典型澆注PBX 炸藥的準靜態壓縮力學行為?

席 鵬 孫培培 鄭亞峰 南 海 潘 文

西安近代化學研究所(陜西西安，710065)

引言

炸藥是武器系統中彈藥和戰斗部的能源，通過爆轟實現毀傷效應。 作為結構材料，炸藥在運輸、儲存和使用過程中需要耐受一定的應力和變形。 炸藥的強度和剛度較低，在一定外載荷作用下會產生不同程度的損傷，影響炸藥的點火閾值和爆轟波傳播。炸藥損傷后的力學行為直接關系到自身的應用安全性、爆轟穩定性和起爆可靠性等，從而影響武器系統的使用壽命、安全性和作戰效果。 針對軍事需求的迫切性，炸藥損傷的研究越來越受到關注。 有學者對壓裝PBX 炸藥(高聚物黏結炸藥)進行徑向壓縮試驗，觀察到了顆粒斷裂、界面脫黏、變形孿晶等多種損傷破壞形式，并在試驗研究的基礎上對PBX 材料幾種可能的變形破壞機理進行了分析[1-2]。 陳鵬萬等[3]利用巴西試驗對高聚物黏結炸藥的變形破壞機理進行了研究，結果表明，試樣最主要的破壞機理是界面脫黏和黏結劑的成穴失效。 目前，國內研究人員對炸藥損傷的研究大多集中在壓裝PBX 方面，對澆注PBX 炸藥損傷研究主要集中在損傷形貌特征方面，對于損傷后的力學行為討論較少。

澆注PBX 炸藥是一種聚合物基復合材料，具有優異的低易損性能和爆轟性能，廣泛應用于侵徹戰斗部、水下戰斗部等[4-6]。 澆注PBX 炸藥的配方體系和力學性能與壓裝PBX 炸藥差異較大[7]。 研究澆注PBX 炸藥的損傷行為，可以分析炸藥在儲存、運輸等準靜態條件下的安全性，獲取的力學性能參數也是炸藥數值仿真計算的必備條件，有助于炸藥在侵徹、沖擊、跌落等應用工況下的安全性[8-9]。

本文中，主要以準靜態壓縮試驗作為實施損傷的手段，通過壓縮應變控制炸藥的損傷程度，研究典型澆注炸藥PBX-1 損傷過程中的力學行為，討論澆注PBX 炸藥材料的微觀結構和破壞性能，分析炸藥的損傷演化過程，為其安全性預估提供基礎數據。

1 試驗部分

1.1 試樣制備

PBX-1 炸藥配方(質量分數)由64% 黑索今(RDX)、20%鋁粉(Al)和黏結劑組成。 黏結劑配比參考文獻[10]中的PBXN-109 炸藥，外加0.01%的TPB 催化劑[11]。 炸藥藥柱尺寸?20 mm × 20 mm，密度1.645 g/cm3。

1.2 儀器設備

防爆材料實驗機，西安近代化學研究所研制，最大壓力30 kN，壓力相對誤差0.29%，位移相對誤差0.28%；微觀掃描電子顯微鏡，FEI QUANTA-600型，環境為高真空模式。

1.3 試驗條件

固定應變條件下連續進行3 次壓縮-恢復試驗，壓縮速率與恢復速率均為5 mm/min，當位移恢復到起始點后，立即進行第2 次壓縮，試驗溫度25 ℃。定應變壓縮后立即進行真應力-應變[7]測試。 密度測試參考GJB772A—1997 方法401.2 液體靜力稱量法，分度值0.001 g/cm3。

2 結果和分析

2.1 壓縮損傷后的真應力-應變曲線

圖1 連續壓縮3 次后的真應力-應變曲線Fig.1 True stress-strain curves after compression by three cycles

圖1為PBX-1炸藥在準靜態壓縮損傷前、后的真應力-應變曲線。其中，曲線1＃是炸藥損傷前的真應力-應變曲線；曲線 2＃～ 曲線 6＃分別是 PBX-1 炸藥在經歷壓縮應變分別為 4%、 6%、 8%、 10%、14%條件下連續壓縮3 次后的真應力-應變曲線。從曲線1＃可以看出，在準靜態壓縮條件下，PBX-1 炸藥的應力應變曲線表現出顯著的非線性，主要由3個階段組成：低模量的線性階段、強化階段和應變軟化階段。 PBX-1 炸藥存在豐富的界面層，在應變初始階段產生界面壓縮變形，表現出較低的壓縮模量。隨著應變增加，聚合物剛度逐漸增大，炸藥處于一種高模量狀態，發生大應變變形。 當壓縮應變大于6%，高彈形變逐漸向黏性流動轉變，壓縮模量逐漸降低；在越過屈服點后，應力逐漸下降，表現為明顯的應變軟化特征。

