài)（-55℃）開始，上升到常溫（20℃）再到高溫狀態(tài)下，該炸藥低溫到高溫泊松比變化不大，也就是說，壓裝RDX基含鋁炸藥沿橫向方向和縱向方向的變形比值是相當(dāng)?shù)腫10]。這說明，受溫度影響，壓裝RDX基含鋁炸藥的橫向應(yīng)變和縱向應(yīng)變是一致的。

2.3 不同溫度下RDX基炸藥的微觀形貌分析

陳鵬萬等[11]指出，PBX 炸藥在拉伸載荷作用下，高分子粘結(jié)劑與炸藥的界面將起決定作用。因此，為了進(jìn)一步分析該壓裝RDX基含鋁炸藥在不同溫度下發(fā)生破壞的原因，對(duì)該炸藥在低溫（-55℃）、高溫（65 ℃）及常溫（20℃）條件下，進(jìn)行拉伸試驗(yàn)后φ20mm×20mm藥柱發(fā)生破壞的斷面形貌進(jìn)行了觀察，如圖5所示。從圖5可以看出，斷裂主要發(fā)生在炸藥顆粒與高分子粘結(jié)劑的界面。

圖5 不同溫度條件下RDX基炸藥（密度為1.70 g/cm3）藥柱拉伸斷面掃描電鏡圖

由圖5（a）和5（c）可見，在低溫和常溫條件下，RDX炸藥表面的顆粒之間交界面可分辨；而在高溫條件、相同放大倍數(shù)情況下（見圖5b），可清楚地觀察到炸藥顆粒之間有明顯的交界面，還可看到界面之間出現(xiàn)了孔穴和脫粘。由圖5還可以看出，從低溫到常溫再到高溫，熱作用使RDX炸藥顆粒發(fā)生形成界面脫粘的現(xiàn)象，但未看到微裂紋，原因可能是因?yàn)闊嶙饔貌粔?，不能促使粘結(jié)劑開裂，因而沒有產(chǎn)生微裂紋。因此，熱作用使得RDX基含鋁炸藥的損傷形式主要包括脫粘；隨著溫度升高，粘結(jié)劑軟化，其與RDX炸藥顆粒間作用力下降，從而導(dǎo)致該RDX 炸藥在高溫下的抗拉能力減弱。

3 結(jié)論

（1）經(jīng)過對(duì)RDX基含鋁炸藥力學(xué)性能試驗(yàn)的摸索，得出溫度對(duì)含鋁炸藥的抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度有一定的影響；

（2）RDX基含鋁炸藥的壓縮模量隨溫度的升高而降低，但是，隨溫度增加，該炸藥泊松比則無明顯變化，經(jīng)過對(duì)壓縮試驗(yàn)樣品的形貌分析，炸藥損傷模式為脫粘；

（3）通過本實(shí)驗(yàn)對(duì)壓裝RDX基含鋁炸藥各種力學(xué)參數(shù)隨溫度變化的基本變化規(guī)律的分析，可以為裝藥設(shè)計(jì)和應(yīng)用安全性提供有益的指導(dǎo)。

[1] 李俊玲.PBX炸藥裝藥的力學(xué)性能及損傷破壞研究[D].長(zhǎng)沙:國(guó)防科技大學(xué)研究生院,2012.

[2] Blumenthal W R, Thompson D G, Cady C D, et al. Compressive properties of PBXN-110 and its HTPB-based binder as a function of temperature and strain rate[C]//12th International Detonation Conference,2002.

[3] Wiegand D, Nicolaides S, Pinto J. Mechanical and thermo- mechanical properties of NC base propellants [J]. Journal of Energetic Materials, 1990, 8(5): 442-461.

[4] 陳榮,盧芳云,林玉亮,等.一種含鋁炸藥壓縮力學(xué)性能和本構(gòu)關(guān)系研究[J].含能材料,2007,10(5):460-463.

[5] GJB 772A-97 炸藥試驗(yàn)方法[S].國(guó)防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會(huì),1997.

[6] 唐明峰,藍(lán)林鋼,李明,等.以RDX為基的澆注PBX力學(xué)性能與本構(gòu)模型[J].含能材料,2014,22(2):215-220.

[7] 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.

[8] 馬秀芳,肖繼軍,黃輝,等.分子動(dòng)力學(xué)模擬濃度和溫度對(duì)TATB/PCTFE PBX力學(xué)性能的影響[J].化學(xué)學(xué)報(bào),2005,63 (22):2 037-2 041.

[9] 何曼君,陳維孝,董西俠,等主編.高分子物理[M].上海:復(fù)旦大學(xué)出版社,1990.

[10] 涂小珍,張波,韋興文,等.TATB 基高聚物粘結(jié)炸藥高溫力學(xué)性能[J].含能材料,2013,21(3):306-309.

[11] 陳鵬萬,丁雁生.高聚物粘結(jié)炸藥的力學(xué)行為及變形破壞機(jī)理[J].含能材料,2000,8(4):161-164.

Effects of Temperature on Mechanical Properties of Pressed RDX-based Aluminized Explosive

YAO Li-na1, WANG Hai-qing2, ZHAO Sheng-xiang1, WANG Cai-ling1, TAO Jun1, DAI Zhi-xin1

(1.Xi’an Modern Chemistry Research Institute，Xi’an, 710065；2. Xi’an Qinghua Co.,Ltd.,North Special Energy Group, 710062）

In order to analyze the effects of temperature on the properties of pressed RDX-based aluminized explosive, the compressive strength, tensile strength and Poisson’s ratio were measured in different temperature, and the morphology of tensile sample was observed by scanning electric microscopy (SEM). Results show that pressed RDX-based aluminized explosive binder was soften in high temperature, interface interaction was weaken between explosive particle and polymer binder, and the compressive strength, tensile strength of the explosive decreased with temperature increasing. From low temperature to high temperature in the tensile test, the Poisson’s ratio of the explosive was presented a invariable trends with temperature increasing, damage deformation of explosive section showed debinding between explosive crystals and binder in high temperature.

Pressed RDX-based aluminized explosives；Mechanical properties；Poisson’s ratio；Damage deformation

1003-1480（2017）03-0045-04

TQ564

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2017.03.012

2016-12-05

姚李娜（1983-），女，助理研究員，主要從事含能材料研究。