碳纖維對澆注PBX力學(xué)性能及靜電火花感度的影響

謝 虓，劉 濤，鄭保輝

(中國工程物理研究院化工材料研究所， 四川 綿陽 621900)

現(xiàn)代武器的快速發(fā)展、戰(zhàn)場環(huán)境的巨大變化使聚合物粘接炸藥(PBX)必須應(yīng)對搭載或運輸中的顛簸與振動、發(fā)射或侵徹過程中的過載與沖擊、意外力熱刺激等更加復(fù)雜的場景，因此對其力學(xué)性能增強提出了迫切需求[1-3]。目前常用的PBX力學(xué)性能增強方法主要包括聚合物基體的力學(xué)性能優(yōu)化[4-5]、炸藥或其他含能顆粒的粒徑與級配調(diào)控[6-7]、組分間界面優(yōu)化[8-9]以及補強材料的添加[10-12]等。上述方法中，添加補強材料具有可選材料種類較多、工藝相對簡便，增強效果較好等優(yōu)勢。

碳纖維是聚丙烯晴纖維、瀝青纖維、黏膠絲或酚醛纖維經(jīng)過碳化制得，具有極高的拉伸強度和彈性模量。作為一種新型的復(fù)合材料基體增強材料，可以和聚合物、金屬、陶瓷、其他碳材料等進行復(fù)合，獲得具有高模量、高強度、耐腐蝕、抗疲勞、低熱膨脹系數(shù)等眾多優(yōu)異性能的復(fù)合材料[13-15]，因此可作為增強PBX力學(xué)性能的重要候選組分。此外，碳纖維優(yōu)異的導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性能[16-17]也將賦予PBX更好的安全性能。

本研究將碳纖維添加至澆注PBX中，探討了添加量對藥柱力學(xué)性能、熱導(dǎo)率、靜電火花感度等性能的影響規(guī)律，為碳纖維在澆注PBX中的高效應(yīng)用及炸藥配方綜合性能的優(yōu)化提供基礎(chǔ)。

1 實驗

萬能試驗機，美國INSTRON公司5582型；熱常數(shù)分析儀，瑞典凱戈納斯儀器有限公司TPS2500型；靜電火花感度儀，中國陜西軍誠電器科技有限公司JGY-50Ⅲ型。

某澆注PBX，主炸藥為HMX，添加Al粉，粘接劑為HTPB/TDI體系。制備了3種PBX樣品，碳纖維的添加量分別為0、0.05%、0.10%，其余組分及制備工藝相同，相應(yīng)命名為PBX-0、PBX-5、PBX-10。

壓縮試樣、拉伸試樣分別為符合GJB772A—97標準要求的Φ20 mm×20 mm圓柱形藥柱和啞鈴型藥柱，所有試樣均為一次澆注固化成型，萬能試驗機加載速率為0.5 mm/min。靜電火花感度測試采用GJB 5819.27—2006方法，單次試驗藥量為20 mg，靜電火花感度測試儀電容為3 000 pF。

不同碳纖維添加量的PBX試樣外觀如圖1所示。

對比各PBX試樣外觀可知，添加碳纖維后，其顏色、外觀質(zhì)量等未發(fā)生顯著變化，這是由于添加量在此范圍內(nèi)并不會對藥漿的流變性能以及混制、澆注等過程產(chǎn)生顯著影響，因而不會影響成型藥柱的外觀質(zhì)量。

圖1 各PBX試樣照片

2 碳纖維含量對抗壓強度的影響

25 ℃、50 ℃、75 ℃下各試樣的抗壓強度如表1所示。各試樣平均抗壓強度及其相對于PBX-0的變化率如圖2所示。

表1 不同溫度下各試樣的抗壓強度

圖2 各試樣平均抗壓強度及其相對于PBX-0變化率的直方圖

由表1、圖2可知，在25 ℃下，添加0.05%碳纖維的PBX試樣抗壓強度提高了21.81%。而當碳纖維含量進一步增至0.10%后，與未添加碳纖維的樣品相比，抗壓強度反而下降了10.30%。在50 ℃、75 ℃下，碳纖維添加量對PBX抗壓強度的顯示出相似的影響規(guī)律。這可能是由于隨著碳纖維添加量增加，纖維之間的接觸幾率增加，更容易發(fā)生聚集，而這種聚集體屬于一種較松散的結(jié)構(gòu)，相當于在局部形成一些較疏松的區(qū)域，造成力學(xué)性能的下降。

進一步比較各樣品在不同溫度下的抗壓強度，PBX-0、PBX-5、PBX-10試樣在75 ℃時的抗壓強度分別比25 ℃時下降了24.85%、24.13%、30.07%。這表明添加0.05%碳纖維后，溫度對澆注PBX力學(xué)性能的影響程度并未發(fā)生顯著變化，但隨著碳纖維含量進一步增加，溫度的升高將對澆注PBX力學(xué)性能產(chǎn)生更加顯著的影響。

