成型溫度對PBX 裝藥內部質量及性能的影響?

周忠彬 高金霞 袁寶慧

西安近代化學研究所(陜西西安，710065)

引言

隨著軍事技術的不斷發(fā)展，涌現(xiàn)了大量現(xiàn)代高性能武器。戰(zhàn)斗部是各類彈藥實現(xiàn)毀傷效能的重要作戰(zhàn)單元，而影響毀傷效能的重要因素之一就是裝藥質量[1-2]。在彈藥生產過程中，裝藥工藝及參數(shù)直接關系著裝藥質量[3]。工藝參數(shù)設置不合理，將會導致成型炸藥產生裂紋、縮孔、氣泡及裝藥密度不均勻等缺陷，這會嚴重影響彈藥的毀傷性能、發(fā)射安全性及侵徹安定性等[4-5]。

壓裝法具有生產周期短、適用炸藥廣、藥柱爆轟感度相對較高等優(yōu)勢，是一種相對應用廣泛且不可缺少的裝藥方式[6]。在炸藥壓制成型過程中，影響藥柱成型質量的工藝因素很多，如加載在沖頭上的壓力、保壓時間、循環(huán)次數(shù)、藥粉溫度、藥粉裝填質量和松弛程度等[7]。壓力和保壓時間對藥柱成型質量的影響最先得到關注。其中，壓力過大或過小都可能使成型藥柱的內部結構發(fā)生變化，產生密度不均勻的問題。壓力達到規(guī)定值時需要進行保壓。若保壓時間較長，則藥柱密度會隨加載時間的延長而提高；但過長時間的保壓會引起藥柱的蠕變，導致藥柱的物理穩(wěn)定性變差[8-9]。選擇合適的保壓時間是提高成型藥柱質量的關鍵。藥粉溫度變化是影響成型藥柱質量的又一重要因素，常使用的室溫壓制工藝簡單，藥粉不需加熱，但CT 檢測發(fā)現(xiàn)，成型藥柱內部存在裂紋，偶爾伴隨有低密度區(qū)現(xiàn)象，嚴重制約了藥柱的使用范圍。

本文中，以某高聚物黏結炸藥(polymer-bonded explosives，簡稱PBX)為對象，對造型粉在室溫壓制和加熱壓制兩種工藝條件下的成型質量、靜態(tài)力學性能的差異進行了對比研究，分析壓制時溫度差異對成型炸藥裝藥性能的影響。

1 實驗部分

1.1 材料及成型工藝

PBX 炸藥的壓制成型壓力為200 MPa。壓制前，將一定質量的藥粉倒入專用的成型模具中；在室溫或加熱條件下均采用人機隔離的措施壓制藥柱，且壓制過程中嚴格監(jiān)測壓機的壓力數(shù)值變化，確保人員和設備安全。

為方便研究，防止事故發(fā)生，選擇PBX 炸藥的模擬材料為研究對象。該PBX 模擬材料主要由硝酸鋇顆粒和氟橡膠黏結劑等組成，壓制成型壓力為200 MPa，加熱溫度為100 ℃，通過電加熱模具外層的石蠟傳熱實現(xiàn)加熱。溫度由置于石蠟中的溫度傳感器控制。加熱壓制和室溫壓制時，壓力達到規(guī)定值時均保壓5 min，然后升、卸壓循環(huán)3 次，最后保壓30 min[10]。加熱壓制完成后，采用自然冷卻降溫，室溫下退模，得到試樣。

1.2 實驗方法

選擇巴西實驗測試成型藥柱的靜態(tài)拉伸力學性能[11]。巴西實驗的試樣為圓盤狀，尺寸為直徑20 mm、厚度20 mm，采用準靜態(tài)徑向加載。原理如圖1 所示，在圓盤試樣的側表面施加沿試樣長度均勻分布的兩個對等徑向集中載荷，則在試樣內垂直于加載面方向上產生拉應力，當超過材料的抗拉強度時，試樣劈裂破壞。根據(jù)二維彈性理論，各向同性材料中心點的拉伸強度σt為:

