Taylor沖擊載荷作用下PBX炸藥細(xì)觀損傷模式及機(jī)理研究

蔡宣明， 張 偉， 徐 鵬， 高玉波， 范志強(qiáng)

(1. 中北大學(xué) 國防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室， 太原 030051； 2. 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 高速撞擊研究中心， 哈爾濱 150080)

PBX炸藥具有高能低感特性，力學(xué)性能較為穩(wěn)定，且易于加工成所需要的結(jié)構(gòu)形式，在武器戰(zhàn)斗部、導(dǎo)彈裝藥部及大型攻擊性武器中應(yīng)用尤為廣泛[1-5]。不論在哪一種武器中，PBX炸藥裝藥結(jié)構(gòu)都是薄弱環(huán)節(jié)，其在裝配、運(yùn)輸、高速侵徹等因素的影響下，將產(chǎn)生不同形式不同程度的損傷[6-7]，這些損傷將直接威脅到PBX炸藥的安全性，甚至引起PBX炸藥裝藥提前起爆，造成不可預(yù)估的后果[8-9]。因此，為了保證武器戰(zhàn)斗部裝藥的安全性及可靠性，對PBX炸藥損傷特性進(jìn)行研究顯得尤為重要。

對于PBX炸藥在準(zhǔn)靜態(tài)載荷作用下的損傷特性(包含宏觀和細(xì)觀)研究[10-11]，在國內(nèi)外研究報(bào)道中較為常見。陳鵬萬[12]對某高聚物粘結(jié)炸藥的細(xì)觀力學(xué)行為進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)與理論分析，表明某PBX炸藥最主要的破壞機(jī)理是晶體顆粒界面的脫粘與粘結(jié)劑的成穴失效。盧芳云課題組[13]通過巴西圓盤實(shí)驗(yàn)間接拉伸方式，研究了PBX炸藥在拉伸作用下的斷裂損傷特性，其應(yīng)用晶體穿晶斷裂和臨界脫粘理論對PBX炸藥的拉伸斷裂模式進(jìn)行了分析，認(rèn)為脫粘裂紋在載荷作用初期就已發(fā)生，隨著載荷的增大，晶體顆粒發(fā)生穿晶斷裂。Suraj等[14]采用聚合物結(jié)合糖替代力學(xué)性能較為相近的PBX炸藥，進(jìn)而對其在動態(tài)載荷作用下的多尺度損傷特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，研究表明在整體應(yīng)變較小時就已萌生損傷孵化，隨著載荷增大，從而導(dǎo)致剪切帶的形成，并指出晶體顆粒的摩擦加熱和聚合物粘結(jié)劑的脫粘可能是損傷的熱點(diǎn)機(jī)制。雖然近年來國內(nèi)外對PBX炸藥損傷特性研究有新的成果報(bào)道，然而，對PBX炸藥從較小到較大一系列沖擊載荷作用下的宏觀及細(xì)觀損傷特性、細(xì)觀損傷機(jī)理以及細(xì)觀損傷與宏觀損傷之間的關(guān)聯(lián)性研究仍然較為稀缺，若想正確認(rèn)識PBX炸藥的損傷特性及破壞機(jī)理，為PBX炸藥裝藥結(jié)構(gòu)的安全性設(shè)計(jì)提供重要的依據(jù)，那么對PBX炸藥的損傷模式及破壞機(jī)理進(jìn)行詳細(xì)完整的研究具有重要意義。

本研究采用Taylor沖擊加載方式對某PBX炸藥的損傷特性進(jìn)行研究，通過掃描電子顯微鏡(SEM)分析其細(xì)觀損傷模式，結(jié)合PBX炸藥細(xì)觀損傷理論研究其在Taylor沖擊載荷作用下的細(xì)觀損傷機(jī)理，以及細(xì)觀損傷演變與宏觀失效之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料及試件

