RDX基鋁纖維炸藥靜態(tài)壓縮力學(xué)性能

林謀金, 崔曉榮, 馬宏昊, 李戰(zhàn)軍, 賈 虎

(1. 廣東宏大爆破股份有限公司， 廣東 廣州 510623; 2. 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)近代力學(xué)系， 安徽 合肥 230027; 3. 南陽師范學(xué)院土木建筑工程學(xué)院， 河南 南陽 473061)

1 引 言

近年來，隨著裝甲防護(hù)的加強(qiáng)，動能穿甲彈以及鉆地彈在使用過程中遭遇的環(huán)境條件越來越惡劣，因此要求這類彈藥具有良好的力學(xué)性能[1-2]，而傳統(tǒng)的熔鑄炸藥(TNT)具有低強(qiáng)度、韌性差以及易發(fā)生脆裂損傷等缺點(diǎn)，不能滿足新時期武器裝備的要求[3]，因此目前主要有采用澆注的高聚物粘結(jié)炸藥(PBX)來替代早期的TNT熔鑄炸藥。PBX中的惰性添加劑較高，使其在受力后可以產(chǎn)生較大的變形，能將高速碰撞過程中的一部分撞擊能量儲存和消耗在粘結(jié)劑中，使混合炸藥中的主體炸藥顆粒所承受外界作用力大大降低，從而使PBX具備較強(qiáng)的抗過載能力[4]，因此PBX在復(fù)雜環(huán)境中的力學(xué)性能及力學(xué)響應(yīng)已成為含能材料研究的熱點(diǎn)[5-8]。部分研究者[9]為了提高藥柱力學(xué)性能，向炸藥中添加纖維類材料，纖維材料在炸藥基質(zhì)間起連接作用，因此該方法也可以提高炸藥的強(qiáng)度和韌性。目前，在炸藥中添加纖維的工作仍不深入，不同基體炸藥、不同類型的纖維材料、長度以及添加量等對藥柱力學(xué)性能的影響還需進(jìn)一步探討。本研究綜合考慮炸藥的能量以及力學(xué)性能，以RDX為基體炸藥，采用鋁纖維為藥柱的增強(qiáng)材料，即將傳統(tǒng)含鋁炸藥中的的鋁粉用鋁纖維替代，得到新型鋁纖維炸藥，以期改善鋁纖維炸藥的成型性，同時增強(qiáng)鋁纖維炸藥的力學(xué)性能。前期研究表明[10]，鋁纖維能提高基體炸藥RDX的爆炸威力，本工作主要研究RDX基鋁纖維炸藥靜態(tài)壓縮力學(xué)性能，以加深對纖維類炸藥力學(xué)性能認(rèn)識，為含鋁炸藥的研究工作提供參考。

2 藥柱制備與實(shí)驗(yàn)

將10 g含有不同質(zhì)量分?jǐn)?shù) (0%、10%、20%、30%、40%、50%、60%)的鋁纖維炸藥在相同壓力下壓制成長徑比相近的圓柱形藥柱(無殼藥柱)，因此藥柱的高度隨著鋁纖維含量增加而降低(16.71～21.4 mm)，藥柱的密度隨著鋁纖維含量增加而增加(1.60～2.05 g·cm-3)，其中，藥柱的直徑為19.28 mm，基體炸藥RDX的配比為RDX∶Wax=95∶5，鋁纖維采用熔噴法制成，其直徑為50～90 μm。另外鋁纖維為長纖維，因此制備藥柱時需要將鋁纖維與基體炸藥(RDX)分批依次加入到藥柱模具中。實(shí)驗(yàn)采用MTS809材料試驗(yàn)機(jī)對不同含量的鋁纖維炸藥進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)，以位移加載方式進(jìn)行加載，加載速率為1 mm·min-1，藥柱兩端涂有凡士林，以降低藥柱端面摩擦力的影響。

3 結(jié)果與討論

3.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)得到含有不同鋁纖維含量的鋁纖維炸藥載荷(F)-位移(s)曲線,如圖1所示。

圖1不同鋁纖維含量的鋁纖維炸藥載荷-位移曲線

Fig.1Loading-displacement curves of aluminum fiber explosives with different content of aluminum fiber

