高溫下奧克托今單晶的沖擊響應特性

丁凱，王昕捷，吳艷青，黃風雷

(北京理工大學 爆炸科學與技術國家重點實驗室，北京 100081)

0 引言

奧克托今(HMX)含能單晶具有優異的綜合性能，是常用高聚物粘結炸藥(PBX)的主要成分。因此，研究HMX單晶在熱力刺激下的力學性能，對PBX在運輸、存儲以及復雜環境下的安全性評價有重要指導作用。

目前炸藥單晶力學性能實驗研究方法包括壓痕實驗、Hopkinson桿實驗、平板撞擊實驗及準等熵斜波加載實驗等。其中，壓痕實驗著重研究單晶的準靜態力學性質[1]，但由于炸藥通常面臨動態加載條件，需要借助平板撞擊實驗等研究其動態力學性能。太恩(PETN)炸藥單晶的平板撞擊實驗結果表明，(110)和(001)晶向在沖擊壓力達到8.4 GPa時會發生爆轟，而對于(100)和(101)晶向，即使沖擊壓力超過19.5 GPa仍然不會發生爆轟，表明PETN炸藥單晶的沖擊感度呈現顯著的取向依賴性[2-4]。關于HMX和黑索今(RDX)炸藥單晶的研究中，Dick等[5-6]和Menikoff等[7]利用激光速度干涉儀(VISAR)在平板撞擊實驗中獲得了HMX單晶(010)、(110)和(011)取向的界面粒子速度歷史曲線，通過對比發現：(010)取向比(110)和(011)取向對應的彈性先驅波幅度高，同樣表現出顯著的各向異性。另外，曲線均表現出彈塑性雙波結構，Dick等[6]進一步指出這是因為對于脆性炸藥晶體，位錯和孿晶仍是其主要變形機制。Hooks等[8]對不同取向RDX單晶進行了平板撞擊實驗，同樣發現其沖擊力學響應呈現各向異性，隨著厚度增大其Hugoniot彈性極限(HEL)減小。與PETN和HMX單晶有所不同的是，RDX單晶(100)取向的變形機制由位錯和孿晶轉變為脆性解理斷裂。Wang等[9]對不同取向的HMX和RDX單晶進行平板撞擊實驗，并結合各向異性晶體模型研究了單晶沖擊熱力學響應。蔡進濤等[10]通過磁驅動壓縮加載實驗技術對HMX單晶(010)和(011)取向進行準等熵斜波加載實驗，發現粒子速度歷史曲線中存在明顯的彈塑性轉變及速度弛豫效應。以上不同單晶實驗的結果表明，單晶的動態力學響應均表現出各向異性。然而目前大多數炸藥單晶動態力學特性研究通常在常溫下進行，對于高溫下炸藥單晶的沖擊特性研究較少。

國內外對熱和沖擊作用下炸藥的研究主要集中于PBX宏觀的沖擊起爆，鮮有對炸藥晶體尺度的研究。高溫相變對HMX單晶的力學性質具有一定的影響。高溫下HMX單晶由β轉變到δ相，體積膨脹產生裂紋，從而容易形成熱點，導致單晶感度增高[11]。

為分析高溫對HMX單晶沖擊響應的影響，本文設計高溫加熱裝置，在相變溫度以下進行HMX單晶的平板撞擊實驗，以獲取相應的彈塑性動態力學參數，進而研究溫度對HMX單晶沖擊力學響應的影響規律。

1 實驗方法和實驗方案

1.1 實驗方法

1.1.1 加熱裝置設計

根據輕氣炮靶板室空間及單晶樣品尺寸要求，設計如圖1所示的多凹槽鋁制結構。在內徑區域預留鍵槽，以便熱電偶測量單晶邊側溫度；將加熱電阻絲纏繞在凹槽內并連接在加熱電路中，其中熱電偶將測量溫度反饋給溫度儀，溫度儀通過控制固態繼電器的通斷達到溫度恒定，變壓繼電器用來調節加熱功率。

圖1 加熱裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of heating device

1.1.2 實驗樣品

HMX通常具有α、β、γ和δ共4種晶型，在常溫常壓下，β-HMX是最穩定的晶型，因此本文實驗使用的HMX均為β-HMX.HMX樣品通過切割由丙酮溶液培養出較大純凈的單晶得到。

