HMX 基PBX 的溫度環(huán)境適應(yīng)性

韋興文，周筱雨，涂小珍，王 培

（中國工程物理研究院化工材料研究所，四川 綿陽621900）

引 言

PBX 在貯存、運(yùn)輸和使用時(shí)會(huì)經(jīng)歷各種各樣的溫度環(huán)境。短時(shí)間的高溫作用會(huì)加劇界面分子的運(yùn)動(dòng)，使剪切強(qiáng)度降低，但是，如果長期暴露于較高的溫度下，則會(huì)導(dǎo)致一些反應(yīng)的發(fā)生，引起界面的物理和化學(xué)方面的變化，產(chǎn)生熱老化［1-5］。因此，炸藥件在貯存的過程中，將會(huì)發(fā)生界面“損傷”，導(dǎo)致材料的微觀界面結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，產(chǎn)生微小缺陷。隨著外界載荷的變化，缺陷會(huì)演化發(fā)展，并進(jìn)一步匯集、擴(kuò)展，最終可能導(dǎo)致材料的宏觀破壞。另一方面，由于炸藥件是粉末壓制脆性材料，溫度突變引起的熱應(yīng)力可能會(huì)使炸藥件產(chǎn)生熱激損傷、微裂紋、開裂或塌陷，這將直接影響到武器的安全性能和使用性能［6-10］。田勇等［11-12］用淬水法和超聲波特性參量檢測技術(shù)對(duì)HMX 基PBX 試樣的熱沖擊損傷破壞進(jìn)行了試驗(yàn)研究，獲得了熱沖擊溫度差與試樣損傷破壞率、超聲波聲速、增益之間正相關(guān)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

本實(shí)驗(yàn)從炸藥裝藥的實(shí)際使用環(huán)境條件出發(fā)，對(duì)壓制成型的HMX 基PBX 進(jìn)行溫度循環(huán)試驗(yàn)和溫度沖擊試驗(yàn)，考察不同溫度載荷作用對(duì)其損傷及力學(xué)性能的影響，綜合評(píng)估HMX 基PBX 的溫度適應(yīng)能力，為其工程應(yīng)用提供依據(jù)。

1 實(shí) 驗(yàn)

炸藥為HMX 基PBX，黏結(jié)劑為三元乙丙共聚物。樣品尺寸分別為Φ20mm×20mm 藥柱和Φ15mm×65mm 長啞鈴，粉末壓制成型，密度約為1.850g／cm3。

溫度循環(huán)試驗(yàn)使用ESL-04AGP 調(diào)溫調(diào)濕箱，在-40～+75℃開展熱循環(huán)試驗(yàn)，升降溫速率為12℃／h，并在-40℃和75℃恒溫2h使樣品溫度均勻穩(wěn)定，試驗(yàn)周期數(shù)分別為5個(gè)周期和10個(gè)周期。在-55～+75℃高溫試驗(yàn)箱和低溫試驗(yàn)箱進(jìn)行熱沖擊損傷試驗(yàn)，并在-55℃和75℃恒溫2h使樣品溫度均勻穩(wěn)定，高低溫轉(zhuǎn)換時(shí)間小于5min，試驗(yàn)周期數(shù)分別為1個(gè)周期、3個(gè)周期和5個(gè)周期。

利用CTS-36型數(shù)字化超聲波探傷儀檢測啞鈴狀和柱狀樣品的熱損傷。使用單換能器縱波脈沖反射法，探頭頻率2.5MHz，晶片尺寸Φ10mm ，儀器增益值的上限為84dB，耦合劑為水，耦合面為試樣端面。檢測的超聲波參量包括聲速和增益值。

采用英國INSTRON 公司5582型電子萬能實(shí)驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸性能和壓縮性能的測試，參照GJB772A-97方法418.1和413.1標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。橫梁速度為0.5mm／min，測試溫度為（20±2）℃。采用中科科儀公司KYKY-2800B 掃描電子顯微鏡對(duì)熱疲勞前后HMX 基PBX 拉伸斷口形貌進(jìn)行觀察和分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 HMX 基PBX 溫度循環(huán)損傷對(duì)力學(xué)性能的影響

