炸藥熔鑄裝藥成型質量監測技術研究進展

胡 菲，劉玉存，袁俊明，王林劍，黃求安

(1.中北大學 環境與安全工程學院， 太原 030051；2.中國兵器裝備集團自動化研究所有限公司，四川 綿陽 621000)

1 引言

隨著現代化武器彈藥向高效毀傷、高戰場生存能力和高可靠性方向發展，對武器中的關鍵材料含能材料提出了更高的要求，要求武器裝藥采用高能低易損炸藥裝藥[1]。近年來，新型含能材料的開發和應用得到了快速發展，國內外也研發出了多種成型技術，但對于炸藥裝藥成型過程方面的研究，雖然得到了一些學者的關注，目前仍然沿用傳統的裝藥成型技術工藝，導致戰斗部裝藥密度低、缺陷弊病多、成分分布不均、殘余應力大等問題，致使武器彈藥安全性差，毀傷效能無法實現最大化，不能保證高戰場生存能力[2]。究其根源是對于成型過程中存在的演化規律和變化機制研究缺乏一些有效的解決方法。

為了提高裝藥的質量，減少裝藥弊病，國內外學者在裝藥工藝工況優化、成型質量監測技術等方面開展了大量研究，但未完成熔鑄工藝與裝藥缺陷影響規律的系統研究，對缺陷形成機制了解不夠深入，尚不能實現裝藥的精密成型控制，只能通過反復嘗試來解決密度不均、孔隙、間隙和孔洞、裂紋等缺陷，極大地浪費資源和增加新熔鑄載體應用中的安全隱患。且裝藥質量的優劣多在裝藥成型以后，通過檢測手段獲得，缺少預判性。關于熔鑄炸藥裝藥過程監測方法的基礎研究，近十年內，數值模擬方面較為活躍，實驗方面由于受到監測主體特性的影響報道較少。可見，研究炸藥成型過程演變規律、建立熔鑄工藝與裝藥缺陷的關聯關系迫在眉睫。

基于目前國內外相關研究成果基礎，首先綜述了已有炸藥熔鑄裝藥工藝研究進展，通過分析裝藥工藝與成型質量的關系，進而探討了影響熔鑄裝藥成型質量的因素，并明確了質量表征的參數。在此基礎上，從裝藥質量的直觀可視化和非可視化2個方面，總結了現有監測技術在熔鑄炸藥質量監測中的應用及發展，最后分析了炸藥熔鑄裝藥成型過程結構損傷監測中存在的問題，展望了熔鑄裝藥成型質量監測方法的發展趨勢，以期為新型熔鑄載體裝藥設計提供技術手段。

2 炸藥熔鑄裝藥過程質量影響分析

基于注裝法本身性質，熔鑄裝藥的特點與其他裝藥方法不同，過程均伴隨著物態、熱量和體積變化，正因為如此，藥柱會產生粗結晶、氣孔、縮孔和裂紋等弊病，影響炸藥性能和使用安全性。在實際研發生產中，改善裝藥質量的方法通常是通過控制裝藥工藝方法及工藝參數來實現。

2.1 炸藥熔鑄裝藥工藝研究進展

熔態炸藥不經過任何處理就倒入彈體或模具內，自然的凝固順序是由外及里，一層層地凝固。對于大體積裝藥而言，空氣驟冷，體積收縮，又無熔態炸藥繼續補充，極易形成裝藥弊病。

Sun等[3]研究TNT在圓筒中的凝固過程，表明采取冒口和圓筒上部加熱的成型藥柱質量優于僅對圓筒底部和下部加熱的效果。Kumar等[4]研究了TNT熔鑄炸藥的凝固周期和冷卻溫度隨時間和空間的變化規律，指出采取降溫介質溫度恒定的降溫方式能有效提高裝藥密度、降低孔隙率。Xu等[5]對比了多種注裝藥在梯度降溫凝固和自然冷卻凝固的藥柱質量，表明采取梯度降溫方式能顯著改善熔鑄產品質量。針對熔鑄炸藥凝固后的縮孔缺陷問題，Mudryy等[6]提出了水浴定向凝固工藝：凝固過程處于液面逐漸上升的冷水浴中，通過逐層增大系統與外界的換熱效率可將縮孔引至表面。在上述研究基礎上，Sun等[7]，Larsson等[8]分別對PAX炸藥和B炸藥實施了冒口和模具上部保溫、水浴定向凝固方法，得出該工藝能降低PAX炸藥熔鑄過程應力水平，有效控制間隙的形成，有效防止B炸藥澆注氣泡的產生。Mudryy等[9-10]在主動冷卻加熱控制定向凝固技術的基礎上，增加了機械振動，結果表明該裝藥工藝能減少由于大溫度梯度而形成的過大熱應力，控制收縮形狀，并有效減少凝固過程的缺陷(裂紋、氣孔和縮孔、間隙分離)。因此，控制降溫方式能有效改善裝藥質量，但暫無不同降溫方式對裝藥質量影響的對比研究報道。

