環(huán)境溫度對含鋁炸藥裝藥裂紋的影響研究

劉瑞鵬，王世英，王淑萍

（西安近代化學(xué)研究所，陜西 西安，710065）

隨著應(yīng)用范圍的逐漸擴(kuò)大，軍用混合炸藥需要滿足各種極端環(huán)境條件下的使用要求，這就對含鋁炸藥的材料性能和裝藥結(jié)構(gòu)提出了更高更嚴(yán)的要求。而環(huán)境溫度會影響含鋁炸藥的材料性能和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，進(jìn)而影響武器彈藥的實際應(yīng)用。因此，深入探究含鋁炸藥性能和結(jié)構(gòu)對環(huán)境溫度的響應(yīng)規(guī)律對于提高軍用混合炸藥的應(yīng)用水平是有幫助的。

目前對于炸藥性能與損傷的研究較多。尹俊婷等[1]對有邊界限定的壓裝 PBX炸藥進(jìn)行了溫度損傷試驗，認(rèn)為低溫貯存、溫度沖擊及沖擊試驗會使炸藥產(chǎn)生裂紋損傷。李敬明等[2]對TATB基高聚物粘結(jié)炸藥進(jìn)行了-40～+75℃的熱循環(huán)試驗，認(rèn)為熱循環(huán)產(chǎn)生的熱應(yīng)力作用導(dǎo)致樣品的力學(xué)性能下降。周棟等[3]進(jìn)行了 PBX炸藥細(xì)觀損傷實驗的研究。劉永剛等[4]對TATB/氟聚合物PBX的界面性能進(jìn)行了研究，結(jié)果表明使用F2314作粘結(jié)劑可實現(xiàn)與TATB的較佳粘結(jié)；TATB與F2314之間的界面作用主要為分子間的范德華力；TATB/F2314造型粉經(jīng)過熱壓成型后，其界面作用有所增強(qiáng)。

本文側(cè)重于高低溫環(huán)境試驗對典型含鋁炸藥裝藥質(zhì)量的裂紋損傷研究，依據(jù)試驗結(jié)果分析裂紋產(chǎn)生的規(guī)律和有關(guān)條件。

1 試驗部分

1.1 試驗原料

典型含鋁炸藥X，其組分含量如表1所示。

表1 含鋁炸藥X配方Tab.1 Formula of typical aluminized explosives

1.2 試驗方法

按照《炸藥試驗方法》GJB 772A-97方法416.1和方法415.1分別測量炸藥試樣的抗壓強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度，按照企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)測量試樣的抗拉強(qiáng)度。同時還測量了不同溫度條件下A-IX-II炸藥及含鋁炸藥X的抗壓強(qiáng)度。

將含鋁炸藥X壓制成圓柱體。將試驗樣品分成3組，分別按照《軍用設(shè)備環(huán)境試驗方法》GIB150.4進(jìn)行低溫試驗，GIB150.3進(jìn)行高溫試驗，GIB150.5-86進(jìn)行溫度沖擊試驗。環(huán)境溫度執(zhí)行第六一〇研究所J11A-01-3《環(huán)境試驗要求》標(biāo)準(zhǔn)。用直線加速器對試驗樣品進(jìn)行檢測。

2 結(jié)果與討論

2.1 藥柱力學(xué)性能對裝藥產(chǎn)生裂紋的影響

力學(xué)強(qiáng)度測試結(jié)果如表2所示。

表2 力學(xué)強(qiáng)度測試結(jié)果Tab.2 The results of mechanical strength

不同溫度條件下試樣的抗壓強(qiáng)度如表 3所示。由表3可見不同溫度下含鋁炸藥X的抗壓強(qiáng)度明顯高于A-IX-II炸藥，這是由于前者組分中粘結(jié)劑與增塑劑的含量低于后者所致。對表3進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后發(fā)現(xiàn)，抗壓強(qiáng)度與環(huán)境溫度之間呈現(xiàn)良好的負(fù)線性相關(guān)關(guān)系，如圖1所示。

表3 不同溫度下抗壓強(qiáng)度測試結(jié)果Tab.3 The results of compressive strength in different temperature

圖1 A-IX-II炸藥及含鋁炸藥X抗壓強(qiáng)度隨溫度的變化Fig .1 Compressive strength vs temperature of A-IX-II and explosive X

這種關(guān)系對于分析炸藥在溫度試驗過程中裂紋產(chǎn)生的原因提供了一定的參考。

2.2 溫度試驗對裝藥裂紋產(chǎn)生的影響

2.2.1 低溫試驗

低溫試驗檢測結(jié)果如表4所示。由表4可見，低溫試驗后多數(shù)樣品出現(xiàn)裂紋，這表明低溫環(huán)境有利于炸藥裝藥形成裂紋。

表4 低溫試驗結(jié)果Tab. 4 The results of low temperature test

含鋁炸藥X組分中添加了0.75%的粘結(jié)劑，這種粘結(jié)劑的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)區(qū)間為-20～-30℃，而低溫試驗時的環(huán)境溫度已明顯低于此轉(zhuǎn)變溫度，故該非晶態(tài)粘結(jié)劑分子結(jié)構(gòu)發(fā)生轉(zhuǎn)變，呈現(xiàn)出很高的脆性。從整體上看含鋁炸藥X的脆性高。

低溫環(huán)境引起的內(nèi)應(yīng)力導(dǎo)致樣品尺寸發(fā)生變化，體積明顯減小，出現(xiàn)“冷縮”現(xiàn)象。由于材料的脆性高，塑性形變能力較差，低溫環(huán)境引起的外加載荷在尚未超過樣品的屈服強(qiáng)度之前很容易導(dǎo)致樣品產(chǎn)生脆性斷裂。表3及圖1說明X炸藥在低溫環(huán)境中表現(xiàn)出很高的抗壓強(qiáng)度，低溫時產(chǎn)生的裂紋可能是由于內(nèi)應(yīng)力超過了炸藥的抗拉強(qiáng)度而產(chǎn)生脆性斷裂所致。