從曲線2＃～曲線6＃可以看出，在壓縮應變不超過8%時，由于澆注PBX 炸藥豐富的聚合物的蠕變特征，在3 次低應變壓縮后界面壓縮尚未恢復，顆粒填充更加密實，曲線表現為彈性段和軟化段，在彈性段炸藥的剛度增加；在壓縮應變大于10%后，炸藥損傷導致應變軟化，失去彈性自持性，表現出聚合物黏性特征。 此外，從曲線2＃～曲線6＃還可以看出，由于損傷后的力學性能曲線是在連續3 次損傷后直接測量，損傷應變沒有恢復，PBX-1 炸藥在壓縮初期存在0.5% ～2.5%的殘余應變。

表1 給出了損傷前、后PBX-1 炸藥的力學性能參數，未損傷炸藥屈服強度σm為0.60 MPa，屈服應變εm為10.6%。 在定應變壓縮≤8%并連續壓縮3次后，炸藥的σm和εm沒有發生顯著變化，壓縮處于PBX-1 炸藥的彈性壓縮階段；當定應變壓縮≥10%以后，炸藥損傷導致應變軟化，失去彈性自持性，表現出聚合物黏性特征。

2.2 準靜態壓縮條件下的殘余應變和密度變化

樣品在壓縮后的殘余應變測試結果如圖2所示。澆注PBX炸藥是一種介于理想彈性體和理想黏性體之間的黏彈性材料，當受到外力作用后，平衡形變迅速完成，與理想彈性體相關；在外力卸去后，形變還會隨時間發展，又與黏性材料相似[7]。 PBX-1 炸藥在宏觀上表現為黏彈性材料，其力學松弛也表現在蠕變、滯后等方面，即使在2%壓縮應變后，也存在接近0.5%的殘余應變。 雖然在壓縮應變小于6%時的殘余應變差異不大，但是，總體上依然體現出殘余應變隨壓縮應變增加而增長的趨勢。 從壓縮24 h 后的殘余應變曲線可以看出，在壓縮應變小于8%時，殘余應變經過24 h 得到恢復；當壓縮應變大于8%以后，殘余應變隨著壓縮應變的增加而增大，表明在壓縮應變大于8%以后，損傷逐漸增大，炸藥發生明顯的塑性變形。

表1 損傷前、后的力學性能參數Tab.1 Mechanical property parameters before and after damage

圖2 PBX-1 在不同壓縮應變下的殘余變形Fig.2 Residual deformation of PBX-1 under different compression strains

圖3 是PBX-1 炸藥在定應變壓縮前、后的密度變化曲線。 在壓縮后立即進行密度測量，炸藥密度隨著壓縮應變的增大而逐漸增大；在壓縮應變8%時，密度達到最大值1.65 g/cm3；隨后密度迅速減小。 定應變壓縮24 h，炸藥的密度變化相對平緩，在壓縮應變小于8%時，密度與壓縮前基本一致；在壓縮應變大于8%以后，密度顯著降低。

2.3 PBX-1 炸藥的損傷形貌

在定應變壓縮過程中，炸藥在達到最大應力之前已經可以目測到局部微小裂紋和裂紋增長現象。

圖3 PBX-1 在不同壓縮應變下的密度Fig.3 Density of PBX-1 under different compression strains

圖4 是PBX-1 炸藥在3 次定應變壓縮后的表面形貌。 從圖4(a)可以看出，PBX-1 炸藥在較小應變壓縮下無明顯損傷，RDX 與鋁顆粒分布均勻，顆粒之間通過黏結劑密實填充。 由圖4(b)可知，在定應變6%壓縮后，黏結劑發生彈性變形，顆粒之間受到擠壓，炸藥顆粒被黏結劑緊密包裹。 由圖4(c)、圖4(d)可知，在應變大于10%以后，炸藥在微觀上表現出明顯的不均勻性，黏結劑發生松弛或斷裂，伴隨著顆粒脫黏現象，表現為明顯的損傷狀態。 從微觀形貌可以看出，在準靜態壓縮過程中，澆注PBX 炸藥的力學行為主要表現為黏結劑的變形和損傷，未發現炸藥穿晶斷裂、粉碎等變化。

