呂珂臻, 韓 超, 高鐵榜, 陳學(xué)平, 馮立羊, 朱興虎, 蘭 瓊

(中國(guó)工程物理研究院化工材料研究所, 四川 綿陽(yáng) 621999)

1 引 言

壓裝型黑索今(RDX)基高聚物黏結(jié)炸藥(PBX)傳爆藥柱是一種晶體顆粒高度填充的非均質(zhì)多相高分子復(fù)合材料,因?yàn)槠淠芰扛?、安全和力學(xué)性能好被應(yīng)用于各種尖端和常規(guī)武器中[1-2]。武器用猛炸藥密度要求在其理論密度的98%左右,而RDX基PBX傳爆藥一般要求密度為理論密度的90%～92%[1],因而如何控制RDX基PBX傳爆藥柱特別是長(zhǎng)徑比較大傳爆藥柱的內(nèi)部質(zhì)量,減少傳爆藥柱的內(nèi)部裂紋和缺陷成為研究的難點(diǎn)。

國(guó)內(nèi)外關(guān)于溫度對(duì)材料損傷裂紋的形成、演化的理論和實(shí)驗(yàn)方面的研究相對(duì)廣泛和深入,并取得了一些新的研究成果,但是對(duì)于RDX基PBX,特別是長(zhǎng)徑比較大的壓裝成型PBX材料則相對(duì)較少。陳鵬萬(wàn)[3-4]等從細(xì)觀力學(xué)的角度研究了PBX材料的力學(xué)行為和變形破壞機(jī)理,認(rèn)為PBX材料最主要的破壞機(jī)理是界面脫粘和黏結(jié)劑的成穴失效。龐海燕等[5-7]研究了溫度對(duì)模壓法壓制PBX的密度和壓縮強(qiáng)度的影響,觀察到常溫壓制的藥柱的密度和壓縮強(qiáng)度明顯低于高溫壓制的,分析認(rèn)為高溫使造型粉的黏結(jié)體系軟化,降低了造型粉間的摩擦,從而降低應(yīng)力梯度。田勇等[8]研究了PBX材料的熱沖擊和溫度循環(huán)損傷,實(shí)驗(yàn)觀察到了PBX產(chǎn)生損傷并逐漸積累擴(kuò)展及至最后破壞的過(guò)程。梁華瓊等[9-10]對(duì)RDX基PBX壓制過(guò)程損傷形成進(jìn)行研究,認(rèn)為采取分段保壓和控制降溫速率的方法可有效抑制炸藥件內(nèi)部損傷,同時(shí)證實(shí)選擇適當(dāng)?shù)酿そY(jié)劑對(duì)提高RDX基PBX壓制件的成型性能具有重要作用。但是目前關(guān)于RDX基PBX傳爆藥柱生產(chǎn)和存儲(chǔ)等過(guò)程前后溫度對(duì)藥柱內(nèi)部質(zhì)量特別是大長(zhǎng)徑比藥柱內(nèi)部質(zhì)量的影響尚缺少系統(tǒng)研究。

本研究以RDX基PBX為研究對(duì)象,利用不同的模壓工藝壓制炸藥,結(jié)合X射線、超聲及密度檢測(cè)等手段,探討了壓制溫度、降溫速率和升溫速率對(duì)較大長(zhǎng)徑比RDX基PBX傳爆藥柱的內(nèi)部質(zhì)量影響。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 材料和儀器

RDX基PBX造型粉由化工材料研究所提供,組成為RDX/高分子黏結(jié)劑(95/5)。

工業(yè)X射線系統(tǒng), INSTRON-5582型材料試驗(yàn)機(jī), PM1200型電子天平; CTS-36型全數(shù)字超聲檢測(cè)儀, HGY-600F電熱油浴恒溫箱,MG452 X射線機(jī)。

2.2 實(shí)驗(yàn)條件

(1)壓制溫度實(shí)驗(yàn): 采用表1的條件在材料試驗(yàn)機(jī)上壓制Φ60mm×60mm的炸藥柱,并讓藥柱自然冷卻,每組做三發(fā)平行實(shí)驗(yàn)。