溫度循環(huán)試驗(yàn)前后HMX 基PBX 的密度及超聲波參數(shù)值見表1。

由表1可見，經(jīng)熱循環(huán)試驗(yàn)后，HMX 基PBX柱狀和啞鈴狀的密度均有所下降，這主要是由于溫度循環(huán)導(dǎo)致藥柱發(fā)生不可逆長大所致。由于PBX中黏結(jié)劑的含量很低，而且黏結(jié)劑與HMX 顆粒的熱膨脹系數(shù)有很大不同。在交變熱應(yīng)力作用下，會(huì)發(fā)生黏結(jié)劑從炸藥表面“脫粘”，導(dǎo)致炸藥產(chǎn)生塑性形變即“不可逆長大”，可以通過尺寸和密度兩個(gè)物理量進(jìn)行觀測。超聲波參數(shù)值均具有相同的變化規(guī)律：聲速值隨溫度循環(huán)周期數(shù)的增加而減小，但增益值隨周期數(shù)的變化不明顯。從超聲波檢測理論定性分析，材料的增益值側(cè)重于關(guān)聯(lián)材料局部的宏觀性能，如缺陷的存在等；聲速與材料的密度密切相關(guān)，其側(cè)重于關(guān)聯(lián)材料整體的微細(xì)觀性能，如損傷等。這表明，溫度循環(huán)試驗(yàn)將使HMX 基PBX產(chǎn)生熱疲勞損傷，損傷程度隨周期數(shù)增加而增大。用式（1）可以計(jì)算PBX 的損傷量［13］。

式中：Dρ為PBX 的損傷量；ρo為初始PBX 的密度，g／cm3；ρ1為 受 損PBX 的 密 度，g／cm3。計(jì) 算 得 到PBX 熱疲勞損傷量如表1所示。

表1結(jié)果表明，柱狀和啞鈴狀不同尺寸規(guī)格的PBX 樣品，熱疲勞損傷量很接近，也就是說用式（1）表征熱損傷度是合理的。隨著溫度循環(huán)周期數(shù)的增加，PBX 熱疲勞損傷度增大，但增長幅度隨周期數(shù)增大有所減小，這與熱應(yīng)力作用導(dǎo)致PBX 產(chǎn)生塑性形變的特性有關(guān)，一定的溫度范圍和溫變速率下熱應(yīng)力是有限的一個(gè)量值，產(chǎn)生的最大形變量（彈性應(yīng)變和塑性應(yīng)變）也是一個(gè)有限量值。

溫度循環(huán)試驗(yàn)前后HMX 基PBX 力學(xué)性能的測試結(jié)果見表2。

表1 溫度循環(huán)試驗(yàn)前后HMX 基PBX 的密度及超聲波參數(shù)值Table 1 Densities and ultrasonic character of HMX based PBX before and after thermal cycling

表2 溫度循環(huán)試驗(yàn)前后HMX 基PBX 的力學(xué)性能Table 2 Mechanical properties of HMX based PBX before and after thermal cycling

由表2可見，隨著循環(huán)周期數(shù)的增加，HMX 基PBX的壓縮強(qiáng)度和壓縮模量均有所減小，但拉伸強(qiáng)度和拉伸模量的變化趨勢不明顯。這表明，熱疲勞損傷導(dǎo)致HMX 基PBX 的壓縮性能下降，而對(duì)拉伸性能無顯著影響。

PBX是一種黏彈性材料，在壓縮載荷作用下炸藥晶體將起主要作用，而在拉伸載荷作用下，黏結(jié)劑與炸藥的界面將起決定作用［14］。用KYKY-2800B掃描電子顯微鏡對(duì)HMX 基PBX 拉伸斷口形貌進(jìn)行觀察，結(jié)果如圖1所示。

圖1 HMX 基PBX 拉 伸 斷 口SEM 照 片F(xiàn)ig.1 SEM photographs of fractured surface of HMX based PBX

