基于霍普金森壓桿的RDX基含鋁炸藥裝藥雙脈沖加載實驗

李亮亮，屈可朋，沈　飛，肖　瑋，王　輝

(西安近代化學研究所， 陜西 西安 710065)

引　言

隨著各國對地面建筑物及地下防御工事的加強，對其破壞的難度越來越大，這對戰斗部的侵徹能力提出了更高的要求，其侵徹速度越來越高，炸藥裝藥在慣性作用下受到強烈的壓縮載荷作用，可能會破壞炸藥裝藥的結構完整性甚至出現早炸，尤其是侵徹多層目標時，目標對戰斗部彈體及裝藥進行多次壓縮-拉伸作用，可能導致炸藥裝藥出現動態損傷，如裂紋等。隨著動態損傷的發展，炸藥裝藥結構完整性可能破壞，最終導致戰斗部解體。因此戰斗部裝藥在多脈沖加載條件下的動態力學性能研究尤為重要。

霍普金森壓桿(Hopkinson)實驗技術[1-2]在材料動態力學性能(應變率范圍為102～104s-1)研究領域得到廣泛研究。Lindholm[3]最早利用發射波在入射桿撞擊端二次反射產生的第二次加載，研究了加載歷史對材料力學性能的影響；LUO等[4]用雙脈沖加載的Hopkinson桿實驗裝置研究裝甲陶瓷的抗沖擊性能； XIA[5]采用夾心彈結構研究了某PBX炸藥的動態加載-卸載-再加載下的力學性能。

壓裝RDX基含鋁炸藥具有工藝簡單、成本低、能量高等優點，在榴彈及戰斗部中得到廣泛應用，目前的研究多集中在安全性[6-8]、熱特性[9]、動態力學行為[10-11]及爆轟特性[12-13]等方面，雙脈沖加載條件下的性能研究還鮮有報道，因此迫切需要研究雙脈沖乃至多脈沖加載下的動態特性，為RDX基含鋁炸藥應用于侵徹戰斗部奠定基礎。

本研究基于分離式霍普金森壓桿裝置，采用夾心彈結構對某RDX基含鋁炸藥進行圍壓條件下的雙脈沖加載，研究炸藥在加載-卸載-再加載條件下的動態力學特性，同時結合電鏡掃描結果解釋炸藥裝藥的損傷模式，以期為其他炸藥的動態力學行為研究提供參考，為戰斗部裝藥的選擇提供技術支撐。

1　試　驗

1.1　試劑及儀器

RDX，Ⅱ類，甘肅銀光化學工業集團有限公司；鋁粉，平均粒徑13μm，中國鋁業股份有限公司西北鋁加工分公司。

Y63-A型油壓機，山東機械廠；分離式霍普金森壓桿，西安近代化學研究所，壓桿為LY12鋁材質，直徑為16mm； SDY2107A型超動態應變儀，北戴河實用電子技術研究所； DPO4104數字熒光示波器，Tektronix公司；Quanta 600FEG場發射掃描電鏡，美國FEI公司。

1.2　RDX基含鋁炸藥藥柱的制備

采用壓裝工藝制備RDX基含鋁炸藥藥柱，圓柱形，尺寸為Φ16mm×6mm，質量不大于2.5g，端面平整，無可見缺陷；密度為1.80g/cm3。

1.3　試驗方法及原理

分離式霍普金森壓桿實驗裝置如圖1所示。因試樣具有彈性及爆炸可能性，輸入桿第一次碰撞試樣后，試樣的彈性或爆炸后產物導致輸入桿回彈，與子彈碰撞后對試樣產生第二次加載，故在輸入桿及輸出桿上設置有防反沖裝置，防止輸入桿和輸出桿的回彈造成所謂的非真實“二次加載”，試樣夾在輸入桿與輸出桿之間。其中子彈部分采用夾心彈結構設計，如圖2所示。

高壓氣室釋放壓力，子彈以一定速度撞擊輸入桿時，輸入桿獲得彈性應力脈沖。入射波通過輸入桿傳給試樣，試樣被壓縮變形。由于壓桿與試樣阻抗的不同，交界面處會發生波的反射和透射。反射波返回輸入桿，透射波進入輸出桿，借助于輸入桿和輸出桿上粘貼的應變片、超動態應變儀和數據采集處理系統等，試樣的變形信息以電信號的方式被測量并記錄下來。

試樣上的應力、應變及應變率[14]通過公式(1)～(3)計算:

(1)

(2)

(3)

式中：ls為試樣初始長度；c0為桿中彈性波波速；E為實驗桿的彈性模量；As、A分別為試樣和實驗桿橫截面積；εr、εt分別為反射和透射應變。

雙脈沖加載實驗在分離式霍普金森壓桿實驗裝置上進行，采用夾心彈結構實現兩次脈沖加載，由于夾心彈中的空隙固定，因此隨著子彈速度的提高，兩次加載入射波的時間間隔會逐漸減小。實驗過程中，針對每種應變率可進行3次實驗，由于子彈的速度難以精確控制，因此，若3發試驗中試樣的應變率相對偏差在±2.5%以內，且數據處理結果吻合度較好，則取實際應變率最接近目標值的曲線作為最終實驗結果；若相對偏差超過±2.5%，則繼續增加試驗次數，直到有3發試驗滿足相對誤差的要求。

