利用分離式Hopkinson壓桿技術研究澆注PBX炸藥的老化性能?

王芳芳 王 瓊 于思龍 顧 妍 常 海 張林軍

西安近代化學研究所(陜西西安，710065)

引言

炸藥作為武器戰斗部裝藥中的核心部件，在生產、加工、運輸、儲存和發射使用過程中都將經歷復雜的應力狀態，這些受力過程包括壓縮、剪切、摩擦、黏塑性流動等，尤其在使用過程中要承受加載速率較高的動態載荷作用[1]。這些載荷可能會使炸藥產生各種微裂紋、微孔洞等損傷，這些損傷一方面使炸藥的力學性能劣化，并可能最終導致結構破壞；另一方面，損傷的存在會引起裝藥結構的強度和剛度降低，并且這些損傷在載荷、溫度等的作用下進一步生長、聚合，從而影響炸藥的感度、燃燒甚至爆炸性質，對炸藥的可靠應用產生影響[2-3]。分離式霍普金森壓桿(split Hopkinson pressure bar，SHPB)技術可通過簡單的約束實現對裝藥環境的初步模擬，進而確定材料在復雜應力狀態下的應力應變響應，分析其損傷及損傷演化的規律。對PBX炸藥這類脆性材料，由于破壞應變很小，精確測量SHPB試驗中PBX炸藥的動態力學性能參數也顯得尤為重要。

目前，國內外利用SHPB技術對PBX類炸藥的力學性能、損傷模式及本構關系等已開展了相關研究。屈可朋等[4]對RDX基PBX炸藥進行了高應變率加載試驗，給出了不同應變率范圍內的力學性能；Tasker等[5]對PBXW-128炸藥進行了高應變率下拉伸動態應力-應變關系的研究；盧芳云等[6]研究了PBX炸藥在不同應變率下的壓縮試驗，分析了炸藥的微觀結構和響應機制，建立了本構方程；李亮亮等[7]研究了不同應變率響應條件下炸藥裝藥安全性試驗中存在的問題，介紹了SHPB工作原理以及針對炸藥裝藥安全性工作的開展。雖然相關學者已開展了大量的SHPB技術的改進研究以及SHPB技術在PBX炸藥的應用研究，但利用SHPB對高溫加速老化下澆注PBX炸藥在高沖擊載荷下的力學性能及損傷模式的研究，還未發現有相關報道。

本文中，利用SHPB技術和掃描電鏡(SEM)分析研究了HTPB/AP基澆注PBX炸藥在加速老化過程中，102～103s-1沖擊壓縮應變率下，其動態力學性能的變化以及微觀損傷模式，為HTPB/AP基澆注PBX炸藥裝藥的安全儲存提供理論依據。

1 樣品

1.1 樣品與儀器

HTPB/AP基澆注PBX炸藥配方含HTPB固化體系、RDX、Al粉、AP等，西安近代化學研究所；AHX-1003-FB-2型熱老化箱，南京理工大學機電廠；瞬態波形存儲器，Nicolet公司的Odyssey x E型示波器；高溫箱，101系列數顯電熱鼓風干燥箱；低溫箱，DW-50；QUANTA600FEG型場發射掃描電子顯微鏡，美國FEI公司。

1.2 樣品制備

采用“捏合-真空-澆注-固化”的制備工藝，試驗件經原材料準備與配制、物料真空混合、真空澆注、控溫固化(固化溫度約60℃，固化時間約7 d)成型4個步驟制成。炸藥試樣尺寸：高溫60℃，?8 mm×8 mm；常溫，?8 mm ×10 mm；低溫 -50℃，?8 mm×8 mm。

