復合載荷作用下TATB基PBX炸藥藥柱的損傷試驗研究

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

隨著現代高性能武器系統的飛速發展，對炸藥在各種條件下的安全性要求日益迫切。在實際使用中炸藥會受到各種載荷的作用，從而產生孔洞、裂紋等損傷，不僅影響炸藥的宏觀力學性能，同時還可能影響其爆轟及安全性能。

溫度載荷和機械載荷是影響炸藥性質的兩個重要因素，溫度載荷導致炸藥發生化學老化，改變了高聚物的宏觀分子結構，影響炸藥的損傷閾值和損傷演化速率；機械載荷導致炸藥發生力學損傷，改變了高聚物材料的細觀結構，從而加速化學反應速率［1］。目前國內外對炸藥損傷的研究主要以機械載荷或溫度載荷單因素作用為主［2－7］。然而，在加工、運輸、貯存及使用過程中炸藥受到的載荷往往是同時或相互的。因此，考慮溫度和機械載荷的復合作用對炸藥感度的影響更具有實際意義。

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

1 實 驗

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型材料試驗機，美國INSTRON 公司；CTS－36型全數字式超聲波檢測儀，汕頭超聲儀器研究所。

1．2 較輕微復合載荷試驗模擬

較輕微復合載荷作用主要模擬TATB 基PBX炸藥在貯存、運輸等過程中同時存在溫度載荷和應力作用的情況。試驗模擬在材料試驗機上進行，先用材料試驗機在藥柱兩端加載5MPa的應力，保持兩個壓頭間的距離不變，然后進行緩慢加熱，升溫速率約為2．5℃／min，升溫至70℃時恒溫10min，然后再以約5℃／min的降溫速率冷卻到室溫，循環5次。單次加載過程中TATB基PBX炸藥藥柱承受應力的變化見圖1。由圖1可見，TATB基PBX炸藥藥柱承受的應力隨溫度的升高逐漸增大，當溫度到達70℃時，應力最大值達到10．9MPa。

1 復合載荷作用下TATB基PBX炸藥藥柱的應力變化Fig．1 Stress history of TATB－based explosive under combined load

1．3 較強烈復合載荷試驗模擬

較強烈復合載荷作用主要模擬炸藥運輸、勤務處理等過程發生跌落并且遭遇高溫熱環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PBX炸藥藥柱進行撞擊，模擬炸藥意外跌落經受低速沖擊時損傷的產生。撞擊時藥柱放置在圖2 所示的約束裝置中，便于回收，并保證測試樣品的完整性。約束裝置由撞擊桿、鋼套筒和鋼底板組成，材料均為45號鋼，其中鋼套筒內徑為20．5mm，壁厚15mm，高40mm。

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

回收經撞擊損傷的藥柱并放置在熱爆炸爐中進行高溫載荷試驗，首先以5℃／min的升溫速率將藥柱加熱到180℃，并用熱電偶進行測溫，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型全數字式超聲波檢測儀進行測量，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超聲波的聲速和增益值。

1．5 沖擊波感度試驗

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

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

2 結果與討論

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，試驗的最高溫度僅為70℃，對炸藥組分的影響不大，藥柱內部可能未產生更多的微孔洞、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合作用，會導致藥柱中的微裂紋生長、擴展，進而出現局部裂紋，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象，也從一定程度上驗證了上述分析結果。由此可見，TATB 基PBX 藥柱在較輕微復合載荷條件下的損傷主要表現為局部產生裂紋。

由表1還可看出，在較強烈復合載荷作用下，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%。表明較強烈復合載荷作用后藥柱中可能形成了更多的孔洞、微裂紋等細觀損傷，這些損傷的存在使藥柱的密度減小，從而導致其超聲波聲速發生較大變化。同時，局部宏觀裂紋的出現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生顆粒破碎和晶體內部孔洞增加兩種突出現象。根據試驗加載條件，TATB基PBX炸藥藥柱首先經受落錘撞擊，較大的沖擊作用使炸藥顆粒發生破碎，晶體內部孔洞增加，從而導致藥柱中的微裂紋、微孔洞等缺陷增多。此外，在180℃高溫條件下，TATB晶體會發生不可逆增長［4］，同樣導致藥柱體積增大，密度減小；高溫作用還使黏結劑軟化流動，炸藥顆粒與基體材料更易發生脫粘，這也會進一步產生一些新的微孔洞和微裂紋。綜上所述，TATB基PBX炸藥藥柱在較強烈的復合載荷作用下，不僅局部有較大裂紋，同時其內部也出現較多的微孔洞、微裂紋等損傷。

2．2 不同損傷狀態下藥柱的沖擊波感度

不同損傷狀態下TATB基PBX炸藥藥柱發生50%爆轟時的隔板厚度見圖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。較強烈的復合載荷作用后，TATB 基PBX 藥柱50%爆轟的隔板厚度為12．5mm，比初始狀態增加約30．21%，表明經較強烈復合載荷作用后，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，可能是因為增益值的變化主要反映了藥柱局部的宏觀性能變化情況，如某些局部較大的裂紋等，根據沖擊起爆的熱點機制，在沖擊波作用下被點火的熱點數量更多地取決于藥柱內部的微孔洞、微裂紋等損傷。根據上述測試結果，在較強烈復合載荷作用下，藥柱中形成了更多的孔洞、裂紋等細微損傷，因此，TATB 基PBX炸藥藥柱的沖擊波感度有較大增加。在較輕微復合載荷作用下，炸藥的損傷主要表現為局部產生較大裂紋，其對沖擊作用下熱點的貢獻有限，因此，沖擊波感度僅略有增加。

3 結 論

（1）在較輕微復合載荷作用下，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%。藥柱損傷主要表現為局部裂紋，未出現更多孔洞、裂紋等微損傷，因此對其沖擊波感度影響不大，50%爆轟隔板厚度僅略有增加。

（2）在較強烈復合載荷作用下，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，較初始狀態約增加30．21%。

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