溫茂萍, 唐 維, 董 平, 唐明峰, 付 濤, 詹春紅

( 1. 中國(guó)工程物理研究院化工材料研究所, 四川 綿陽(yáng) 621999; 2. 中國(guó)工程物理研究院表面物理與化學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 四川 綿陽(yáng) 621907)

1 引 言

高聚物粘結(jié)炸藥(PBX)一般由炸藥晶體、粘結(jié)劑、鈍感劑等材料經(jīng)造粒后再通過(guò)熱壓技術(shù)壓制而成,其中炸藥晶體含量大于90%、粘結(jié)劑含量小于8%[1-2]。這種熱壓PBX在成型過(guò)程中將受到溫度和壓力的作用,成型后不可避免產(chǎn)生殘余應(yīng)力,殘余應(yīng)力對(duì)材料力學(xué)性能及其破壞行為等均有顯著影響,如何改善其力學(xué)性能是PBX配方設(shè)計(jì)中必須解決的問題。由于一直沒有可靠方法來(lái)測(cè)試PBX殘余應(yīng)力,在PBX殘余應(yīng)力形成機(jī)制及其對(duì)力學(xué)性能影響等方面的研究基礎(chǔ)十分薄弱,因此,在PBX配方設(shè)計(jì)中,如何能既滿足能量要求又具備優(yōu)良力學(xué)性能,主要是依據(jù)工藝試驗(yàn)來(lái)確定,而缺乏PBX殘余應(yīng)力方面的實(shí)驗(yàn)與理論研究作為支撐。

2 試驗(yàn)制備及測(cè)試分析方法

2.1 試樣制備

制備不同F(xiàn)2314/TATB配比的造型粉,在相同溫度和壓力條件下由模具壓制成型,成型后試樣不進(jìn)行機(jī)械加工和熱處理,在室溫環(huán)境條件下存放7天后,進(jìn)行殘余應(yīng)力和力學(xué)性能測(cè)試。F2314含量為0、1%、3%、5%、7%、9%、11%; 每種配比的試樣數(shù)量: 5發(fā); 試樣尺寸:Φ20 mm×6 mm; 熱壓成型條件: 藥溫120 ℃、模溫120 ℃、壓力60 kN、保壓時(shí)間5 min。

2.2 基于VKα靶X射線衍射的TATB基PBX殘余應(yīng)力測(cè)試

2.3 基于圓弧壓頭巴西試驗(yàn)的TATB基PBX力學(xué)性能測(cè)試

PBX拉伸強(qiáng)度顯著小于壓縮強(qiáng)度,PBX力學(xué)性能改性中最為關(guān)注的是其拉伸性能[1-2]。標(biāo)準(zhǔn)PBX拉伸試樣為啞鈴狀,需進(jìn)行機(jī)械加工,機(jī)械加工會(huì)改變?cè)嚇託堄鄳?yīng)力。巴西試驗(yàn)屬于一種間接拉伸試驗(yàn)方法,所需試樣為圓柱型試樣,可直接壓制成型而不需機(jī)械加工,其測(cè)試結(jié)果可更準(zhǔn)確地反映殘余應(yīng)力對(duì)力學(xué)性能影響。目前PBX巴西試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)拉伸試驗(yàn)結(jié)果[13-16]已有較好的相關(guān)性,可以作為不同條件試樣之間的平行比較。本研究采用文獻(xiàn)[18]的圓弧壓頭巴西試驗(yàn)方法,測(cè)試了不同粘結(jié)劑F2314含量TATB基PBX拉伸性能,加載速度為0.5 mm·min-1。

2.4 不同粘結(jié)劑含量TATB基PBX的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及斷裂形貌觀測(cè)

采用電子計(jì)算機(jī)斷層掃描(CT)和掃描電子顯微鏡(SEM)對(duì)F2314含量為0%、5%、11%的三種TATB基PBX試樣的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和巴西試驗(yàn)后的斷裂形貌進(jìn)行了觀測(cè)。