2 試驗

2.1 樣品的高溫加速老化試驗

將澆注PBX炸藥加工成需要的形狀，裝入復合鋁箔袋后密封，放入油浴熱老化箱中加速老化，烘箱溫度為70℃，定期取樣測試性能。

2.2 試驗裝置及方法

圖1是SHPB試驗系統裝置，該系統主要由氣壓驅動裝置、撞擊桿、入射桿、透射桿以及數據采集設備組成。在進行動態沖擊壓縮試驗前，要保持撞擊桿、入射桿和透射桿水平放置，并與試樣保持同軸心。試驗時，撞擊桿在高壓氣體的驅動下，產生入射脈沖應力波，產生的應力波沿著入射桿向前傳播，并被入射桿上的應變片記錄，繼續傳播到入射桿與試樣接觸面，試樣在其加載作用下高速變形，同時波在試樣和桿的兩個接觸面多次反射透射，最終疊加形成反射波和透射波。反射波反射回入射桿，并被入射桿上的應變片采集記錄，透射波進入透射桿繼續向前傳播，被記錄在透射桿的應變片上。根據一維應力波假定和均勻性假設，即可得出試樣在不同應變率下的應力-應變曲線。入射桿為直徑18.70 mm的鋁桿，采用靈敏度系數為2.11和1.92、電阻為1 000 Ω的金屬應變片，應變片距離試樣端1.75 m；透射桿為直徑18.04 mm的PMMA有機玻璃桿，采用靈敏度系數為110、電阻為120 Ω的半導體應變片，距離試驗端0.031 5 m。

圖1 SHPB裝置圖Fig.1 SHPB setting picture

澆注PBX炸藥的波速很低，導致試件內部的應力不均勻性十分突出。為此，采用入射波整形技術[8]，在入射桿與子彈的碰撞端用?2 mm×2 mm的橡皮泥作為整形器，以過濾加載波中的高頻分量，并使加載波變寬，上升沿變緩，使試樣內部的應力應變趨于均勻，并很好地實現常應變率加載，同時輸出桿采用靈敏度較高的半導體應變片，提高透射波信號的信噪比。每個應變率進行3次重復試驗，取重復率較好的曲線作為最終試驗結果。圖2和圖3分別是SHPB試驗的原始波形和試驗波形。圖3的試驗波形可以看出，波形光滑，沒有明顯震蕩，說明波形中的高頻成分較少，可以實現常應變率加載。

2.3 結果與討論

2.3.1 HTPB/AP基澆注PBX炸藥在不同應變率下的應力應變響應

在SHPB試驗中，完全精確地控制加載氣壓值和撞擊桿的速度是不可能的。即使對應變應力較為敏感的材料，其應變率效應在相差數倍的量級上應力-應變曲線才會有所不同。因此，對于試驗過程中可以將應變率在700～900 s-1和1 200～1 500 s-1范圍內的變化看作是兩個量級的同一個加載應變率來考量。以?8 mm×8 mm的原始樣炸藥柱為對象，進行常溫條件下SHPB試驗，圖4是研究790 s-1和1 470 s-1兩個應變率下HTPB/AP基澆注PBX炸藥的應力-應變關系。

圖2 SHPB試驗原始波形Fig.2 Original waveform of SHPB experiment

圖3 試驗波形Fig.3 Experiment waveform picture

圖4 HTPB/AP基澆注PBX炸藥原始樣在不同應變率下的應力-應變曲線Fig.4 Stress-strain curve of original specimen of HTPB/AP based casting PBX in different strain rate

從圖4可知，應力-應變曲線具有3個特征段：彈性階段、強化階段和應變軟化階段。彈性階段，線彈性變形，材料的損傷慢慢產生，但沒有累積；強化階段，非線性變形直至達到峰值應力，損傷累積并將不可逆；應變軟化階段，應力逐漸下降，應變增長，全曲線出現下降，此時損傷繼續積累。澆注PBX炸藥具有軟材料特征和大變形能力，更多體現出黏結劑的黏彈性，而非炸藥晶體的彈脆性，因此，在宏觀上，表現為低強度、低模量及較大的臨界應變。從790 s-1和1 470 s-1兩個應變率下的應力幅值來看，1 470 s-1下的失效應力和失效應變均比790 s-1下的大，說明高應變率下材料的應力應變變化更顯著，該澆注PBX炸藥的應力應變對應變率比較敏感，具有明顯的應變率效應。

