DNAN基熔鑄炸藥的動(dòng)態(tài)力學(xué)行為及點(diǎn)火特性

中圖分類號(hào)：O347.3;TJ55;O521.9 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

侵徹類武器是打擊海上大型艦船、地面堅(jiān)固工事的重要手段之一。在侵徹過(guò)程中，裝藥處于拉伸、壓縮、剪切、摩擦等復(fù)雜載荷條件下[-2]，可能導(dǎo)致裝藥發(fā)生損傷，影響其力學(xué)性能、感度、結(jié)構(gòu)完整性等，甚至可能進(jìn)一步使裝藥產(chǎn)生熱點(diǎn)，意外點(diǎn)火起爆3。因此，研究炸藥裝藥的動(dòng)態(tài)力學(xué)行為及點(diǎn)火特性，對(duì)于指導(dǎo)武器戰(zhàn)斗部設(shè)計(jì)和彈藥安全性評(píng)估具有重要意義。

目前，侵徹類武器主要采用壓裝或澆注裝藥，具有缺陷少、能量高的特點(diǎn)，但工藝較為復(fù)雜，生產(chǎn)效率低。而傳統(tǒng)熔鑄裝藥具有成本低廉、成形性能好、工藝簡(jiǎn)單且生產(chǎn)效率高的優(yōu)點(diǎn)，但力學(xué)性能不理想、裝藥質(zhì)量有缺陷等問(wèn)題導(dǎo)致其應(yīng)用受限。隨著成形工藝、配方的不斷優(yōu)化，熔鑄炸藥的傳統(tǒng)缺陷顯著改善，有望應(yīng)用于侵徹類武器裝藥，大幅提高戰(zhàn)斗部的生產(chǎn)效率。以2，4-二硝基苯甲醚（2，4-dinitroanisole，DNAN）為載體的新型熔鑄炸藥相較于傳統(tǒng)TNT基熔鑄炸藥具有感度低、毒性小、力學(xué)性能更佳和運(yùn)輸存儲(chǔ)成本低等優(yōu)點(diǎn)，受到國(guó)內(nèi)外的高度關(guān)注[46]。目前，對(duì)于DNAN基熔鑄炸藥的研究主要集中在配方設(shè)計(jì)[7-9]、裝藥工藝[10-1]、功能助劑[12-14]和能量輸出特性[15-17]方面。為研究DNAN基熔鑄炸藥的力學(xué)性能，張思危等[18]、李東偉等[19]采用分離式霍普金森壓桿（split Hopkinson pressure bar，SHPB）開(kāi)展了動(dòng)態(tài)單軸壓縮試驗(yàn)，獲取了不同應(yīng)變率下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，并標(biāo)定了本構(gòu)模型參數(shù)。Zhu 等[2]對(duì)DNAN基熔鑄炸藥開(kāi)展了不同溫度下的巴西試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)隨著溫度的升高，DNAN基熔鑄炸藥的拉伸強(qiáng)度和彈性模量減小，而泊松比增大。Qian等[13]結(jié)合數(shù)值模擬與試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)季戊四醇丙烯醛樹(shù)脂（acrolein-pentaerythritol resin，APER）添加劑能使DNAN與黑索金（hexogen，RDX）界面間產(chǎn)生高強(qiáng)度的黏結(jié)能，從而提高DNAN基熔鑄炸藥的力學(xué)性能。在點(diǎn)火特性方面，馬騰等[21]為研究約束對(duì)DNAN基熔鑄炸藥點(diǎn)火反應(yīng)特性的影響，開(kāi)展了不同壁厚約束下的單端點(diǎn)火試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在一定范圍內(nèi)增強(qiáng)約束條件時(shí)，炸藥的燃燒進(jìn)程加快，反應(yīng)更劇烈，但約束足夠強(qiáng)時(shí)促進(jìn)作用不明顯。楊年等[22]發(fā)現(xiàn)，隨著炸藥損傷增加，樣品點(diǎn)火的遲滯時(shí)間、緩慢反應(yīng)和快速反應(yīng)持續(xù)時(shí)間均不斷縮短，表明炸藥損傷的出現(xiàn)會(huì)加速點(diǎn)火及反應(yīng)進(jìn)程。目前，相關(guān)報(bào)道大多對(duì)力學(xué)性能和點(diǎn)火特性分別展開(kāi)研究，缺乏對(duì)不同機(jī)械刺激下DNAN基熔鑄炸藥力學(xué)行為-損傷發(fā)展-生熱點(diǎn)火過(guò)程的系統(tǒng)性研究。