圖2 HMX單晶XRD衍射圖譜Fig.2 XRD diffraction pattern of HMX single crystal

關羽翔等[12]使用相同的丙酮重結晶方法生長出HMX晶體，利用二氧化鍺粉末作為內標物質，通過X射線衍射內標法標定HMX晶體各個顯露晶面的晶面指標，在實驗基礎上構建β-HMX晶體的丙酮晶體模型。晶體顯露面指標化結果如圖3所示，各晶面指標化的XRD實驗結果如表1所示。對比圖2結果和表1結果可知，實驗使用HMX晶體取向均為(011)取向。

圖3 晶體表面指數Fig.3 Orientations of crystal surface

表1 β-HMX晶體表面衍射的校正2θ[[12]Tab.1 Calibrated 2θ of β-HMX crystal surface[12] (°)

實驗時，應保證使用的HMX單晶加工表面無明顯裂紋、孔洞以及缺陷。因此，利用光學顯微鏡觀測放大50倍和200倍后的單晶，其加工表面細觀特征如圖4所示，從而確保實驗使用的HMX單晶加工表面特性良好。

圖4 HMX單晶加工表面細觀特征Fig.4 Microscopic morphologies of HMX single crystal

飛片、砧板以及窗口選用的材料、密度ρ和體積聲速c以及沖擊波波速D與波后質點速度u之間線性關系的斜率s如表2所示。

表2 實驗材料參數Tab.2 Parameters of experimental materials

1.1.3 實驗裝置

通過設計的裝置加熱單晶，使單晶初始溫度T分別升至323 K、373 K及423 K.1級輕氣炮作為加載裝置，控制飛片的撞擊速度均在300 m/s左右。

利用探針測速技術測量飛片出炮口的速度，金屬探針組分為3組，依次排布在炮口處，具體位置及測量示意圖如圖5所示。

圖5 金屬探針測速示意圖Fig.5 Schematic diagram of velocity measurement by metal probe

實驗靶板系統采用砧板- 單晶- 窗口結構。HMX單晶與氟化鋰窗口界面粒子速度歷史曲線由VISAR測量得到，測速系統布置如圖6所示。高溫下利用VISAR測速的輕氣炮實驗示意圖如圖7所示。

圖6 VISAR系統實驗布置Fig.6 Arrangement of VISAR instrumentation

1.2 實驗方案

實驗時，在1級輕氣炮的靶板室中安裝靶板系統和光學測試系統，炮口安裝金屬探針測速裝置，將靶室與炮管抽真空，并使用加熱線圈加熱單晶，使其溫度達到實驗初始溫度；當真空度達到一定標準時，在高壓室注入氦氣，并將固定在彈托上的飛片置入炮管中。開啟閥門，彈丸在炮管中加速，在炮口處飛片接通金屬探針，示波器記錄電信號隨時間的變化，飛片繼續運動并連通置于出炮口端面的觸發探針，信號經由同步機觸發示波器，并延遲一段時間后觸發電光開關。電光開關閉合后，VISAR開始記錄HMX單晶與氟化鋰窗口界面處的粒子速度變化，輸出到示波器。根據VISAR信號記錄數據電壓幅值和相位差，由此推算出界面粒子速度歷史曲線。

2 實驗結果與分析

2.1 金屬探針測速信號結果

實驗之前，用測量顯微鏡測量3組探針的間隔分別為Δd1、Δd2.彈丸在炮管中運動，飛片先依次觸發與示波器通路連接的3組金屬探針，在示波器3個通道上依次產生電壓信號的波動，讀出電壓信號改變的時間間隔Δt1、Δt2.圖8所示為單晶初始溫度323 K的實驗示波器信號。再結合測量的探針間隔計算出經過Δd1、Δd2的平均速度v1、v2，取平均值得到飛片撞擊速度v.表3所示為不同溫度下的測量和計算結果。

表3 不同初溫下金屬探針測量飛片速度結果Tab.3 Flyer velocities measured by metal probe at elevated temperatures

