溫度循環載荷作用下壓裝A-IX-II裝藥的裂紋機理研究

張冬梅，韓　芳，賈　林，張林軍，常　海，潘　清，王克勇，王　瓊，涂　健

(西安近代化學研究所，陜西西安710065)

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溫度循環載荷作用下壓裝A-IX-II裝藥的裂紋機理研究

張冬梅，韓芳，賈林，張林軍，常海，潘清，王克勇，王瓊，涂健

(西安近代化學研究所，陜西西安710065)

摘要：為了研究壓裝A-IX-II炸藥裝藥對環境溫度的適應性，通過-54~71、-15~71、-54~60、-54~55℃四個溫度范圍的高低溫循環試驗研究了1.65、1.70、1.75g/cm3三種裝藥密度和Φ60mm×60mm、Φ40mm×40mm兩種尺寸的A-IX-II炸藥藥柱裂紋產生的規律，討論了高低溫循環試驗中A-IX-II炸藥藥柱裂紋形成的機理。通過裂紋出現的位置、鈍感劑性質和加載溫度范圍分析了導致A-IX-II炸藥藥柱產生裂紋的原因。結果表明，在溫度循環載荷下高密度和大尺寸藥柱更容易產生裂紋。導致A-IX-II炸藥藥柱產生裂紋的可能原因有兩種：一是在老化過程中鈍感劑石蠟/硬脂酸體系液化和局部流失使藥柱的結構強度下降；二是熱脹冷縮形變產生的應力使藥柱結構完整性最終被破壞；同時，基于這兩種因素解釋了藥柱密度和尺寸對裂紋產生的影響。

關鍵詞：物理化學；A-IX-II藥柱；溫度循環試驗；結構穩定性；裂紋機理；裝藥密度；石蠟

引言

炸藥壓裝過程中由于密度過大、塑型時間過短或保壓不夠等因素導致炸藥壓制成型胚體時經常產生裂紋，可能會引起裝藥結構強度和剛度下降，此時裝藥再經歷溫度、振動、撞擊等載荷時會影響炸藥的感度、燃燒甚至爆炸性質，所以研究壓裝炸藥的裂紋產生規律和機理十分必要[1-2]。

A-IX-II炸藥是20世紀50年代后前蘇聯開發使用的壓裝含鋁炸藥，主要成型工藝是造型粉壓裝工藝，用于裝填中小口徑的機關炮彈藥及對艦彈藥，同時也是我國20世紀50年代后主要研制和發展的含鋁壓裝炸藥，用于航炮彈、半穿甲彈及高拋榴彈裝藥[3]。對于A-IX-II炸藥裝藥的大口徑榴彈和爆破彈，在溫度環境試驗中已經有裂紋出現，影響武器的使用。溫度循環環境條件是武器彈藥運輸貯存和戰場環境中最常見的環境條件，是彈藥環境適應性首先需要滿足的條件[4-6]。對于硬脆性的壓裝炸藥，國內羅景潤等[7]研究了PBX炸藥室溫下的斷裂特性；何鐵寧等[8]研究了炸藥脆性材料的動力學特性，獲得了材料參數對炸藥脆性材料在沖擊波作用下裂紋擴展速率的影響規律；田勇等[9]對JOB-9003炸藥進行了熱沖擊試驗，觀察并檢測到試驗不同階段出現的損傷破壞，初步證明損傷和裂紋對炸藥的力學性能有明顯的影響。

本研究從A-IX-II炸藥裝藥自身性質和裝藥的實際使用環境條件出發，通過溫度循環試驗研究了炸藥藥柱的結構穩定性，解釋了裂紋產生的規律和機理，以期為A-IX-II炸藥裝藥的環境適應性研究提供參考。

1實驗

1.1樣品與儀器

A-IX-II炸藥配方(質量分數)為：RDX 75%、Al粉20%、鈍感劑(石蠟、硬脂酸)5%，采用直接壓裝成型工藝，壓裝密度分別為1.65g/cm3(低密度)、1.70g/cm3(中密度)和1.75g/cm3(高密度)，藥柱尺寸分別為Φ60mm×60mm和Φ40mm×40mm，每種密度2個尺寸藥柱各2發，西安近代化學研究所提供。

EG-10KA高低溫試驗箱，上海晟泰有限公司；JSM-5800型掃描電鏡，電壓20kV，放大100倍，美國FEI公司；BT-400型工業CT，電壓150kV，電流4.5mA，切片厚度1.5~2.0mm，俄羅斯莫斯科探傷有限公司；TENSOR27型傅里葉變換紅外光譜儀，德國BRUKER公司；AL204型萬分之一天平，梅特勒公司；Canon5900照相機，日本Canon公司。

