超聲檢測(cè)方法研究HMX 及TATB 基PBX 的熱循環(huán)性能

程 壟，徐 堯，李 麗，肖 盼，龐海燕，張偉斌

（1.中國(guó)工程物理研究院化工材料研究所，四川 綿陽(yáng)621999；2.北京理工大學(xué)先進(jìn)加工技術(shù)國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，北京100081）

1 引言

高聚物黏結(jié)炸藥（PBX）是由炸藥晶體和高聚物黏結(jié)劑等組成的一種復(fù)合材料，反復(fù)變化的溫度載荷作為熱時(shí)效過(guò)程的工藝因素，以及貯存、運(yùn)輸和使用等過(guò)程的環(huán)境因素，將導(dǎo)致材料性能發(fā)生改變，直接影響到武器的使用性能和安全性能。

超聲無(wú)損檢測(cè)方法，具有非破壞、操作簡(jiǎn)單、效率高的優(yōu)點(diǎn)，在國(guó)內(nèi)外被廣泛用于金屬、復(fù)合材料、陶瓷等材料的性能表征，從不同角度來(lái)看，材料細(xì)觀結(jié)構(gòu)、形態(tài)以及相應(yīng)的力學(xué)性能等很多方面能與超聲時(shí)頻參量、非線性參量等建立關(guān)系，使其成為材料性能表征的有效手段。在含能材料領(lǐng)域，田勇［1-4］、張偉斌［5-6］、韋興文［7］、蘭瓊［8］、徐堯［9］等采用超聲無(wú)損檢測(cè)方法研究了壓制成型、熱處理、熱循環(huán)、熱沖擊、機(jī)械載荷等過(guò)程對(duì)PBX 性能的影響，主要集中在利用分層、裂紋和疏松等內(nèi)部缺陷的超聲波信號(hào)進(jìn)行內(nèi)部質(zhì)量的表征，利用超聲波聲速、增益和衰減量進(jìn)行損傷破壞的表征，以及利用超聲波聲速進(jìn)行應(yīng)力狀態(tài)的表征。在合金［10-11］、巖石［12-13］、混凝土［14-15］等材料領(lǐng)域，許多研究人員采用超聲脈沖法測(cè)定了材料的聲學(xué)參量、動(dòng)彈性模量及泊松比，并開(kāi)展其與力學(xué)性能、結(jié)構(gòu)特征、微觀機(jī)制的關(guān)系研究，但含能材料在環(huán)境溫度反復(fù)變化下的性能及超聲無(wú)損檢測(cè)方法研究仍然有待開(kāi)展探索性和適用性試驗(yàn)。

為了進(jìn)一步探索超聲無(wú)損檢測(cè)方法在含能材料熱循環(huán)性能研究中的適用性，對(duì)HMX 及TATB 基PBX 熱循環(huán)試驗(yàn)過(guò)程中的超聲縱、橫波聲速和動(dòng)、靜彈性模量等超聲波特征參量變化規(guī)律進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)觀察，并對(duì)這些超聲波特性參量變化規(guī)律與熱疲勞損傷和微裂隙、孔隙黏結(jié)劑流動(dòng)等性能關(guān)系進(jìn)行了分析討論，為HMX及TATB 基PBX 熱循環(huán)性能研究提供了新型超聲無(wú)損檢測(cè)方法支撐。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 試樣

HMX 基PBX，中國(guó)工程物理研究院化工材料研究所；HMX 單質(zhì)炸藥晶體、F2311（氟樹(shù)脂）黏結(jié)劑和部分鈍感炸藥TATB 組成的炸藥造型粉經(jīng)等靜壓壓制大坯料，切取15 mm×102 mm 方啞鈴平行試樣（1#～10#），密度均為1.847 g·cm-3。

TATB 基PBX，中國(guó)工程物理研究院化工材料研究所；TATB單質(zhì)炸藥晶體和F2314（氟樹(shù)脂）黏結(jié)劑組成的炸藥造型粉經(jīng)等靜壓壓制大坯料，切取15 mm×102 mm方啞鈴平行試樣（11#～20#），密度均為1.893 g·cm-3。

2.2 儀器及試驗(yàn)條件

圖1 動(dòng)彈性模量測(cè)量系統(tǒng)Fig.1 Measurement system of dynamic elastic modulus

超聲波傳感器為2.25 MHz 橫縱波一體化探頭，中國(guó)工程物理研究院化工材料研究所自研；集合常規(guī)縱波直探頭和常規(guī)橫波直探頭為一體，包括吸聲材料、縱波壓電晶片、橫波壓電晶片、阻尼塊、電纜線以及外殼等，實(shí)現(xiàn)縱波和橫波同時(shí)檢測(cè)，保證縱波和橫波垂直入射，耦合劑為Olympus 公司的SWC?2 橫波耦合劑，如圖2 所示。

