PBX斷裂力學(xué)行為研究進(jìn)展

董天寶，韋興文，張巍耀，甘海嘯

(中國工程物理研究院化工材料研究所，四川 綿陽 621900)

PBX斷裂力學(xué)行為研究進(jìn)展

董天寶，韋興文，張巍耀，甘海嘯

(中國工程物理研究院化工材料研究所，四川 綿陽 621900)

從常用實(shí)驗(yàn)方法、細(xì)觀斷裂模式、宏觀斷裂力學(xué)以及動態(tài)斷裂方面，概述了近年來國內(nèi)外關(guān)于PBX斷裂力學(xué)行為的研究狀況;介紹了PBX宏觀和細(xì)觀斷裂特征及表征手段；闡述了細(xì)觀結(jié)構(gòu)、力學(xué)特性、溫度和加載率對PBX斷裂行為的影響。指出應(yīng)開展PBX細(xì)觀微裂紋萌生和擴(kuò)展、宏觀起裂機(jī)理研究，及動態(tài)加載下PBX裂紋擴(kuò)展行為研究，建立適合PBX材料特性的復(fù)合型斷裂準(zhǔn)則。附參考文獻(xiàn)51篇。

固體力學(xué)；PBX；細(xì)觀斷裂；斷裂力學(xué)；高聚物黏結(jié)炸藥

引 言

高聚物黏結(jié)炸藥(PBX)構(gòu)件是武器實(shí)現(xiàn)毀傷打擊的核心部件。在武器系統(tǒng)中，PBX除具備固有的爆轟性能外，常以承受載荷的結(jié)構(gòu)件形式存在。一般認(rèn)為，開裂是PBX力學(xué)失效的主要原因。PBX構(gòu)件的開裂嚴(yán)重影響武器使用的可靠性。因此，對其斷裂力學(xué)行為進(jìn)行研究非常體要。

PBX在生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生一些含空隙的微缺陷，這些微缺陷在外界環(huán)境(溫度變化、振動、沖擊等)的影響下很可能發(fā)展成為微損傷，進(jìn)而形成微裂紋。PBX細(xì)觀研究表明，微裂紋最容易出現(xiàn)黏結(jié)劑、黏結(jié)劑與炸藥顆粒黏合面。裂紋一旦出現(xiàn)，裂紋尖端應(yīng)力場將會重新分布。局部應(yīng)力、局部強(qiáng)度及材料本身的缺陷等因素將導(dǎo)致微裂紋在裂紋尖端不斷擴(kuò)展，進(jìn)而誘發(fā)宏觀裂紋。PBX裂紋尖端區(qū)域材料承受著很大的應(yīng)變，存在一定的失效損傷區(qū)域。當(dāng)局部應(yīng)變達(dá)到臨界狀態(tài)，隨著黏結(jié)劑和炸藥顆粒的脫粘失效，裂紋將進(jìn)入失效損傷區(qū)域并進(jìn)一步擴(kuò)展。復(fù)雜荷載下PBX斷裂失效，特別是裂紋形成以及擴(kuò)展問題，具有重要的研究價(jià)值，受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注[1-4]。

由于材料本身表現(xiàn)出的非線性力學(xué)特性， PBX斷裂力學(xué)行為研究是一個(gè)難點(diǎn)和熱點(diǎn)。細(xì)觀方面，綜合考慮炸藥晶體構(gòu)型、晶體和黏結(jié)劑力學(xué)特性、體積配比等因素，國內(nèi)外在PBX微裂紋形成和裂紋擴(kuò)展路徑方面開展較多研究。宏觀方面，PBX斷裂理論研究方法主要包括線彈性斷裂力學(xué)和彈塑性/黏彈性斷裂力學(xué)。目前線彈性斷裂力學(xué)已經(jīng)很好地應(yīng)用于部分脆性PBX斷裂研究中，PBX平面斷裂韌性的實(shí)驗(yàn)測試技術(shù)已經(jīng)相對較為完善。對于具有較強(qiáng)塑性/黏彈性的高聚物黏結(jié)炸藥，如黏結(jié)劑體積分?jǐn)?shù)較高的澆注型PBX，其彈塑性/黏彈性斷裂力學(xué)問題更加復(fù)雜，相關(guān)研究工作也較少。隨著高速相機(jī)等動態(tài)線監(jiān)測技術(shù)的不斷發(fā)展，高應(yīng)變率下PBX動態(tài)斷裂行為研究也在不斷深入。本文對PBX細(xì)觀斷裂模式、宏觀斷裂力學(xué)和動態(tài)斷裂的研究現(xiàn)狀進(jìn)行報(bào)道，并對今后的研究方向進(jìn)行了展望。