表1 RDX基PBX壓制成型條件

Table 1 Pressing condition of RDX-based PBX

methodpressure／ＭＰatemperature／℃time／minⅠ15015120Ⅱ15080120

(2)降溫速率實(shí)驗(yàn): 采用工藝Ⅱ壓制藥柱,在降溫速率從5 ℃·h-1到20 ℃·h-1的條件下研究其對(duì)藥柱內(nèi)部質(zhì)量的影響,每組做三發(fā)平行實(shí)驗(yàn)。

(3)溫度沖擊實(shí)驗(yàn): 采用工藝Ⅱ,并且降溫速率控制為5 ℃·h-1壓制藥柱,在升溫速率從5 ℃·h-1到30 ℃·h-1的條件下研究其對(duì)藥柱內(nèi)部質(zhì)量的影響,每組做三發(fā)平行實(shí)驗(yàn)。

2.3 性能測(cè)試

(1)密度測(cè)試: 采用排水法在20 ℃的蒸餾水下測(cè)試藥柱的密度,測(cè)量前將炸藥柱放置于20 ℃的恒溫間24 h,待達(dá)到充分的熱平衡后開(kāi)始測(cè)試。

(2)X射線性能檢測(cè): 測(cè)試方法參照GJB59 3.2-1988,采用X射線機(jī)對(duì)壓制成型的藥柱內(nèi)部雜質(zhì)和裂紋進(jìn)行探傷檢測(cè),測(cè)試的工作電壓450 kV,工作電流150 mA。

(3)超聲性能檢測(cè): 測(cè)試方法參照GJB59 3.1-1988,采用超聲探頭型號(hào)123M33,探頭頻率2.5 MHz,晶片尺寸Φ10mm,耦合劑為水,耦合面為試樣端面。

3 結(jié)果與分析

3.1 壓制溫度對(duì)藥柱成型內(nèi)部質(zhì)量的影響

實(shí)驗(yàn)采用不同壓制溫度壓制Φ60 mm×60 mm RDX基PBX藥柱,采用的工藝條件見(jiàn)表2，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

圖1 PBX-4a藥柱超聲檢測(cè)波形(檢測(cè)波形顯示內(nèi)部裂紋)

Fig.1 Ultrasonic detection wave of PBX-4a specimens with inner cracks

表2 不同壓制溫度下成型PBX炸藥件密度及成型質(zhì)量

Table 2 Density and quality of RDX-based PBX specimens pressed at different pressing temperature

samplepressingmethoddensity／g·cm－3crackresultsＰＢＸ?1aⅠ1．668ＰＢＸ?2aⅠ1．665ＰＢＸ?3aⅠ1．662samplessurfacegoodandultrasonicdetec?tionshowingnocrackdropblocksandfracturesinthemachingＰＢＸ?4aⅡ1．698ＰＢＸ?5aⅡ1．702ＰＢＸ?6aⅡ1．703samplesappearancegoodbutultrasonicdetectionofＰＢＸ?4ashowingcracknoblocksandfracturesinthemaching

從表2可以看出,采用方法Ⅰ壓制的PBX-1a,PBX-2a,PBX-3a藥柱表面狀況良好無(wú)裂紋,經(jīng)超聲探傷內(nèi)部無(wú)裂紋,但是在加工過(guò)程中出現(xiàn)了藥柱掉塊、分層,表明藥柱力學(xué)性能差,無(wú)法加工成型。采用方法Ⅱ壓制的PBX-4a,PBX-5a和PBX-6a藥柱相比常溫壓制的藥柱內(nèi)部質(zhì)量有了明顯改善,表面無(wú)肉眼可見(jiàn)裂紋,進(jìn)行加工處理未出現(xiàn)藥柱掉快、分層現(xiàn)象。但經(jīng)超聲探傷PBX-4a藥柱內(nèi)部在探深為31.2 mm處有橫向裂紋(圖1),說(shuō)明提高壓制溫度可以改善較大長(zhǎng)徑比炸藥柱的加工性能,而藥柱內(nèi)部出現(xiàn)的內(nèi)部橫向裂紋主要是由于藥柱成型的環(huán)境溫度較低(15 ℃),而炸藥造型粉溫度為80 ℃,溫差較大,在自然冷卻過(guò)程中由于降溫過(guò)快,產(chǎn)生的藥柱熱應(yīng)力超過(guò)RDX基PBX材料的強(qiáng)度極限而產(chǎn)生了內(nèi)部裂紋。