此外，黃勇等[11]探索了加壓條件對裝藥內部質量影響規律，表明加壓凝固成型工藝能有效消除熔鑄炸藥的縮孔缺陷。蒙君煚等[12]對比研究壓力澆鑄與真空澆鑄成型工藝對DNAN基熔鑄炸藥溫度場、縮孔疏松、相對密度及抗拉強度的影響規律。朱錦書等[13]通過一種DNAN基某型彈藥戰斗部裝藥，給出了在不同梯度護理參數、不同攪拌速度、不同用藥比例情況下的裝藥變化和裝藥質量。金大勇等[14]以典型的2，4-二硝基苯甲醚(DNAN)基熱塑態熔鑄炸藥—MX-2為研究對象，指出藥漿溫度、真空處理時間和真空度對裝藥質量有著重要影響，影響的顯著性順序為：真空處理時間>真空度>藥漿溫度。

據此可知，采取冒口保溫、控制降溫方式、振動、加壓和抽真空等工藝方法，均能一定程度上改善裝藥弊病。除此之外，采取不同殼體材料[15]、熱探針[11]和澆注溫度[2]也會影響凝固過程的物理參數的變化和成型質量。

2.2 影響裝藥成型質量的因素

炸藥裝藥損傷形成因素來自于多個方面，有的是成型前就存在的，如晶體自身缺陷、配方配比等，有的是成型過程中產生的，如降溫方式、抽真空與否等，有的則是成型后由于使用及儲存環境等因素引起的[16]。

而熔鑄炸藥在凝固過程中，影響裝藥質量的工藝工況參數諸多，為了得到無弊病的優質藥柱，這就需要在認識和掌握注裝過程的基本規律同時，明確減少裝藥弊病的關鍵工藝參數。結合上述研究進展分析，影響裝藥過程質量的工藝方法有：

1) 冒口及條件：合適尺寸冒口的保溫可以保證炸藥在凝固過程中能及時流到體積收縮而可能形成的縮孔處，達到補縮作用。要求冒口形狀盡可能維持較小的散熱速度，冒口高度及容積要合理。

2) 降溫條件：參量控制合理，能顯著減小甚至消除縮孔、裂紋及底隙等裝藥弊病。通過控制降溫速率、熱流導出方向，以期實現定向凝固。熱流方向常采用整體降溫、冷卻介質液面逐漸上升降溫，降溫方式一般采用冷卻介質溫度恒定和梯度降溫。

3) 振動、抽真空或加壓：熔態炸藥中存在氣體且凝固前未能及時逸出會形成氣孔。消除氣孔可采取抽真空、振動澆注和壓力注裝等方式。

4) 保溫時間：包括熔態炸藥澆注到模具內保溫時間，冒口加熱的保溫時間，模具非冷卻區域的保溫時間。

從宏觀角度，裝藥質量的優劣由裝藥工藝方法及工藝參數控制決定；從微介觀角度，是受熔鑄炸藥凝固成型過程的物理參數的影響，主要有熔鑄體系內部溫度場、應力應變場、流變性、密度場以及裝藥缺陷形成過程、缺陷類型、尺度及其分布等。長期以來，通過對裝藥成型體最終質量檢測結果進行推演，來獲得成型過程中炸藥內部縮孔、氣孔、縮松的演化規律預測，若能通過有效的成型過程監測方法，建立起裝藥內部溫度場、應變場及相界面遷移與成型過程損傷的聯系，則有助于深化炸藥熔鑄成型機理的分析，實現裝藥的精密成型控制，優化裝藥工藝工況。

