復(fù)合載荷作用下TATB基PBX炸藥藥柱的損傷試驗(yàn)研究

李志鵬，龍新平，何松偉，文玉史

（1．中國工程物理研究院化工材料研究所，四川綿陽621900；2．中國工程物理研究院，四川綿陽621900）

引 言

隨著現(xiàn)代高性能武器系統(tǒng)的飛速發(fā)展，對(duì)炸藥在各種條件下的安全性要求日益迫切。在實(shí)際使用中炸藥會(huì)受到各種載荷的作用，從而產(chǎn)生孔洞、裂紋等損傷，不僅影響炸藥的宏觀力學(xué)性能，同時(shí)還可能影響其爆轟及安全性能。

溫度載荷和機(jī)械載荷是影響炸藥性質(zhì)的兩個(gè)重要因素，溫度載荷導(dǎo)致炸藥發(fā)生化學(xué)老化，改變了高聚物的宏觀分子結(jié)構(gòu)，影響炸藥的損傷閾值和損傷演化速率；機(jī)械載荷導(dǎo)致炸藥發(fā)生力學(xué)損傷，改變了高聚物材料的細(xì)觀結(jié)構(gòu)，從而加速化學(xué)反應(yīng)速率［1］。目前國內(nèi)外對(duì)炸藥損傷的研究主要以機(jī)械載荷或溫度載荷單因素作用為主［2－7］。然而，在加工、運(yùn)輸、貯存及使用過程中炸藥受到的載荷往往是同時(shí)或相互的。因此，考慮溫度和機(jī)械載荷的復(fù)合作用對(duì)炸藥感度的影響更具有實(shí)際意義。

本研究根據(jù)炸藥實(shí)際使用過程中可能遇到的復(fù)合載荷情況，分別采用較輕微和較強(qiáng)烈兩種典型復(fù)合載荷作用對(duì)TATB 基PBX炸藥進(jìn)行損傷試驗(yàn)，通過測(cè)試密度、增益值和聲速值的變化對(duì)炸藥的損傷程度進(jìn)行了表征，采用隔板試驗(yàn)測(cè)試了炸藥的沖擊波感度，以期為了解炸藥在實(shí)際使用過程中的安全性提供參考。

1 實(shí) 驗(yàn)

1．1 樣品及儀器

TATB 基PBX炸藥，中國工程物理研究院化工材料研究所，主要成分為TATB 和氟橡膠。測(cè)試藥柱為模具壓制成型，密度約為1．893g／cm3，尺寸為Φ20mm×20mm。

8862J4873型材料試驗(yàn)機(jī)，美國INSTRON 公司；CTS－36型全數(shù)字式超聲波檢測(cè)儀，汕頭超聲儀器研究所。

1．2 較輕微復(fù)合載荷試驗(yàn)?zāi)M

較輕微復(fù)合載荷作用主要模擬TATB 基PBX炸藥在貯存、運(yùn)輸?shù)冗^程中同時(shí)存在溫度載荷和應(yīng)力作用的情況。試驗(yàn)?zāi)M在材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，先用材料試驗(yàn)機(jī)在藥柱兩端加載5MPa的應(yīng)力，保持兩個(gè)壓頭間的距離不變，然后進(jìn)行緩慢加熱，升溫速率約為2．5℃／min，升溫至70℃時(shí)恒溫10min，然后再以約5℃／min的降溫速率冷卻到室溫，循環(huán)5次。單次加載過程中TATB基PBX炸藥藥柱承受應(yīng)力的變化見圖1。由圖1可見，TATB基PBX炸藥藥柱承受的應(yīng)力隨溫度的升高逐漸增大，當(dāng)溫度到達(dá)70℃時(shí)，應(yīng)力最大值達(dá)到10．9MPa。

1 復(fù)合載荷作用下TATB基PBX炸藥藥柱的應(yīng)力變化Fig．1 Stress history of TATB－based explosive under combined load