利用ESPEC 公司生產(chǎn)的SETH?Z041U 調(diào)溫調(diào)濕箱對(duì)HMX 及TATB 基PBX 試樣進(jìn)行熱循環(huán)試驗(yàn)，在-40～75 ℃開(kāi)展熱循環(huán)試驗(yàn)。其中，室溫—-40℃—75 ℃—室溫為一個(gè)熱循環(huán)試驗(yàn)周期，升降溫速率為1 ℃·min-1，并 在-40 ℃和75 ℃恒 溫2 h 使 試 樣 溫 度均勻穩(wěn)定。HMX 基PBX 試樣（1#～10#）和TATB 基PBX的10 個(gè)平行試樣（11#～20#）分別經(jīng)歷3N 個(gè)（N=0，1，2，…，9）熱循環(huán)試驗(yàn)周期。靜彈性模量采用英國(guó)Instron 5582 萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸性能的測(cè)試，根據(jù)拉伸應(yīng)力?應(yīng)變曲線計(jì)算得到，測(cè)試參照GJB772A-1997 方法417.1 標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，橫梁速度為0.5 mm·min-1，測(cè)試溫度為（20±2）℃。

圖2 橫縱波一體化探頭原理示意及實(shí)物圖1—外殼，2—阻尼塊，3—吸聲材料，4—橫波壓電晶片，5—縱波壓電晶片F(xiàn)ig.2 Schematic and physical diagram of integrated ultrason?ic longitudinal and transverse wave sensor1—shell，2—damping block，3—sound absorbing material，4—transverse wave piezoelectric wafer，5—longitudinal wave piezoelectric wafer

3 彈性模量和泊松比超聲測(cè)量方法

動(dòng)彈性模量（楊氏模量、剪切模量）和動(dòng)泊松比采用超聲聲速法測(cè)量［17-18］。超聲波在固體介質(zhì)中的傳播速度與介質(zhì)的彈性模量和密度有關(guān)，通過(guò)測(cè)量介質(zhì)中的縱、橫波聲速可計(jì)算得到其楊氏模量、剪切模量和泊松比。

式中，E 為楊氏模量，GPa；G 為剪切模量，GPa；σ 為泊松 比；ρ 為 介 質(zhì) 的 密 度，g·cm-3；VL為 縱 波 的 聲 速，m·s-1；VS為橫波的聲速，m·s-1。

超聲波縱波聲速和橫波聲速通過(guò)厚度除以介質(zhì)中傳播聲時(shí)的方法得到，計(jì)算公式為：

式中，h 為厚度，m；Δt 為聲時(shí)，s；V 為聲速，m·s-1。

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 超聲聲速-熱疲勞損傷

HMX 及TATB 基PBX 經(jīng)歷不同熱循環(huán)試驗(yàn)周期后的熱循環(huán)試驗(yàn)周期?密度及超聲參量關(guān)系見(jiàn)圖3。

由圖3a 可見(jiàn)，在試驗(yàn)過(guò)程中，隨著熱循環(huán)周期增加，HMX 基PBX 的密度降低且速率逐步平緩，TATB 基PBX 的密度呈先降低并速率放緩后略微回升的趨勢(shì)。分析認(rèn)為，熱循環(huán)導(dǎo)致PBX 產(chǎn)生不可逆長(zhǎng)大，密度降低，主要原因包括熱膨脹系數(shù)不同導(dǎo)致黏結(jié)劑/炸藥晶體界面脫粘引起塑性變形，內(nèi)部微孔隙或微缺陷的擴(kuò)張、炸藥晶體的不可逆長(zhǎng)大等。但隨周期增加，密度降低速率放緩，甚至密度略微回升，這與熱應(yīng)力作用導(dǎo)致PBX 產(chǎn)生塑性形變的特性有關(guān)［7，19-20］。由圖3b～圖3f 可見(jiàn)，在試驗(yàn)過(guò)程中，隨著熱循環(huán)周期增加，HMX 及TATB 基PBX 的縱波聲速、橫波聲速、動(dòng)楊氏模量、動(dòng)剪切模量的變化趨勢(shì)與其密度變化趨勢(shì)一致，動(dòng)泊松比基本不變。

朱濤等[32]通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)分析了寬級(jí)配礫質(zhì)土的壓實(shí)特性，結(jié)果表明，寬級(jí)配礫質(zhì)土擊實(shí)時(shí)干密度和含水率關(guān)系曲線呈上凸的拋物線型，具有一個(gè)最優(yōu)含水率。擊實(shí)后的最大干密度隨著礫石含量的增加先迅速增大，后又開(kāi)始逐漸減小。隨著礫石含量的增加，其最優(yōu)含水率先逐漸減小，后基本趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