同時(shí),由表2可知,高溫(方法Ⅱ，80 ℃)壓制的PBX-4a,PBX-5a,PBX-6a藥柱密度比常溫壓制的藥柱密度高3.0%左右,主要是由于高溫有利于PBX黏結(jié)體系的軟化[5],減少成型過(guò)程中的內(nèi)摩擦,從而降低PBX在成型過(guò)程中壓力梯度,提高藥柱密度。

3.2 降溫速率對(duì)藥柱成型內(nèi)部質(zhì)量的影響

實(shí)驗(yàn)采用不同的保溫措施,將壓制后的Φ60 mm×60 mm RDX基PBX藥柱放置于恒溫箱內(nèi),通過(guò)不同降溫速率使藥柱冷卻至室溫,再將其取出后退模。實(shí)驗(yàn)條件與結(jié)果見(jiàn)表3與圖2。從圖2可以看出,Φ60 mm×60 mm藥柱裂紋隨降溫速率的減小和冷卻溫度的提高而減少。降溫速率為20 ℃·h-1的PBX-1b,PBX-2b,PBX-3b三發(fā)藥柱在壓制保壓和冷卻過(guò)程中未采取任何保溫措施,經(jīng)X射線檢測(cè)內(nèi)部均有橫向裂紋,而降溫速率為20 ℃·h-1的PBX-4b,PBX-5b,PBX-6b號(hào)藥柱在壓制保壓和冷卻的過(guò)程中,通過(guò)采取保溫措施,使藥柱的冷卻溫度提高到45 ℃,與PBX-1b,PBX-2b和PBX-3b號(hào)藥柱相比,性能有一定改善,表面無(wú)肉眼可見(jiàn)裂紋,但是其內(nèi)部經(jīng)X光檢測(cè)有兩發(fā)藥柱存在橫向裂紋,說(shuō)明PBX-4b,PBX-6b炸藥柱應(yīng)力還未釋放完全,但與PBX-1b,PBX-2b和PBX-3b號(hào)藥柱相比有所減小。主要原因可能是藥柱成型的環(huán)境溫度較低,只有15 ℃,而炸藥造型粉有80 ℃,溫差較大,并且造型粉溫度降得過(guò)快,致使藥柱在壓制過(guò)程中內(nèi)部產(chǎn)生了較大熱應(yīng)力,退模后,由于熱應(yīng)力超過(guò)了藥柱軸向抗拉強(qiáng)度,導(dǎo)致藥柱內(nèi)部產(chǎn)生了橫向裂紋。

而對(duì)PBX-7b,PBX-8b,PBX-9b號(hào)藥柱在壓制保壓和冷卻的過(guò)程中,除在壓制過(guò)程采取保溫措施,還控制降溫速率為5 ℃·h-1,與之前藥柱相比,藥柱表面狀況有所改善,經(jīng)X光檢測(cè)藥柱內(nèi)部無(wú)裂紋,說(shuō)明提高冷卻溫度和降低降溫速率有利于減少藥柱內(nèi)部應(yīng)力和藥柱裂紋缺陷,從而改善了藥柱成型質(zhì)量。

圖2Φ60 mm×60 mm的RDX基PBX藥柱X射線圖

Fig.2 X-ray photographs of different RDX-based PBX speciment withΦ60 mm×60 mm

表3 不同降溫速率下成型的RDX基PBX炸藥件質(zhì)量

Table 3 Quality of RDX-based PBX specimens pressed at different cooling rate

samplepressingmethodheatpreservationtemperature／℃coolingrate／℃·h－1resultsＰＢＸ?1bＰＢＸ?2bＰＢＸ?3bⅡno2520samplessurfacegoodbutＸ?raydetectionshowingcrackＰＢＸ?4bＰＢＸ?5bＰＢＸ?6bⅡyes4520samplessurfacegoodbutＸ?raydetectionofＰＢＸ?4bandＰＢＸ?6bshow?ingcrackＰＢＸ?7bＰＢＸ?8bＰＢＸ?9bⅡyes455Ｘ?raydetectshowingnocrack