1．3 較強(qiáng)烈復(fù)合載荷試驗(yàn)?zāi)M

較強(qiáng)烈復(fù)合載荷作用主要模擬炸藥運(yùn)輸、勤務(wù)處理等過程發(fā)生跌落并且遭遇高溫?zé)岘h(huán)境等異常情況可能帶來的損傷。首先用3kg 落錘從0．6m高處自由落下，對(duì)PBX炸藥藥柱進(jìn)行撞擊，模擬炸藥意外跌落經(jīng)受低速?zèng)_擊時(shí)損傷的產(chǎn)生。撞擊時(shí)藥柱放置在圖2 所示的約束裝置中，便于回收，并保證測(cè)試樣品的完整性。約束裝置由撞擊桿、鋼套筒和鋼底板組成，材料均為45號(hào)鋼，其中鋼套筒內(nèi)徑為20．5mm，壁厚15mm，高40mm。

圖2 炸藥撞擊損傷試驗(yàn)裝置示意圖Fig．2 Schematic diagrams of impact damage test setup

回收經(jīng)撞擊損傷的藥柱并放置在熱爆炸爐中進(jìn)行高溫載荷試驗(yàn)，首先以5℃／min的升溫速率將藥柱加熱到180℃，并用熱電偶進(jìn)行測(cè)溫，保證上下端溫差不大于0．5℃，然后在180℃的條件下恒溫2h，再以約6～7℃／min的降溫速率冷卻室溫。

1．4 TATB基PBX炸藥損傷的表征

復(fù)合載荷作用后炸藥的損傷情況主要通過其密度和超聲波特性（聲速和增益值）的變化來表征。超聲波特性采用CTS－36型全數(shù)字式超聲波檢測(cè)儀進(jìn)行測(cè)量，探頭頻率5．0MHz，耦合劑為蒸餾水，耦合面為藥柱端面，主要沿藥柱長軸方向檢測(cè)超聲波的聲速和增益值。

1．5 沖擊波感度試驗(yàn)

采用隔板試驗(yàn)方法測(cè)試沖擊波感度，試驗(yàn)裝置示意圖見圖3。其中主發(fā)藥為JO－9159，密度1．860g／cm3，尺寸為Φ20mm×20mm；隔板材料為鋁，直徑為30mm。

圖3 隔板試驗(yàn)裝置示意圖Fig．3 Schematic diagram of gap test setup

2 結(jié)果與討論

2．1 藥柱的損傷程度分析

不同載荷作用下TATB基PBX炸藥藥柱損傷前后密度和超聲波聲速及增益的平均值變化情況見表1。

表1 復(fù)合載荷作用前后TATB基PBX炸藥藥柱的密度和超聲波聲速及增益值Table 1 The density，ultrasonic wave velocity and gain values of TATB－based explosive column before and after combined load effect

由表1可見，在較輕微復(fù)合載荷作用下，TATB基PBX 藥柱的平均密度減小0．003g／cm3，較初始值減小0．15%；超聲波聲速平均減小24m／s，較初始值減小0．97%；而增益值則平均增大9．4dB，較初始值增加43．32%。

從加載條件來看，試驗(yàn)的最高溫度僅為70℃，對(duì)炸藥組分的影響不大，藥柱內(nèi)部可能未產(chǎn)生更多的微孔洞、微裂紋等損傷，因此，密度和聲速的變化較小。由于受到溫度沖擊和壓力的復(fù)合作用，會(huì)導(dǎo)致藥柱中的微裂紋生長、擴(kuò)展，進(jìn)而出現(xiàn)局部裂紋，使得增益值有較大變化。研究表明［2］，溫度沖擊作用條件下，藥柱有明顯的裂紋增加現(xiàn)象，也從一定程度上驗(yàn)證了上述分析結(jié)果。由此可見，TATB 基PBX 藥柱在較輕微復(fù)合載荷條件下的損傷主要表現(xiàn)為局部產(chǎn)生裂紋。

由表1還可看出，在較強(qiáng)烈復(fù)合載荷作用下，藥柱的平均密度減小0．039g／cm3，較初始值減小2．16%；超聲波聲速平均減小194m／s，較初始值減小7．87%；增益值則平均增大10．5dB，較初始值增加49．07%。表明較強(qiáng)烈復(fù)合載荷作用后藥柱中可能形成了更多的孔洞、微裂紋等細(xì)觀損傷，這些損傷的存在使藥柱的密度減小，從而導(dǎo)致其超聲波聲速發(fā)生較大變化。同時(shí)，局部宏觀裂紋的出現(xiàn)也使得其增益值變大。