2.5 基于簡(jiǎn)化模型的TATB基PBX殘余應(yīng)力數(shù)值模擬分析

由于PBX熱壓行為在細(xì)觀上十分復(fù)雜,要實(shí)現(xiàn)熱壓成型后PBX殘余應(yīng)力精確模擬還存在困難,故本研究采用了單個(gè)TATB晶體與不同比例F2314粘結(jié)劑組成的簡(jiǎn)化模型,模擬了從120 ℃降溫至室溫(20 ℃)時(shí)TATB晶體上的殘余應(yīng)力形成及分布情況,獲得殘余應(yīng)力隨粘結(jié)劑含量的變化趨勢(shì)。

3 結(jié)果及討論

3.1 基于VKα靶的TATB基PBX殘余應(yīng)力測(cè)試結(jié)果

targetwavelength/nmdiffractionangle/(°)CuKα[10]0．1541872．5FeKα0．1937396．0CrKα0．22909123．0VKα0．25048147．8

基于VKα靶X射線衍射方法,對(duì)5發(fā)F2314粘結(jié)劑含量為5%的TATB基PBX試樣殘余應(yīng)力進(jìn)行了測(cè)試,結(jié)果見表2。從表2可以看出,模壓TATB基PBX藥柱的殘余應(yīng)力值相對(duì)于金屬材料而言是很小的,并且其分散性較大,從測(cè)試數(shù)據(jù)上看,本研究測(cè)試的平均值小于文獻(xiàn)[10]的測(cè)試結(jié)果(3.49±1.42) MPa,這與試樣尺寸和試樣狀態(tài)有關(guān),表2為本研究試樣在室溫環(huán)境條件下存放了7天后的測(cè)試結(jié)果。

表2基于VKα靶測(cè)試的TATB基PBX殘余應(yīng)力

Table2The TATB based PBX′s residual stress by using the VKαtarget test MPa

3.2 不同粘結(jié)劑含量TATB基PBX的殘余應(yīng)力

測(cè)試了F2314含量分別為0，1%，3%，5%，7%，9%，11%等7組TATB基PBX試樣的殘余應(yīng)力,測(cè)試結(jié)果為5發(fā)試樣的平均值,見表3。從表3可以看出: 不含粘結(jié)劑純TATB晶體粉末壓制而成的試樣,其殘余應(yīng)力為正值,表明純TATB藥柱的殘余應(yīng)力為拉應(yīng)力形式[7],添加F2314粘結(jié)劑后,TATB基PBX的拉應(yīng)力形式的殘余應(yīng)力逐漸減小,隨著粘結(jié)劑含量的增加,殘余應(yīng)力值逐漸從正值轉(zhuǎn)變?yōu)樨?fù)值,即殘余應(yīng)力由拉應(yīng)力向壓應(yīng)力轉(zhuǎn)變,當(dāng)粘結(jié)劑含量為11%時(shí),TATB基PBX中的殘余應(yīng)力已是顯著的壓應(yīng)力形式。

表3不同粘結(jié)劑含量TATB基PBX的殘余應(yīng)力

Table3The residual stress of the TATB based PBX with different binder contents

bindercontent/%residualstress/MPa02．61±0．8712．22±0．6032．13±0．6551．86±0．7170．45±0．209-0．62±0．3111-1．93±0．68

3.3 不同粘結(jié)劑含量TATB基PBX的力學(xué)性能、內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其斷裂形貌

圖1是所測(cè)試的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(σ-ε)。測(cè)試結(jié)果表明: 純TATB壓制的藥柱的斷裂特性呈現(xiàn)顯著脆性斷裂特征,破壞強(qiáng)度、破壞應(yīng)變均較小; 隨著粘結(jié)劑含量增加,藥柱的韌性逐漸增強(qiáng),其破壞強(qiáng)度、破壞應(yīng)變變都顯著增加。通常認(rèn)為,殘余應(yīng)力會(huì)影響材料的力學(xué)性能,拉伸殘余應(yīng)力對(duì)材料力學(xué)性能不利,起到降低材料力學(xué)性能的作用,而壓縮殘余應(yīng)力對(duì)材料力學(xué)性能有利,具有增強(qiáng)效應(yīng)[7]。雖然PBX細(xì)觀結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,其力學(xué)性能不僅僅受到殘余應(yīng)力的影響,還受到晶體、粘結(jié)劑、晶體與粘結(jié)劑的界面作用等多方面作用,不過(guò),本研究測(cè)試粘接劑含量增加與殘余應(yīng)力從拉應(yīng)力逐漸向壓應(yīng)力形式轉(zhuǎn)變規(guī)律是相互吻合的,如圖2所示。