2　結果與討論

2.1　炸藥裝藥壓縮應力-應變曲線

由雙脈沖加載實驗獲得原始應力波形的典型曲線如圖3所示。

從圖3可以看出，入射波、反射波及透射波均有兩個波頭，說明內外彈結構可以實現雙脈沖加載。其中入射波的第一個波頭持續時間(Δt1)為170μs，第二個波頭持續時間(Δt2)為130μs，Δt1由子彈的外彈長度決定，而Δt2由內彈長度決定，因外彈長度大于內彈，故Δt1>Δt2。同時從圖3可以看出，反射波波頭基本持平，說明試樣中達到了常應變率加載。

SHPB實驗中，首要的問題是驗證均勻性假定是否成立，對于這一問題有很多判據[15-17]。目前被普遍接受的判據是試樣兩端面的應力差與試樣兩端的平均應力之比δt，按公式(4)進行計算：

(4)

式中：σ1(t)、σ2(t)分別為試樣左右端面的應力，MPa。

根據一維應力波理論，試樣左端的應力(σ1)為：

σ1=σi(t)+σr(t)

(5)

試樣右端的應力(σ2)為：

σ2=σt(t)

(6)

式中：σi為入射應力，MPa；σr為反射應力，MPa；σt為透射應力，MPa。

由入射桿及反射桿所獲得的入射應變率、反射應變率及透射應變率，代入公式(5)～(6)，分別計算得到σ1、σ2，最后代入公式(4)，得到δt，所獲得的δt曲線如圖4所示。

由圖4可見，試樣受載初期數據的振蕩幅度較大，隨著時間的推移，應力不均勻度很快趨于穩定并保持在一個較低水平上，且總體上看，其數值的絕對值不大于4%。Ravichandran[18]建議，當應力不均勻度小于5%時，即可認為試樣中的應力分布滿足了均勻化假定。因此，可認為此次實驗滿足上述均勻化假定，其數據可靠。

將所得數據經公式(1)～(3)處理，得到試樣的應力—應變曲線，如圖5所示。

由圖5可以看出，在同一發實驗中，第二次脈沖作用所產生的應力峰值均高于第一次脈沖。結合圖3對此分析，雖然兩次入射波的峰值基本相當，但第一次加載后，對試樣進行壓縮，試樣密度增加，波阻抗改變，使得第二次透射波較第一次透射波的應力有所增大；然而，第二次反射波較第一次反射波的應力卻有所下降，根據公式(1)可知，第二次加載的應力峰值比第一次加載時有所增大。

此外，隨著子彈撞擊速率的提高，不僅試樣的應變率及應力峰值均有所增大，且兩次脈沖作用產生的應力波所呈現的重疊區域也發生了較為顯著的變化，尤其是第二次脈沖加載的起跳點位置(即圖5中的A、B、C點)所對應的應變及應力數值均明顯增大。

2.2　細觀破壞模式分析

對雙脈沖載荷作用的試樣進行回收，觀測其SEM圖像結果如圖6所示。

從圖6可以看出，隨著應變率的增加，試樣的微觀形貌發生了較大變化。應變率較低時(第一次加載應變率為1000s-1)，RDX晶體出現微裂紋，同時可發現RDX晶體與黏結劑脫粘后留下的凹坑，其凹坑表面較為光滑，說明黏結劑與晶體的結合力不夠強，如圖6(a)所示；隨著應變率繼續增加，RDX晶體微裂紋擴展成裂縫，甚至在局部可見某些晶體發生較小范圍的破碎，同時在RDX大塊晶體附近出現少量細小的RDX晶體，如圖6(b)所示；應變率繼續提高，試樣內部的初始能量加大，RDX晶體破碎程度持續加大，破碎部位呈棱形，同時出現大量細小的RDX晶體，此類細小的晶體成為炸藥裝藥的“熱點”，因細小晶體間相互作用，炸藥感度將會提高，而高分子黏結劑出現斷裂，如圖6(c)所示，承受基體載荷的黏結劑及晶體均斷裂或破碎，說明裝藥結構強度被破壞。

3　結　論

(1)通過夾心彈結構實現了兩次加載，反射波波頭基本持平，說明實驗屬于常應變率加載，應力均勻性假定亦成立，說明實驗數據可靠。

(2)隨著兩次應變率的增加，裝藥的破壞模式發生變化，從最初的晶體出現裂紋及脫粘，發展成晶體裂縫及破碎，甚至出現大量細小晶體，此類無“包覆”的晶體在載荷作用時相互作用，成為“熱點”，而黏結劑出現斷裂。

(3)雙脈沖加載下，應變率超過某一數值后，裝藥結構將被破壞。因此，急需深入研究雙脈沖及多脈沖加載條件下炸藥裝藥的動態力學行為及損傷模式，找出解決途徑，篩選出性能更好的裝藥。

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