碳纖維對塑料粘結炸藥力學性能的影響

李文祥，趙省向，邢曉玲,刁小強

（西安近代化學研究所，陜西 西安 710065）

高聚物粘結炸藥也稱塑料粘結炸藥（PBX），隨著現代武器的發(fā)展，要求PBX具有更好的力學性能，以抵抗運輸中的顛簸震動、武器發(fā)射過程中的振動沖擊和過載要求，以及存儲過程中環(huán)境的溫差變化引起的熱沖擊和熱應力釋放等[1]。因此，提高PBX的力學強度對拓寬其使用范圍和提高使用壽命有重要意義。

溫茂萍等人采用平面斷裂韌度試驗[2]、壓縮疲勞特性試驗[3]等方法研究了高聚物粘結炸藥藥柱的宏觀力學性能與老化的關系；周紅萍[4]等人研究了高聚物粘結炸藥在熱壓成型過程中的殘余應力測試方法，以及應力消除的方法，對藥柱的壓制成型工藝具有指導意義。但是，這些研究主要集中在炸藥力學性能的測量及力學性能和老化關系上，并沒用揭示如何有效地提高PBX的力學性能。

碳纖維[5]作為一種新型的復合材料基體增強材料，可以和高聚物、樹脂、金屬、陶瓷、碳、玻璃等復合，制備具有高模量、高強度、耐腐蝕、抗疲勞、低熱膨脹系數等眾多優(yōu)異性能的復合材料。本文將碳纖維添加到PBX炸藥中，研究碳纖維含量和粘結劑種類對PBX力學性能的影響，初步探索了新型增強材料碳纖維在改善炸藥力學性能、拓展炸藥應用范圍等方面的可行性。

1 CF增強原理

從材料學角度，PBX是一類以高聚物粘結劑為連續(xù)相、高能炸藥為分散相的兩相復合材料。藥柱的力學性能主要取決于高分子粘結劑的力學性能以及兩相之間粘結的緊密程度[6]。當PBX藥柱受到外力時，粘結劑和炸藥顆粒一起承受載荷，雖然粘結劑一般選擇具有較高力學強度的聚合物，但是通常含量較少，而炸藥顆粒承受載荷能力有限，因而藥柱的力學性能較低。本研究中利用碳纖維高強度特點，在PBX兩相體系中加入碳纖維，形成一個三相體系，如圖1。其中碳纖維是增強體，作為主要的承力結構，粘結劑起連接纖維和傳遞載荷的作用，來提高PBX的力學性能。

圖1 碳纖維增強PBX力學性能原理圖Fig.1 The improvement principle of mechanical property of PBXs by CF

2 實驗

2.1 原材料

RDX：工業(yè)品，甘肅銀光化學公司；乙酸乙酯：分析純，天津化學試劑有限公司；丙烯酸丁酯-丙烯腈共聚物乳液（202橡膠漿簡稱202膠），工業(yè)品；氟橡膠：FPM2603，工業(yè)品，晨光化工研究院；碳纖維（CF）：短切聚丙烯腈（PAN）纖維。

2.2 樣品制備

采用水懸浮造粒法制備造型粉顆粒，然后將造型粉顆粒在250MPa下壓制成Φ20mm×20mm的藥柱。本次實驗共涉及了202膠和氟橡膠兩種粘結劑配方體系，具體配方組成見表1。

表1 不同配方編號及組成Tab.1 The different components of PBXs

3 結果與討論

3.1 CF含量對PBX藥柱抗壓強度的影響

選用202膠體系，對不同含量CF的PBX藥柱進行抗壓強度測定，抗壓強度按照GJB772A-97方法416.1，結果見圖2。

圖2 CF含量對PBX藥柱抗壓強度的影響Fig.2 The compressive strength of PBXs with different CF contents

由圖2可見：（1）碳纖維含量從0.25%增加到1%時，藥柱的抗壓強度呈現下降趨勢，但均大于空白樣品的抗壓強度；（2）藥柱的壓縮應變隨著碳纖維含量的增加呈增大趨勢，其中空白試樣的壓縮應變最小；（3）在相同粘結劑總量時，碳纖維含量為0.25%時，藥柱的抗壓強度比空白樣品提高了62%。這說明碳纖維的加入有效地承載了壓力載荷，使得藥柱的抗壓強度均高于空白樣品；（4）抗壓強度并不總是隨著碳纖維含量的增加而增大。這是因為復合材料的力學性能一方面與碳纖維含量有關，另一方面在很大程度上也取決于基體和碳纖維界面質量。由圖2可知，當分散相含量為95%時，202膠與CF質量比為19∶1時，可以形成較優(yōu)的界面結合，最大程度提高PBX抗壓強度。