2.3.2 HTPB/AP基澆注PBX炸藥在不同老化時間下的應力應變響應

將HTPB/AP基澆注PBX炸藥進行高溫和低溫條件下103應變率的SHPB試驗，應力-應變曲線如圖5、圖6、表1和表2所示。

從圖5、圖6、表1和表2可知：

圖5 高溫條件下HTPB/AP基澆注PBX炸藥老化的應力-應變曲線Fig.5 Stress-strain curve of HTPB/AP based casting PBX at high temperature

圖6 低溫條件下HTPB/AP基澆注PBX炸藥老化的應力-應變曲線Fig.6 Stress-strain curve of HTPB/AP based casting PBX at low temperature

1)HTPB/AP基澆注PBX炸藥在高溫和低溫試驗條件下，應力-應變曲線均經歷彈性階段、強化階段和應變軟化階段；其中，強化階段高應變率加載效果比較明顯。

表1 高溫條件下HTPB/AP基澆注PBX炸藥老化的失效應力應變Tab.1 Failure stress-strain of HTPB/AP based casting PBX at high temperature

表2 低溫條件下HTPB/AP基澆注PBX炸藥老化的失效應力應變Tab.2 Failure stress-strain of HTPB/AP based casting PBX at low temperature

2)圖5、表1說明HTPB/AP基澆注PBX炸藥在高溫試驗條件下，達到應變軟化時的應變隨著老化時間的增加而減小，其可能的主要原因是，高溫時，未老化炸藥試樣的黏結劑高分子鏈容易滑動，炸藥內部容易出現剪切區域，炸藥試樣達到的失效應變增大；而老化后的試樣交聯密度增加，高分子鏈受到相對限制。因此，老化時間越長，失效應變越小。

3)圖6、表2說明低溫試驗條件下，HTPB/AP基澆注PBX炸藥在0～56 d達到應變軟化時的應變是逐漸增加的，56 d以后達到應變軟化時的應變基本沒有發生變化。其可能的原因是在低溫試驗條件下，炸藥試樣本身具有脆性，分子鏈更難運動，而老化后的炸藥試樣因交聯密度增加，強度更高，在高應變率的沖擊作用下，發生失效的應變更大。此外，整體的高、低溫試驗條件下，在高溫條件下的應力變化要大于低溫條件下，具有溫度效應。

4)隨著老化時間的延長，HTPB/AP基澆注PBX炸藥在同一個應變下的應力增加，主要是因為老化過程中，交聯密度增加，炸藥的強度增大，在高應變率沖擊加載下，應力隨炸藥試樣強度的增加而升高，這從應力-應變曲線的彈性階段也可以得出，老化時間越長，其初始彈性模量越大。

2.3.3 HTPB/AP基澆注PBX炸藥宏觀損傷和微觀損傷模式

1)澆注PBX炸藥的宏觀損傷模式。圖7是HTPB/AP基澆注PBX炸藥分別老化15 d和老化135 d時，在高溫條件下、1 480 s-1應變率沖擊作用后進行的宏觀觀察。結果表明，在高應變率下，老化15 d的試樣出現宏觀軸線裂紋，但仍保持一個柱狀，而老化135 d的試樣破壞程度更大，呈餅狀，但沒有發生粉碎性破壞，這主要是由于黏結劑的黏結作用所致。

圖7 在1 480 s-1應變率下HTPB/AP基澆注PBX炸藥試樣的宏觀損傷Fig.7 Macroscopic damage of HTPB/AP based casting PBX in 1480 s-1strain rate

2)澆注PBX炸藥的微觀損傷模式。為了確定HTPB/AP基澆注PBX炸藥在不同應變率下的損傷模式，以及高低溫試驗條件對試樣損傷的影響，采用SEM分別對未沖擊原始樣、780 s-1常溫條件下、1 480 s-1低溫條件下和1 480 s-1高溫條件下的原始樣和老化樣進行了微觀形貌的觀察，結果分別如圖8～圖11所示。

分析微觀形態可見，未沖擊的HTPB/AP基澆注PBX炸藥原始樣，顆粒較完整，沒有明顯的裂紋，主炸藥緊密地嵌入高分子黏結劑內。

圖8 未沖擊的HTPB/AP基澆注PBX炸藥原始樣的SEM(×1000)Fig.8 SEM picture of original sample of HTPB/AP based casting PBX unshocked(×1000)