1 常用實(shí)驗(yàn)方法

目前，應(yīng)用于PBX斷裂研究的實(shí)驗(yàn)方法包括：三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)(Three-point Bending Test)、半圓盤三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)(Semi-circular Bending Test)、緊湊拉伸試驗(yàn)(Compact Tension Test)、平臺巴西圓盤試驗(yàn)(Flattened Brazilian Disc Test)等[5-6]。

PBX裂紋表征方法主要有掃描電子顯微鏡(SEM)法、光學(xué)顯微鏡法[7-9]。在微觀尺度上，掃描電子顯微鏡可以表征黏結(jié)劑和炸藥晶體之間微裂紋的萌生和擴(kuò)展[7]，如圖1(a)所示。在細(xì)觀尺度上，光學(xué)顯微鏡可以表征PBX的裂紋擴(kuò)展路徑[8]，PBX微裂紋及裂紋擴(kuò)展路徑如圖1(b)所示。

圖1 PBX微裂紋及裂紋擴(kuò)展路徑Fig.1 Microcrack and crack propagation path in PBX

數(shù)字圖像相關(guān)方法(Digital Image Correlation Method)由日本的Yamaguchi I[10]和美國的Peter W H和Ranson W F[11]在20世紀(jì)80年代提出，具有非接觸、全場測量、光路簡單、可以采用白光作為光源和對測量環(huán)境無特殊要求等優(yōu)點(diǎn)，在PBX斷裂研究方面已有較多應(yīng)用。美國阿拉莫斯實(shí)驗(yàn)室研究者利用DIC方法，在PBX裂紋尖端位移、應(yīng)變場及裂紋擴(kuò)展速率等方面，取得了很好的研究成果，圖2為PBX-9502帶孔板壓縮過程中裂紋尖端應(yīng)變及裂紋擴(kuò)展監(jiān)測[12]。

圖2 基于DIC方法監(jiān)測的應(yīng)變云圖及裂紋擴(kuò)展速率Fig.2 Strain nephogram and crack growth rate monitored by DIC method

陳鵬萬等[13]基于PBX代用材料半圓盤三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，結(jié)合SEM和DIC方法，實(shí)現(xiàn)了對PBX材料微區(qū)域應(yīng)變場的測量，揭示了PBX材料損傷演化規(guī)律。研究表明，數(shù)字圖像相關(guān)方法用于研究PBX材料細(xì)觀尺度上的變形破壞是有效的。

2 PBX細(xì)觀斷裂模式及影響因素

PBX作為一類以高聚物黏結(jié)劑為連續(xù)相、高能混合顆粒炸藥為分散相的非均質(zhì)顆粒填充的復(fù)合材料，其力學(xué)行為表現(xiàn)出拉、壓不對稱性，溫度、時(shí)間等參量的相關(guān)性，具有彈塑性、黏彈性等特點(diǎn)，具有非線性本構(gòu)關(guān)系[14]。

