李文祥，趙省向，邢曉玲,刁小強(qiáng)

（西安近代化學(xué)研究所，陜西 西安 710065）

高聚物粘結(jié)炸藥也稱塑料粘結(jié)炸藥（PBX），隨著現(xiàn)代武器的發(fā)展，要求PBX具有更好的力學(xué)性能，以抵抗運(yùn)輸中的顛簸震動(dòng)、武器發(fā)射過程中的振動(dòng)沖擊和過載要求，以及存儲(chǔ)過程中環(huán)境的溫差變化引起的熱沖擊和熱應(yīng)力釋放等[1]。因此，提高PBX的力學(xué)強(qiáng)度對(duì)拓寬其使用范圍和提高使用壽命有重要意義。

溫茂萍等人采用平面斷裂韌度試驗(yàn)[2]、壓縮疲勞特性試驗(yàn)[3]等方法研究了高聚物粘結(jié)炸藥藥柱的宏觀力學(xué)性能與老化的關(guān)系；周紅萍[4]等人研究了高聚物粘結(jié)炸藥在熱壓成型過程中的殘余應(yīng)力測(cè)試方法，以及應(yīng)力消除的方法，對(duì)藥柱的壓制成型工藝具有指導(dǎo)意義。但是，這些研究主要集中在炸藥力學(xué)性能的測(cè)量及力學(xué)性能和老化關(guān)系上，并沒用揭示如何有效地提高PBX的力學(xué)性能。

碳纖維[5]作為一種新型的復(fù)合材料基體增強(qiáng)材料，可以和高聚物、樹脂、金屬、陶瓷、碳、玻璃等復(fù)合，制備具有高模量、高強(qiáng)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。本文將碳纖維添加到PBX炸藥中，研究碳纖維含量和粘結(jié)劑種類對(duì)PBX力學(xué)性能的影響，初步探索了新型增強(qiáng)材料碳纖維在改善炸藥力學(xué)性能、拓展炸藥應(yīng)用范圍等方面的可行性。

1 CF增強(qiáng)原理

從材料學(xué)角度，PBX是一類以高聚物粘結(jié)劑為連續(xù)相、高能炸藥為分散相的兩相復(fù)合材料。藥柱的力學(xué)性能主要取決于高分子粘結(jié)劑的力學(xué)性能以及兩相之間粘結(jié)的緊密程度[6]。當(dāng)PBX藥柱受到外力時(shí)，粘結(jié)劑和炸藥顆粒一起承受載荷，雖然粘結(jié)劑一般選擇具有較高力學(xué)強(qiáng)度的聚合物，但是通常含量較少，而炸藥顆粒承受載荷能力有限，因而藥柱的力學(xué)性能較低。本研究中利用碳纖維高強(qiáng)度特點(diǎn)，在PBX兩相體系中加入碳纖維，形成一個(gè)三相體系，如圖1。其中碳纖維是增強(qiáng)體，作為主要的承力結(jié)構(gòu)，粘結(jié)劑起連接纖維和傳遞載荷的作用，來提高PBX的力學(xué)性能。

圖1 碳纖維增強(qiáng)PBX力學(xué)性能原理圖Fig.1 The improvement principle of mechanical property of PBXs by CF

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 原材料

RDX：工業(yè)品，甘肅銀光化學(xué)公司；乙酸乙酯：分析純，天津化學(xué)試劑有限公司；丙烯酸丁酯-丙烯腈共聚物乳液（202橡膠漿簡(jiǎn)稱202膠），工業(yè)品；氟橡膠：FPM2603，工業(yè)品，晨光化工研究院；碳纖維（CF）：短切聚丙烯腈（PAN）纖維。

2.2 樣品制備

采用水懸浮造粒法制備造型粉顆粒，然后將造型粉顆粒在250MPa下壓制成Φ20mm×20mm的藥柱。本次實(shí)驗(yàn)共涉及了202膠和氟橡膠兩種粘結(jié)劑配方體系，具體配方組成見表1。