圖3是為F2314粘結(jié)劑含量0，5%，11%三種的TATB基PBX試樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)的CT圖像。從圖3可以看出,純TATB壓制PBX藥柱是灰度均勻分布CT圖像,而隨著粘結(jié)劑增加,圖像灰度分布變得不均勻,由于F2314粘結(jié)劑密度比TATB晶體略高,因此,較亮區(qū)域是F2314粘結(jié)劑,較暗區(qū)域是TATB晶體聚集體,F2314粘結(jié)劑包覆在TATB晶體聚集體外。采用SEM對(duì)三種F2314粘結(jié)劑含量為0，5%，11%的TATB基PBX試樣巴西試驗(yàn)的斷裂形貌進(jìn)行觀測(cè),如圖4所示。由圖4可以看出,純TATB藥柱的斷貌是裸露TATB晶體,添加粘結(jié)劑后,在TATB晶體之間存在被拉伸成片狀的F2134粘結(jié)劑。

圖1不同粘結(jié)劑含量TATB基PBX的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

Fig.1The stress-strain curves of the TATB based PBX with different binder contents

圖2TATB基PBX的破壞強(qiáng)度與其殘余應(yīng)力變化趨勢(shì)比較

Fig.2The tensile breaking stress and residual stress changing with the binder content of the TATB based PBX

a. 0b. 5%c. 11%

圖3不同粘結(jié)劑含量TATB基PBX內(nèi)部結(jié)構(gòu)的CT圖像

Fig.3The CT photographs of the TATB based PBX with different binder contents

a. 0b. 5%c. 11%

圖4不同粘結(jié)劑含量TATB基PBX巴西試驗(yàn)斷貌的SEM圖像

Fig.4The SEM photographs of the TATB based PBX with different binder contents

3.4 粘結(jié)劑含量對(duì)TATB基PBX殘余應(yīng)力的影響機(jī)制

PBX屬于顆粒填充復(fù)合材料,各組份材料熱物理性能與力學(xué)性能差別迥異,在熱壓成型的壓制過(guò)程中,受到溫度-壓力共同作用,會(huì)發(fā)生晶體顆粒破碎重排與粘結(jié)劑流動(dòng)填隙等; 在壓制成型后進(jìn)行降溫時(shí),又存在粘結(jié)劑固化與體系彈性回復(fù)等問題,因此,要實(shí)現(xiàn)熱壓成型后PBX殘余應(yīng)力精確模擬還存在巨大難度。本研究采用單個(gè)TATB晶體與不同比例F2314粘結(jié)劑組成的簡(jiǎn)化模型,模擬了該體系從120 ℃降溫至20 ℃時(shí),TATB晶體上殘余應(yīng)力的形成演化分布情況,獲得了殘余應(yīng)力隨粘結(jié)劑含量的變化趨勢(shì),分析了粘結(jié)劑含量對(duì)PBX殘余應(yīng)力的影響機(jī)制。