從表4可注意到在經(jīng)過48h室溫保溫后，裂紋均消失。這是由于脆性斷裂發(fā)生在屈服之前，高分子粘結(jié)劑的彈性經(jīng)過較長時間的保溫（玻璃化溫度之上）可以得到恢復(fù)，且一定含量的增塑劑有助于該過程的進(jìn)行。說明適當(dāng)時間的保溫有利于裂紋逐步愈合及消失。

對低溫試驗過程進(jìn)行了模擬計算，結(jié)果如圖2所示。計算結(jié)果表明低溫時樣品尺寸收縮，體積減小，與試驗結(jié)果相符；低溫時產(chǎn)生的熱應(yīng)力集中于樣品的兩個端面，產(chǎn)生環(huán)形裂紋，考慮試驗誤差及檢測精度，可以認(rèn)為計算結(jié)果與試驗結(jié)果一致。

圖2 低溫試驗?zāi)M結(jié)果Fig.2 The simulation results of low temperature test

2.2.2 高溫試驗

高溫試驗檢測結(jié)果見表5。

表5 高溫試驗檢測結(jié)果Tab.5 The results of high temperature test

從表5可見，高溫試驗后全部樣品中均未檢測出明顯的裂紋，且保溫48h后亦未出現(xiàn)宏觀裂紋。

從試驗結(jié)果可見高溫不是樣品中出現(xiàn)裂紋的主要原因。主體炸藥加高分子粘結(jié)劑的體系在70℃環(huán)境溫度場中軟化熔化，粘結(jié)劑呈現(xiàn)出高粘度的類流體性質(zhì)。整個炸藥體系顯現(xiàn)出類橡膠的軟化性質(zhì)，能夠比較有效地吸收高溫環(huán)境所引起的外加內(nèi)應(yīng)力及能量變化。

當(dāng)恢復(fù)到室溫保溫時，由于高分子粘結(jié)劑較低的玻璃化溫度，整個炸藥體系仍可以保持有類橡膠的性質(zhì)，顯示出一定的彈性。且高分子粘結(jié)劑和增塑劑在體系中的遷移可以抵消體積變化引起的裂紋萌生，故在宏觀上觀察不到裂紋產(chǎn)生。

2.2.3 溫度沖擊試驗

溫度沖擊試驗檢測結(jié)果見表6。由表6可見，溫度沖擊試驗后在大部分樣品中出現(xiàn)了嚴(yán)重的明顯裂紋，多次循環(huán)溫度沖擊試驗使裂紋分布加寬。

表6 溫度沖擊試驗檢測結(jié)果Tab.6 The results of temperature shock test

從試驗結(jié)果可見含鋁炸藥裝藥對于溫度沖擊最為敏感，宏觀結(jié)構(gòu)損傷突出。結(jié)合2.2.1和2.2.2的分析，高溫環(huán)境已超過粘結(jié)劑體系軟化點溫度，高度粘稠的炸藥裝藥緩慢地發(fā)生體積變化；之后突變的低溫作用使炸藥裝藥形成脆性斷裂，結(jié)構(gòu)上顯示出不連續(xù)性，炸藥裝藥破裂成幾部分。接下來的溫度沖擊過程使炸藥裝藥各部分更易產(chǎn)生裂紋，同時由于炸藥裝藥結(jié)構(gòu)破裂，相對體積減小，則對于內(nèi)應(yīng)力及能量變化的吸收能力下降，也更易于裂紋形成。

溫度沖擊試驗后的48h室溫保溫有利于裂紋的愈合，但由于溫度加載條件苛刻，導(dǎo)致高分子粘結(jié)劑的力學(xué)性能發(fā)生變化，結(jié)果不能像低溫試驗后裂紋充分愈合乃至全部消失，但裂紋寬度和數(shù)目均相應(yīng)減小。

2.3 貯存溫度對裝藥裂紋的影響

將以上經(jīng)過溫度試驗后的樣品在庫房中貯存了大約5個月的時間。結(jié)合實際情況，貯存時的溫度條件大約在-30～0℃之間。之后對樣品分別重復(fù)進(jìn)行上述的低溫試驗、高溫試驗及溫度沖擊試驗，試驗結(jié)果見表7。

表7 貯存后的試驗結(jié)果Tab.7 The test results after storage

將表7的試驗結(jié)果分別同表4、表5及表6進(jìn)行對比，結(jié)果表明較長時間的低溫貯存環(huán)境對樣品低溫時的力學(xué)性能影響不顯著，但在高溫及溫度沖擊時則會引起樣品的力學(xué)強(qiáng)度下降，產(chǎn)生了更加嚴(yán)重的裂紋損傷。

3 結(jié)論

綜合上述分析，得到如下結(jié)論：

（1） 低溫加載是導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生的主要因素，單獨的高溫加載不易形成裂紋，溫度沖擊強(qiáng)化裂紋損傷并導(dǎo)致裂紋分布加寬；

（2） 樣品在低溫加載時所經(jīng)歷的力學(xué)過程是可逆的，高分子添加劑的性能顯著影響炸藥裝藥質(zhì)量；

（3） 較長時間的低溫貯存環(huán)境對含鋁炸藥裝藥的實際使用性能有不利影響；

（4） 含鋁炸藥的抗壓強(qiáng)度隨溫度變化顯現(xiàn)出線性相反的趨勢，低溫時的裂紋可能是由于內(nèi)應(yīng)力超過炸藥裝藥的抗拉強(qiáng)度所致。

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