由圖1可得，實(shí)驗(yàn)得到不同鋁纖維含量的鋁纖維炸藥在載荷-位移曲線上升階段與峰值部分重復(fù)性較好，但其在下降階段，鋁纖維含量為0%～30%的重復(fù)性較好，而鋁纖維含量為40%～60%的曲線下降階段重復(fù)性較差，與鋁纖維開始出現(xiàn)斷裂導(dǎo)致殘余強(qiáng)度不穩(wěn)定有關(guān)。隨著鋁纖維含量增加，鋁纖維炸藥的最大壓縮載荷從2 kN增加到8.5 kN，說明鋁纖維能顯著提高無殼藥柱的抗壓縮能力。實(shí)驗(yàn)后得到部分鋁纖維炸藥的壓縮破壞效果，如圖2所示。

a．0%b. 10%c. 20%d. 50%

圖2含有不同鋁纖維含量的鋁纖維炸藥壓縮破壞效果

Fig.2Compression failure effect of aluminum fiber explosives with different content of aluminum fiber

由圖2可知，鋁纖維含量為0%的基體炸藥RDX在壓縮加載過程中，首先是藥柱表面裂紋沿軸向裂開，說明藥柱外表面在加載初期以拉應(yīng)力形式破壞為主，如圖2a所示，同時也說明基體炸藥RDX的抗拉強(qiáng)度較低。在加載結(jié)束后藥柱外面部分完全散掉，內(nèi)部破壞為頂角約為50o的圓錐體，說明藥柱內(nèi)部在加載后期以剪切形式破壞。鋁纖維含量為10%的鋁纖維炸藥在壓縮破壞時，藥柱破壞過程與RDX相似，說明鋁纖維炸藥的抗拉強(qiáng)度依然較低，藥柱外表面仍以拉應(yīng)力形式破壞為主，但裂紋間有鋁纖維連接，整個藥柱沒有完全散掉，藥柱具有殘余強(qiáng)度，如圖2b所示。鋁纖維含量為20%的鋁纖維炸藥在壓縮加載前期，藥柱外表面未出現(xiàn)軸向裂紋；藥柱在壓縮加載后期，與軸線成45o的方向上開始出現(xiàn)明顯裂紋，如圖2c所示，說明藥柱整體是仍以剪切形式破壞的，即鋁纖維顯著增強(qiáng)了基體炸藥的抗拉強(qiáng)度，但對其抗剪強(qiáng)度沒有顯著增強(qiáng)，鋁纖維含量為30%的鋁纖維炸藥破壞形式與含量為20%的相似。鋁纖維含量為50%的鋁纖維炸藥在壓縮加載結(jié)束時部分鋁纖維發(fā)生斷裂現(xiàn)象，如圖2d所示，鋁纖維含量為40%以及60%的破壞形式與含量為50%的相似。鋁纖維含量少于30%時，藥柱在壓縮加載破壞后主要是以RDX破碎脫落為主，而發(fā)生斷裂的鋁纖維較少，當(dāng)鋁纖維含量大于30%時，鋁纖維炸藥在壓縮加載破壞后部分鋁纖維開始出現(xiàn)斷裂情況，說明鋁纖維對基體炸藥的抗拉強(qiáng)度增強(qiáng)效果開始減弱。綜上所述，鋁纖維含量較低時，鋁纖維炸藥的無殼藥柱的力學(xué)性能主要取決于鋁纖維與基體炸藥之間的粘結(jié)力，鋁纖維含量較高時，鋁纖維炸藥的無殼藥柱的力學(xué)性能主要取決于鋁纖維自身的抗拉強(qiáng)度。

3.2 應(yīng)力-應(yīng)變曲線擬合

對不同鋁纖維含量的鋁纖維炸藥載荷-位移曲線計算處理得到對應(yīng)的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線，如圖3所示。

圖3不同鋁纖維含量的鋁纖維炸藥應(yīng)力-應(yīng)變曲線

Fig.3Stress-strain curves of aluminum fiber explosiveswith different content of aluminum fiber

