HMX 基PBX 的溫度環境適應性

韋興文，周筱雨，涂小珍，王 培

（中國工程物理研究院化工材料研究所，四川 綿陽621900）

引 言

PBX 在貯存、運輸和使用時會經歷各種各樣的溫度環境。短時間的高溫作用會加劇界面分子的運動，使剪切強度降低，但是，如果長期暴露于較高的溫度下，則會導致一些反應的發生，引起界面的物理和化學方面的變化，產生熱老化［1-5］。因此，炸藥件在貯存的過程中，將會發生界面“損傷”，導致材料的微觀界面結構發生變化，產生微小缺陷。隨著外界載荷的變化，缺陷會演化發展，并進一步匯集、擴展，最終可能導致材料的宏觀破壞。另一方面，由于炸藥件是粉末壓制脆性材料，溫度突變引起的熱應力可能會使炸藥件產生熱激損傷、微裂紋、開裂或塌陷，這將直接影響到武器的安全性能和使用性能［6-10］。田勇等［11-12］用淬水法和超聲波特性參量檢測技術對HMX 基PBX 試樣的熱沖擊損傷破壞進行了試驗研究，獲得了熱沖擊溫度差與試樣損傷破壞率、超聲波聲速、增益之間正相關的對應關系。

本實驗從炸藥裝藥的實際使用環境條件出發，對壓制成型的HMX 基PBX 進行溫度循環試驗和溫度沖擊試驗，考察不同溫度載荷作用對其損傷及力學性能的影響，綜合評估HMX 基PBX 的溫度適應能力，為其工程應用提供依據。

1 實 驗

炸藥為HMX 基PBX，黏結劑為三元乙丙共聚物。樣品尺寸分別為Φ20mm×20mm 藥柱和Φ15mm×65mm 長啞鈴，粉末壓制成型，密度約為1.850g／cm3。

溫度循環試驗使用ESL-04AGP 調溫調濕箱，在-40～+75℃開展熱循環試驗，升降溫速率為12℃／h，并在-40℃和75℃恒溫2h使樣品溫度均勻穩定，試驗周期數分別為5個周期和10個周期。在-55～+75℃高溫試驗箱和低溫試驗箱進行熱沖擊損傷試驗，并在-55℃和75℃恒溫2h使樣品溫度均勻穩定，高低溫轉換時間小于5min，試驗周期數分別為1個周期、3個周期和5個周期。

利用CTS-36型數字化超聲波探傷儀檢測啞鈴狀和柱狀樣品的熱損傷。使用單換能器縱波脈沖反射法，探頭頻率2.5MHz，晶片尺寸Φ10mm ，儀器增益值的上限為84dB，耦合劑為水，耦合面為試樣端面。檢測的超聲波參量包括聲速和增益值。

采用英國INSTRON 公司5582型電子萬能實驗機進行拉伸性能和壓縮性能的測試，參照GJB772A-97方法418.1和413.1標準執行。橫梁速度為0.5mm／min，測試溫度為（20±2）℃。采用中科科儀公司KYKY-2800B 掃描電子顯微鏡對熱疲勞前后HMX 基PBX 拉伸斷口形貌進行觀察和分析。

2 結果與討論

2.1 HMX 基PBX 溫度循環損傷對力學性能的影響

溫度循環試驗前后HMX 基PBX 的密度及超聲波參數值見表1。

由表1可見，經熱循環試驗后，HMX 基PBX柱狀和啞鈴狀的密度均有所下降，這主要是由于溫度循環導致藥柱發生不可逆長大所致。由于PBX中黏結劑的含量很低，而且黏結劑與HMX 顆粒的熱膨脹系數有很大不同。在交變熱應力作用下，會發生黏結劑從炸藥表面“脫粘”，導致炸藥產生塑性形變即“不可逆長大”，可以通過尺寸和密度兩個物理量進行觀測。超聲波參數值均具有相同的變化規律：聲速值隨溫度循環周期數的增加而減小，但增益值隨周期數的變化不明顯。從超聲波檢測理論定性分析，材料的增益值側重于關聯材料局部的宏觀性能，如缺陷的存在等；聲速與材料的密度密切相關，其側重于關聯材料整體的微細觀性能，如損傷等。這表明，溫度循環試驗將使HMX 基PBX產生熱疲勞損傷，損傷程度隨周期數增加而增大。用式（1）可以計算PBX 的損傷量［13］。