PBX中炸藥晶粒、黏結(jié)劑、晶粒-黏結(jié)劑界面的強(qiáng)度不同，因此加載方式對其細(xì)觀破壞模式具有很大影響。壓縮載荷下，PBX內(nèi)部主要承力結(jié)構(gòu)是炸藥晶粒，細(xì)觀破壞形式多表現(xiàn)為炸藥晶粒斷裂；拉伸載荷下，PBX的主要承力結(jié)構(gòu)是炸藥晶粒與黏結(jié)劑界面，由于界面強(qiáng)度小于炸藥顆粒的強(qiáng)度，拉伸載荷下PBX細(xì)觀破壞模式為炸藥晶粒與黏結(jié)劑的界面脫粘，此外可能伴隨黏結(jié)劑的拉斷或撕裂[15-16]。因此，PBX在拉伸載荷下以晶粒界面斷裂(沿晶斷裂)為主，壓縮載荷下以晶粒斷裂(穿晶斷裂)為主。

吳會民等[17]利用MTS機(jī)對固體推進(jìn)劑、高聚物黏結(jié)炸藥和B炸藥進(jìn)行了準(zhǔn)靜態(tài)實(shí)驗(yàn)。發(fā)現(xiàn)3者本構(gòu)曲線都表現(xiàn)出非線性特性，高聚物黏結(jié)炸藥的破壞形式為碎裂，而固體推進(jìn)劑則是軟化。表明在準(zhǔn)靜態(tài)條件下PBX體現(xiàn)出一定的脆性，而推進(jìn)劑更多體現(xiàn)出黏彈性的特點(diǎn)。

PBX的力學(xué)性能還表現(xiàn)出強(qiáng)烈的溫度與加載率相關(guān)性。李俊玲等[18]用MTS試驗(yàn)機(jī)對PBX進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)巴西試驗(yàn)，獲得PBX在光學(xué)顯微鏡下的細(xì)觀損傷形貌，結(jié)合高速攝影和數(shù)字圖像相關(guān)分析技術(shù)得到了其變形和破壞過程。研究發(fā)現(xiàn)顆粒尺寸較大的晶體容易發(fā)生穿晶斷裂，顆粒尺寸很小的晶體則容易發(fā)生界面脫粘。Wiegand D A和Gray G T等[19-20]研究了溫度和應(yīng)變率對PBX及其他含能材料變形破壞的影響。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溫度降低和應(yīng)變率增加時(shí)，PBX斷裂路徑從黏結(jié)劑轉(zhuǎn)到了炸藥晶體。Lanzerotti M Y等[21]研究表明，Comp B炸藥在低應(yīng)變率下，其斷裂主要沿晶粒邊界。在高應(yīng)變率下，晶粒會發(fā)生穿晶斷裂。蔡宣明等[22]基于分離式霍普金壓桿裝置對PBX代用材料進(jìn)行高應(yīng)變率動態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)，認(rèn)為晶粒與黏結(jié)劑分離、晶體斷裂是PBX代用材料動態(tài)壓縮的主要細(xì)觀損傷模式。Liu Z W等[23]在PBX代用材料準(zhǔn)靜態(tài)三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，隨著溫度的升高，斷裂模式從以剪切作用為主轉(zhuǎn)變?yōu)榧羟泻屠鞆?fù)合作用，微觀斷裂模型從脆性斷裂的穿晶斷裂模式轉(zhuǎn)變?yōu)榻缑婷撜车难鼐嗔涯Ｊ?。相關(guān)試驗(yàn)也證明，溫度對PBX斷裂韌性具有顯著影響[24]。

3 PBX宏觀斷裂力學(xué)行為研究

3.1 線彈性斷裂力學(xué)方法

自1921年Griffith A提出脆性固體材料斷裂理論，后經(jīng)Irwin G R推廣至小范圍屈服下的線彈性斷裂力學(xué)理論[25-26]，線彈性斷裂力學(xué)在解析、數(shù)值與實(shí)驗(yàn)研究方面都取得了許多成果，廣泛應(yīng)用于疲勞裂紋擴(kuò)展、蠕變和應(yīng)力腐蝕裂紋擴(kuò)展等方面的研究。美國勞倫斯利弗莫爾實(shí)驗(yàn)室(LLNL)的Hoffman D M[27]對LX-14和LX-19兩種PBX的疲勞裂紋擴(kuò)展進(jìn)行了研究，獲得了該型炸藥疲勞壽命曲線，并預(yù)測了熱應(yīng)力疲勞壽命。