本研究采用的簡(jiǎn)化模型中,TATB晶體尺寸按晶胞參數(shù)(a=0.901nm，b=0.903 nm，c=0.681 nm，α=108.59°，β=91.82°，γ=119.97°)等比例放大到毫米級(jí)(即a=0.901 mm，b=0.903 mm，c=0.681 mm),粘結(jié)劑含量通過(guò)均布于TATB晶體的涂覆層厚度調(diào)節(jié)。相關(guān)材料參數(shù)的取值如下: TATB晶體的模量取8.86 GPa,泊松比0.3,密度1.938 g·cm-3,質(zhì)量熱容1.17 kJ·(kg-1·K-1),導(dǎo)熱系數(shù)0.544 W·m-1·K-1,根據(jù)文獻(xiàn)[17]的數(shù)據(jù)計(jì)算了TATB晶體a、b、c晶軸上的熱膨脹系數(shù)分別為1.04×10-5,9.80×10-6,1.69×10-4m·K-1,以晶體a軸為X軸,ab面為XY平面構(gòu)建有限元計(jì)算的笛卡爾坐標(biāo)系,轉(zhuǎn)換TATB的熱膨脹系數(shù)到該笛卡爾坐標(biāo)系后,X、Y、Z向的熱膨脹系數(shù)分別為2.07×10-5,7.38×10-5,1.56E×10-4m·K-1; 根據(jù)文獻(xiàn)[17]數(shù)據(jù)計(jì)算了F2314粘結(jié)劑的熱膨脹系數(shù)和模量隨溫度的變化,如圖5所示。由圖5可知,F2314泊松比為0.3,密度為2.03 g·cm-3,質(zhì)量熱容為0.47 kJ·kg-1·K-1,導(dǎo)熱系數(shù)為0.15 W·m-1·K-1,表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為10 W·m-2·K-1。

圖6是基于上述簡(jiǎn)化模型和材料參數(shù)獲得的,在從120 ℃降溫至20 ℃室溫時(shí),未包覆粘結(jié)劑的TATB晶體的殘余應(yīng)力分布情況。純TATB晶體表面主要呈現(xiàn)出拉應(yīng)力狀態(tài)(圖6a),最大約2.39 MPa,晶體內(nèi)部則主要體現(xiàn)為壓應(yīng)力狀態(tài)(圖6b),最大壓應(yīng)力約-0.448 MPa。

a. thermal expansion coefficients

b. modulus

圖5F2314不同溫度下的熱膨脹系數(shù)和模量值

Fig.5The thermal expansion coefficient and modul of the F2314 under different temperature

圖7是5%粘結(jié)劑包覆TATB晶體時(shí)的殘余應(yīng)力分布情況計(jì)算結(jié)果, TATB晶體表面的殘余應(yīng)力分布情況(圖7a),圖7b是含粘結(jié)劑包覆時(shí)的截面應(yīng)力分布圖(圖7b)。可以看出,有粘結(jié)劑包覆時(shí),殘余應(yīng)力的分布情況有所改變,殘余應(yīng)力從基本均布的狀況向垂直晶體最大熱膨脹系數(shù)方面的晶面集中,但整體上依然體現(xiàn)出表層呈現(xiàn)拉應(yīng)力,內(nèi)部呈現(xiàn)壓應(yīng)力的狀態(tài); 最大拉應(yīng)力有所下降,約1.78 MPa,最大壓應(yīng)力有所增大,約2.79 MPa。

a. surfaceb. inside

圖6純TATB晶體的第一主應(yīng)力分布圖

Fig.6The 1st principal stress distributing in the TATB crystal with no binder

a. surfaceb. inside

圖7被5%粘結(jié)劑包覆的TATB晶體的第一主應(yīng)力分布圖

Fig.7The 1st principal stress distributing in the TATB crystal wrap with 5% binder

圖8是含11%F2314粘結(jié)劑包覆的TATB基PBX降溫至室溫時(shí)殘余應(yīng)力的分布圖,其中圖8a是含粘結(jié)劑的第一主應(yīng)力分布,圖8b是三向主應(yīng)力矢量分布。從圖8a整體的應(yīng)力分布可以看出,粘結(jié)劑在TATB晶體熱膨脹系數(shù)最小的方向上承受的應(yīng)力較大,約-2.85 MPa,這也是TATB晶體的最大壓縮應(yīng)力。