3 碳纖維含量對拉伸強度的影響

25 ℃、50 ℃、75 ℃下各試樣的拉伸強度如表2所示。各試樣平均拉伸強度及其相對于PBX-0的變化率如圖3所示。

表2 不同溫度下各試樣的拉伸強度

圖3 各試樣平均拉伸強度及其相對于PBX-0變化率的直方圖

由表2、圖3可知，在25 ℃下，PBX-5的拉伸強度較PBX-0提升了25.89%，而PBX-10拉伸強度較PBX-0卻下降了8.93%。3種藥柱在75 ℃時的抗壓強度分別比25 ℃時下降了28.57%、50.35%、46.08%，且在75 ℃時，PBX-5的拉伸強度甚至小于PBX-0。上述試驗結(jié)果表明，適宜的碳纖維添加量可顯著增加PBX的拉伸強度。但進一步提升其含量不僅會導(dǎo)致PBX力學(xué)性能下降，而且會增加力學(xué)性能對溫度的敏感性。

通常情況下，碳纖維可有效增加復(fù)合材料的斷裂伸長率，因此進一步對比了各溫度下PBX試樣的斷裂伸長率，結(jié)果如表3所示。各試樣平均斷裂伸長率及其相對于PBX-0的變化率如圖4所示。

表3 不同溫度下各試樣的斷裂伸長率

圖4 各試樣平均斷裂伸長率及其相對于PBX-0變化率的直方圖

由表3、圖4可知，在25 ℃時，樣品的斷裂伸長率隨碳纖維含量的增加而增加。但PBX-5與PBX-0相比，其變化率絕對值在10%以內(nèi)，而當碳纖維添加量進一步增加至0.10%時，樣品的斷裂伸長率顯著增加，在25 ℃、50 ℃、75 ℃下，分別增加了35.55%、26.12%、30.03%。上述結(jié)果表明，碳纖維的添加可以有效增加PBX的斷裂伸長率，但結(jié)合拉伸強度試驗結(jié)果可知，增加碳纖維添加量雖然可以增加斷裂伸長率，但拉伸強度卻隨之降低。因此，要同時增加PBX的拉伸強度和韌性需要選擇適宜的碳纖維添加量。

4 碳纖維含量對導(dǎo)熱系數(shù)及靜電火花感度的影響

碳纖維導(dǎo)熱率顯著高于聚合物基體，因此可改善PBX的導(dǎo)熱性能。各試樣的導(dǎo)熱系數(shù)如表4所示。

表4 各試樣的導(dǎo)熱系數(shù)

由表4可知，隨著碳纖維添加量增加，PBX導(dǎo)熱系數(shù)隨之增大。與力學(xué)性能變化趨勢不同。盡管碳纖維可能存在不均勻分布，但同樣可以形成更密集的熱量導(dǎo)通網(wǎng)絡(luò)，增加PBX的導(dǎo)熱性能。在外界溫度發(fā)生變化情況下(如緩慢升溫、溫度沖擊等場景)，PBX內(nèi)部的溫度分布將更加均勻，避免局部溫度過高，也有利于內(nèi)部熱應(yīng)力的快速釋放，進一步提升其環(huán)境適應(yīng)性。

此外，更高的熱導(dǎo)率有助于熱量的快速傳導(dǎo)、避免聚集。炸藥的靜電火花感度與其熱性能密切相關(guān)[18-19]，更好的導(dǎo)熱性能可能有助于降低炸藥的靜電火花感度。因此進一步測定了各試樣的靜電火花感度，實驗結(jié)果如表5所示。

表5 各試樣的靜電火花感度

由表5數(shù)據(jù)可知，添加碳纖維后，PBX的靜電火花感度顯著降低，V50和E50最多可增加20%和44%。靜電火花感度測試中使用的是由成型PBX藥柱切削制成的藥粉，取樣方式可能導(dǎo)致藥粉中碳纖維的含量存在不均勻分布的現(xiàn)象，最終導(dǎo)致PBX-10的測試結(jié)果偏差(S50=1.47 kV)較另外2個試樣更大。

5 結(jié)論

1) 在25 ℃下，添加0.05%碳纖維可使?jié)沧BX抗壓強度、拉伸強度、斷裂伸長率顯著提升。但添加量上升至0.10%時，雖然斷裂伸長率繼續(xù)上升，但抗壓強度、拉伸強度反而下降。這可能由于碳纖維在聚合物基體中的不均勻分布造成，因此，在不影響澆注工藝適應(yīng)期的情況下，可考慮適當延長混制時間、使用適宜的分散劑等來改善碳纖維分散性。

2) 隨著溫度進一步升高，添加碳纖維的澆注PBX拉伸強度比空白試樣更低，這表明碳纖維與澆注PBX聚合物基體之間的界面性能有待改善。

3) 碳纖維可改善澆注PBX的導(dǎo)熱性能，降低其靜電火花感度。