式中：Dρ為PBX 的損傷量；ρo為初始PBX 的密度，g／cm3；ρ1為 受 損PBX 的 密 度，g／cm3。計 算 得 到PBX 熱疲勞損傷量如表1所示。

表1結果表明，柱狀和啞鈴狀不同尺寸規格的PBX 樣品，熱疲勞損傷量很接近，也就是說用式（1）表征熱損傷度是合理的。隨著溫度循環周期數的增加，PBX 熱疲勞損傷度增大，但增長幅度隨周期數增大有所減小，這與熱應力作用導致PBX 產生塑性形變的特性有關，一定的溫度范圍和溫變速率下熱應力是有限的一個量值，產生的最大形變量（彈性應變和塑性應變）也是一個有限量值。

溫度循環試驗前后HMX 基PBX 力學性能的測試結果見表2。

表1 溫度循環試驗前后HMX 基PBX 的密度及超聲波參數值Table 1 Densities and ultrasonic character of HMX based PBX before and after thermal cycling

表2 溫度循環試驗前后HMX 基PBX 的力學性能Table 2 Mechanical properties of HMX based PBX before and after thermal cycling

由表2可見，隨著循環周期數的增加，HMX 基PBX的壓縮強度和壓縮模量均有所減小，但拉伸強度和拉伸模量的變化趨勢不明顯。這表明，熱疲勞損傷導致HMX 基PBX 的壓縮性能下降，而對拉伸性能無顯著影響。

PBX是一種黏彈性材料，在壓縮載荷作用下炸藥晶體將起主要作用，而在拉伸載荷作用下，黏結劑與炸藥的界面將起決定作用［14］。用KYKY-2800B掃描電子顯微鏡對HMX 基PBX 拉伸斷口形貌進行觀察，結果如圖1所示。

圖1 HMX 基PBX 拉 伸 斷 口SEM 照 片Fig.1 SEM photographs of fractured surface of HMX based PBX

由圖1可見，熱疲勞試驗前后HMX 基PBX 拉伸斷裂斷口形貌差別不大，拉伸應力作用下斷裂的主要模式為炸藥晶體顆粒和黏結劑界面的脫粘，其主要特征有兩個：一是炸藥顆粒脫落后留下的黏結劑；二是斷面上的炸藥晶體還比較完整。經過溫度循環試驗后，HMX 炸藥晶體與黏結劑仍保持極強的黏合作用。

2.2 HMX 基PBX 熱沖擊損傷對力學性能的影響

熱沖擊試驗前后HMX 基PBX 的密度和超聲波參數值見表3。

由表3可見，經熱沖擊試驗后，HMX 基PBX柱狀和啞鈴狀樣品的密度均沒有出現明顯下降，但超聲檢測得到的聲速值隨沖擊次數增加而下降，增益值變化無明顯規律。表明熱沖擊沒有引起試樣的“不可逆長大”，但也導致試樣內部微損傷，其微損傷量可用式（2）進行計算［15］。

式 中：Dc為PBX 的 損 傷 量；c0為 初 始PBX 的 超 聲波速度，m／s；c1為受損PBX 的超聲波速度，m／s。計算得到PBX 熱沖擊損傷量如表3所示。

表3結果表明，柱狀和啞鈴狀樣品的熱沖擊損傷量隨著熱沖擊周期數的增加而增大，藥柱經一輪溫度沖擊后即出現了較大的損傷量，而啞鈴狀樣品的損傷量相對較小。因此，熱沖擊損傷量與樣品的形狀尺寸密切相關，相同的溫度沖擊條件下，尺寸較大的樣品內部產生的熱應力更大，相應的損傷也更大。

表3 熱沖擊試驗前后HMX 基PBX 的密度和超聲波參數值Table 3 Densities and ultrasonic character of HMX based PBX before and after thermal shock

熱沖擊試驗前后HMX 基PBX 藥柱的力學性能測試結果見表4。

表4 熱沖擊試驗前后HMX 基PBX 的力學性能Table 4 Mechanical properties of HMX based PBX before and after thermal shock

由表4可見，隨著熱沖擊周期數的增加，HMX基PBX 的壓縮強度和拉伸強度出現明顯的下降，但拉伸強度下降幅度不大。對比分析試驗結果表明，熱沖擊損傷和溫度循環損傷對力學性能影響具有相似的規律，即熱損傷導致HMX 基PBX 壓縮力學性能下降，而對炸藥的拉伸性能影響不明顯。

3 結 論

（1）溫度循環試驗和溫度沖擊試驗均容易導致HMX 基PBX 產生熱損傷，隨溫度循環和熱沖擊次數的增加而加劇。

（2）HMX 基PBX 的熱疲勞損傷機理為塑性形變導致尺寸“不可逆長大”和密度下降。熱損傷導致HMX 基PBX 壓縮力學性能下降，對炸藥的拉伸性能影響不明顯。

（3）熱損傷后炸藥晶體與黏結劑仍保持極強的黏合作用，HMX 基PBX 仍然具有較高的抗拉強度。

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