3.3 升溫速率對(duì)藥柱成型內(nèi)部質(zhì)量的影響

藥柱在使用、運(yùn)輸、庫(kù)存期間常受到一定溫度沖擊,實(shí)驗(yàn)未采用均勻溫度梯度,僅研究了關(guān)心的幾個(gè)升溫速率對(duì)壓制藥柱內(nèi)部裂紋的影響。實(shí)驗(yàn)藥柱經(jīng)過(guò)超聲檢測(cè)均無(wú)裂紋,熱沖擊實(shí)驗(yàn)采用的工藝條件和實(shí)驗(yàn)結(jié)果列于表4和圖3。從表4和圖3可以看出,以升溫速率為5 ℃·h-1加熱至75 ℃,保溫20 min后以自然降溫的PBX-5c(5#)藥柱表面質(zhì)量良好,經(jīng)過(guò)超聲檢測(cè),藥柱內(nèi)部質(zhì)量良好,內(nèi)部無(wú)縱橫交錯(cuò)的裂紋。而在升溫速率分別為10，15,20 ℃·h-1的PBX-1c(1#)、PBX-2c(2#)、PBX-3c(3#),其它同樣處理的三發(fā)藥柱有肉眼可見(jiàn)橫向細(xì)裂紋,并且隨著升溫速率的增加,裂紋由于寬度增加而變得更明顯。以升溫速率為30 ℃·h-1加熱至75 ℃,保溫20 min后以自然降溫的PBX-4c(4#)藥柱中部位置出現(xiàn)了一條明顯的宏觀橫向貫穿裂紋導(dǎo)致藥柱斷裂。主要原因可能是由于在高溫?zé)釠_擊作用下,樣品內(nèi)部的熱應(yīng)力增加,引起試樣內(nèi)部初始裂紋損傷進(jìn)一步擴(kuò)展、匯集及貫穿而形成宏觀裂紋,同時(shí)宏觀裂紋的端部又因應(yīng)力集中而出現(xiàn)新的裂紋,如此不斷反復(fù),使得藥柱最終發(fā)生斷裂。

圖3 不同升溫速率沖擊下的RDX基PBX壓制藥柱

Fig.3 RDX-based PBX speciment pressed at different heating rate

表4 不同升溫速率下成型的RDX基PBX炸藥件質(zhì)量

Table 4 Quality of pressed RDX-based PBX specimens at different heating rates

sampleheatingrate／℃·h－1heatpreservationtime／minhighesttemperature／℃resultsＰＢＸ?1c（1＃）102075afinecrackinsam?plessurfaceＰＢＸ?2c（2＃）152075afinecrackinsam?plessurfaceＰＢＸ?3c（3＃）202075afinecrackinsam?plessurfaceＰＢＸ?4c（4＃）302075opentransversecracksinsamplesＰＢＸ?5c（5＃）52075samplessurfacegoodandultrasonicdetectionshowingnocrack

4 結(jié) 論

(1) 提高壓制溫度可以改善大長(zhǎng)徑比RDX基PBX藥柱的加工力學(xué)性能。實(shí)驗(yàn)壓制的Φ60 mm×60 mm RDX基PBX藥柱的溫度從15 ℃提高到80 ℃后,藥柱在加工過(guò)程中未出現(xiàn)掉塊、分層現(xiàn)象,藥柱力學(xué)性能得到提高,加工性能得到改善。

(2) 降溫速率過(guò)快是形成較大長(zhǎng)徑比RDX基PBX藥柱內(nèi)部質(zhì)量缺陷的關(guān)鍵影響因素之一。在實(shí)驗(yàn)降溫速率大于5 ℃·h-1,冷卻溫度低于45 ℃后,Φ60 mm×60 mm RDX基PBX藥柱容易形成內(nèi)部裂紋,因此提高冷卻溫度和降低成型后藥柱的降溫速率可以減少藥柱內(nèi)部裂紋缺陷,改善藥柱質(zhì)量。

(3)升溫速率大于5 ℃·h-1容易造成大長(zhǎng)徑比RDX基PBX藥柱內(nèi)部形成新的裂紋缺陷,甚至造成藥柱直接斷裂,為保證藥柱在運(yùn)輸、存儲(chǔ)過(guò)程中產(chǎn)品質(zhì)量,應(yīng)避免藥柱受到大的熱沖擊而形成新的裂紋損傷缺陷。

致謝: 對(duì)楊占鋒在超聲檢測(cè)方面的工作及徐程洪、張?jiān)谛略趬褐茖?shí)驗(yàn)方面的工作,在此一并表示感謝！

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