文中研究的PBX炸藥主要由Al粉，RDX晶體顆粒，以及聚合物等組成，其成分比例當(dāng)中，RDX含量約占40%的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，Al粉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為24%，丁二烯聚合物占總質(zhì)量剩余的36%，圖1是二烯聚合物與Al粉組合結(jié)構(gòu)的細(xì)觀形貌。圖2是該P(yáng)BX炸藥細(xì)觀結(jié)構(gòu)形貌，由圖可知，該P(yáng)BX炸藥晶體顆粒端面清晰，其與粘結(jié)劑無空隙連接；粘結(jié)劑光滑且無初始損傷微裂紋，晶體顆粒大小各有差異，主要在50～300 μm之間，呈多層狀，不規(guī)則分布于聚合物中。該P(yáng)BX炸藥試件由模具澆注而成，力學(xué)性能較為穩(wěn)定，其密度為1.65 g/cm3，實(shí)驗(yàn)試件尺寸為?20×5 mm。

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

Taylor沖擊載荷作用下PBX炸藥的一系列實(shí)驗(yàn)研究在哈爾濱工業(yè)大學(xué)的一級輕氣炮進(jìn)行。圖3是Taylor沖擊加載裝置，通過控制一級輕氣炮高壓倉中的壓力進(jìn)而調(diào)整實(shí)驗(yàn)試件的擊靶速度，由激光測速系統(tǒng)監(jiān)測實(shí)驗(yàn)試件擊靶前的速度，裝甲鋼作為沖擊靶，壓電傳感器安置在一級輕氣炮彈道中心位置，Taylor沖擊壓力實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集由TDS5054B Digital Phosphor Oscilloscope完成，為了盡可能避免外界客觀因素對PBX炸藥損傷特性研究的影響，防護(hù)艙中采用緩沖泡沫材料。

圖1 二烯聚合物與Al粉組合物Fig.1 Butadiene Polymers and Al powder compositions

圖2 PBX炸藥細(xì)觀結(jié)構(gòu)形貌Fig.2 Meso-structure morphology of PBX explosives

圖3 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.3 Schematic diagram of the experimental device

2 結(jié)果與分析

2.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了能夠得到一個較為完整的損傷特性，從較小的沖擊速度開始，并逐漸增大實(shí)驗(yàn)試件的沖擊速度，直至使得實(shí)驗(yàn)試件破壞嚴(yán)重?zé)o法回收，一系列實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果,如表1所示。

從回收的實(shí)驗(yàn)試件分析可知，當(dāng)實(shí)驗(yàn)試件受到15.5 MPa較小沖擊壓力作用時(相對應(yīng)的實(shí)驗(yàn)試件擊靶速度為13.7 m/s)，試件無任何宏觀損傷印痕，外界載荷不足以引起實(shí)驗(yàn)試件宏觀損傷產(chǎn)生。增大沖擊載荷，此時外載荷能量足以使得試件發(fā)生宏觀損傷特征，在應(yīng)力較為薄弱區(qū)域出現(xiàn)了微損傷印痕，如圖4(a)所示；繼續(xù)增大沖擊載荷，此時外載荷能量超越了實(shí)驗(yàn)試件微損傷所需能量，富余能量使得試件損傷進(jìn)一步沿應(yīng)力較為薄弱的方向開始發(fā)展，于是出現(xiàn)了較為明顯的損傷裂紋，如圖4(b)所示。隨著沖擊載荷的繼續(xù)增大，試件裂紋損傷明顯加劇，部分開始發(fā)生破碎，并且出現(xiàn)了新的徑向裂紋，如圖4(c)所示。伴隨外載荷能量的增大，試件損傷特征主要沿兩個方向發(fā)展：其一，隨著裂紋損傷能量的增加，裂紋不斷沿應(yīng)力薄弱路徑擴(kuò)展，出現(xiàn)部分破碎現(xiàn)象；其二，在損傷裂紋能量轉(zhuǎn)換過程中，衍生新的裂紋(包括徑向裂紋)，新的裂紋又不斷發(fā)展，繼而使得試件破裂。當(dāng)沖擊載荷壓力增至45.7 MPa時，實(shí)驗(yàn)試件產(chǎn)生較為嚴(yán)重的破碎，如圖4(d)所示。繼續(xù)增大沖擊載荷至73.1 MPa時，試件破碎嚴(yán)重，無法回收。因此，對于該P(yáng)BX試件在Taylor沖擊載荷作用下的損傷特性研究，其沖擊載荷壓力不宜超越73.1 MPa。