圖8 金屬探針測速示波器信號Fig.8 Oscilloscope signal of metal probe

2.2 不同初溫下單晶與窗口界面粒子速度歷史曲線

不同初溫下HMX單晶與氟化鋰窗口界面粒子速度歷史曲線如圖9所示。從圖9中可以看出，單晶在不同初溫下的界面粒子速度歷史曲線均表現出彈黏塑性雙波結構，這里塑性變形不僅表示傳統的位錯滑移塑性機制，還可能包括依賴晶體取向的脆性解理斷裂機制。首先彈性波傳播到界面處，粒子速度突躍至HEL.隨后位錯運動或微裂紋產生導致非彈性變形，出現應力松弛以及塑性應變率的降低，粒子速度降低。最后塑性主波到來，粒子速度急劇增加到恒定值。

圖9 HMX單晶/窗口界面粒子速度歷史曲線Fig.9 Particle velocity profiles on the interface between HMX single crystal and window

不同溫度下界面粒子速度曲線第1個波峰對應的粒子速度為HEL對應的界面粒子速度。323 K初始溫度下的界面粒子速度歷史曲線中波峰不明顯，可能在實驗時未保證飛片正撞擊靶板，導致產生的剪切波影響單軸應變縱波的傳播，但從圖9中可以看出其HEL對應的界面粒子速度約為64 m/s.當初始溫度為373 K時，從圖9中明顯看出，出現HEL對應的界面粒子速度為65 m/s.結合文獻[18]中常溫即300 K下HMX單晶(011)取向的平板撞擊實驗數據，換算到實驗工況，可計算出該溫度出現HEL對應的界面粒子速度為67 m/s.對比初始溫度分別為常溫、323 K、373 K下HEL對應的界面粒子速度發現，隨著單晶初始溫度的升高，粒子速度無明顯變化，表明對應的HEL不會發生明顯變化。這是因為當初始溫度較低、未對單晶的初始體積和密度造成明顯影響時，溫度效應對HEL影響較小。只有當初始溫度較高時，溫度效應較為明顯。從初始溫度為423 K的實驗可以看出，HEL對應的界面粒子速度為95 m/s，隨著初始溫度升高，HEL反常增高，實驗結果表現出熱硬化效應。這種現象可能類似金屬鋁基于位錯滑移機制的熱效應：由于在高應變率下，變形機制由熱激活轉變為聲子阻力控制，與聲子阻力相關的移動位錯黏性摩擦系數隨著溫度增大而增大，導致摩擦阻力增大，需要更高的分解剪應力才能使位錯滑移啟動。

2.3 不同初溫下單晶的彈塑性力學參數

本文實驗中所測定的波形曲線為HMX單晶與氟化鋰窗口界面的粒子速度歷史曲線，記錄了在HMX單晶傳播后的波與氟化鋰窗口作用之后的波形，反映的是HMX單晶以及氟化鋰窗口的力學性能。為了進一步分析單晶HMX內部波的傳播以及其力學性質，采用波阻抗匹配原理得到HMX單晶的彈塑性力學參數，具體阻抗匹配的方法如圖10所示。圖10中，氟化鋰窗口的Rayleigh線與HMX單晶Rayleigh線反演線的交點為測得界面粒子速度ui和應力σi，HMX單晶的Rayleigh線與其Rayleigh線反演線的交點為對應HMX單晶中的粒子速度us和應力σs.

圖10 HMX單晶阻抗匹配方法Fig.10 Impedance matching method of HMX single crystal

因此，波阻抗匹配計算公式為

σLiF=ZLiFuLiF=ρLiFDLiFuLiF，

(1)

(2)

(3)

式中：ZLiF為氟化鋰窗口的波阻抗；uLiF為氟化鋰窗口的粒子速度，uLiF=ui；ρLiF為氟化鋰窗口的密度；DLiF為氟化鋰窗口的波速，DLiF可根據表2中參數由D=c+su計算得到；Zs為HMX單晶的波阻抗；ρs為HMX單晶的密度，ρs=1.900 g/cm3；Ds為HMX單晶的波速。由于實驗條件所限，無法直接測量HMX單晶的彈性波速，同時需要考慮彈性波速的溫度相關性。線性擬合楊氏模量與初始溫度關系，在初始溫度較高時由楊氏模量計算出的彈性波速失真。因此對楊氏模量進行二次擬合，得到彈性波速De.彈性波速De計算公式為

(4)

式中：υ為泊松比；E為楊氏模量。

利用(4)式，參考文獻[18]中HMX單晶在初始溫度300 K的De為4 510 m/s，泊松比υ為0.25，反推出HMX單晶在初始溫度300 K時楊氏模量E=32.2 GPa，υ隨溫升無明顯變化，而在初始溫度552 K時HMX單晶發生熔化，則E=0 GPa，利用初始溫度300 K和552 K時的楊氏模量二次擬合出：

E=-5.07×10-4T2+0.304T-13.3.