3 熔鑄成型質量監測技術研究進展

隨著信息發展的越發便捷，交叉學科研究的不斷深入，其他領域的技術、研究思路不斷引入含能材料，炸藥裝藥損傷檢測方法的研究已成為研究熱點。國內外關于結構損傷檢測方法有超聲、聲發射、X射線衍射、CT掃描等直接可視化方法，還有通過測量體積、彈性模量泊松比等的變化來定性評價損傷的非可視化間接方法，這些方法多用于炸藥成型體的檢測[17]。近些年，國內外學者探索性地將熱電偶、光纖光柵、應變片、流變儀等應用炸藥熔鑄成型過程研究，取得了不少成果，特別是從微介觀尺度開展成型過程溫度變化、應力應變變化、液固相變、密度的分布和界面流動等方面的研究，不僅對認識炸藥熔鑄時內部的形態學、運動學等信息有所幫助，更對建立與裝藥缺陷損傷的聯系意義非凡。

3.1 直觀可視化方法

注裝藥直觀可視化檢測方法多集中在X射線、超聲波、工業CT和聲發射等，檢測的目的通常是為了獲得成型體缺陷類型、尺度及其分布圖像。雖然，這些方法不適用于進行熔鑄成型過程的缺陷形成機制的研究，但基于這些方法的無損性、可視化優點，仍廣泛用于成型藥柱質量的鑒定和成型后藥柱損傷演化研究。

3.1.1X射線

X射線照相是根據試樣完好部位和缺陷部位對X射線吸收衰減程度不同，來檢測缺陷大小和分布的技術[18]。目前，X射線照相技術的空間分辨率可達微米量級，響應速度可達秒級，可實時檢測。X射線照相技術廣泛應用于藥柱內部氣孔、夾雜、疏松等體積缺陷和包覆層/藥柱粘接面的分離等面積缺陷的檢測。

Drodge等[19]使用X射線顯微斷層攝影法對外加壓力情況下造成PBXs炸藥內部損傷的形成和性質進行跟蹤。張麗涵等[20]采用X攝像切向照相技術，對推進劑裝藥包覆層/藥柱粘結界面脫粘缺陷進行檢測。程晉明等[21]使用X射線同軸相襯成像方法，對不同壓力作用下PBX炸藥內部缺陷從無到有、從小到大的準靜態擴展過程進行了觀察。

X射線照相技術是穿透法檢驗，適合于大體積樣品檢測，檢測時要求接近工作的兩面表面光滑，對于厚璧、內部液態的樣品和表面細小裂紋檢測靈敏度差。

3.1.2工業CT

工業CT的檢測原理屬于X射線，但是X探傷是定性分析，工業CT是定量分析，不僅可以確定有無缺陷，還可以確定尺寸大小，具有空間分辨率高且各向同性的優點。自80年代我國開始引進醫用CT對炸藥部件及導彈裝藥的無損檢測可行性研究以來[18]，現已在火炸藥裝藥相對密度差、裝藥內部缺陷檢測及測量方面應用廣泛。

羅一鳴等[25]利用工業CT分別對熔鑄成型DNAN及TNT藥柱內部凝固缺陷情況進行觀測。田勇等[26]采用微焦點CT(μCT)成像技術分別對TNT基炸藥熔鑄結晶成型過程與缺陷進行了分析和定量。

至今，CT掃描成像技術已用于定量、實時、微觀地描述炸藥熔鑄成型過程的結晶、收縮和密度分布特征，由于受設備艙室限制，適用于尺寸較小的樣品檢測，具有檢測成本高、立體圖像重建需要時間等缺點。

3.1.3超聲波

超聲波探傷是利用超聲波反射回來的能量大小與交界面兩邊介質聲阻抗差異與交界面取向、大小有關的特點來進行探傷。超聲波在介質中傳播有多種波形，如縱波、橫波、表面波和板波，根據檢測缺陷類型不同，不同波形在含能材料中均有應用，基于超聲波成像方法所得結果直觀、定量，波聲方向性好等優點，長期以來被用作靜態檢測產品質量和缺陷。