部分含能顆粒復(fù)合材料的斷裂研究是基于線彈性斷裂力學(xué)理論[28]。Palmer S J P等[29]通過巴西實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，對于體積分?jǐn)?shù)很高的PBX炸藥，即包含相對較多的脆性晶體，其材料破壞最可能的原因就是Griffith脆性斷裂。羅景潤、溫茂萍等[30-31]利用金屬材料平面應(yīng)變斷裂韌性實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，在室溫準(zhǔn)靜態(tài)加載下，對高聚物黏結(jié)炸藥的斷裂韌性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，測得了幾種脆性較強(qiáng)PBX的平面應(yīng)變斷裂韌性，實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果并不穩(wěn)定。由于PBX的力學(xué)行為與金屬材料有著很大的差別，能否借助金屬材料平面應(yīng)變斷裂韌性的測試方法來研究PBX的斷裂韌性，尚待進(jìn)一步研究。Li M等[32]利用數(shù)字圖像相關(guān)法(DIC)獲取PBX三點(diǎn)彎曲裂紋尖端位移場，基于線彈性斷裂力學(xué)理論，根據(jù)位移場與應(yīng)力強(qiáng)度因子關(guān)系式，采用位移外推法計(jì)算得到PBX平面應(yīng)變斷裂韌性。線彈性理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)結(jié)果有著較好的趨勢擬合。

3.2 彈塑性/黏彈性斷裂力學(xué)方法

PBX發(fā)生開裂時(shí)，黏結(jié)劑、黏結(jié)劑與炸藥顆粒的結(jié)合界面共同承受著裂紋尖端急劇增大的拉應(yīng)力，這預(yù)示著裂紋尖端應(yīng)力場體現(xiàn)更多的是黏結(jié)劑材料的塑性[6]。美國阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)室的Liu C等[33-36]基于緊湊拉伸試驗(yàn)，對PBX-9501斷裂研究發(fā)現(xiàn)，在裂紋萌生和擴(kuò)展前，裂紋尖端有很大的損傷區(qū)域，在彈性變形和裂紋擴(kuò)展過程之間存在應(yīng)力橋接區(qū)域[33,36]，如圖3所示。他進(jìn)一步將界面脫粘定律應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)監(jiān)測中，成功解釋了PBX裂紋尖端應(yīng)力場的分布及脫粘現(xiàn)象。

國外PBX大多具有模量和強(qiáng)度低的特點(diǎn)，基于Liu C等關(guān)于PBX裂紋尖端存在較大屈服區(qū)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，Wiliamson D M等[37]認(rèn)為針對材料非線性較強(qiáng)的PBX斷裂研究，建議采用彈塑性斷裂力學(xué)J-積分的分析方法[38]。對PBX-9501、EDC-37、EDC-32炸藥的模擬材料開展斷裂力學(xué)試驗(yàn)，獲得了伴隨裂紋擴(kuò)展過程的J-積分阻力曲線(見圖4)，得出PBX的斷裂性能主要取決于黏結(jié)劑材料的力學(xué)特性。然而，阿拉莫斯和利弗莫爾實(shí)驗(yàn)室研究者不認(rèn)同此觀點(diǎn)，依然采用線彈性斷裂力學(xué)中的斷裂韌性來研究PBX-9501、LX-17等炸藥的斷裂行為[39-41]。