由圖3可知，鋁纖維炸藥藥柱的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線在加載初期階段表現(xiàn)出非線性行為，可能與藥柱加載端面不平整有關(guān)，另外隨著鋁纖維含量的增加，曲線起始段的非線性行為開始變得不明顯，因此曲線初始段的非線性行為也可能與加載初期壓實(shí)藥柱中孔隙有關(guān)。在載荷繼續(xù)作用下，曲線近似為線性關(guān)系，隨著載荷的繼續(xù)增加，曲線并未出現(xiàn)明顯的屈服行為，所以不同鋁纖維含量的鋁纖維炸藥仍屬于脆性材料。曲線上最大應(yīng)力所對應(yīng)的應(yīng)變可以確定為臨界應(yīng)變，對于鋁纖維含量為0%～30%的鋁纖維炸藥，其臨界應(yīng)變隨著鋁纖維含量的增加而增大，對于鋁纖維含量為30%～60%的鋁纖維炸藥，其臨界應(yīng)變不隨著鋁纖維含量增加而增加，說明30%的鋁纖維含量是影響藥柱力學(xué)性能的主要因素開始發(fā)生變化的臨界含量，即鋁纖維含量低于30%時，藥柱破壞主要取決于鋁纖維與基體炸藥之間的粘結(jié)力，鋁纖維含量高于30%，藥柱破壞開始取決于鋁纖維自身抗拉強(qiáng)度。另外鋁纖維炸藥的殘余強(qiáng)度隨著鋁纖維含量的增加而增大，說明在基體炸藥中加入鋁纖維能提高無殼藥柱破壞后的殘余強(qiáng)度。隨著鋁纖維含量增加，藥柱的單軸抗壓強(qiáng)度從6.9 MPa增加到28 MPa，說明鋁纖維能顯著提高無殼藥柱的單軸抗壓強(qiáng)度。

針對低含量的鋁纖維炸藥在準(zhǔn)靜態(tài)下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線的起始段存在一個非線性緩慢上升過程，且得到的應(yīng)力-應(yīng)變曲線加載階段與正態(tài)分布函數(shù)曲線相似，因此本研究取正態(tài)分布函數(shù)作為低含量的鋁纖維炸藥在準(zhǔn)靜態(tài)下的工程應(yīng)力-應(yīng)變擬合函數(shù)，其表達(dá)式為：

(1)

式中，σm為試樣的單軸抗壓強(qiáng)度，MPa；εm為試樣的臨界應(yīng)變，n為無量綱常數(shù)。根據(jù)式(1)對實(shí)驗(yàn)得到的鋁纖維炸藥工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線進(jìn)行擬合，其中含量為10%～40%的鋁纖維炸藥擬合效果如圖4所示。

由圖4可知，采用正態(tài)分布函數(shù)擬合含量為10%～40%的鋁纖維炸藥工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線的加載階段能得到較好的擬合效果,其擬合的校正決定系數(shù)為0.987～0.998，甚至可以對應(yīng)力-應(yīng)變曲線的部分卸載階段進(jìn)行擬合。隨著鋁纖維含量增大，曲線起始段的非線性行為開始變得不明顯，因此函數(shù)對曲線起始段的擬合效果開始變差，進(jìn)一步說明式(1)比較適用于應(yīng)力-應(yīng)變曲線的初始階段具有非線性的情況，具體的擬合系數(shù)見表1。利用表1中系數(shù)可以用函數(shù)形式描述鋁纖維含量為10%～40%的鋁纖維炸藥應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

表1不同鋁纖維含量的鋁纖維炸藥應(yīng)力-應(yīng)變表達(dá)式擬合系數(shù)

Table1Fitted coefficient of stress-strain expression for aluminum fiber explosives with different content of aluminum fiber

aluminumfiber10%20%30%40%σm/MPa10.88515.33416.69921.689εm0.03730.04160.04180.0397n0.01850.02070.02270.0232

3.3 彈性模量分析

由于含有不同鋁纖維含量的鋁纖維炸藥屬于纖維復(fù)合材料，因此其彈性模量可用函數(shù)描述為[11]：

(2)

式中，El為復(fù)合材料彈性模量，GPa；Ef為纖維彈性模量，GPa；Em為基體彈性模量，GPa；Vf為纖維的體積含量，%；ξ為纖維的增強(qiáng)系數(shù)，ξ越大表示纖維的增強(qiáng)作用越顯著。鋁纖維炸藥中的基體彈性模量即為基體炸藥RDX的彈性模量，纖維的彈性模量即為鋁纖維含量為100%的鋁纖維柱體彈性模量。由于公式中含有纖維的體積含量，而實(shí)驗(yàn)中的鋁纖維炸藥配方采用質(zhì)量配比，故需要通過鋁纖維的密度計算鋁纖維炸藥中鋁纖維的體積含量，得到鋁纖維炸藥彈性模量與鋁纖維體積含量關(guān)系，如圖5所示。其中，炸藥藥柱的彈性模量由非線性不是很明顯的一段應(yīng)力-應(yīng)變曲線進(jìn)行確定，或者根據(jù)最大載荷的5%～20%載荷范圍對應(yīng)的曲線段進(jìn)行確定[6]。

a. aluminum fiber 10%b. aluminum fiber 20%c. aluminum fiber 30%d. aluminum fiber 40%