(5)

表4 不同初始溫度下HMX單晶的實驗結果Tab.4 Experimental results of HMX at different initial temperatures

(6)

式中：Δt以彈性先驅波波峰到塑性波平臺初始點時間間隔的1/2作為塑性上升時間。

圖11和圖12所示分別為不同初始溫度下的ue和σe.從圖11和圖12中可以看出，323 K和373 K初始溫度下ue和σe與王昕捷[18]所測常溫下的數據無明顯差異，與Dick等[6]所測常溫下的數據有較大差異，其中有4組差異明顯。這是因為初始溫度323 K和373 K下單晶實驗厚度與王昕捷[18]實驗厚度相近，而比Dick等[6]使用單晶厚度薄，導致彈性先驅波衰減較小，HEL以及對應的粒子速度高于Dick等[6]的其他4組。Dick等[6]的實驗結果表明，相同取向、相同撞擊速度下厚度增大，其HEL會降低。本文中樣品加熱后尺寸變厚，與常溫相比，預期獲得的HEL會降低，然而本文中323 K和373 K初始溫度下的HEL均較高。423 K初始溫度下的HEL為1.02 GPa，遠高于王昕捷[18]在常溫下測得的0.754 GPa和Dick等[6]在常溫下測得的最小單晶厚度的0.74 GPa.若不考慮423 K高溫熱膨脹導致的樣品尺寸變厚，其彈性極限將更高，熱硬化效應將更加明顯。因此本文忽略不同初始溫度對樣品尺寸的影響。對比初始溫度分別為常溫、323 K、373 K和423 K的彈性力學參數，發現在初始溫度較低時，溫度效應不明顯，ue和σe無明顯差異，其塑性變形機制未發生明顯變化；在初始溫度423 K較大時，ue和σe均隨溫度增大有明顯增大，表現出熱硬化效應，塑性變形機制可能由熱激活變為聲子阻力控制。在相變溫度以下、373 K初始溫度以上，HMX單晶在一定撞擊壓力下，隨著溫度升高，更加難以發生屈服，更加不容易形變。圖13為不同初始溫度下單晶的塑性力學參數。由圖13可見，在不同初始溫度下單晶的粒子速度up有隨著初始溫度增大而增大的趨勢，但從塑性應力σp的變化趨勢看，373 K和423 K初始溫度下的塑性應力差別不大，373 K和423 K初始溫度下的塑性應力σp遠高于323 K下，塑性應力σp與溫度無明顯線性相關。

圖11 不同初始溫度下HMX單晶粒子速度Fig.11 Particle velocities ue of HMX single crystal at different initial temperatures

圖12 不同初始溫度下HMX單晶HELFig.12 Hugoniot elastic limits σe of HMX single crystal at different initial temperatures

圖13 不同初始溫度下HMX單晶的塑性力學參數Fig.13 Plastic mechanics parameters of HMX single crystal at different initial temperatures

3 結論

1) 不同初始溫度下單晶/窗口界面粒子速度曲線均表現出彈黏塑性雙波結構。由于彈性波到達界面處，粒子速度突躍至沖擊HEL對應的界面粒子速度。隨后位錯運動或微裂紋產生導致非彈性變形，出現應力松弛以及塑性應變率的降低，從而粒子速度降低。最后塑性主波到來，粒子速度急劇增加到恒定值。

2) 在較低初始溫度(323 K、373 K)時，單晶的初始體積和密度相對常溫下無明顯改變，HEL相差不大，與溫度無明顯相關性，其塑性變形機制未發生明顯變化。

3) 在較高初始溫度(423 K)時，HEL隨初始溫度升高而增大，表現出熱硬化效應，其塑性變形機制可能由熱激活變為聲子阻力控制。與聲子阻力相關的移動位錯黏性摩擦系數隨著溫度升高而增大，導致阻力增大，需要更高的分解剪應力才能使位錯滑移啟動。