3.2 CF含量對PBX藥柱抗拉強度的影響

選用202膠體系，對不同含量CF的PBX藥柱進行抗拉強度測定，抗拉強度按照 GJB 772A-97方法417.1，結果如圖3所示。

從圖3可見：（1）藥柱的抗拉強度隨著碳纖維含量的增加而增大，當碳纖維含量為 1%時，抗拉強度可提高30%，說明碳纖維的加入有效地吸收了拉伸的載荷，使得藥柱的抗拉強度提高；（2）當碳纖維含量低于 1%時藥柱的抗拉強度隨碳纖維的含量增加變化顯著；當碳纖維含量超過 1%時，碳纖維的加入對藥柱的抗拉強度增強不明顯。這是因為在碳纖維低含量時，決定藥柱抗拉強度的主要因素在于碳纖維骨架可以吸收多少載荷，因此藥柱的抗拉強度主要受碳纖維的含量影響。但是隨著碳纖維含量的增加，理論上碳纖維應該可以吸收更多的載荷，使得藥柱抗拉強度提高更多，但是結果卻是碳纖維含量的增加對抗拉強度影響不大。這是因為藥柱受到外力載荷時，這些載荷并沒有有效地從基體傳遞到碳纖維骨架上，這時起主要作用的應該是碳纖維和基體之間的粘結緊密程度。

圖3 碳纖維含量對PBX藥柱抗拉強度的影響Fig.3 The tensile strength of PBXs with different CF contents

3.3 粘結劑體系對含CF的PBX藥柱抗壓強度的影響

將相同RDX和CF含量的不同粘結劑體系制備的PBX炸藥的抗壓強度列于表2。

表2 不同粘結劑體系PBXs藥柱的抗壓強度Tab.2 Compressive strength of PBXs with different binders

從表3可知，在相同RDX和CF含量下，含202膠和氟橡膠的PBX藥柱藥柱抗壓強度分別比空白樣品提高了62%和 30%。這是因為CF整體組成主要是碳、氧、氮、氫等元素，一般PAN碳纖維中的碳含量約95%。碳纖維是一種表面較為平滑的物質，未經處理的碳纖維含有16.5%的羥基和3.4%的羰基[7]，而202膠為丙烯酸丁酯-丙烯腈共聚物，含有酯基和腈基，相對氟橡膠而言，易于和碳纖維表面的官能團結合形成化學鍵，因此，在相同碳纖維含量下，202膠體系的PBX藥柱抗壓強度增強比較明顯。

為了進一步分析，將兩種不同粘結劑體系的PBX藥柱拉伸斷口試樣表面噴金，用SEM觀察斷口形貌，見圖4～5。碳纖維是一種表面較為平滑的物質，從圖4可以看出，在202膠體系中，碳纖維外層包裹著一層粘結劑，說明碳纖維與202膠基體間產生了良好的結合，而圖5中，碳纖維與氟橡膠基體之間接觸較差，碳纖維表面裸露，包覆粘結劑較少或沒有包覆粘結劑。因此，在增強PBX藥柱承受外力的效果上，宏觀表現為碳纖維對202膠體系的增強效果明顯優(yōu)于對氟橡膠體系，這說明碳纖維與粘結劑之間的界面性能的好壞直接影響PBX的整體力學性能。

圖4 HBC-1掃描電鏡照片Fig.4 SEM images of HBC-1

圖5 HFC-1掃描電鏡照片Fig.5 SEM images of HFC-1

4 結論

（1）碳纖維的加入使得PBX藥柱的抗壓和抗拉強度可分別提高62%和30%。（2）碳纖維與粘結劑體系的界面性能質量對藥柱的力學性能影響較大，良好的界面結合有助于更好地提高PBX力學性能。

[1]藍林鋼,郝瑩,等.高聚物粘結炸藥壓縮疲勞特性試驗研究[J].含能材料,2004,12(6):358-360.

[2]溫茂萍,馬麗蓮,等.高聚物粘結炸藥平面應變斷裂韌度實驗研究[J].火炸藥學報,2001(2):16-18.

[3]周紅萍,何強,等.低拉伸應力下 PBX 的老化實驗研究[J].火炸藥學報,2009,32(5):8-10.

[4]周紅萍,李敬明,等.TATB基高聚物粘結炸藥殘余應力的測試和消除研究[J].含能材料,2008,16(1):37-40.

[5]李軍.碳纖維及其復合材料的研究應用進展[J].遼寧化工,2010,39(9):990-992.

[6]孫業(yè)斌,惠君明,等.軍用混合炸藥[M].北京:兵器工業(yè)出版社,1994.

[7]烏云其其格.碳纖維表面處理[J].高科技纖維與應用,2001,26(5):24-28.