本研究將以某DNAN基熔鑄炸藥為研究對(duì)象，基于萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)和SHPB系統(tǒng)，開(kāi)展單軸壓縮試驗(yàn)和被動(dòng)圍壓試驗(yàn)，獲取不同應(yīng)變率下炸藥在單軸壓縮、被動(dòng)圍壓2種受力條件下的動(dòng)態(tài)力學(xué)行為；基于 400kg 大落錘裝置，開(kāi)展不同沖擊強(qiáng)度和沖擊模式的落錘沖擊點(diǎn)火試驗(yàn)，獲取不同加載條件下的點(diǎn)火閾值；回收加載后試樣，使用掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope，SEM）和工業(yè)計(jì)算機(jī)斷層掃描（computed tomography，CT）觀察加載前后樣品的損傷情況，依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果和損傷特征進(jìn)一步分析其點(diǎn)火特性，以期為DNAN基熔鑄炸藥的使用安全性和進(jìn)一步推廣應(yīng)用提供參考。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)樣品

試驗(yàn)樣品DNAN基熔鑄炸藥均由西安近代化學(xué)研究所研制，主要成分及其質(zhì)量分?jǐn)?shù)為：HMX，35% ;DNAN， 30% ；鋁粉， 30% ；功能助劑， 5% 。樣品密度為 1.77g/cm³ ，采用熔鑄成型工藝。試驗(yàn)樣品的端面平整，無(wú)肉眼可見(jiàn)缺陷。

試驗(yàn)包括力學(xué)試驗(yàn)和點(diǎn)火試驗(yàn)2部分：力學(xué)試驗(yàn)包括準(zhǔn)靜態(tài)/動(dòng)態(tài)單軸壓縮試驗(yàn)和被動(dòng)圍壓試驗(yàn)，點(diǎn)火試驗(yàn)為不同沖擊強(qiáng)度和沖擊模式下的落錘沖擊試驗(yàn)。試驗(yàn)樣品如圖1所示，用于動(dòng)態(tài)單軸壓縮試驗(yàn)的藥柱尺寸為 ?10mm×6mm ，用于被動(dòng)圍壓試驗(yàn)的藥柱尺寸為 ?16mm×8mm ，用于準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗(yàn)和落錘沖擊試驗(yàn)的藥柱尺寸為 ?20mm×20mm

目前，侵徹類武器多采用壓裝裝藥，因此，除DNAN基熔鑄炸藥外，本研究還同步對(duì)組分接近的典型壓裝炸藥開(kāi)展試驗(yàn)，以對(duì)比分析兩者的動(dòng)態(tài)力學(xué)行為及點(diǎn)火特性。所用溫壓型壓裝炸藥的主要成分及質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為：HMX， 65% ；鋁粉， 30% ；鈍感黏結(jié)劑， 5% 。試樣采用模具壓制成型工藝裝藥，裝藥密度為 1.85g/cm³ 。

1.2 力學(xué)試驗(yàn)

1.2.1 單軸壓縮試驗(yàn)

準(zhǔn)靜態(tài)單軸壓縮試驗(yàn)采用SHIMADZUAG-1C型電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行加載，采用位移控制模式，壓頭速度為 0.20mm/s. ，得到應(yīng)變速率為 0.01s^-1 時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

動(dòng)態(tài)單軸壓縮試驗(yàn)在SHPB裝置上進(jìn)行。考慮到炸藥試樣的波阻抗較小，使用的壓桿材質(zhì)為L(zhǎng)Y12硬鋁，撞擊桿長(zhǎng)度為 150mm ，入射桿長(zhǎng)度為 1800mm ，透射桿長(zhǎng)度為 1200mm ，直徑均為 16mm 。開(kāi)展動(dòng)態(tài)單軸壓縮試驗(yàn)時(shí)，將樣品置于人射桿與透射桿之間，加載桿與試樣接觸的端面上涂抹潤(rùn)滑油，消除試樣接觸表面的摩擦力，確保試樣均勻變形。在人射桿與撞擊桿的接觸端面采用真空脂粘貼波形整形器，以實(shí)現(xiàn)試樣的動(dòng)態(tài)應(yīng)力平衡。通過(guò)SDY2107A型動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀和MHO3-2054型示波器記錄壓桿上電阻應(yīng)變片測(cè)量得到的人射波、反射波和透射波信號(hào)，基于一維應(yīng)力波理論，計(jì)算得到試樣的平均應(yīng)力、應(yīng)變以及應(yīng)變率。

1.2.2 被動(dòng)圍壓試驗(yàn)

考慮到在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，炸藥常密封于金屬殼體內(nèi)，由于殼體具有約束作用，炸藥裝藥通常處于三軸壓縮的復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)。為此，在SHPB系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加被動(dòng)圍壓裝置進(jìn)行三軸壓縮加載，具體裝置如圖2所示，其中，內(nèi)半徑 r 為 16mm 外半徑 R 為 26mm ，壁厚 δ 為 5mm ，高度為 25mm 被動(dòng)圍壓套筒材質(zhì)為L(zhǎng)Y12硬鋁。

1.3 點(diǎn)火試驗(yàn)