HMX 及TATB 基PBX 經(jīng)歷不同熱循環(huán)試驗(yàn)周期后的縱波聲速、橫波聲速?密度關(guān)系、線性擬合直線及擬合后線性關(guān)系表達(dá)式見(jiàn)圖4。由圖4 可見(jiàn)，在熱循環(huán)試 驗(yàn) 過(guò) 程 中，HMX 和TATB 基PBX 的 縱、橫 波 聲 速 與密度具有正相關(guān)的線性關(guān)系。

圖3 HMX 及TATB 基PBX 的熱循環(huán)試驗(yàn)周期?密度及超聲參量關(guān)系Fig.3 The relationship between thermal cycle number and density and ultrasonic parameters of HMX? and TATB? based PBX

圖4 熱循環(huán)試驗(yàn)過(guò)程中HMX 及TATB 基PBX 縱波聲速、橫波聲速?密度的線性關(guān)系Fig. 4 The linear relationship between longitudinal/shear wave velocity and density of HMX? and TATB? based PBX during thermal cycling

關(guān)聯(lián)材料的整體微細(xì)觀性能，熱循環(huán)試驗(yàn)將使PBX 產(chǎn)生熱疲勞損傷，基于Lemaitre［21］等效應(yīng)變假設(shè)的損傷本構(gòu)方程，損傷可通過(guò)損傷前后材料彈性模量的變化來(lái)定義或度量。

式 中，D 為PBX 的 損 傷 變 量；E 為 無(wú) 損PBX 彈 性 模 量，GPa；? 為受損PBX 彈性模量，GPa；ρ 為無(wú)損PBX 的密度，g·cm-3；ρ?為受損PBX 的密度，g·cm-3；VL和VS分別為無(wú)損PBX 縱波聲速，m·s-1；V?L和V?S分別為受損PBX縱波聲速，m·s-1。

由式（2），（5），（6）和（7）可見(jiàn)，熱循環(huán)試驗(yàn)過(guò)程中，PBX 熱循環(huán)損傷量與密度變化和內(nèi)部微損傷密切相關(guān)，可用密度和超聲聲速的表達(dá)式進(jìn)行計(jì)算。如果PBX 密度已知，可利用式（2）和（5），通過(guò)超聲縱、橫波聲速計(jì)算彈性模量，定量評(píng)價(jià)PBX 熱循環(huán)試驗(yàn)中的熱疲勞損傷；如果PBX 密度未知，可利用縱波聲速或橫波聲速和密度的線性關(guān)系，將縱波聲速或橫波聲速代入式（6）或式（7），直接通過(guò)縱波聲速或橫波聲速定量評(píng)價(jià)PBX 熱循環(huán)試驗(yàn)中的熱疲勞損傷。

4.2 動(dòng)靜態(tài)模量?微裂隙、孔隙

HMX 及TATB 基PBX 經(jīng)歷不同熱循環(huán)試驗(yàn)周期后的熱循環(huán)試驗(yàn)周期?動(dòng)彈性模量、靜彈性模量和動(dòng)靜彈性模量比關(guān)系分別見(jiàn)圖5 和圖6。由圖5 和圖6 可見(jiàn)：（1）PBX 動(dòng)彈性模量高于靜彈性模量，動(dòng)靜彈性模量比大于1；（2）熱循環(huán)試驗(yàn)過(guò)程中，HMX 及TATB 基PBX 都經(jīng)歷了靜彈性模量先降低再升高，動(dòng)靜彈性模量比先升高再降低的兩個(gè)階段，前者拐點(diǎn)在第15 個(gè)熱循環(huán)周期，后者拐點(diǎn)在第21 個(gè)熱循環(huán)周期。

圖5 HMX 基PBX 的熱循環(huán)試驗(yàn)周期?動(dòng)彈性模量、靜彈性模量和動(dòng)靜彈性模量比關(guān)系Fig.5 The relationship between thermal cycle number and elastic modulus of HMX?based PBX

圖6 TATB 基PBX 的熱循環(huán)試驗(yàn)周期?動(dòng)彈性模量、靜彈性模量和動(dòng)靜彈性模量比關(guān)系Fig.6 The relationship between thermal cycle number and elastic modulus of TATB?based PBX