由圖1可見，熱疲勞試驗(yàn)前后HMX 基PBX 拉伸斷裂斷口形貌差別不大，拉伸應(yīng)力作用下斷裂的主要模式為炸藥晶體顆粒和黏結(jié)劑界面的脫粘，其主要特征有兩個(gè)：一是炸藥顆粒脫落后留下的黏結(jié)劑；二是斷面上的炸藥晶體還比較完整。經(jīng)過溫度循環(huán)試驗(yàn)后，HMX 炸藥晶體與黏結(jié)劑仍保持極強(qiáng)的黏合作用。

2.2 HMX 基PBX 熱沖擊損傷對(duì)力學(xué)性能的影響

熱沖擊試驗(yàn)前后HMX 基PBX 的密度和超聲波參數(shù)值見表3。

由表3可見，經(jīng)熱沖擊試驗(yàn)后，HMX 基PBX柱狀和啞鈴狀樣品的密度均沒有出現(xiàn)明顯下降，但超聲檢測得到的聲速值隨沖擊次數(shù)增加而下降，增益值變化無明顯規(guī)律。表明熱沖擊沒有引起試樣的“不可逆長大”，但也導(dǎo)致試樣內(nèi)部微損傷，其微損傷量可用式（2）進(jìn)行計(jì)算［15］。

式 中：Dc為PBX 的 損 傷 量；c0為 初 始PBX 的 超 聲波速度，m／s；c1為受損PBX 的超聲波速度，m／s。計(jì)算得到PBX 熱沖擊損傷量如表3所示。

表3結(jié)果表明，柱狀和啞鈴狀樣品的熱沖擊損傷量隨著熱沖擊周期數(shù)的增加而增大，藥柱經(jīng)一輪溫度沖擊后即出現(xiàn)了較大的損傷量，而啞鈴狀樣品的損傷量相對(duì)較小。因此，熱沖擊損傷量與樣品的形狀尺寸密切相關(guān)，相同的溫度沖擊條件下，尺寸較大的樣品內(nèi)部產(chǎn)生的熱應(yīng)力更大，相應(yīng)的損傷也更大。

表3 熱沖擊試驗(yàn)前后HMX 基PBX 的密度和超聲波參數(shù)值Table 3 Densities and ultrasonic character of HMX based PBX before and after thermal shock

熱沖擊試驗(yàn)前后HMX 基PBX 藥柱的力學(xué)性能測試結(jié)果見表4。

表4 熱沖擊試驗(yàn)前后HMX 基PBX 的力學(xué)性能Table 4 Mechanical properties of HMX based PBX before and after thermal shock

由表4可見，隨著熱沖擊周期數(shù)的增加，HMX基PBX 的壓縮強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度出現(xiàn)明顯的下降，但拉伸強(qiáng)度下降幅度不大。對(duì)比分析試驗(yàn)結(jié)果表明，熱沖擊損傷和溫度循環(huán)損傷對(duì)力學(xué)性能影響具有相似的規(guī)律，即熱損傷導(dǎo)致HMX 基PBX 壓縮力學(xué)性能下降，而對(duì)炸藥的拉伸性能影響不明顯。

3 結(jié) 論

（1）溫度循環(huán)試驗(yàn)和溫度沖擊試驗(yàn)均容易導(dǎo)致HMX 基PBX 產(chǎn)生熱損傷，隨溫度循環(huán)和熱沖擊次數(shù)的增加而加劇。

（2）HMX 基PBX 的熱疲勞損傷機(jī)理為塑性形變導(dǎo)致尺寸“不可逆長大”和密度下降。熱損傷導(dǎo)致HMX 基PBX 壓縮力學(xué)性能下降，對(duì)炸藥的拉伸性能影響不明顯。

（3）熱損傷后炸藥晶體與黏結(jié)劑仍保持極強(qiáng)的黏合作用，HMX 基PBX 仍然具有較高的抗拉強(qiáng)度。

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