圖9 在780 s-1常溫條件下HTPB/AP基澆注PBX炸藥不同老化時間的SEM(×1000)Fig.9 SEM picture of different aging time of HTPB/AP based casting PBX in 780 s-1and at room temperature(×1000)

圖10 在1 480 s-1高溫條件下HTPB/AP基澆注PBX炸藥不同老化時間的SEM(×1000)Fig.10 SEM picture of different aging time of HTPB/AP based casting PBX in 1480 s-1and at high temperature(×1000)

圖11 在1 480 s-1低溫條件下HTPB/AP基澆注PBX炸藥不同老化時間的SEM(×1000)Fig.11 SEM picture of different aging time of HTPB/AP based casting PBX in 1480s-1and at low temperature(×1000)

從圖9可以看出：在常溫條件、低應變率的沖擊作用下，HTPB/AP基澆注PBX炸藥原始樣的顆粒晶體和黏結劑之間產生了間隙，即脫黏，固體顆粒沒有破碎，可以觀察到顆粒拔出后留下的凹坑，但黏結劑的結構保持良好，基本完整；老化135 d的炸藥試樣，顆粒晶體和黏結劑脫黏嚴重，同時，黏結劑之間產生了部分斷裂和孔洞現象。

從圖10可以看出：在高溫條件、高應變率加載下，原始樣和老化樣均發生嚴重的顆粒晶體和黏結劑脫黏，原始樣的黏結劑結構產生孔洞現象；老化135 d的試樣，黏結劑產生了明顯的斷裂和孔洞，晶體顆粒被“削平”成小棱形顆粒，小晶體顆粒脫黏留下許多小凹坑和孔洞，結合圖7(b)的宏觀破壞，表明高溫、高應變率條件下，炸藥試樣完全宏觀破碎，但因黏結劑的存在，仍能保持塊狀結構。

從圖11可以看出：在低溫、高應變率條件下，原始樣的黏結劑整體結構較完整，顆粒晶體和黏結劑有部分脫黏；老化135 d的試樣，其黏結劑產生嚴重的脆化碎裂，與顆粒晶體之間的脫黏也較嚴重。

綜上所述，HTPB/AP基澆注PBX炸藥在高應變率下的破壞程度要大于低應變率下，高溫試驗條件下的破壞程度要大于低溫試驗條件下，老化樣的破壞程度要大于原始樣的。總之，在沖擊載荷下，HTPB/AP基澆注PBX炸藥試樣內部的應力增加，引起試樣內部初始裂紋的擴展、匯集及貫通而形成宏觀裂紋；同時宏觀裂紋的端部又因為應力集中而出現新的微裂紋，甚至微裂紋區。如此反復，使得材料最后發生碎裂，而正是黏結劑的黏結作用，才使HTPB/AP基澆注PBX炸藥試樣保持了原有的塊狀結構。因此，沖擊壓縮時，界面脫黏和晶粒破碎兩種損傷模式并存，應變率越高，晶粒破碎的作用就越明顯。

3 結論

1)HTPB/AP基澆注PBX炸藥在高應變率下的應力應變變化比低應變率下更顯著，應力應變具有明顯的應變率效應，失效應力和失效應變均隨著應變率的增加而增加。

2)HTPB/AP基澆注PBX炸藥在高溫試驗條件下，隨著老化時間的延長，應變軟化時的應變逐漸減小，其主要原因是高溫使得分子鏈間容易滑動，但同時老化使得交聯密度增加，導致最終老化時間越長，失效應變越小；低溫試驗條件下，0～56 d應變軟化時應變逐漸增加，其主要原因是低溫條件使得炸藥脆性較大，同時交聯密度增加，強度增高，在高應變率的沖擊下，發生的失效應變更大。

3)隨著老化時間的延長，澆注PBX炸藥的交聯密度增加，炸藥的強度增大，使得其在同一個應變下的應力增加。

4)結合澆注PBX炸藥的微觀和宏觀損傷模式發現，沖擊壓縮時，界面脫黏和晶粒破碎兩種損傷模式并存，應變率越高，晶粒破碎的作用越明顯。