王彩玲, 趙省向, 方 偉, 李文祥, 姚李娜

(西安近代化學(xué)研究所, 陜西 西安 710065)

1 引 言

炸藥在貯存、運輸和使用過程中不可避免地受熱應(yīng)力作用,產(chǎn)生熱損傷,導(dǎo)致武器系統(tǒng)失效。壓裝含鋁炸藥是由炸藥晶體、鋁粉以及少量的鈍感粘結(jié)劑組成的復(fù)合材料,各組分力學(xué)性能、熱膨脹系數(shù)等性能相差較大。由于采用壓裝裝藥工藝,壓制成型后的炸藥裝藥內(nèi)部會產(chǎn)生一定的初始損傷,經(jīng)受不同的環(huán)境溫度熱應(yīng)力的載荷后,會產(chǎn)生甚至加重熱損傷[1-6],使炸藥的結(jié)構(gòu)遭到嚴重破壞,影響炸藥的正常使用。炸藥熱損傷以及損傷對炸藥的性能的影響研究已成為近來含能材料的熱點。Elban等[7]和張偉斌等[8]分別研究了低溫熱應(yīng)力、高溫熱應(yīng)力作用下炸藥的微觀結(jié)構(gòu),觀察到了炸藥微裂紋的萌生和穿晶斷裂現(xiàn)象。韋興文等[9]研究了熱老化對TATB基高聚物粘結(jié)炸藥力學(xué)性能的影響,楊國滿[10]等研究了時間、溫度對塑料粘結(jié)炸藥力學(xué)性能的影響。這些研究主要集中在低溫或者高溫熱應(yīng)力對炸藥性能影響,而高低溫交替沖擊作用下產(chǎn)生的熱應(yīng)力對炸藥的微觀結(jié)構(gòu)以及炸藥的安全性能和力學(xué)性能的變化研究較少,對壓裝含鋁炸藥性能的影響研究至今尚未見報道。

為了探討溫度冷熱交變作用下的熱應(yīng)力對壓裝用含鋁炸藥使用性能的影響,本研究對黑索今(RDX)基壓裝含鋁炸藥(JHL-X)進行了高低溫循環(huán)沖擊試驗,通過觀察試驗前后炸藥微觀結(jié)構(gòu),測量自發(fā)火溫度、力學(xué)強度和沖擊波感度等參數(shù),研究了熱沖擊對炸藥微觀結(jié)構(gòu)損傷以及安全性能和力學(xué)性能等的影響。

2 實驗部分

2.1 試驗樣品

JHL-X炸藥是以RDX為主體的壓裝含鋁炸藥,鈍感黏結(jié)劑主要由高分子碳氫型熱塑性樹脂A和低分子有機混合物B組成。采用60t精密壓機將其造型粉壓制成不同尺寸的試樣藥柱,其中: Ф40 mm×40 mm藥柱3發(fā)用于藥柱損傷檢測; Ф50 mm×50 mm藥柱16發(fā),Ф50 mm×40 mm藥柱8發(fā),用于沖擊波感度測試; Ф20 mm×20 mm藥柱7發(fā),其中2發(fā)打孔,孔徑為Ф3 mm,孔深約15 mm,用于自發(fā)火溫度的測試,5發(fā)用于力學(xué)性能測試。藥柱密度范圍(1.750±0.003) g·cm-3。

2.2 試驗方法

2.2.1 熱沖擊試驗方法

本試驗參考標準GJB150.5-1986《軍用設(shè)備環(huán)境試驗方法溫度沖擊試驗》進行。試驗使用SDJ705型高低溫濕熱交變試驗箱,其溫濕度調(diào)節(jié)范圍分別為-70～100 ℃和30%～98%。溫濕度偏差分別為±2 ℃和±3%,在濕熱模式下其溫度均勻度≤1 ℃,波動度為±0.5℃。結(jié)合GJB1172.2-1991《軍用設(shè)備氣候極值地面氣溫》,選定的熱沖擊試驗參數(shù)如下:

(1)一個周期的循環(huán)溫度順序為: 20～70 ℃至-55～20 ℃(如圖1所示)。

(2)試驗溫度保持時間: 高溫(70 ℃)、低溫(-55 ℃)均保持30 min。

(3)轉(zhuǎn)換時間: 高溫和低溫之間的轉(zhuǎn)換時間為5 min。

(4)循環(huán)程序與周期; 一個周期1 h,先高溫,后低溫,依此順序分別進行3個循環(huán)。

圖1 熱沖擊試驗程序

Fig.1 Test program of the thermal shock

2.2.2 藥柱內(nèi)部損傷檢測

炸藥內(nèi)部損傷情況采用美國FEI公司QUAINTA 600場發(fā)射掃描電鏡(SEM)觀察。

2.2.3 自發(fā)火溫度測試

采用自行設(shè)計的一種烤燃實驗裝置[11]。包括加熱爐、環(huán)形熱電極、熱電偶、控溫儀和計算機。通過控溫儀控制加熱爐溫度,控溫范圍為0～800 ℃,控溫精度為±0.5 ℃。加熱爐爐壁的環(huán)形熱電極用于均衡加熱爐的溫度。實驗系統(tǒng)中用4個直徑為2 mm測量熱電偶測量溫度,用計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對實驗數(shù)據(jù)進行記錄和處理。實驗時,將試樣安裝于加熱爐中,樣品中心孔內(nèi)布放一只測溫傳感器,再以1 ℃·min-1的升溫速率進行加熱,直至樣品發(fā)生反應(yīng)。通過實驗得到炸藥發(fā)生爆炸的時間、溫度、現(xiàn)象以及炸藥內(nèi)部溫度隨時間變化的曲線。平行實驗至少2發(fā),實驗結(jié)果為平行實驗數(shù)據(jù)的平均值,誤差≤±2 ℃。

2.2.4 沖擊波感度測試

采用標準隔板試驗[12]測得炸藥50%起爆時的隔板厚度,用以比較試樣的相對沖擊波感度。施主藥柱為太安標準藥柱,密度為1.57 g·cm-3,高度為50 mm,直徑為50 mm,衰減隔板為有機玻璃板,被測炸藥由2發(fā)高度為50 mm、1發(fā)高度為40 mm的藥柱組成,總高度140 mm。實驗按Bruceton升降法[13]進行,隔板厚度的升降步長為0.5 mm; 被測試樣末端鋼鑒定塊上的炸痕深度大于零間隙(隔板厚度為零)時平均炸痕深度的50%,判定為起爆。由錳銅壓力傳感器法[14]得到標準施主藥柱所產(chǎn)生的沖擊波在有機隔板中的衰減規(guī)律,根據(jù)實驗測得的50%隔板值,測得對應(yīng)的沖擊波輸出壓力(有機玻璃)端面輸出壓力。

2.2.5 力學(xué)性能測試

抗壓強度采用GJB772A-1997炸藥試驗方法方法416.1抗壓強度壓縮法[15]。

2.3 結(jié)果與討論2.3.1 熱沖擊對炸藥裝藥的微觀損傷

采用掃描電鏡研究了JHL-X炸藥熱沖擊前后炸藥內(nèi)部的微觀形貌,結(jié)果如圖2所示。由圖2a可見,熱沖擊前,炸藥表面顆粒之間的交界面可分辨(圖中箭頭所指的位置),但并不很明顯。熱沖擊以后,相同放大倍數(shù)情況下,可清楚地觀察到炸藥造型粒之間明顯的交界面,還可看到界面之間出現(xiàn)了孔穴和脫粘以及裂痕(見圖2b)。放大1000倍后,顆粒界面間的裂痕變得更加明顯(見圖2c)。從圖2中未觀察到炸藥晶體大面積的斷裂。

圖2 JHL-X炸藥藥柱斷面掃描電鏡圖

Fig.2 SEM images of JHL-X explosive cylinder cuttingsectionbefore and after thermal shock

由圖2可以看出,在熱沖擊作用下,JHL-X炸藥發(fā)生界面脫粘和成穴的形成,當成穴和脫粘發(fā)展到一定程度后,粘結(jié)劑開裂,產(chǎn)生微裂紋。因此,JHL-X炸藥在熱沖擊作用下的損傷形式主要包括空穴、脫粘和微裂紋。這與陳鵬萬等[1]的研究結(jié)果相同。針對熱沖擊作用下炸藥晶體未發(fā)生大面積斷裂這一現(xiàn)象,陳鵬萬采用Griffith斷裂理論估算了界面脫粘應(yīng)力和粘結(jié)劑成穴應(yīng)力,獲得了界面脫粘應(yīng)力和粘結(jié)劑成穴應(yīng)力顯著低于炸藥晶體的斷裂應(yīng)力的結(jié)果,合理地解釋了炸藥晶體未發(fā)生大面積斷裂的原因。