表1 不同配方編號(hào)及組成Tab.1 The different components of PBXs

3 結(jié)果與討論

3.1 CF含量對(duì)PBX藥柱抗壓強(qiáng)度的影響

選用202膠體系，對(duì)不同含量CF的PBX藥柱進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測(cè)定，抗壓強(qiáng)度按照GJB772A-97方法416.1，結(jié)果見圖2。

圖2 CF含量對(duì)PBX藥柱抗壓強(qiáng)度的影響Fig.2 The compressive strength of PBXs with different CF contents

由圖2可見：（1）碳纖維含量從0.25%增加到1%時(shí)，藥柱的抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，但均大于空白樣品的抗壓強(qiáng)度；（2）藥柱的壓縮應(yīng)變隨著碳纖維含量的增加呈增大趨勢(shì)，其中空白試樣的壓縮應(yīng)變最小；（3）在相同粘結(jié)劑總量時(shí)，碳纖維含量為0.25%時(shí)，藥柱的抗壓強(qiáng)度比空白樣品提高了62%。這說明碳纖維的加入有效地承載了壓力載荷，使得藥柱的抗壓強(qiáng)度均高于空白樣品；（4）抗壓強(qiáng)度并不總是隨著碳纖維含量的增加而增大。這是因?yàn)閺?fù)合材料的力學(xué)性能一方面與碳纖維含量有關(guān)，另一方面在很大程度上也取決于基體和碳纖維界面質(zhì)量。由圖2可知，當(dāng)分散相含量為95%時(shí)，202膠與CF質(zhì)量比為19∶1時(shí)，可以形成較優(yōu)的界面結(jié)合，最大程度提高PBX抗壓強(qiáng)度。

3.2 CF含量對(duì)PBX藥柱抗拉強(qiáng)度的影響

選用202膠體系，對(duì)不同含量CF的PBX藥柱進(jìn)行抗拉強(qiáng)度測(cè)定，抗拉強(qiáng)度按照 GJB 772A-97方法417.1，結(jié)果如圖3所示。

從圖3可見：（1）藥柱的抗拉強(qiáng)度隨著碳纖維含量的增加而增大，當(dāng)碳纖維含量為 1%時(shí)，抗拉強(qiáng)度可提高30%，說明碳纖維的加入有效地吸收了拉伸的載荷，使得藥柱的抗拉強(qiáng)度提高；（2）當(dāng)碳纖維含量低于 1%時(shí)藥柱的抗拉強(qiáng)度隨碳纖維的含量增加變化顯著；當(dāng)碳纖維含量超過 1%時(shí)，碳纖維的加入對(duì)藥柱的抗拉強(qiáng)度增強(qiáng)不明顯。這是因?yàn)樵谔祭w維低含量時(shí)，決定藥柱抗拉強(qiáng)度的主要因素在于碳纖維骨架可以吸收多少載荷，因此藥柱的抗拉強(qiáng)度主要受碳纖維的含量影響。但是隨著碳纖維含量的增加，理論上碳纖維應(yīng)該可以吸收更多的載荷，使得藥柱抗拉強(qiáng)度提高更多，但是結(jié)果卻是碳纖維含量的增加對(duì)抗拉強(qiáng)度影響不大。這是因?yàn)樗幹艿酵饬d荷時(shí)，這些載荷并沒有有效地從基體傳遞到碳纖維骨架上，這時(shí)起主要作用的應(yīng)該是碳纖維和基體之間的粘結(jié)緊密程度。

圖3 碳纖維含量對(duì)PBX藥柱抗拉強(qiáng)度的影響Fig.3 The tensile strength of PBXs with different CF contents