固體推進(jìn)劑作為一種剛粒復(fù)合含能材料，由于含能顆粒體積分?jǐn)?shù)較低，具有更強(qiáng)的黏彈性力學(xué)特性，對黏彈性較強(qiáng)的澆注型PBX斷裂行為研究具有一定的借鑒意義。美國空軍實(shí)驗(yàn)室的Liu C T等[42-43]對固體推進(jìn)劑裂紋萌生和擴(kuò)展進(jìn)行了長期研究。圖5為裂紋尖端應(yīng)變及擴(kuò)展速率[42]。認(rèn)為線彈性斷裂力學(xué)適用于單相材料，對固體推進(jìn)劑裂紋生長的研究應(yīng)該采用黏彈性斷裂力學(xué)方法。在不同應(yīng)變率下，對表面裂紋尖端應(yīng)變場、張開位移和裂紋生長行為的監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，固體推進(jìn)劑裂紋尖端存在著狹長的三角形失效損傷區(qū)，建議采用黏彈性斷裂力學(xué)的研究方法。周廣盼等[44]對三點(diǎn)彎曲和緊湊拉伸試樣進(jìn)行斷裂分析，觀測到推進(jìn)劑裂紋尖端的鈍化過程，表現(xiàn)出黏彈性材料裂紋尖端的特點(diǎn)。測定了單邊和雙邊穿透裂紋的HTPB固體火箭推進(jìn)劑拉伸試樣的裂紋啟裂臨界J-積分值。

圖3 PBX裂紋尖端的應(yīng)力橋接現(xiàn)象Fig.3 Stress bridging junction phenomenon in crack tip of PBXs

圖4 PBX模擬材料J-積分阻力曲線Fig.4 J-integral resistance curves for PBX simulant materials

圖5 固體推進(jìn)劑裂尖應(yīng)變與擴(kuò)展速率Fig.5 Crack tip strain and propagation rate in solid propellant

3.3 動態(tài)加載下PBX斷裂研究

動態(tài)加載下PBX材料的力學(xué)行為更加復(fù)雜，非線性的力學(xué)特性更加明顯[45]。研究表明，PBX斷裂韌性與加載率有一定的相關(guān)性。因此，動態(tài)加載下PBX材料斷裂行為非常復(fù)雜。羅景潤等[46]最早對PBX動態(tài)加載下斷裂性能進(jìn)行了系統(tǒng)性的研究。在Hopkinson壓桿實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)上建立動態(tài)斷裂試驗(yàn)裝置，在較高的加載速率下，對三點(diǎn)彎曲試件的動態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子進(jìn)行研究，并分析了試件的動態(tài)斷裂韌性(KID)和起裂時(shí)間。鐘衛(wèi)洲[47]基于羅景潤建立的PBX動態(tài)斷裂實(shí)驗(yàn)，對PBX線彈性動態(tài)斷裂韌性進(jìn)行數(shù)值模擬研究，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相差較大。Zhou Z B等[48]也采用分離式霍普金森壓桿動態(tài)加載技術(shù)，進(jìn)行半圓盤三點(diǎn)彎曲斷裂韌性測試實(shí)驗(yàn)。研究發(fā)現(xiàn)PBX模擬材料的動態(tài)斷裂韌性與加載率有著很強(qiáng)的線性關(guān)系，如圖6所示。陳榮等[49-50]提出一種脆性材料動態(tài)斷裂性能研究的新方案，利用Hopkinson加載半圓盤三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，在一次試驗(yàn)中測量包括起裂韌度、平均斷裂能、平均傳播韌度和平均裂紋傳播速度在內(nèi)的4個(gè)斷裂參數(shù)，PBX動態(tài)起裂韌度隨著加載率的增加而增加。Long B等[51]對固體推進(jìn)劑的動態(tài)斷裂研究發(fā)現(xiàn)，動態(tài)斷裂韌性對溫度和應(yīng)變率變化非常敏感，斷裂韌性與應(yīng)變之間存在簡單的線性關(guān)系，如圖7所示?；趯?shí)驗(yàn)結(jié)果的分析，給出了溫度與應(yīng)變率對斷裂韌性的影響關(guān)系式。