需要特別提出的是,本試驗未觀察到RDX炸藥晶體的穿晶,這可能與炸藥試樣的制備,或與包覆RDX的鈍感粘結(jié)劑體系對熱應(yīng)力的釋放有關(guān),需要進一步研究。

2.3.2 熱沖擊對炸藥安全性的影響

在上述實驗方法和實驗條件下,測試了熱沖擊前后JHL-X炸藥自發(fā)火溫度和沖擊波感度,并進行了對比分析,結(jié)果如圖3和表1所示。

由圖3可以看出,JHL-X炸藥在藥柱沖擊前自發(fā)火溫度為211 ℃,熱沖擊后自發(fā)火溫度為208 ℃。與熱沖擊前相比,自發(fā)火溫度降低了3 ℃。表明JHL-X炸藥的熱安定性在受到熱沖擊后有一定程度的降低,但不顯著。

圖3 JHL-X炸藥藥柱的溫度-時間歷程曲線

Fig.3 Curves of temperature-time course for JHL-X cylinder

表1 JHL-X炸藥藥柱在熱沖擊前后的沖擊波感度

Table 1 Shock wave sensitivity of JHL-X cylinder before and after thermal shock test

testprojectsJHL-XbeforeafterG50/mm51.553.5p/GPa2.001.85

Note:G50represents the shock sensitivity,prepresents the critical detonation pressure.

由表1可以看出,熱沖擊后JHL-X炸藥沖擊波起爆臨界隔板值為53.5 mm,較熱沖擊前提高了2 mm; 臨界起爆壓力為1.85 GPa,較熱沖擊前的臨界起爆壓力(2.00 GPa)降低了0.15 GPa?？梢姛釠_擊后,炸藥沖擊波感度有一定的提高,但增幅較小。

理論上講,炸藥內(nèi)部的晶體缺陷、空穴和裂紋是引起炸藥起爆的熱點點火源,會對炸藥熱感度和沖擊波感度產(chǎn)生不同程度的影響,其中晶體缺陷是炸藥安全性能最薄弱的環(huán)節(jié)。這是由于熱作用下,炸藥的熱分解首先在晶體缺陷處開始,然后才向晶體表面擴展; 沖擊波作用下,晶體內(nèi)部缺陷的尺寸及數(shù)量促進了熱點群的形成和熱點的傳播,顯著增加炸藥爆炸的概率。研究結(jié)果也表明,對于不同品質(zhì)的RDX/HMX炸藥,晶體缺陷的增加將引起炸藥熱感度和沖擊波感度的顯著增加,可使5 s延滯期爆發(fā)點降低51～54 ℃[16],沖擊波感度G50降低50%[17]。

從圖3和表1可以看出,熱損傷對JHL-X炸藥的熱感度和沖擊波感度影響較小,說明了熱沖擊并未使JHL-X炸藥晶體內(nèi)部晶體缺陷顯著增加。因此,炸藥內(nèi)部空穴、微裂紋等損傷的增加是導(dǎo)致JHL-X炸藥熱感度和沖擊波感度升高的主要原因。這與熱沖擊對炸藥裝藥的微觀損傷研究結(jié)果一致。

2.3.3 熱沖擊后藥柱準靜態(tài)力學(xué)性能研究

采用彈性模量E、壓縮強度σm、斷裂應(yīng)變εm描述熱沖擊后JHL-X炸藥準靜態(tài)下的力學(xué)性能。彈性模量E由最大載荷量5%～20%對應(yīng)的應(yīng)力-應(yīng)變確定[18],結(jié)果見表2。

表2 熱沖擊前后JHL-X炸藥藥柱的力學(xué)性能參數(shù)

Table 2 Mechanical performances of JHL-X cylinder before and after thermal shock

sampleE/MPaσm/MPaεm/%beforethermalshock534.09.003.42afterthermalshock990.012.42.42

Note:Eis elastic modulus,σmis compressive strength,εmis fracture strain.