圖4不同鋁纖維含量的鋁纖維炸藥的應(yīng)力-應(yīng)變曲線擬合結(jié)果

Fig.4Fitting results of stress-strain curves for aluminum fiber explosives with different content of aluminum fiber

圖5鋁纖維炸藥的彈性模量與Vf的關(guān)系曲線

Fig.5The relation curve ofEl-Vffor aluminum fiber explosives

由圖5可得，隨著鋁纖維含量增加，鋁纖維炸藥藥柱的彈性模量從0.25 GPa增加到1.25 GPa。實(shí)驗(yàn)中得到不同鋁纖維含量的鋁纖維炸藥彈性模量重復(fù)性較好，說明鋁纖維炸藥中的鋁纖維與基體炸藥RDX混合地比較均勻。通過不同含量鋁纖維炸藥的彈性模量擬合計算得到鋁纖維增強(qiáng)系數(shù)ξ=8.19，并且擬合效果較好，說明鋁纖維能顯著增強(qiáng)鋁纖維炸藥的力學(xué)性能。另外將ξ=8.19代入公式(2)可得到不同含量的鋁纖維炸藥彈性模量計算公式，因此可根據(jù)基體炸藥(RDX)的彈性模量方便計算得到不同含量的鋁纖維炸藥彈性模量。

3.4 抗壓強(qiáng)度分析

對不同鋁纖維含量的鋁纖維炸藥工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線進(jìn)行分析計算,得到單軸抗壓強(qiáng)度與鋁纖維體積含量的關(guān)系,如圖6所示。

由圖6可得，實(shí)驗(yàn)得到不同鋁纖維含量的鋁纖維炸藥抗壓強(qiáng)度重復(fù)性較好。當(dāng)Vf<38.18%，鋁纖維炸藥的單軸抗壓強(qiáng)度隨著鋁纖維含量增加而線性增加，即鋁纖維能顯著提高鋁纖維炸藥的單軸抗壓強(qiáng)度。鋁纖維炸藥的抗壓強(qiáng)度與鋁纖維體積含量的關(guān)系表達(dá)式為：

σm=6.903+50.79Vf

(3)

其中，σm為鋁纖維炸藥試樣的單軸抗壓強(qiáng)度，MPa。根據(jù)公式(3)可以計算體積含量小于38.18%下特定鋁纖維含量的鋁纖維炸藥單軸抗壓強(qiáng)度。

圖6鋁纖維炸藥的單軸抗壓強(qiáng)度與Vf關(guān)系

Fig.6The ultimate stress-Vfcurve for aluminum fiber explosives

4 結(jié) 論

對不同鋁纖維含量的鋁纖維炸藥進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)，探討鋁纖維含量對無殼藥柱壓縮力學(xué)性能的影響，得到如下主要結(jié)論。

(1) 鋁纖維炸藥的彈性模量、單軸抗壓強(qiáng)度以及殘余強(qiáng)度隨著鋁纖維含量增加而增大，通過對不同含量的鋁纖維炸藥彈性模量以及單軸抗壓強(qiáng)度進(jìn)行擬合計算，得到彈性模量以及單軸抗壓強(qiáng)度與鋁纖維體積含量的關(guān)系表達(dá)式。

(2) 當(dāng)鋁纖維含量為0%～30%時，鋁纖維炸藥的臨界應(yīng)變隨著鋁纖維含量的增加而增大，當(dāng)鋁纖維含量高于30%時，鋁纖維炸藥的臨界應(yīng)變不隨著鋁纖維含量變化。

(3) 通過對不同鋁纖維含量的鋁纖維炸藥彈性模量進(jìn)行擬合計算，得到鋁纖維增強(qiáng)系數(shù)ξ=8.19，說明鋁纖維顯著增強(qiáng)鋁纖維炸藥的力學(xué)性能。

(4)采用正態(tài)分布函數(shù)對含量為10%～40%的鋁纖維炸藥在準(zhǔn)靜態(tài)下的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線進(jìn)行擬合，其擬合的校正決定系數(shù)為0.987～0.998，因此可用擬合得到的表達(dá)式描述低含量鋁纖維炸藥的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

(5) 體積含量小于38.18%下特定鋁纖維含量的鋁纖維炸藥單軸抗壓強(qiáng)度可用公式σm=6.903+50.79Vf計算。

(6) 鋁纖維炸藥(無殼藥柱)的力學(xué)性能在鋁纖維含量較低時主要取決于鋁纖維與基體炸藥之間的粘結(jié)力，在鋁纖維含量較高時主要取決于鋁纖維自身的抗拉強(qiáng)度。

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