對(duì)其中微觀作用機(jī)制進(jìn)行分析討論：

（1）動(dòng)、靜態(tài)載荷的應(yīng)變幅值和載荷頻率不同，靜態(tài)屬于無(wú)限低頻率的大應(yīng)變載荷，聲波為小應(yīng)變載荷。PBX 的動(dòng)、靜彈性模量之所以存在差異，是因?yàn)镻BX 為多相不均勻介質(zhì)，其內(nèi)部和界面上通常存在較多的微孔隙、裂隙、裂紋等缺陷。在靜態(tài)大應(yīng)變條件下，PBX 將發(fā)生沿裂隙面或顆粒接觸面的摩擦滑動(dòng)，使PBX 靜彈性模量降低。而聲波引起的應(yīng)變很小，不足以引起這種滑動(dòng)，因而PBX 動(dòng)彈性模量高于靜彈性模量。

（2）PBX 是由炸藥晶體和高分子黏結(jié)劑所組成的復(fù)合體系，熱循環(huán)試驗(yàn)過(guò)程中有類似巖石彈性物理研究中的巖石骨架和孔隙流體的結(jié)構(gòu)特性。參考Gassmann 方程理論［22］及其在巖石孔隙彈性特性［23］和動(dòng)態(tài)與靜態(tài)彈性參數(shù)差別中的應(yīng)用研究［24］，從材料內(nèi)部因素出發(fā)，可知靜彈性模量受微裂隙（裂隙面或顆粒接觸面）影響，微裂隙增加，靜態(tài)大應(yīng)變條件下更容易摩擦滑動(dòng)，則靜彈性模量降低；反之，則相反。而小應(yīng)變聲波加載對(duì)微裂隙不敏感，動(dòng)彈性模量受微孔隙流體粘度，主要是高聚物黏結(jié)劑的粘彈態(tài)甚至流態(tài)變化的影響。

（3）對(duì)熱循環(huán)試驗(yàn)中PBX 動(dòng)、靜彈性模量和動(dòng)靜彈性模量比變化的物理機(jī)理初步解釋為：熱循環(huán)試驗(yàn)第一個(gè)階段是PBX 尺寸不可逆長(zhǎng)大，加上黏結(jié)劑和炸藥晶體熱膨脹系數(shù)不一致，造成的顆粒邊界微裂隙增加，微裂隙率增加，使PBX 靜彈性模量降低；第二個(gè)階段由于熱循環(huán)試驗(yàn)，特別是高溫段的反復(fù)作用下，PBX中玻璃化溫度較低（30 ℃左右）的黏結(jié)劑以及少量低熔點(diǎn)助劑變成粘彈態(tài)甚至流態(tài)［4］，一方面，使得PBX 各組分之間特別是黏結(jié)劑與炸藥晶體之間原本不太好的界面狀態(tài)得到改善，靜彈性模量升高；另一方面，微孔隙中粘彈態(tài)甚至流態(tài)黏結(jié)劑的存在為動(dòng)態(tài)測(cè)試下的炸藥提供了附加剛度使動(dòng)彈性模量降低速率減緩。

5 結(jié)論

（1）在熱循環(huán)試驗(yàn)過(guò)程中，隨著熱循環(huán)周期增加，HMX 基PBX 的密度降低且速率逐步平緩，TATB 基PBX 的密度呈先降低并速率放緩后略微回升的趨勢(shì)?？v波聲速、橫波聲速、動(dòng)楊氏模量、動(dòng)剪切模量的變化趨勢(shì)與其密度變化趨勢(shì)一致，動(dòng)泊松比基本不變。

（2）熱循環(huán)損傷量與密度變化和內(nèi)部微損傷密切相關(guān)，可用密度和超聲聲速的表達(dá)式進(jìn)行計(jì)算，且熱循環(huán)試驗(yàn)過(guò)程中縱、橫波聲速與密度具有正相關(guān)的線性關(guān)系，因此超聲縱波聲速或橫波聲速可直接定量評(píng)價(jià)PBX 熱循環(huán)試驗(yàn)中的熱疲勞損傷。

（3）PBX 動(dòng)彈性模量高于靜彈性模量，動(dòng)靜彈性模量比大于1，差別是因?yàn)镻BX 為多相不均勻介質(zhì)，且其內(nèi)部和界面上通常存在較多的微孔隙、裂隙、裂紋等缺陷的結(jié)構(gòu)特征，導(dǎo)致動(dòng)、靜態(tài)載荷加載效果不同。

（4）在熱循環(huán)試驗(yàn)過(guò)程中，隨著周期增加，HMX及TATB 基PBX 的靜彈性模量先降低再升高，動(dòng)靜彈性模量比先升高再降低，前者拐點(diǎn)在第15 個(gè)熱循環(huán)周期，后者拐點(diǎn)在第21 個(gè)熱循環(huán)周期，內(nèi)在因素包括第一階段的微裂隙率增加和第二階段的微孔隙中粘彈態(tài)甚至流態(tài)黏結(jié)劑。