式中:pt為圓盤試樣劈裂時的壓縮載荷；D為試樣直徑；B為試樣厚度。

2 結果與討論

2.1 壓制溫度對PBX 內部質量的影響

準備室溫壓制和加熱壓制成型的PBX 圓盤試樣。巴西實驗前，采用工業(yè)CT 無損檢測技術對圓盤1/2 高度的橫截面進行檢測，結果分別如圖2 所示。對比CT 檢測結果看到，室溫壓制成型的PBX內部存在較明顯的密度分布不均勻現(xiàn)象，約2/3 半徑的中心區(qū)域密度較均勻，且與之相比較，外側約1/3 半徑的圓環(huán)區(qū)域密度略高，并有初始空隙損傷存在(白色亮點)。加熱壓制成型的PBX 內部質量良好，且密度基本一致，無初始損傷。

2.2 壓制溫度對PBX 靜態(tài)力學性能的影響

對室溫壓制和加熱壓制的圓盤試樣進行準靜態(tài)巴西實驗，位移加載速率為0.1 mm/min，材料實驗機記錄得到載荷隨加載位移(或加載時間)的變化曲線。

圖3(a)是室溫壓制成型試樣的載荷-位移變化關系。結果表明，載荷隨加載位移的增加幾乎呈線性增大。當載荷達到最大時，圓盤發(fā)生破壞；隨后，載荷降低，并伴隨著裂紋的不斷擴展；當載荷降低至最小局部載荷pmin時，分析認為，此時裂紋已貫通圓盤，由于PBX 炸藥的脆性相對較小，劈裂的圓盤仍可以繼續(xù)承載，因此，經(jīng)過pmin后載荷出現(xiàn)緩慢爬升，達到第二次載荷峰值，但此載荷遠小于第一次載荷峰值；最后，圓盤試樣破碎，載荷降低。

圖3(b)給出了加熱壓制成型試樣的載荷-位移曲線?？梢钥吹?在達到最大載荷之前，載荷隨位移的增加也是線性增大的；達到載荷峰值時，圓盤發(fā)生破壞，載荷迅速降低。實驗中也記錄到類似于室溫壓制成型試樣的載荷-位移變化規(guī)律曲線。在圓盤試樣破壞后，載荷迅速降低至局部最小載荷pmin，此時圓盤已劈開成兩半圓盤，經(jīng)歷二次承載過程，最后破碎。對比分析圖3(a)、圖3(b)看到，室溫壓制成型和加熱壓制成型PBX 的載荷-位移曲線有明顯差別，特別是載荷峰值過后，載荷隨位移變化的曲線差別很大，這說明受壓制溫度的影響，PBX 表現(xiàn)出明顯不同的靜態(tài)力學響應。

巴西實驗可準確地測得PBX圓盤試樣中心承受的拉伸載荷，結合數(shù)字圖像相關方法可測得與載荷對應狀態(tài)的圓盤全場應變[12]，從而可得到PBX圓盤中心的拉伸應力-應變關系。圖4是室溫和加熱兩種成型溫度下PBX的拉伸應力-應變曲線。結果表明:室溫壓制成型PBX的破壞拉伸應力較低，為0.9 MPa，破壞應變較大，為3.0%，拉伸模量為0.36 GPa；加熱壓制成型PBX 的破壞拉伸應力較大，為5.3 MPa，拉伸模量較高，為5.00 GPa，但破壞應變相對較小，為0.6%。對比室溫和加熱兩種溫度壓制成型試樣的破壞應變可知，加熱壓制成型PBX 表現(xiàn)出明顯的脆性特征。

2.3 壓制溫度影響PBX 性能的機理分析

對炸藥成型件的基本性能要求是它的密度，密度越高，成型件的尺寸越穩(wěn)定，特別是退模后在較長存放時間內不會發(fā)生體積膨脹等變化，這對炸藥成型件的力學性能有重要意義。