表1 實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果Tab.1 Experimental research Results

(a) P=19.8 MPa

(b) P=27.5 MPa

(c) P=33.2 MPa

(d) P=45.7 MPa圖4 PBX試件宏觀損傷形貌Fig.4 Macroscopic damage morphology of PBX specimen

2.2 細(xì)觀損傷模式

由于PBX炸藥本身不具有導(dǎo)電性能，在細(xì)觀分析之前需對其進(jìn)行打磨噴金處理工序，噴金工作由哈爾濱工業(yè)大學(xué)的LEICA EM SCD050精密刻蝕噴鍍儀完成，如圖5所示；采用哈爾濱工業(yè)大學(xué)的HITACHI掃描電子顯微鏡完成細(xì)觀掃描分析，如圖6所示。

圖5 精密刻蝕噴鍍儀Fig.5 Precision etching spraying instrument

在Taylor沖擊載荷作用下，PBX炸藥實(shí)驗(yàn)試件內(nèi)部存儲一定的沖擊波能量，這一能量未能及時釋放，當(dāng)其達(dá)到一定數(shù)值時，試件內(nèi)部晶體顆粒與粘結(jié)劑脫離，晶體顆粒產(chǎn)生裂紋，隨著沖擊能量的不斷增加，裂紋將不斷擴(kuò)展，這種裂紋傳播路徑較為復(fù)雜，但總體表現(xiàn)為沿應(yīng)力較為薄弱的路徑擴(kuò)展。隨著能量裂紋的加劇，導(dǎo)致顆粒開始破碎。繼續(xù)增大沖擊波能量，除了顆粒破碎更為嚴(yán)重外，當(dāng)這一增大的沖擊波能量大于粘結(jié)劑強(qiáng)度時，粘結(jié)劑劈裂現(xiàn)象開始出現(xiàn)，進(jìn)而引起試件宏觀變形破壞。

圖6 HITACHI掃描電子顯微鏡Fig.6 Hitachi scanning electron microscope

當(dāng)沖擊波能量大于晶體顆粒與粘結(jié)劑的粘合強(qiáng)度時，顆粒表面與粘結(jié)劑之間剪切脫粘現(xiàn)象開始發(fā)生，如圖7所示；隨著沖擊波能量的增大，晶體顆粒出現(xiàn)裂紋，并沿應(yīng)力薄弱區(qū)域不斷擴(kuò)展，裂紋損傷加劇，導(dǎo)致顆粒破碎，尺寸較大的晶體顆粒應(yīng)力較為集中，因此，大尺寸顆粒較小尺寸顆粒先發(fā)生破碎現(xiàn)象，如圖8所示。

圖7 顆粒表面與粘結(jié)劑剪切脫粘Fig.7 Particle surface and binder shearing debonding

圖8 晶體顆粒破碎Fig.8 Crystal particle breakage

2.3 細(xì)觀損傷機(jī)制

在外載荷作用下，引起材料細(xì)觀結(jié)構(gòu)劣化過程，這一過程定義為損傷。通常將損傷變量定義為：

D=1-ψ

(1)

式中：ψ表示連續(xù)度，是一個無量綱的標(biāo)量場變量，其定義為：

(2)

(3)

即為各向同性材料的損傷變量。對于完全無損傷狀態(tài)，D=0；對于完全喪失承載能力狀態(tài)時，D=1。實(shí)驗(yàn)試件宏觀變形與損傷過程與細(xì)觀損傷參量之間必然存在一定的關(guān)聯(lián)，對典型損傷基元(晶體顆粒表面與粘結(jié)劑剪切脫粘、微裂紋、顆粒破碎等)通過統(tǒng)計(jì)方法，研究其變形與演變過程，主要有四種損傷關(guān)系。

1) 彈性損傷

將應(yīng)變與損傷耦合，通過有效應(yīng)力及應(yīng)變等價(jià)原理，可以獲得直接耦合狀態(tài)[16]：

(4)