1.2溫度循環試驗

依據西安近代化學研究所企業標準Q/AY250-1996《炸藥環境適應性試驗——高低溫溫度循環試驗方法》進行溫度循環老化試驗，4個老化溫度循環范圍為-54~71、-15~71、-54~60、-54~55℃，升降溫速率不大于1℃/min，循環程序如圖1所示，一個循環周期為24h。

圖1　高低溫溫度循環試驗一周期程序示意圖Fig.1　Schematic diagram of one periodic process ofhigh-low temperature cyclic test

通過溫度循環試驗前后藥柱外觀和內部結構的對比觀測裂紋，用掃描電鏡表征裂紋外觀微觀結構，通過目測和藥柱質量體積變化率表征裂紋外觀宏觀特征。用工業CT進行軸向切層掃描表征裂紋內部結構。用精度為萬分之一的天平稱量藥柱質量，用游標卡尺測量藥柱體積，用紅外光譜儀對滲出物進行定性，通過藥柱在實驗過程中的質量體積變化率、滲出物定性結果并結合炸藥成分材料自身性質綜合分析裂紋產生的機理。

覆蓋在頂管上的載荷主要由管節上方土壓力和道路交通載荷組成，管節上方土壓力主要與覆土深度和土層有關，在考慮卸荷拱效應的作用下，采用散粒體的極限平衡理論的馬斯頓法計算土壓力，馬斯頓法相比其他土壓力理論方法考慮了土體內聚力的影響［1-2］。

2結果與討論

2.1未老化藥柱的結構表征

未老化A-IX-II藥柱外觀分層照片見圖2，掃描電鏡照片見圖3。

圖2　未老化A-IX-II藥柱外觀分層照片Fig.2　Layered photos of pressed A-IX-II Chargebefore ageing

由圖2可以看出，3種裝藥密度的兩種尺寸未老化A-IX-II藥柱外觀都可以明顯看到交替出現的明帶和暗帶分層，并且出現的規律相同。由圖3可以看出，較亮區域為原子序數大的金屬鋁元素，較暗區域為非金屬元素，非金屬元素區域為無定形形狀，所以應為鈍感劑和內部包裹的RDX顆粒。通過測量圖像的面積得到明帶和暗帶成分的分布，明帶鋁粉分布面積為87.2%，鈍感劑分布面積為12.8%，暗帶鋁粉分布面積為36.6%，鈍感劑分布面積為63.4%。

圖3　未老化A-IX-II藥柱外觀微觀形貌掃描電鏡照片Fig.3　SEM images of appearance of pressed A-IX-IIcharge before aging

用工業CT對藥柱進行軸向斷層掃描，見圖4。從圖4可以看出，藥柱內部結構與外部都有密度不同的條帶分布。A-IX-II藥柱產生明暗帶相間是由于壓裝時機械能通過固體顆粒摩擦轉為熱能，使藥柱中熔點較低的石蠟/硬脂酸部分液化，向下遷移，形成石蠟/硬脂酸相對富集的暗帶層。由于受力方向是軸向，因此暗帶層就沿著軸向分布，也造成藥柱成分分布和密度的不均勻性。

圖4　未老化A-IX-II藥柱外觀與內部結構的CT照片Fig.4　CT photos of appearance and internal structure ofpressed A-IX-II charge before aging

2.2老化后藥柱的裂紋產生規律

經過-54~71℃溫度循環試驗，A-IX-II藥柱裂紋觀測照片見圖5。由圖5可見，高密度藥柱在老化1個循環后，兩種尺寸的A-IX-II藥柱均出現明顯裂紋，大尺寸藥柱裂紋寬大，而小尺寸藥柱裂紋細小；中密度藥柱老化2個循環后僅大尺寸藥柱(Φ60mm×60mm)出現裂紋，而小尺寸藥柱(Φ40mm×40mm)老化14個循環仍無裂紋出現；低密度藥柱的大尺寸藥柱和小尺寸藥柱直至14個循環均無裂紋出現。可見，在相同溫度循環應力下，藥柱密度越大越容易出現裂紋；在相同藥柱密度下，尺寸越大藥柱越容易出現裂紋，相反，藥柱密度越小，尺寸越小的藥柱不容易出現裂紋。