所用的PBX 模擬材料的理論成型密度為1.901 g/cm3，利用排水法測試了室溫壓制成型和加熱壓制成型PBX 的密度，分別為1.741 g/cm3和1.829 g/cm3，分別占理論密度的91.58%和96.21%，即室溫下壓制成型PBX 的空隙率較大。密度測試結果表明，加熱壓制成型PBX 的力學性能明顯優(yōu)于室溫壓制成型PBX 的性能，2.2 中測得的拉伸應力-應變結果驗證了這一結論。

分析壓制成型溫度的差異對PBX 力學性能的影響機理。室溫壓制成型過程中，PBX 造型粉顆粒的壓制過程經(jīng)歷3 個階段:第一階段是造型粉顆粒的重排，顆粒流動實現(xiàn)小顆粒填充大顆粒間的空隙，顆粒之間也產生相互擠壓和摩擦等作用，但相互作用較弱；隨著顆粒間隙的減少，顆粒間的作用力變大，壓制進入第二階段，即顆粒的破碎階段，顆粒間的空隙進一步由破碎的顆粒填充；在顆粒破碎達到一定程度，完成顆粒間填隙后，壓制進入第三階段，即壓實階段，造型粉顆粒被壓制成整體。在室溫條件高壓成型過程中，包裹在晶體顆粒表面上的黏結劑沒有發(fā)生軟化，一方面會使得顆粒間的空隙很難被黏結劑填充，形成高空隙率；另一方面，顆粒間的黏結性能較弱，導致室溫下成型PBX 的整體強度低，且比較軟。

加熱壓制成型過程中，PBX 造型粉顆粒也經(jīng)歷顆粒重排、顆粒破碎、壓實的過程，但重要的是，高溫下黏結劑會發(fā)生軟化，且在上百兆帕壓力下黏結劑有較好的流動性。一方面，這會使得晶體顆粒表面包覆的黏結劑能夠完全包裹晶體不規(guī)則的表面，提高了包覆率；另一方面，流動的黏結劑可以填充造型粉顆粒之間的空隙，降低空隙率。更重要的是，從分子角度看，在高溫下黏結劑很有可能被活化，使得這類高分子化合物的分子鏈變得活躍，表現(xiàn)出更好的伸長特性，分子鏈之間相互搭接或纏繞，形成整體的分子鏈網(wǎng)絡，更好地增強了PBX 顆粒之間以及顆粒和黏結劑界面上的黏合性能，使得PBX 整體力學性能得到提高，但也增大了PBX 的脆性。

2.4 不同成型溫度條件下PBX 的破壞模式

圖5(a)是室溫壓制成型的PBX 巴西實驗后的斷面形貌，可看到，試樣斷面凹凸不平，不僅存在光滑的顆粒表面，而且還有顆粒拔出后留下的凹坑，顆粒-黏結劑的界面脫黏是拉應力作用下室溫壓制成型PBX 的主要破壞形式。由于室溫條件下黏結劑不發(fā)生軟化，顆粒間不可避免地存在空隙，如圖5(a)中箭頭所示。圖5(b)是加熱壓制成型PBX 巴西實驗后的斷面形貌，可觀察到，斷面很平整，顆粒周圍被黏結劑完好地包裹，拉伸應力作用下加熱壓制成型PBX 主要發(fā)生顆粒穿晶斷裂。對比分析拉伸應力作用下室溫和加熱兩種溫度壓制成型PBX的斷面形貌可知，成型溫度對PBX 的細觀破壞有重要影響，這也支持了2.3 中成型溫度對PBX 的性能影響機理分析。

3 結論

1)對比研究了室溫和加熱兩種溫度條件下壓制成型的PBX 炸藥裝藥的內部質量、靜態(tài)力學性能和細觀破壞形式。結果表明，加熱壓制成型工藝有利于改善裝藥的內部質量，可避免初始損傷，提高了密度均勻性，降低了空隙率。

2)加熱壓制成型裝藥的力學性能得到了改善，提高了抗拉強度，一定程度上增強了裝藥的承受過載能力。

3)室溫壓制成型裝藥的破壞形式主要是界面脫黏；而加熱壓制成型裝藥的主要破壞形式是穿晶斷裂。