2.4 PBX-1 炸藥的力學行為分析

從炸藥損傷前的真應力-應變曲線(圖1，曲線1＃)可以看出，在準靜態壓縮條件下，未損傷PBX-1炸藥在小應力( ＜0.05 MPa)下存在一個低模量的線性階段。 根據文獻[12]報道，在如此小的應力下不可能發生聚合物斷裂、沿晶斷裂、穿晶斷裂和塑性變形。 與單一聚合物和其他聚合物基復合材料不同，PBX-1 炸藥是一種帶有預損傷的復合材料，壓縮過程中填料與黏結劑之間豐富的界面層貢獻給壓縮應變的壓縮量遠遠高于其他材料。 在應變較小時，界面壓縮是澆注PBX 炸藥的主要卸載方式。 結合準靜態壓縮條件下的殘余應變和密度變化分析，屈服應變并不能表達炸藥的損傷過程，PBX-1 炸藥在屈服應變之前已經發生明顯的損傷，因此存在一個損傷臨界點，臨界點的應力和應變假定為損傷強度σc和損傷應變εc，屈服過程如圖5 所示。

圖5 PBX-1 炸藥的屈服過程Fig.5 Yield procedure of explosive PBX-1

如圖5 推理，PBX-1 炸藥的準靜態壓縮過程分為4 個階段：接觸壓縮階段(0 ＜ε ＜εb)、彈性壓縮階段(εb≤ε ＜εc)、損傷階段(εc≤ε ＜εm)和應變軟化階段(ε≥εm)。 在接觸壓縮階段，炸藥受到的壓縮載荷較小，炸藥界面被壓縮成密實狀態。 隨著應力增大，炸藥中的彈性體被壓縮，聚合物組分以彈性變形作為主導因素；當載荷卸去時，彈性體的彈性變形恢復，由于界面壓縮的滯后性和聚合物的蠕變，原有的顆粒間隙減小，導致炸藥密度增高、剛度增大，在下一次的壓縮過程中表現為剛度強化的特點。 當炸藥壓縮應變大于損傷應變εc時，炸藥中的黏結劑發生損傷破壞，逐漸失去對炸藥的保護作用；但是由于炸藥中的RDX、鋁顆粒堆積，導致炸藥的真應力-應變曲線繼續上升，表現為屈服點前、后的屈服階段和應變軟化階段。

基于上述分析可知，澆注炸藥在壓縮應變大于損傷應變εc時，炸藥已經發生損傷。 根據PBX-1 炸藥在不同壓縮應變下的力學性能參數和殘余變形曲線變化趨勢，以及掃描電鏡圖的對比，可以得出PBX-1 炸藥的損傷應變為8%。 在材料應用或者數值模擬計算時，參考損傷強度σc和損傷應變εc進行強度校核，并賦予一定的安全余量，其真實性和可行性更優于屈服應力和屈服應變。

3 結論

1)測試了典型澆注PBX 炸藥PBX-1 在準靜態壓縮損傷前、后的真應力-應變曲線。 PBX-1 炸藥的真應力-應變曲線表現出顯著的非線性。 當應變小于8%時，炸藥的屈服強度和屈服應變沒有發生顯著改變；在壓應變大于10%后，炸藥損傷導致應變軟化，失去彈性的自持性，表現出聚合物黏性特征。PBX-1 炸藥的屈服強度σm為0.6 MPa，屈服應變εm為10.6%。

2)PBX-1 炸藥在準靜態壓縮條件下的力學行為分為接觸壓縮、彈性變形、損傷破壞和應變軟化4 個過程。 在壓縮應變小于損傷應變時，澆注炸藥主要以彈性變形為主；在壓縮應變超過損傷應變后，炸藥中黏結劑斷裂，發生塑性變形。

3)PBX-1 炸藥在較小壓縮應變下無明顯損傷，顆粒之間通過黏結劑密實填充；在壓縮應變超過損傷應變后，密度降低，殘余應變增大。 PBX-1 炸藥的損傷應變為8%。