由表2可知,熱沖擊對JHL-X炸藥的力學(xué)性能影響顯著。經(jīng)受熱沖擊后,彈性模量E和壓縮強度σm分別提高了85.3%和37.7%,斷裂應(yīng)變εm降低了29.2%。結(jié)果表明,受高低溫度沖擊循環(huán)后的炸藥發(fā)生了硬化,脆性提高,彈性模量和壓縮強度顯著增加。

溫度對炸藥力學(xué)性能的影響主要包括以下兩個方面: 一是炸藥的損傷。經(jīng)熱沖擊后的JH-X炸藥內(nèi)部存在許多微裂紋、孔洞等缺陷,在外力作用下,這些缺陷附近就會產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象,成為炸藥結(jié)構(gòu)中的薄弱環(huán)節(jié),降低了炸藥的力學(xué)強度和彈性模量; 二是炸藥組分在低溫或高溫熱應(yīng)力作用下力學(xué)性能的變化。在JHL-X組分中, RDX、Al粉與黏結(jié)劑間的彈性模量、壓縮強度和應(yīng)變有數(shù)量級的差別,RDX晶體、Al粉的彈性模量、壓縮強度可以達到吉帕級,而鈍感黏結(jié)劑是由高分子碳氫型熱塑性樹脂A和低分子有機混合物B組成的,黏結(jié)劑體系的彈性模量和壓縮強度僅在兆帕級[18]。RDX晶體、Al粉的彈性模量、壓縮強度隨著溫度的變化不大,仍在吉帕級以上,但鈍感黏結(jié)劑體系的力學(xué)性能隨溫度的變化卻很大。因此,與其他組分相比較,鈍感黏結(jié)劑在熱作用下力學(xué)性能的優(yōu)劣是影響炸藥力學(xué)性能的另一個主要因素。以上兩方面因素的共同作用決定了熱沖擊后炸藥的力學(xué)性能的變化。從表2可以看出,JHL-X炸藥中的鈍感黏結(jié)劑體系在經(jīng)受熱沖擊后力學(xué)性能增強作用大于損傷對炸藥力學(xué)性能的減弱作用。

為了探究熱沖擊后鈍感黏結(jié)劑體系力學(xué)性能增強作用,分別回收了熱沖擊前后壓縮強度試驗的JHL-X炸藥藥柱,觀察藥柱的斷面,熱沖擊前后力學(xué)性能試驗的藥柱斷面形貌如圖4所示。比較圖4a和圖4b可以看出,熱沖擊前的藥柱斷裂面較為平整,鮮有凹坑,而經(jīng)受熱沖擊后的炸藥斷裂面多處有較深的凹坑,且凹坑處填充有橙紅色物質(zhì)。分析認為,JHL-X炸藥中的鈍感黏結(jié)劑體系在受到熱沖擊時,低分子有機混合物B發(fā)生相變、溶出,與高分子碳氫型熱塑性樹脂A脫離,失去了增塑作用。同時,樹脂A受到熱沖擊后,樹脂結(jié)晶度增加,造成了分子的緊密堆集,分子間作用力增強,也使樹脂A強度和硬度增加,彈性下降,表現(xiàn)為破壞應(yīng)力提高,脆性增加,應(yīng)變減小。因此,熱沖擊后的JHL-X炸藥彈性模量和抗壓強度增加,斷裂應(yīng)變降低。

a. before thermal shock test b. after thermal shock test

圖4 熱沖擊前后JHL-X炸藥斷面圖

Fig.4 Cutting section of JHL-Xcylinderbefore and after thermal shock

3 結(jié) 論

(1) 熱沖擊后JHL-X炸藥內(nèi)部產(chǎn)生的孔隙、微裂紋等損傷是炸藥自發(fā)火溫度和沖擊波感度發(fā)生變化的根本原因。

(2) 熱沖擊后的JHL-X炸藥自發(fā)火溫度208 ℃,較熱沖擊試前降低了3 ℃,沖擊波感度臨界起爆壓力1.85 GPa,較熱沖擊前試驗前低了0.15 GPa。與熱沖擊試驗前比較,熱沖擊后JHL-X炸藥熱感度和沖擊波感度略有升高。

(3) 熱沖擊對JHL-X炸藥的力學(xué)性能影響顯著。經(jīng)受熱沖擊后,JHL-X炸藥的彈性模量E和壓縮強度σm明顯增加,分別提高了85.3%和37.7%,而斷裂應(yīng)變εm顯著降低,減小了29.2%。

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