a. the 1st principal stressb. the principal stress

圖811%粘結(jié)劑包覆的TATB晶體的應(yīng)力分布

Fig.8The stress distributing in the TATB crystal wrap with 11% binder

總體而言,隨著粘結(jié)劑含量的升高,TATB基PBX在降溫的過(guò)程中體現(xiàn)出TATB晶體表面殘余應(yīng)力由拉應(yīng)力逐漸向壓應(yīng)力轉(zhuǎn)變的特點(diǎn),而其晶體內(nèi)部始終體現(xiàn)為壓縮應(yīng)力狀態(tài),這與試驗(yàn)測(cè)試的結(jié)果基本一致。造成這一結(jié)果的根本原因是粘結(jié)劑和炸藥晶體熱膨脹系數(shù)存在較大差異,在降溫收縮的過(guò)程中,粘結(jié)劑等效于一層繃緊的膜,把TATB晶體包覆其中,而在晶體最小熱膨脹系數(shù)的方向上,就會(huì)呈現(xiàn)出相對(duì)較大的壓縮應(yīng)力; 這種壓縮效應(yīng)隨粘結(jié)劑含量的增多而越發(fā)明顯,最終使得TATB晶體的表面殘余應(yīng)力特征從拉應(yīng)力向壓應(yīng)力轉(zhuǎn)變,從圖8中的三向主應(yīng)力矢量分布可清晰地看到粘結(jié)劑這種“包覆壓縮”特征。

4 結(jié) 論

(1)不含粘結(jié)劑的TATB基PBX的殘余應(yīng)力為拉應(yīng)力,當(dāng)F2314粘結(jié)劑含量增加時(shí),TATB基PBX殘余應(yīng)力逐漸從拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力,而其力學(xué)性能也逐漸提高。

(2)基于簡(jiǎn)化模型對(duì)不同粘結(jié)劑含量TATB基PBX降溫過(guò)程中的殘余應(yīng)力形成演化數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)規(guī)律吻合較好。

(3) 分析認(rèn)為,熱壓成型后熱膨脹系數(shù)較大的F2314對(duì)TATB晶體有收縮約束作用,使TATB晶體拉伸殘余應(yīng)力減小,并且隨著粘結(jié)劑含量增大而收縮約束作用增強(qiáng),導(dǎo)致TATB晶體殘余應(yīng)力從拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力。

參考文獻(xiàn):

欣竹反應(yīng)過(guò)來(lái)的時(shí)候，她的眼里默默地淌下了兩行眼淚。她給杜經(jīng)理打手機(jī)。她在電話里冷冷地質(zhì)問道：“杜經(jīng)理，你到底是怎么回事？你究竟是什么意思？”

[1] 董海山, 周芬芬. 高能炸藥及相關(guān)物性能[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 1989.

[2] Charles L.Mader, Terry R. Gibbs, Charles E. Morris, et al. LASL explosive property data[M]. USA: University of Californic Press, 1980.

[3] Withers P J, Turski M , Edwards L, et al. Recent advances in residual stress measurement[J].PressureVesselsandPiping, 2008, 85: 118-127.

[4] 劉金娜, 徐濱士, 王海斗, 等. 材料殘余應(yīng)力測(cè)定方法的發(fā)展趨勢(shì)[J]. 理化檢測(cè)-物理分冊(cè), 2013, 49(10): 677-682.

LIU Jin-na, XU Bin-shi, WANG Hai-dou, et al. Development tendency of measurement methods for residual stresses[J].ChineseJournalofPhysicalTest&ChemicalAnalyse(PartA:PhysicalTest), 2013, 49(10): 677-682.

[5] HUANG Xian-fu, LIU Zhan-wei, XIE Hui-min. Rencent progress in residual stress measurement techniques[J].ActaMechanicaSolidaSinica, 2013, 26(6): 570-583.

[6] Turnbull A, Maxwell A S, Piliai S. Residual stress in polymers-evaluation of measurement techniques[J].MaterialsScience, 1999:34: 451-459.

[8] 陳靖華, 趙北君, 朱世富,等. 塑料粘結(jié)炸藥殘余應(yīng)力測(cè)試方法研究[J]. 四川大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2005, 42(2): 296-299.