2) 顆粒脫離粘結(jié)劑

由于該P(yáng)BX炸藥晶體顆粒表面與粘結(jié)劑的粘合強(qiáng)度小于粘結(jié)劑本身強(qiáng)度，隨著外載荷沖擊波能量的增大，顆粒表面與粘結(jié)劑首先開始發(fā)生脫離現(xiàn)象，這一脫離現(xiàn)象使得顆粒與粘結(jié)劑之間出現(xiàn)“松動”現(xiàn)象，即晶體顆粒表面與粘結(jié)劑之間產(chǎn)生空隙，如圖7所示。晶體顆粒與粘結(jié)劑之間的脫粘應(yīng)力可應(yīng)用Nicholson的能量模型[15]來預(yù)測，由于該P(yáng)BX炸藥晶體顆粒彈性模量較粘結(jié)劑基體彈性模量至少大3個量級[13]，因此，相對于粘結(jié)劑基體彈性模量，晶體顆粒彈性模量可視為無窮大，則Nicholson的能量模型可表達(dá)為[15]：

(5)

式中：Eb為粘結(jié)劑基體的彈性模量；φ是PBX炸藥晶體顆粒的體積百分?jǐn)?shù);γ為單位面積顆粒與粘結(jié)劑界面的粘著力所做的功;r是PBX炸藥最大顆粒晶體的半徑。前期已對該P(yáng)BX炸藥動態(tài)力學(xué)性能進(jìn)行了詳細(xì)研究，可知該P(yáng)BX炸藥粘結(jié)劑基體彈性模量Eb的值為3.5 MPa，顆粒體積百分?jǐn)?shù)φ為93.5%，單位面積晶體顆粒與粘結(jié)劑界面粘結(jié)力做功γ為61 mJ/m2，該P(yáng)BX炸藥晶體顆粒直徑尺寸主要在50～300 μm之間，因此，顆粒最大半徑r取值為150 μm，將這些參數(shù)代入式(5)，可求得顆粒表面與粘結(jié)劑之間的脫粘應(yīng)力σd=0.37 MPa，因此，在較小Taylor沖擊載荷作用時，該P(yáng)BX炸藥晶體顆粒表面與粘結(jié)劑之間脫離現(xiàn)象就開始發(fā)生。

3) 細(xì)觀損傷裂紋

隨著外載荷沖擊波能量的增大，該P(yáng)BX炸藥內(nèi)部將萌生細(xì)觀裂紋，這一損傷臨界值Dc可近似描述為[16]：

(6)

式中:σ為一維應(yīng)力;σb為極限應(yīng)力，由前期研究工作可獲得σb=34 MPa。Dc≈0表示純脆性斷裂，Dc≈1表示純延性斷裂，Dc數(shù)值在0～1之間變化，通常為0.2～0.5的量級。將表1代入式(6)可求得損傷臨界值，結(jié)果如表2所示。由Taylor沖擊載荷作用下的實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果分析可知，實(shí)驗(yàn)編號6、7、8試件破損嚴(yán)重，已無法回收，失去承載能力，因此無需分析其Dc值。由表2可見，其Dc值在0.024～0.544之間，除實(shí)驗(yàn)編號1求得Dc值為0.544(約為4.4%差異值)，因此，其Dc值滿足0.2～0.5的量級，該P(yáng)BX炸藥晶體顆粒表面出現(xiàn)細(xì)觀裂紋。

表2 實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果Dc值Tab.2 Dc values of Experimental results

4) 晶體顆粒斷裂

除了之前發(fā)生的顆粒表面與粘結(jié)劑之間剪切脫粘現(xiàn)象，顆粒表面出現(xiàn)細(xì)觀裂紋等細(xì)觀損傷特征外，隨著Taylor沖擊載荷的增大，PBX炸藥試件細(xì)觀顆粒受到較大沖擊載荷能量的影響，使得顆粒表面裂紋不斷沿應(yīng)力集中方向傳播，傳播過程中由于能量來不及轉(zhuǎn)換，因此，在顆粒細(xì)觀裂紋劇烈擴(kuò)展過程中又萌生許多新的微裂紋，這些微裂紋又以同樣地方式傳播，錯綜復(fù)雜，進(jìn)而使得晶體顆粒破碎，發(fā)生穿晶斷裂。這一現(xiàn)象的發(fā)生，主要由于外載荷沖擊壓力遠(yuǎn)大于該P(yáng)BX炸藥晶體顆粒的破壞強(qiáng)度。確定其破壞強(qiáng)度對研究該P(yáng)BX炸藥細(xì)觀損傷機(jī)理具有重要意義。而該P(yáng)BX炸藥晶體顆粒破壞強(qiáng)度可采用PBX炸藥理論強(qiáng)度經(jīng)驗(yàn)公式對其進(jìn)行預(yù)估，表達(dá)如下[16]：