圖5　兩種尺寸A-IX-II藥柱老化后裂紋觀測照片Fig.5　Photos of cracks on A-IX-II grain

高低溫循環后藥柱上主要裂紋出現位置多分布在外觀分層的暗帶，見圖6。由圖6可以看出，外觀明帶部分主要是鋁粉堆積較多而形成的，這一部分密度較大且密度分布連續性較好，暗帶主要為非金屬部分堆積較多，這一部分密度較小，成為藥柱中密度不連續處，說明非金屬組分堆積的暗帶產生了更大的熱膨脹形變量。

圖6　A-IX-II藥柱裂紋產生的位置照片Fig.6　Photos of crack location on A-IX-II grain

在上述-54~71℃的溫度循環試驗基礎上，調節溫度應力施加的程度，逐步減小施加溫度應力的程度，增加3個緩和的溫度循環范圍，得到不同程度的滲出和裂紋。對密度為1.75g/cm3、尺寸為Φ40mm×40mm的藥柱進行-54~71、-15~71、-54~60、-54~55℃溫度循環試驗，試驗后樣品的質量變化率和體積變化率結果見表1，樣品外觀照片見圖7。

圖7　高低溫循環試驗藥柱外觀照片Fig.7　Photos of appearance of grain in high-lowtemperature cyclic test

由表1和圖7可以看出，循環溫度范圍為-54~71℃時，藥柱有明顯滲出，出現嚴重裂紋，體積增長率為0.88%；-54~60℃時，有滲出的汗點；-54~55℃時，藥柱沒有產生裂紋和任何表面的滲出；-15~71℃時，藥柱出現輕微裂紋，體積增長率為0.65%。

表1　高低溫循環試驗結果

注：Δm/m為質量變化率；ΔV/V為體積變化率。

2.3裂紋形成的機理分析

A-IX-II炸藥配方中除RDX和Al粉外還有少量由石蠟、硬脂酸和蘇丹紅組成的鈍感劑，此外，石蠟和硬脂酸還起到黏結劑和增塑劑的作用。

與單獨石蠟和硬脂酸材料相比，石蠟/硬脂酸體系(質量比為60∶40)有較低的液化溫度。由于石蠟和硬脂酸的結構存在許多相似之處，所以二者可以以任意比例實現物理相溶[10]。試驗發現，在產生裂紋的同時還有滲出物，經紅外光譜分析證明為石蠟和硬脂酸，見圖8。

圖8　A-IX-II藥柱滲出物的紅外光譜圖Fig.8　IR spectrum of the exudates of A-IX-II grain

圖8中在3000~2800cm-1處有3個峰(2954、2917、2849cm-1)，由-CH3-和-CH2-的碳氫鍵伸縮振動引起； 1471和1464cm-1處的吸收峰是-CH2-的碳氫鍵彎曲振動引起的；1377cm-1處的吸收峰是-CH3-的碳氫鍵彎曲振動引起的；728和720cm-1處的吸收峰是n>4時(CH2)n的碳氫鍵面內搖擺振動，以上全部為石蠟和硬脂酸的共有吸收峰。1702cm-1處的吸收峰是羰基-COOH-的碳氧雙鍵的伸縮振動引起的，是硬脂酸的特征峰，說明滲出物中有硬脂酸存在。純硬脂酸有1471和1464cm-1兩處吸收峰，且前者強于后者，而純石蠟只有1464cm-1處的強吸收峰，然而圖8中1471cm-1處的吸收峰弱而1464cm-1處的吸收峰強，說明滲出物中除了有硬脂酸外還有石蠟存在，從而引起滲出物1471cm-1處的吸收峰弱而1464cm-1處的吸收峰強，因此說明滲出物是鈍感劑石蠟/硬脂酸體系整體同時滲出的。

在高低溫循環試驗的高溫階段(71℃)，A-IX-II藥柱中的石蠟/硬脂酸體系部分液化或軟化，通過流動遷移和表面張力的作用而富集，在石蠟/硬脂酸流失處產生孔隙，這些作用以及石蠟/硬脂酸黏結劑體系的液化或軟化都會使組分之間的黏結力減弱[11-13]，藥柱強度下降，因此A-IX-II藥柱的組分性質和結構是產生裂紋的內在原因。在高低溫循環試驗中，各組分熱膨脹形變的差異導致藥柱內部應力釋放是產生裂紋的環境因素。與RDX和Al粉相比，非晶態較大分子的石蠟/硬脂酸有較大的熱膨脹系數，因此在混合體系中會產生較大的應力，據文獻報道[14]，石蠟在其熔點附近的體積膨脹系數可達到甚至超過10%，而產生的應力約為9MPa。可以推測，藥柱中石蠟/硬脂酸在熔點附近的溫度應力作用下同樣會產生熱膨脹而進行應力釋放，但目前對于藥柱內部的應力變化還無法進行測量。當這種應力作用超過藥柱本身的結構強度時，藥柱的結構完整性就會受到破壞，當黏結劑石蠟/硬脂酸大量流失形成微小空隙時，此微小空隙就是藥柱中各組分之間黏結強度最薄弱之處，最易形成裂紋，所以原來石蠟/硬脂酸相對富集的暗帶，也是其流失最嚴重處，因此在暗帶形成裂紋的概率就大。