CHEN Jing-hua, ZHAO Bei-jun, ZHU Shi-fu, et al. Study of measuring methods of residual stress in polymer bonded explosives[J].JournalofSichuanUniversity(NaturalScienceEdition), 2005, 42(2): 296-299.

[9] 王守道. X射線法測(cè)定藥柱的殘余應(yīng)力[J]. 含能材料, 1994, 2(4): 35-39.

WANG Shou-dao. X-ray method of residual stress measurement in explosive charges[J].ChineseJournalofEnergeticMaterials(HannengCailiao), 1994, 2(4): 35-39.

[10] 雍志華, 朱世富, 趙北君,等. X射線法測(cè)量粘結(jié)炸藥的殘余應(yīng)力[J]. 四川大學(xué)學(xué)報(bào)(工程科學(xué)版), 2007, 39(5): 101-105.

YONG Zhi-hua, ZHU Shi-fu, ZHAO Bei-jun, et al. Residual stress test of bonded explosives by X-ray diffraction method[J].JournalofSichuanUniversity(EngineeringScienceEdition), 2007, 39(5): 101-105.

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

ZHOU Hong-ping, LI Jing-ming, LI Li, et al. Testing and relieving of residual stress for polymer bonded explosive based on TATB[J].ChineseJournalofEnergeticMaterials(HannengCailiao), 2008, 16(1): 37-40.

[12] 張偉斌, 趙北君, 田勇, 等. 高聚物粘結(jié)炸藥試件應(yīng)力狀態(tài)的超聲法測(cè)試技術(shù)[J]. 含能材料, 2006, 14( 2): 136-138.

ZHANG Wei-bin, ZHAO Bei-jun, TIAN Yong, et al. Ultrasonic testing stress of polymer bonded explosive specimens[J].ChineseJournalofEnergeticMaterials(HannengCailiao), 2006, 14(2): 136-138.

[13] Johnson HD. Diametric disc and standard tensile test correlation study[R]. MHSMP-81-22, 1981.

[14] 陳鵬萬(wàn), 黃風(fēng)雷, 張瑜, 等. 用巴西實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)炸藥的力學(xué)性能[J]. 兵工學(xué)報(bào), 2001, 22(4): 533-537.

CHEN Peng-wan, HUANG Feng-lei, ZHENG Yu, et al. Brazilian test and its application in the study of the mechanical properties of explosives[J].ActaArmamentari, 2001, 22(4): 533-537.

[15] Cheng Liu, Darla G Thompsonz, Manuel L Lovatoy, et al. Macroscopic Crack Formation and Extension in Pristine and Artificially Aged PBX 9501[C]∥Proc 14thInt Detonation symposium, 2010,

[16] 溫茂萍, 唐維, 周筱雨, 等. 基于圓弧壓頭巴西試驗(yàn)測(cè)試脆性炸藥拉伸性能[J]. 含能材料, 2013, 21(4): 490-494.

WEN Mao-ping, TANG Wei, ZHOU Xiao-yu, et al. The tensile mechanical properties of brittle explosives evaluated with Brazilian test of arc compress head[J].ChineseJournalofEnergeticMaterials(HannengCailiao), 2013, 21(4): 490-494.

[17] Jie Sun, Bin Kang, Haobin Zhang, et al. Investigation on irreversible expansion of 1,3,5-triamino-2,4,6-trinitrobenzene cylinder[J].CentralEuropeanJournalofEnergeticMaterials, 2011, 8(1): 69-79.

[18] 周紅萍, 龐海燕, 溫茂萍. 三種粘結(jié)劑材料的力學(xué)性能對(duì)比研究[J]. 材料導(dǎo)報(bào), 2009, 23(12): 34-35.

ZHOU Hong-ping, PANG Hai-yang, WEN Mao-ping. Comparative studies on the mechanical properties of three kinds of binders[J].ChineseJournalofMaterialLetter, 2009, 23(12): 34-35.