ZHANG等[22]利用多通道超聲波透射技術對熔黑梯炸藥熔鑄凝固成型過程內部質量進行了監測。但常規超聲波檢測時需要利用耦合劑或液態介質作為傳播介質，耦合劑的使用不但會使檢測系統更加復雜，而且會在一定程度上污染檢測面。近幾年發展起來的非接觸空氣耦合超聲檢測技術具有非接觸、非破壞、非侵入及安全無害等特點，具有很好應用前景[23]。2019年，Li等[24]采用空耦超聲蘭姆波技術對單晶硅太陽能電池裂紋進行檢測。隨著高功率檢測系統和高性能空氣耦合超聲換能器等技術壁壘的解決，空氣耦合超聲技術在裝藥缺陷檢測方面將有較大應用前景。

相比工業CT，超聲波探傷技術具有操作簡單方便、檢測成本低、可連續動態及重復掃描等特點。缺點是不同的缺陷種類仍需要選擇不同的儀器和波形進行檢測。

3.1.4聲發射

聲發射是通過對成型后樣品損傷(微裂紋、孔洞等)演化過程中釋放的彈性應力波的鑒別來探測損傷的位置、類別及其演化，實現在線監測。Wang等[27]利用聲發射(AE)結合數字圖像(DIC)方法對PBX炸藥在單軸壓縮下的損傷進行測試。但由于傳統的聲發射信號是由壓電傳感器(PAZ)檢測，存在體積大、電路放電等安全風險，雖在注裝藥中有應用，但多以炸藥代用材料進行研究，一定程度上制約了其應用。2018年，Fu等[28]采用斷鉛實驗方法研究了光纖Bragg光柵(FBG)-AE監測PBX的損傷定位方法，但并未開展PBX實際損傷破壞在線監測研究。2020年，邱芷葳等[29]利用FBG-AE系統，開展了PBX單軸拉伸、壓縮及斷鉛試驗的實際研究，并對比了FBG和PAT 2種傳感器的信號特征，指出FBG-AE監測系統還存在解調方法完善、擴寬檢測范圍及提高損傷定位精度等問題。現階段，聲發射技術主要通過研究加載條件下聲發射信息的變化，來進行損傷演化分析。

聲發射技術是一種動態的、被動監測技術，不適用于缺陷尺寸不變的情況。基于原理分析，聲發射技術應用于炸藥熔鑄裝藥過程監測具有一定可行性。

3.2 間接檢測方法

炸藥熔鑄成型過程中，涉及炸藥溫度、應力應變場、流變場等的變化，大量研究表明，這些參量的變化將直接顯著影響炸藥熔鑄成型過程的凝固規律、收縮規律、缺陷形成機制和演變規律。因此，開展溫度場、應變場、流變場參量監測技術研究，有助于控制炸藥熔鑄成型質量，建立與裝藥缺陷損傷聯系。

3.2.1電阻應變片

電阻應變片作為傳統的傳感元件，具有分辨率高、尺寸小、測量范圍大等特點，常被用于工程結構應變和應力的檢測，也有相關學者將其引入炸藥熔鑄過程內部應變場監測。董明等[30]通過在模具中預埋入應變傳感器的方法，對炸藥澆注過程中的熱應力實現間接測量，進而分析了炸藥內部收縮應力對裂紋產生的影響。馮曉軍等[31]采用溫度補償的應變片對澆注炸藥固化過程藥柱內部應力進行測量。

電阻應變片用于炸藥凝固過程應變場監測，存在應力求解過程需推算、修正較為復雜，系統流通電流等問題，將其應用于火炸藥研究存在安全性隱患。

3.2.2熱電偶

熱電偶接觸式測溫法因其簡潔性和精準性，是工業測溫最常用的方法之一。國內外多個學者利用熱電偶監測炸藥熔鑄過程內部溫度，如Mudryy等[10]、Sun 等[32]采用熱電偶研究了不同冷卻條件對溫度場的影響，并得出定向固化，有助于減少大溫度梯度造成的過大熱應力，進而控制收縮形狀、減少與凝固相關的缺陷；Kumar等[4]通過將6個熱電偶溫度傳感器沿裝藥直徑插入等距徑向點，監測TNT基熔鑄炸藥的凝固周期和冷卻溫度隨時間和空間的變化規律，分析了溫度對裝藥質量的影響；劉瑞鵬等[33]通過熱電偶測量了TNT、DNAN和DNTF熔鑄載體炸藥凝固過程中溫度及縮松規律。