(7)

式中:σ是PBX炸藥原子間的距離增大到r時所需要的外力，Δr是偏離所在位置的位移，σmax為PBX炸藥晶體顆粒破壞強(qiáng)度，λ為相關(guān)參數(shù)。由Mouse方程偏導(dǎo)可得到[16]：

(8)

式中:r0為PBX炸藥原子間固有距離。將宏觀定律應(yīng)用于微觀事物上，即由胡克定律可得如下關(guān)系式：

(9)

則有：

(10)

結(jié)合式(7)～(9)，代入式(10)可求得：

(11)

由式(11)可見，該P(yáng)BX炸藥晶體顆粒破壞強(qiáng)度與其彈性模量Ep緊密相關(guān)。由前期對該P(yáng)BX炸藥動態(tài)力學(xué)性能研究工作中可知Ep=150 MPa，代入式(11)求得該P(yáng)BX炸藥破壞強(qiáng)度σmax=20.56 MPa。由SEM掃描分析結(jié)果可知，當(dāng)Taylor沖擊載荷壓力值在19.8～29.6 MPa這個區(qū)間段，該P(yáng)BX炸藥細(xì)觀損傷模式中存在晶體顆粒破碎現(xiàn)象，如圖8所示。因此，采用PBX炸藥理論強(qiáng)度經(jīng)驗(yàn)公式對預(yù)測該P(yáng)BX炸藥晶體顆粒破壞強(qiáng)度具有一定參考價(jià)值。隨著沖擊載荷壓力增大，不僅尺寸較大顆粒發(fā)生穿晶斷裂，直徑較小的晶體顆粒同樣產(chǎn)生破碎現(xiàn)象；同時，細(xì)觀損傷裂紋不斷加劇，并沿應(yīng)力較為薄弱路徑傳播，傳播過程急劇能量使新的裂紋萌生，且以同樣的方式不斷擴(kuò)展，如此反復(fù)進(jìn)行，相互交替，錯綜復(fù)雜，最后發(fā)展成宏觀裂紋。同樣的能量傳遞方式，外載荷能量又使得宏觀裂紋不斷沿應(yīng)力薄弱區(qū)域擴(kuò)張，交錯進(jìn)行，最終使該P(yáng)BX炸藥試件完全破碎。

3 結(jié) 論

(1) 在較小Taylor沖擊載荷作用下，該P(yáng)BX炸藥晶體顆粒表面與粘結(jié)劑之間的剪切脫粘現(xiàn)象就已開始發(fā)生。由于其剪切強(qiáng)度僅為0.37 MPa，是多種細(xì)觀損傷模式中的最小損傷臨界強(qiáng)度，因此，最先發(fā)生這一細(xì)觀損傷模式。

(2) 隨著沖擊載荷能量的增加，出現(xiàn)細(xì)觀損傷裂紋，并不斷沿應(yīng)力較為薄弱路徑急劇擴(kuò)展，同時萌生新的損傷裂紋，裂紋擴(kuò)展錯綜復(fù)雜，最后使得晶體顆粒破碎，發(fā)生穿晶斷裂，粘結(jié)劑劈裂等主要細(xì)觀損傷模式，隨著細(xì)觀損傷裂紋的加劇從而導(dǎo)致該P(yáng)BX炸藥試件宏觀裂紋的出現(xiàn)。

(3) 文中采用細(xì)觀損傷理論預(yù)測該P(yáng)BX炸藥的細(xì)觀損傷模式與實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果基本相符，因此，該細(xì)觀損傷理論能夠應(yīng)用于該P(yáng)BX炸藥在Taylor沖擊載荷作用下的細(xì)觀損傷機(jī)理研究。