落錘沖擊點(diǎn)火試驗(yàn)基于 400kg 大落錘沖擊加載裝置進(jìn)行，通過(guò)重錘從不同高度自由落體，撞擊

安裝于基座上的模擬樣彈，實(shí)現(xiàn)對(duì)炸藥裝藥的模擬應(yīng)力加載。為回收落錘加載后未反應(yīng)炸藥試樣，觀察其損傷情況并分析點(diǎn)火機(jī)制，設(shè)計(jì)了一種可回收落錘沖擊樣品的模擬樣彈，圖3為示意圖，實(shí)物如圖4所示。使用該模擬樣彈回收樣品無(wú)需施加較大的二次載荷，能夠確保樣品的完整性和退出過(guò)程的安全性。

試驗(yàn)過(guò)程中，炸藥試樣裝配在模擬樣彈的套筒內(nèi)，套筒由2片半內(nèi)套筒和外套筒組成，方便回收落錘沖擊加載后的樣品。內(nèi)套筒中心通孔沿中軸線依次安裝傳感器、上活塞、墊片/沖頭、樣品、墊片和下活塞。通過(guò)調(diào)節(jié)落錘高度改變沖擊強(qiáng)度，通過(guò)在上活塞下切換墊片或沖頭實(shí)現(xiàn)壓縮加載和壓剪加載。墊片用于防止試樣在加載過(guò)程中擠入活塞與套筒之間的縫隙而引發(fā)意外點(diǎn)火。利用試驗(yàn)樣彈上端的傳感器記錄試樣所受的沖擊強(qiáng)度。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同加載條件下的力學(xué)行為

2.1.1 單軸壓縮加載

圖5為單軸壓縮試驗(yàn)采集到的典型原始曲線，其中：Ch1為人射桿上應(yīng)變片記錄的原始信號(hào)，Ch2為透射桿上應(yīng)變片記錄到的原始信號(hào)。試樣在不同應(yīng)變率下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖6所示，表1給出了不同應(yīng)變率的單軸壓縮加載下DNAN基熔鑄炸藥和典型壓裝炸藥的力學(xué)參量，其中：E 為彈性模量， σ_m 為峰值應(yīng)力。DNAN基熔鑄炸藥和典型壓裝炸藥均表現(xiàn)出明顯的脆性材料特征，具有應(yīng)變率相關(guān)性，其應(yīng)力-應(yīng)變曲線可劃分為3個(gè)階段：初期為上升階段，應(yīng)力隨著應(yīng)變的增大呈線性增大，此時(shí)材料可近似為線彈性；隨著應(yīng)力水平的上升，不斷萌生微裂紋，損傷不斷演化，

曲線上升速率逐漸減小，進(jìn)入非線性轉(zhuǎn)變階段;在應(yīng)力達(dá)到峰值后，材料發(fā)生破壞，應(yīng)力隨著應(yīng)變的增大逐漸變小。

準(zhǔn)靜態(tài)加載下，2種炸藥的彈性模量、峰值應(yīng)力均較小。DNAN基熔鑄炸藥的彈性模量為0.37GPa ，峰值應(yīng)力為 5.64MPa ，峰值處應(yīng)變?yōu)?1.50% ；典型壓裝炸藥的彈性模量為 0.38GPa ，峰值應(yīng)力為 9.72MPa ，峰值處應(yīng)變?yōu)?2.88% 。動(dòng)態(tài)加載下，2種炸藥的力學(xué)強(qiáng)度顯著上升，DNAN基熔鑄炸藥的彈性模量、峰值應(yīng)力均隨應(yīng)變率的增大而增大。應(yīng)變率為 1300s^-1 時(shí)，彈性模量和峰值應(yīng)力分別為2.12GPa 和 18.12MPa ；應(yīng)變率上升到 2000s^-1 時(shí)，彈性模量和峰值應(yīng)力分別上升至 3.77GPa 和28.26MPa 。而典型壓裝炸藥的峰值應(yīng)力基本保持在 48MPa 左右，彈性模量從 1000s^-1 時(shí)的 2.94GPa 上升到 2300s^-1 時(shí)的 11.36GPa 。2種炸藥的峰值處應(yīng)變均隨應(yīng)變率的增大而降低。DNAN基熔鑄炸藥在應(yīng)變率為 1300s^-1 時(shí)，峰值處應(yīng)變約為 1.32% ；應(yīng)變率上升到 2000s^-1 時(shí)，峰值處應(yīng)變降低至 1.12% 。典型壓裝炸藥在應(yīng)變率為 1000s^-1 時(shí)，峰值處應(yīng)變約為 4.95% ，應(yīng)變率上升到 2300s^-1 時(shí)，峰值處應(yīng)變降低至 1.18% ?？梢钥闯?，相較于典型壓裝炸藥，DNAN基熔鑄炸藥的強(qiáng)度更低，脆性行為更加明顯，這是由工藝、配方和組分等因素共同影響導(dǎo)致的。