圖6 加載率對PBX模擬材料斷裂韌性的影響Fig.6 Effect of loading rate on the fracture toughness of simulant materials

圖7 溫度加載率對固體推進(jìn)劑斷裂韌性的影響Fig.7 Effect of temperature loading rate on the fracture toughness of solid propellant

4 結(jié)束語

PBX作為一種高填充的含能顆粒復(fù)合材料，力學(xué)性能非常復(fù)雜。目前關(guān)于PBX研究多采用線彈性斷裂力學(xué)方法(LEFM)，僅對I型裂紋進(jìn)行研究。對動態(tài)及復(fù)雜環(huán)境下PBX斷裂行為還缺乏深入的了解。因此，認(rèn)為以下4個(gè)方面是PBX斷裂研究值得發(fā)展的方向：

(1)考慮炸藥晶體構(gòu)型、黏結(jié)劑強(qiáng)度、炸藥晶體與黏結(jié)劑結(jié)合強(qiáng)度等因素，基于PBX材料配比的細(xì)觀數(shù)值模擬，對PBX細(xì)觀尺度上微裂紋萌生和擴(kuò)展研究有著積極的意義。

(2)對于脆性較強(qiáng)的PBX，如炸藥晶體體積分?jǐn)?shù)很高的壓裝PBX，傳統(tǒng)的線彈性斷裂力學(xué)方法可以很好地解釋其斷裂行為，建議采用以斷裂韌性為參數(shù)的斷裂判據(jù)；對于塑性/黏彈性較強(qiáng)的PBX，如黏結(jié)劑體積分?jǐn)?shù)較高的澆注型PBX，建議采用彈塑性/黏彈性斷裂力學(xué)方法對其斷裂行為進(jìn)行研究，使用以裂紋尖端張開位移(CTOD)和J-積分為參數(shù)的斷裂判據(jù)。

(3)溫度和應(yīng)變率對PBX材料的非線性力學(xué)特性有著非常大的影響。目前，動態(tài)加載PBX斷裂過程監(jiān)測是一個(gè)研究熱點(diǎn)。

(4)加載方式的不同導(dǎo)致結(jié)構(gòu)斷裂模式差別巨大。由于PBX材料具有顯著的拉壓不對稱特性，建立適合PBX材料特性的的復(fù)合型斷裂準(zhǔn)則值得深入研究。

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Researoh Progress on Fracture Mechanical Behaviors of PBX

DONG Tian-bao，WEI Xing-wen，ZHANG Wei-yao， GAN Hai-xiao

(Institute of Chemical Materials, CAEP, Mianyang Sichuan 621900, China)

In terms of the commonly used experimental methods, mesoscopic fracture modes, macroscopic fracture mechanics and dynamical fracture, the research works on the fracture mechanical behaviors of PBX at home and abroad were reviewed. The macroscopic and mesoscopic-fracture features and characterization methods of PBX were introduced. The effects of mesostructure, mechanical feature, temperature and loading rate on the fracture behavior of PBX were discussed. It is pointed out that the research on PBX mesocrack initiation and extension, macroscopic fracture initiation mechanism and the crack extension behavior under dynamical loading of PBX should be carried out, and the composite fracture criterion fitted the characteristics of PBX should be established. With 51 references.

solid mechanics; PBX; meso-scopic fracture; fracture mechanics;polymer bonded explosive

10.14077/j.issn.1007-7812.2017.04.001

2016-03-21；

2016-05-09

中國工程物理研究院化工材料研究所創(chuàng)新基金(2015KJCX07)

董天寶(1989-)，男，研究實(shí)習(xí)員，從事含能材料力學(xué)性能研究。E-mail：dongtianbao@caep.cn

韋興文(1977-)，男，副研究員，從事炸藥及高分子材料的力學(xué)性能研究。E-mail：weixw@caep.cn

TJ55；O346.1

A

1007-7812(2017)04-0001-07