熱電偶法用于炸藥凝固過程溫度場監測，具有熱電偶與炸藥直接接觸，不受中間介質影響，且具有測量范圍廣等優點。但存在測試元件體積較大、安裝不便，溫度響應較慢、靈敏度較低，系統線路復雜且引進、出導線極多影響溫度場，系統流通電流影響試驗安全性等缺點。

3.2.3光纖光柵

鑒于電阻應變片和熱電偶在炸藥凝固過程監測中存在的問題，光纖光柵傳感器具有顯著的優勢，如在易燃易爆環境下使用，其可靠性高、壽命長，能進行長期安全檢測，具有響應時間快、體積小(直徑只有150～200 μm)等特點。近年來，被引入炸藥熔鑄裝藥凝固過程溫度場、應變場、爆速等監測，具有較好的應用前景。

馬松等[34]用封裝的光纖Bragg光柵傳感器(FBG)對熔鑄炸藥凝固過程的溫度場進行了測試，分析縮孔形成與溫度的關系。Benterou等[35]采用啁瞅布拉格光纖光柵測量炸藥高爆轟過程中的爆速，可測量約10 mm/μs的內部爆轟速度。Shree等[36]得到了波長偏移對TNT等炸藥應變和溫度敏感型的影響，提出FBG結構用于爆炸物的探測和分析是未來發展方向。

3.2.4流變儀

長期以來，流變儀主要用于材料、食品等行業，自Larsen等[37]發現主裝藥表觀粘度與彈頭裝藥產品質量相關，炸藥熔融體系的流變性研究才開始得到關注。Guillemin 等[38]提出了鈍感炸藥熔鑄過程的流動時間模型，并指出了熔鑄懸浮液粘度與固含量、最大裝填密度和熔鑄載體粘度之間的函數關系。Pelletier等[39]研究了DNAN基熔鑄炸藥的表觀粘度和沉降特性，同時研究了其流動性。蒙君煚等[40]采用數字粘度儀，研究了不同物料狀態下DNAN/HMX懸浮體系的表觀粘度，并通過顆粒級配使其固含量達到80%而保持良好的流動性。

熔鑄炸藥的流變性影響其制備、運輸和儲存，研究熔鑄炸藥的流變性能是完善裝藥工藝的前提，是提高熔鑄炸藥固含量的基礎。

4 結論

炸藥成型體的監測主要采用直接可視化方法，工業CT仍是缺陷類型、尺度及分布定量監測的必要方法；光纖光柵法是研究裝藥成型過程溫度場、應變場的不二之選；流變儀是揭示凝固過程固液界面特性的必要檢測手段，能為高固含量熔鑄炸藥研究提供基礎。因此，開展熔鑄炸藥裝藥結構損傷實時監測研究是解決未來熔鑄裝藥工藝技術難題的有效手段。目前，炸藥熔鑄裝藥成型質量監測研究尚存在以下問題：多參量耦合的熔鑄成型全過程動態實時測試系統及方法未建立，缺陷形成機制暫不完善；已有凝固過程實時監測方法由于各種問題而未得到廣泛推廣；凝固過程關鍵參量、裝藥成型體質量檢測結果和裝藥工藝變量三者的關聯性不明確。建議下一步深入研究：

1) 探索非接觸空氣耦合超聲波動態實時測試系統和方法，論證應用于炸藥熔鑄成型過程中的可行性。

2) 進一步完善光纖光柵溫度場、應變場監測方法，突破光柵僅能進行軸向拉壓應變監測的限制，開展三維光纖光柵傳感器布設，實現全方位溫度場、應變場實時測量，并廣泛推廣光纖Bragg光柵法在新熔鑄載體中的應用。

3) 結合現有監測方法，深入開展工藝工況變量對成型過程各參量的影響研究，建立各裝藥特性參數與成型參數的關聯，分析成型過程工藝條件和工況對這些參數的影響規律、各種缺陷形成的機制及主要影響因素，優化工藝過程和實現裝藥精密成型控制。