2.1.2 被動(dòng)圍壓加載

圖7為2種炸藥試樣在三軸壓縮加載下的軸向應(yīng)力-應(yīng)變曲線。由圖7可知，2種炸藥的軸向應(yīng)力-應(yīng)變曲線形狀相似。被動(dòng)圍壓加載下，試樣不再表現(xiàn)為脆性材料響應(yīng)，而是表現(xiàn)出2段線性的彈塑性特征。在加載初期的彈性階段，應(yīng)力隨應(yīng)變的增大近似線性增大;隨后，應(yīng)力-應(yīng)變曲線出現(xiàn)一段過(guò)渡段，曲線斜率先減小后增大。這是因?yàn)?，隨著加載進(jìn)行，試樣達(dá)到屈服狀態(tài);屈服后，試樣進(jìn)入黏塑性狀態(tài)，應(yīng)力又隨著應(yīng)變的增大近似線性增大;最終因卸載，應(yīng)力-應(yīng)變曲線處于下降階段，試樣發(fā)生不可逆變形。

表2給出了被動(dòng)圍壓下DNAN基熔鑄炸藥和典型壓裝炸藥在不同應(yīng)變率下的相關(guān)力學(xué)參量。由圖7和表2可知，2種炸藥的峰值應(yīng)力和峰值處應(yīng)變均隨著應(yīng)變率的增大而增大。其中，DNAN基熔鑄炸藥的峰值處應(yīng)變顯著低于典型壓裝炸藥，在相對(duì)低、中、高應(yīng)變率下分別為典型壓裝炸藥的 79% 、77% 和 74% ，這可能是由于DNAN基熔鑄炸藥的脆性特征更明顯引起的。值得注意的是，雖然單軸壓縮加載下DNAN基熔鑄炸藥相較于典型壓裝炸藥的強(qiáng)度更低，但在多軸壓縮狀態(tài)下兩者在相近應(yīng)變率下能達(dá)到的峰值應(yīng)力接近，分別為 53，80，92MPa 左右。這可能是因?yàn)檎ㄋ幍姆蔷€性力學(xué)行為主要受炸藥內(nèi)部微裂紋的萌生和發(fā)展影響，而DNAN基熔鑄炸藥試樣內(nèi)部微裂紋的形成和演化更容易被套筒的圍壓約束作用抑制。

2.2 點(diǎn)火響應(yīng)分析

DNAN基熔鑄炸藥和典型壓裝炸藥在不同落高及沖擊模式下的沖擊點(diǎn)火試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3，其中，H 為落高。

由表3可知，DNAN基熔鑄炸藥在壓縮加載下的最大未反應(yīng)落高為 500mm ，峰值應(yīng)力為 556MPa 壓剪加載下最大未反應(yīng)落高為 600mm ，峰值應(yīng)力為 622MPa 。典型壓裝炸藥在壓縮加載下的最大未反應(yīng)落高為 1000mm ，峰值應(yīng)力為 771MPa ；壓剪加載下最大未反應(yīng)落高為 800mm ，峰值應(yīng)力為 726MPa 。整體而言，典型壓裝炸藥相對(duì)DNAN基熔鑄炸藥更加鈍感，同時(shí)DNAN基熔鑄炸藥在壓縮加載下更易點(diǎn)火，典型壓裝炸藥在壓剪加載下更易點(diǎn)火，說(shuō)明兩者的主要點(diǎn)火機(jī)理不同。

為研究落錘沖擊加載前、后試樣內(nèi)部的損傷情況，分析其點(diǎn)火特性，通過(guò)工業(yè)CT無(wú)損檢測(cè)技術(shù)對(duì)落錘沖擊加載前、后未反應(yīng)DNAN基熔鑄炸藥藥柱的內(nèi)部損傷進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果如圖8所示。未加載試樣和落錘壓縮加載后試樣的檢測(cè)位置為圓柱試樣1/2高度的橫截面。由于沖頭嵌入試樣中，因此，壓剪加載后回收試樣的檢測(cè)位置選取沖頭厚度范圍內(nèi)的橫截面和沖頭與試樣交界處的橫截面。

圖8所示的DNAN基熔鑄炸藥CT圖像中的黑色圓形為孔洞損傷，深色不規(guī)則陰影為HMX顆粒，其余淺色連續(xù)相為DNAN炸藥、鋁粉和功能助劑混合形成的熔鑄載體。由圖8（a）可見(jiàn)，未加載DNAN 基熔鑄炸藥內(nèi)部分布著較多大小不一的孔洞，最大孔洞直徑可達(dá) 0.4mm ；HMX炸藥顆粒均勻分布在熔鑄載體中，藥柱內(nèi)部無(wú)明顯裂紋。由圖8（b）可見(jiàn)，落錘壓縮加載后，炸藥內(nèi)部孔洞被壓實(shí)而顯著減少，但仍存在少量微孔洞。壓剪加載下，與壓縮加載試樣處于三軸壓縮應(yīng)力狀態(tài)不同，沖頭附近的試樣處于復(fù)雜的壓縮與剪切耦合應(yīng)力狀態(tài)。由圖8（c）可見(jiàn)，在壓縮與剪切的耦合作用下，沖頭附近淺色連續(xù)相的熔鑄載體包覆著高能炸藥顆粒由中心向四周流動(dòng)，深色的高能炸藥顆粒重新排布，在CT圖像中呈現(xiàn)由中心向邊緣擴(kuò)散的環(huán)形分布特征。而在圖8（d）中，沖頭底部的損傷特征與圖8（b）所示特征一致，可見(jiàn)，落錘壓剪加載的壓剪耦合作用區(qū)域外，試樣所受應(yīng)力狀態(tài)與壓縮加載基本一致。