研究表明［3］，炸藥在沖擊載荷作用下主要發(fā)生顆粒破碎和晶體內(nèi)部孔洞增加兩種突出現(xiàn)象。根據(jù)試驗(yàn)加載條件，TATB基PBX炸藥藥柱首先經(jīng)受落錘撞擊，較大的沖擊作用使炸藥顆粒發(fā)生破碎，晶體內(nèi)部孔洞增加，從而導(dǎo)致藥柱中的微裂紋、微孔洞等缺陷增多。此外，在180℃高溫條件下，TATB晶體會(huì)發(fā)生不可逆增長［4］，同樣導(dǎo)致藥柱體積增大，密度減??；高溫作用還使黏結(jié)劑軟化流動(dòng)，炸藥顆粒與基體材料更易發(fā)生脫粘，這也會(huì)進(jìn)一步產(chǎn)生一些新的微孔洞和微裂紋。綜上所述，TATB基PBX炸藥藥柱在較強(qiáng)烈的復(fù)合載荷作用下，不僅局部有較大裂紋，同時(shí)其內(nèi)部也出現(xiàn)較多的微孔洞、微裂紋等損傷。

2．2 不同損傷狀態(tài)下藥柱的沖擊波感度

不同損傷狀態(tài)下TATB基PBX炸藥藥柱發(fā)生50%爆轟時(shí)的隔板厚度見圖4。

圖4 TATB基PBX炸藥藥柱50%爆轟的隔板厚度Fig．4 Gap thickness of 50%detonation for TATB－based PBX explosive

由圖4可見，較輕微復(fù)合載荷作用后TATB基PBX藥柱50%爆轟的隔板厚度為9．8mm，與初始狀態(tài)的隔板厚度（9．6mm）相比增加約2．08%，表明其沖擊波感度略有升高。較強(qiáng)烈的復(fù)合載荷作用后，TATB 基PBX 藥柱50%爆轟的隔板厚度為12．5mm，比初始狀態(tài)增加約30．21%，表明經(jīng)較強(qiáng)烈復(fù)合載荷作用后，沖擊波感度明顯增加，炸藥變得更敏感。

由表1和圖4可知，在兩種復(fù)合載荷作用下，藥柱的增益值變化較大，沖擊波感度的差別很大。究其原因，可能是因?yàn)樵鲆嬷档淖兓饕从沉怂幹植康暮暧^性能變化情況，如某些局部較大的裂紋等，根據(jù)沖擊起爆的熱點(diǎn)機(jī)制，在沖擊波作用下被點(diǎn)火的熱點(diǎn)數(shù)量更多地取決于藥柱內(nèi)部的微孔洞、微裂紋等損傷。根據(jù)上述測(cè)試結(jié)果，在較強(qiáng)烈復(fù)合載荷作用下，藥柱中形成了更多的孔洞、裂紋等細(xì)微損傷，因此，TATB 基PBX炸藥藥柱的沖擊波感度有較大增加。在較輕微復(fù)合載荷作用下，炸藥的損傷主要表現(xiàn)為局部產(chǎn)生較大裂紋，其對(duì)沖擊作用下熱點(diǎn)的貢獻(xiàn)有限，因此，沖擊波感度僅略有增加。

3 結(jié) 論

（1）在較輕微復(fù)合載荷作用下，TATB 基PBX炸藥藥柱的密度減小0．15%，超聲波聲速減小0．97%，增益值增大43．32%。藥柱損傷主要表現(xiàn)為局部裂紋，未出現(xiàn)更多孔洞、裂紋等微損傷，因此對(duì)其沖擊波感度影響不大，50%爆轟隔板厚度僅略有增加。

（2）在較強(qiáng)烈復(fù)合載荷作用下，TATB 基PBX炸藥藥柱的密度減小2．16%，超聲波聲速減小7．87%，增益值增大49．07%。沖擊波感度有較大的增加，50%爆轟隔板厚度為12．5mm，較初始狀態(tài)約增加30．21%。

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