3.3 粘結(jié)劑體系對(duì)含CF的PBX藥柱抗壓強(qiáng)度的影響

將相同RDX和CF含量的不同粘結(jié)劑體系制備的PBX炸藥的抗壓強(qiáng)度列于表2。

表2 不同粘結(jié)劑體系PBXs藥柱的抗壓強(qiáng)度Tab.2 Compressive strength of PBXs with different binders

從表3可知，在相同RDX和CF含量下，含202膠和氟橡膠的PBX藥柱藥柱抗壓強(qiáng)度分別比空白樣品提高了62%和 30%。這是因?yàn)镃F整體組成主要是碳、氧、氮、氫等元素，一般PAN碳纖維中的碳含量約95%。碳纖維是一種表面較為平滑的物質(zhì)，未經(jīng)處理的碳纖維含有16.5%的羥基和3.4%的羰基[7]，而202膠為丙烯酸丁酯-丙烯腈共聚物，含有酯基和腈基，相對(duì)氟橡膠而言，易于和碳纖維表面的官能團(tuán)結(jié)合形成化學(xué)鍵，因此，在相同碳纖維含量下，202膠體系的PBX藥柱抗壓強(qiáng)度增強(qiáng)比較明顯。

為了進(jìn)一步分析，將兩種不同粘結(jié)劑體系的PBX藥柱拉伸斷口試樣表面噴金，用SEM觀察斷口形貌，見圖4～5。碳纖維是一種表面較為平滑的物質(zhì)，從圖4可以看出，在202膠體系中，碳纖維外層包裹著一層粘結(jié)劑，說明碳纖維與202膠基體間產(chǎn)生了良好的結(jié)合，而圖5中，碳纖維與氟橡膠基體之間接觸較差，碳纖維表面裸露，包覆粘結(jié)劑較少或沒有包覆粘結(jié)劑。因此，在增強(qiáng)PBX藥柱承受外力的效果上，宏觀表現(xiàn)為碳纖維對(duì)202膠體系的增強(qiáng)效果明顯優(yōu)于對(duì)氟橡膠體系，這說明碳纖維與粘結(jié)劑之間的界面性能的好壞直接影響PBX的整體力學(xué)性能。

圖4 HBC-1掃描電鏡照片F(xiàn)ig.4 SEM images of HBC-1

圖5 HFC-1掃描電鏡照片F(xiàn)ig.5 SEM images of HFC-1

4 結(jié)論

（1）碳纖維的加入使得PBX藥柱的抗壓和抗拉強(qiáng)度可分別提高62%和30%。（2）碳纖維與粘結(jié)劑體系的界面性能質(zhì)量對(duì)藥柱的力學(xué)性能影響較大，良好的界面結(jié)合有助于更好地提高PBX力學(xué)性能。

[1]藍(lán)林鋼,郝瑩,等.高聚物粘結(jié)炸藥壓縮疲勞特性試驗(yàn)研究[J].含能材料,2004,12(6):358-360.

[2]溫茂萍,馬麗蓮,等.高聚物粘結(jié)炸藥平面應(yīng)變斷裂韌度實(shí)驗(yàn)研究[J].火炸藥學(xué)報(bào),2001(2):16-18.

[3]周紅萍,何強(qiáng),等.低拉伸應(yīng)力下 PBX 的老化實(shí)驗(yàn)研究[J].火炸藥學(xué)報(bào),2009,32(5):8-10.

[4]周紅萍,李敬明,等.TATB基高聚物粘結(jié)炸藥殘余應(yīng)力的測(cè)試和消除研究[J].含能材料,2008,16(1):37-40.

[5]李軍.碳纖維及其復(fù)合材料的研究應(yīng)用進(jìn)展[J].遼寧化工,2010,39(9):990-992.

[6]孫業(yè)斌,惠君明,等.軍用混合炸藥[M].北京:兵器工業(yè)出版社,1994.

[7]烏云其其格.碳纖維表面處理[J].高科技纖維與應(yīng)用,2001,26(5):24-28.