2.3 不同加載條件下的微觀形貌分析

為進(jìn)一步研究DNAN基熔鑄炸藥在不同加載條件下的損傷機(jī)理，分析其點(diǎn)火特性，回收了2.1節(jié)、2.2節(jié)加載后的試樣，使用 SEM觀察未加載試樣和回收試樣斷面的微觀形貌并進(jìn)行分析。

2.3.1 初始形貌分析

圖9為未加載時(shí)DNAN基熔鑄炸藥斷面的微觀形貌。在SEM圖像中，較大顆粒為HMX炸藥顆粒，較小圓球?yàn)殇X粉，其余連續(xù)相為DNAN炸藥及功能助劑。

由圖9可見(jiàn)，未加載DNAN基熔鑄炸藥斷面較為平整，炸藥內(nèi)部存在大小不一的圓形孔洞。HMX炸藥顆粒不規(guī)則分布于熔鑄載體中且與熔鑄載體無(wú)縫緊密連接。結(jié)合圖8（a）所示的未加載炸藥內(nèi)部CT結(jié)果，認(rèn)為孔洞是DNAN基熔鑄炸藥內(nèi)部的主要初始損傷形式。

2.3.2 壓縮加載后的微觀形貌分析

圖10為不同應(yīng)變率壓縮加載后DNAN基熔鑄炸藥斷面的微觀形貌。由圖10（a）可見(jiàn)，圍壓加載下炸藥內(nèi)部的HMX晶體顆粒表面產(chǎn)生裂紋，在應(yīng)力波作用下裂紋沿應(yīng)力集中方向不斷傳播擴(kuò)展，擴(kuò)展過(guò)程中又演化出新裂紋，最終使HMX炸藥顆粒發(fā)生明顯破碎。與此同時(shí)，HMX顆粒與熔鑄載體界面部分脫粘，出現(xiàn)明顯間隙。圖 10（b）～ 圖10（c）中，隨著加載強(qiáng)度的提高，更大的應(yīng)力脈沖使HMX顆粒破碎更加顯著，HMX顆粒表面與熔鑄載體完全脫離，形成平整的凹坑。分析認(rèn)為，壓縮加載后的DNAN基熔鑄炸藥的主要損傷機(jī)制為穿晶斷裂和界面脫粘。

2.3.3 壓剪耦合加載后的微觀形貌分析

圖11為落錘以不同落高壓剪耦合加載后試樣斷面的微觀形貌。由圖11（a）可見(jiàn)， 400mm 落高下，HMX顆粒發(fā)生了沿晶斷裂，裂紋不斷擴(kuò)展最終貫穿了整個(gè)HMX晶體。沖頭對(duì)炸藥的壓縮與剪切耦合作用使炸藥內(nèi)部存在由中心向四周的剪切流動(dòng)趨勢(shì)。藥柱內(nèi)不同高度處的剪切流動(dòng)速度不同，使斷裂的上下兩半HMX顆粒間出現(xiàn)相對(duì)滑動(dòng)，滑動(dòng)摩擦可能引發(fā)生熱，進(jìn)而導(dǎo)致點(diǎn)火。而圖11（b）中，600mm 落高加載下，DNAN基熔鑄炸藥內(nèi)部HMX顆粒破碎程度顯著提高，發(fā)生了更多的穿晶斷裂。分析認(rèn)為，壓剪耦合加載下，隨著加載強(qiáng)度的增大，主要損傷機(jī)制由沿晶斷裂向穿晶斷裂轉(zhuǎn)變。

2.4 點(diǎn)火特性討論

落錘沖擊試驗(yàn)結(jié)果表明，總體上DNAN基熔鑄炸藥比典型壓裝炸藥更加敏感，這是由于DNAN基熔鑄炸藥相比于典型壓裝炸藥整體上強(qiáng)度更低，脆性特征更明顯，因此，在面對(duì)沖擊載荷時(shí)更容易產(chǎn)生斷裂等損傷，并不斷演化形成熱點(diǎn)，進(jìn)而點(diǎn)火起爆。然而，DNAN基熔鑄炸藥對(duì)壓縮加載更敏感，典型壓裝炸藥對(duì)壓剪加載更敏感，兩者的點(diǎn)火機(jī)理不同。