藥柱密度降低時，意味著藥柱內部的自由體積增大，石蠟/硬脂酸液化后遷移和熱膨脹增加體積的空間增大，就會減弱熱膨脹產生的應力，所以低密度藥柱不易產生裂紋。與小尺寸藥柱相比，大尺寸藥柱不但因熱膨脹形變量大產生的應力大，還因尺寸大導致應力釋放阻力大而更易產生裂紋。

因此，在高低溫循環試驗中藥柱產生裂紋取決于內外兩種因素。要避免環境溫度變化對藥柱結構完整性的影響，改善貯存安定性，首先要選擇在環境溫度下不會產生相變、與主體成分有相近熱膨脹系數的黏結劑。而對于已定配方的A-IX-II藥柱則應該改善貯存環境條件，如降低貯存的最高溫度，盡可能在遠低于黏結劑的液化溫度下貯存，還應該在貯存過程中縮小溫差變化，盡量降低熱脹冷縮對裝藥結構完整性的影響。

3結論

(1)在溫度應力作用下，A-IX-II藥柱老化過程中石蠟/硬脂酸體系產生液化遷移，造成黏結劑在藥柱局部或富集或流失，使結構強度下降，而高低溫循環試驗產生的熱脹冷縮現象，組分形變量的差異導致藥柱內部應力的增加，使裂紋的產生加劇。

(2)裂紋產生的概率與藥柱的裝藥密度和藥柱尺寸有關。高密度藥柱的自由體積或空隙小，不足以容納石蠟/硬脂酸體系相變和熱膨脹時的形變量，不易消除產生的應力，更容易產生裂紋；反之低密度藥柱的自由體積或空隙大，不易產生裂紋；大尺寸藥柱則不但因自身的結構強度不如小尺寸藥柱，而且還因大尺寸藥柱熱膨脹形變量大，產生的應力也大，更易產生裂紋。

(3)可以通過改善A-IX-II藥柱的貯存環境條件，提高其貯存安全性。應降低貯存的最高溫度，使之盡可能遠低于黏結劑的液化溫度，還應該縮小貯存的溫差變化，盡量降低熱脹冷縮的影響。

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Study on Crack Formation Mechanism of Pressed Charge A-IX-II under Temperature Cyclic Load

ZHANG Dong-mei， HAN Fang，JIA Lin，ZHANG Lin-jun， CHANG Hai，PAN Qing，WANG Ke-yong, WANG Qiong，TU Jian

(Xi′an Modern Chemistry Research Institute, Xi′an 710065,China)

Abstract:To study the adaptability of pressed charge A-IX-II explosive to environmental temperature，the crack formation rule of A-IX-II explosive charge with two kinds of dimensions of Φ60mm×60mm and Φ40mm×40mm and three kinds of charge densities of 1.65, 1.70 and 1.75g/cm3was studied via high-low temperature cyclic test in four temperature ranges of -54—71,-15—71,-54—60 and -54—55℃. The mechanism of crack formation of A-IX-II explosive grain in high-low temperature cyclic test was discussed. The reasons to produce crack are analyzed by the crack appearance position, insensitive agent properties and loading temperature range. Results show that A-IX-II grain with high density and large dimension under temperature cyclic loading is more easily to crack. Two possible reasons of leading to crack for A-IX-II grain are as follows: One is that the liquefying and partial lose of insensitive agent-paraffin/stearic acid system in the aging process make the grain structure strength decrease. The other reason is that the stress produced by thermal expansion and contraction makes the structural integrity of the grain destroy eventually. At the same time, based on these two factors, the effects of the density and grain size on the crack are explained.

Keywords:physical chemistry; A-IX-II grain; temperature cyclic test; structure stability; crack formation mechanism; charge densities; paraffin

中圖分類號：TJ55; O342

文獻標志碼：A

文章編號：1007-7812(2016)01-0089-06

作者簡介:張冬梅(1977-)，女，副研究員，從事含能材料環境適應性及壽命評估技術研究。E-mail:cherryzhdm@163.com

基金項目:國家安全重大基礎研究項目

收稿日期:2015-08-16；修回日期:2015-10-14

DOI：10.14077/j.issn.1007-7812.2016.01.017