壓裝炸藥的成形過(guò)程會(huì)經(jīng)歷顆粒重排、損傷破碎和壓實(shí)3個(gè)階段，內(nèi)部的損傷主要為壓制成形過(guò)程中炸藥顆粒受擠壓、剪切作用而破碎形成的微裂紋[23]。落錘壓縮加載時(shí)，試樣內(nèi)部處于三軸壓縮應(yīng)力狀態(tài)，壓剪加載時(shí)處于壓縮與剪切耦合應(yīng)力狀態(tài)。相比于三軸壓縮狀態(tài)，材料在壓剪耦合狀態(tài)下更易產(chǎn)生形變，使微裂紋兩側(cè)出現(xiàn)相對(duì)位移，從而摩擦生熱，形成熱點(diǎn)。因此，典型壓裝炸藥在壓剪加載下的點(diǎn)火閾值低于壓縮加載，對(duì)剪切作用更敏感。

與典型壓裝炸藥的點(diǎn)火特性不同，DNAN基熔鑄炸藥在壓縮與剪切耦合作用下的安全性高于純壓縮作用，可能是由多種因素共同影響導(dǎo)致的。首先，在損傷方面，DNAN基熔鑄炸藥內(nèi)有較多的孔洞形式的初始損傷，少有微裂紋/斷裂等初始損傷。在壓縮作用下，DNAN基熔鑄炸藥內(nèi)部的大量孔洞被填充壓實(shí)，從而吸收一部分沖擊能量，容易發(fā)生絕熱壓縮生熱或沖擊坍塌形成熱點(diǎn)。而剪切作用導(dǎo)致的剪切摩擦生熱主要出現(xiàn)在微裂紋損傷處。雖然熔鑄炸藥加載后容易發(fā)生脆斷生成裂紋，但微裂紋的數(shù)量和密度相對(duì)較小，與壓縮導(dǎo)致的氣泡絕熱壓縮生熱和孔洞沖擊坍塌生熱相比，剪切導(dǎo)致的剪切摩擦生熱不足以作為主導(dǎo)機(jī)制。其次，在力學(xué)響應(yīng)方面，相較于典型壓裝炸藥，DNAN基熔鑄炸藥強(qiáng)度低、脆性大、密度小，材料整體表現(xiàn)更軟，更易于發(fā)生剪切流動(dòng)。同樣的沖擊強(qiáng)度下，在壓剪耦合加載時(shí)，樣彈沖頭附近的空腔給DNAN基熔鑄炸藥提供了更多的流動(dòng)空間，緩解了沖擊作用，因而不易被點(diǎn)火。

綜上所述，對(duì)比壓縮、剪切2種受力狀態(tài)，DNAN基熔鑄炸藥對(duì)壓縮更敏感，主要點(diǎn)火機(jī)制可能是由孔洞形式損傷受壓縮引起的氣泡絕熱壓縮生熱/孔洞沖擊塌縮生熱；典型壓裝炸藥對(duì)剪切更敏感，主要點(diǎn)火機(jī)制可能是由裂紋形式損傷受剪切引起的剪切摩擦生熱。

3結(jié)論

（1）DNAN基熔鑄炸藥具有明顯的應(yīng)變率效應(yīng)。單軸壓縮加載下，峰值應(yīng)力隨應(yīng)變率的增大而增大，峰值處應(yīng)變隨應(yīng)變率的增大而減小，相較于典型壓裝炸藥，強(qiáng)度更低，脆性特征更明顯;被動(dòng)圍壓加載下，兩者的峰值應(yīng)力接近，DNAN基熔鑄炸藥峰值處應(yīng)變更小。

（2）孔洞是DNAN基熔鑄炸藥的主要初始損傷形式。壓縮加載下，孔洞被填充壓實(shí)，HMX顆粒發(fā)生穿晶斷裂，同時(shí)伴隨HMX顆粒與熔鑄載體界面的脫粘。壓剪耦合加載下，熔鑄載體包裹著高能炸藥顆粒從中心向四周剪切流動(dòng)，發(fā)生顆粒重排，隨著加載強(qiáng)度的增大，主要損傷機(jī)制由沿晶斷裂向穿晶斷裂轉(zhuǎn)變。

（3）落錘沖擊加載試驗(yàn)中，DNAN基熔鑄炸藥在壓縮加載下的最大未反應(yīng)落高為 500mm ，峰值應(yīng)力為 556MPa ；壓剪加載下，最大未反應(yīng)落高為 600mm ，峰值應(yīng)力為 622MPa 。與壓剪加載相比，DNAN基熔鑄炸藥對(duì)壓縮加載更敏感，主要點(diǎn)火機(jī)制可能是孔洞壓縮引起的氣泡絕熱壓縮生熱或孔洞沖擊塌縮生熱。

參考文獻(xiàn)：

[1]DIENESJK.Frictional hot-spots and propellantsensitivity[J].MRSOnline ProceedingsLibrary，1983，24（1）：373-381.

[2]李尚昆，黃西成，王鵬飛.高聚物黏結(jié)炸藥的力學(xué)性能研究進(jìn)展[J].火炸藥學(xué)報(bào)，2016，39（4）：1-11. LI S K，HUANG X C， WANG PF. Recent advances in the investigation on mechanical properties of PBX[J]. Chinese Journal ofExplosivesamp; Propellants，2016， 39（4）： 1-11.

[3]屈可朋，陳鵬，李亮亮，等.含能裝藥損傷研究進(jìn)展[J].飛航導(dǎo)彈，2018（11）：92-96. QU K P，CHENP，LILL，etal.Research progress ondamage ofenergeticcharge[J]. Aerodynamic MisileJoual，218（11）： 92-96.

[4]朱道理，周霖，張向榮，等.DNAN及TNT基熔鑄炸藥綜合性能比較[J].含能材料，2019，27（11）：923-930. ZHU D L， ZHOU L， ZHANG XR，etal. Comparison of comprehensive properties for DNAN and TNT-based melt-cast explosives[J]. Chinese Journal of Energetic Materials， 2019， 27（11）： 923-930.

[5]LI SR，DUANZP，GAOTY，etal. Sizeefectof explosiveparticleonshck initiationofaluminized2，4-dinitroanisole （DNAN）-based melt-cast explosive[J]. Journal of Applied Physics， 2020，128（12）：125903.

[6]蒙君，周霖，曹同堂，等.2，4-二硝基苯甲醚（DNAN）基熔鑄炸藥研究進(jìn)展[J].含能材料，2020，28（1）：13-24. MENGJJ， ZHOUL， CAOTT，et al. Research progress of2，4-dinitroanisole-based melt-cast explosives[J].Chinese Joural of Energetic Materials， 2020， 28（1）： 13-24.

[7]RAVIP，BADGUJARDM，GORE GM，etal.Reviewon meltcast explosives[J]. Propelants，Explosives，Pyrotechics，2011， 36（5）： 393-403.

[8]TAYLOR S，PARKE，BULLIONK，et al. Disolutionof thre insensitive munitions formulations [J]. Chemosphere，2015， 119： 342-348.

[9]李東偉，姜振明，張向榮，等.2，4-二硝基苯甲醚基高爆速熔鑄炸藥爆轟性能表征[J].兵工學(xué)報(bào)，2016，37（4）：656-660. LI D W， JIANGZM，ZHANG XR，etal.Characterzationofnew2，4-dinitroansole-basedmelt-castighdetonatiovelocity explosives [J]. Acta Armamentarii， 2016， 37（4）： 656-660.

[10]蒙君，周霖，金大勇，等.成型工藝對(duì) 2，4-二硝基苯甲醚基熔鑄炸藥裝藥質(zhì)量的影響 [J].兵工學(xué)報(bào)，2018，39（9）： 1719-1726. MENGJJ，ZOUL，JDY，etal.Eectoffing procesoncastingqalityof2，4-dinitroansole-basedastingexplosie[J]. Acta Armamentarii， 2018， 39（9）： 1719-1726.

[11]李全俊，楊治林，岳顯，等.戰(zhàn)斗部熔鑄裝藥精密成型工藝參數(shù)優(yōu)化方法[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2023，4（5）：125-132. LI Q J， YANG ZL， YUE X，etal. Optimization method of precision forming processparameters of warhead fusion casting charge[J]. Journal of Ordnance Equipment Engineering，2023， 44（5）： 125-132.

[12]蒙君炅，姜振明，張向榮，等.功能助劑對(duì)2，4-二硝基苯甲醚基熔鑄炸藥性能的影響[J].兵工學(xué)報(bào)，2016，37（3）：424-430. MENGJJ，JANGZM，ZHANG XR，etal.Eectoffunctionalagentsontheperformanceof2，4-dinitroanisole-basedmeltcast explosives [J]. Acta Armamentarii，2016，37（3）： 424-430.

[13] QIAN W， CHEN X Z，LUO G.Polymer reinforced DNAN/RDX energetic composites： interfacial iteractions and mehanical properties [J]. Central European Jourmal of Energetic Materials， 2017，14（3）： 726-741.

[14]蒙君，周霖，金大勇，等.功能助劑對(duì) DNAN/RDX熔鑄炸藥界面黏結(jié)強(qiáng)度的影響[J].含能材料，2018，26（9）：765-771. MENG JJ， ZHOUL， JIN D Y，et al. Effectof functional additives on interface bonding strengthof DNAN/RDX melt-cast explosives [J]. Chinese Journal of Energetic Materials， 2018， 26（9）： 765-771.

[15]SUN SH，ZHANGHB，XUJJ，etal.Twonovel melt-castcocrystalexplosives basedon2，4-dinitroanisole withsigiicantly decreased melting point [J]. Crystal Growth amp; Design， 2019，19（12）： 6826-6830.

[16]YANG Y，DUAN Z P，LI SR，et al. Detonationcharacteristics ofanaluminized DNAN-based melt-cast explosive[J]. Propellants， Explosives， Pyrotechnics， 2023， 48（1）： e202200088.

[17]李淑睿，段卓平，高天雨，等.2，4-二硝基苯甲醚基鈍感熔鑄含鋁炸藥的沖擊起爆特性[J].含能材料，2021，29（2）：88-95. LIS R，DUANZP，GAOTY，etal.Shock iiiationcharacteristicofinsesitiveDNAN-basedaluminzedmelt-cast explosive[J]. Chinese Journal of Energetic Materials， 2021， 29（2）： 88-95.

[18]張思危，崔慶忠.DNAN基高固含量熔鑄炸藥力學(xué)性能研究[J].兵工自動(dòng)化，2022，41（12）：100-105，113. ZHANG S W， CUI Q Z. Study on mechanical properties of DNAN-based high solid content melt-cast explosive[J]. Ordnance Industry Automation， 2022， 41（12）： 100–105， 113.

[19]李東偉，苗飛超，張向榮，等.2，4-二硝基苯甲醚基不敏感熔注炸藥動(dòng)態(tài)力學(xué)性能[J].兵工學(xué)報(bào)，2021，42（11）：2344-2349. LI D W，MIAOFC， ZHANGXR，etal.Dynamic mechanical properties ofaninsensitive DNAN-based melt-cast explosive[J]. Acta Armamentarii， 2021， 42（11）： 2344-2349.

[20] ZHU D L， ZHOUL， ZHANG X R，et al. Simultaneous determination of multiple mechanical parameters for a DNAN/HMX melt-castexplosivebyBrazilian disctestcombinedwithdigital imagecorrelationmethod[J].Propellants，Explosives， Pyrotechnics， 2017， 42（8）： 864-872.

[21]馬騰，董小麗，楊年，等.約束對(duì) DNAN 基熔鑄炸藥點(diǎn)火反應(yīng)特性的影響[J].火炸藥學(xué)報(bào)，2023，46（12）：1086-1092. MA T，DONG XL，YANG N，etal.EfectofconstraintsontheignitionreactioncharacteristicsofDNAN-based melt-cast explosives [J]. Chinese Journal ofExplosives amp; Propellants，2023， 46（12）： 1086-1092.

[22]楊年，馬騰，黃寅生，等.損傷對(duì) DNAN基熔鑄炸藥點(diǎn)火后反應(yīng)增長(zhǎng)的影響[J].火炸藥學(xué)報(bào)，2023，46（11）：990-998. YANG N， MA T，HUANGYS，et al. Efectofdamage onreaction growth ofDNANbased melt-cast explosive afterignitio[J]. Chinese Journal of Explosives amp; Propellants，2023， 46（11）： 990-998.

[23]趙東，屈可朋，董澤霖.凝聚相炸藥損傷-點(diǎn)火特性的研究進(jìn)展[J].爆破器材，2024，53（3）：1-9，16.

DynamicMechanical Behavior and Ignition Characteristics of DNAN-Based Melt-Cast Explosives

ZHAO Dong1，QUKepeng1，HUXueyao1，HE Na² ，WANG Yixin'，XIAO Weil

（1.Xi'anModern Chemistry Research Institute，Xi'an71oo65，Shaanxi， China; 2.Xi'anNorth Hui AnChemical Industries Co.Ltd.，Xi'an710302，Shaanxi，China）

Abstract： In order to study the dynamic mechanical behavior and ignition characteristics of a DNAN-based melt-cast explosive， quasi-static and dynamic compression tests， as wellas passive confining pressure tests were carried out using a universal material testing machine and a split Hopkinson pressure bar （SHPB）. Impact ignition test was carried out using a drop hammer. Scanning electron microscope （SEM） and industrial computed tomography （CT） were used to examine the morphology changes in the samples before and after loading. The stress-strain curves， ignition thresholds and damage characteristics of DNAN-based melt-cast explosive under diferent loading conditions were obtained. The dynamic mechanical behavior， ignition characteristicsand damage mechanism of the explosive under different loading conditions were obtained. The results show that the dynamic mechanical behavior of the DNAN-based melt-cast explosive exhibits a strain-rate dependence， demonstrating more pronounced brittleness compared to typical pressloaded explosives，lower strength under uniaxial compression，and peak stresses comparable to those observed in multi-axial compression. The holes are the main initial damage form of the explosive. The holes are filled and compacted under compressive loading. The main damage mechanisms are transgranular fracture and interfacial debonding. Under coupled compress-shear loading，shear flow occurs in the charge and the particles are rearranged. With the increase of loading strength， the main damage mechanism changes from intergranular fracture to transgranular fracture. In the drop-weight impact ignition test， DNAN-based melt-cast explosives are more sensitive to compression loading. The maximum unreacted drop heights and peak stresses under compress and compress-shear loading are 500mm 556MPa and 600mm 622MPa ， respectively.The primary ignition mechanism is likely atributable to either the adiabatic compression of bubbles or the thermal energy generated by the impact collapse of voids resulting from compressive damage.

Keywords： 2， 4-dinitroanisole-based melt-cast explosive; mechanical behavior; impact loading; ignition characteristics; damage mechanism.