2，4-二硝基苯甲醚基不敏感熔注炸藥動態力學性能

李東偉，苗飛超，張向榮，熊國松，周霖，趙雙雙

(1.重慶紅宇精密工業集團有限公司，重慶 402760；2.北京理工大學 機電學院，北京 100081)

0 引言

炸藥裝藥是戰斗部的關鍵組成部分，其在戰斗部運輸、發射及與目標作用過程中都將經受復雜的力學刺激，如壓縮、剪切、摩擦等[1-2]。在這些力學刺激作用下，炸藥內部缺陷處可能形成熱點導致炸藥意外爆炸[3-4]。因此，合理地描述炸藥在外界刺激下的動態力學響應對認識炸藥起爆機理，進而正確評估武器裝藥的安全性能具有重要意義。眾多學者對高聚物粘結炸藥(PBX)類炸藥的力學性能進行了大量研究[5-11]。梯恩梯(TNT)基熔注炸藥作為廣泛應用的炸藥類型[12]，其力學性能也受到國內外研究者的一些關注。Weigand等[13]、Pinto等[14]、Weigand等[15]、韓小平等[16]對TNT和B炸藥在動態條件下的力學參數進行了測試。熔注類炸藥與PBX類炸藥相比，具有強度低、脆性大的特點，實驗難度大，導致熔注炸藥動態力學性能研究進展緩慢。

2，4-二硝基苯甲醚(DNAN)，無色或黃色針狀或單斜晶體，熔點94～96 ℃，密度1.544 g/cm3[17].DNAN的感度和黏度均顯著低于TNT，而且DNAN不存在異構物，純度達99.8%以上。DNAN基熔注炸藥不僅提高了戰斗部的長期貯存性能和裝藥工藝性，而且其具有良好的安定性，提高了戰斗部勤務處理過程安全性以及戰場生存能力[18]。DNAN作為一種新型不敏感載體，以其為載體的混合熔注炸藥受到國內外的高度關注[19-21]。

為揭示DNAN基不敏感熔注炸藥的動態力學性能，推進其在戰斗部中的應用，本文采用分離式霍普金森壓桿(SHPB)對DNAN基不敏感熔注炸藥進行動態力學性能測試，并通過對實驗數據擬合標定該炸藥Johnson-Cook(J-C)本構模型參數，為裝填新型DNAN基熔注炸藥的戰斗部安全性研究提供基礎。

1 實驗條件及方法

1.1 被試樣品

本文研究的DNAN基不敏感熔注炸藥(體積分數：DNAN為25%，黑索今(RDX)為36%，Al為31%，助劑為8%)，被試樣品密度為1.80 g/cm3，尺寸為φ10 mm×5 mm.DNAN基不敏感熔注炸藥樣品實物照片如圖1所示。

圖1 炸藥樣品實物照片

1.2 實驗設計

本文研究的DNAN基熔注炸藥是一種低阻抗材料，采用SHPB對其進行動態加載力學實驗的難點在于阻抗匹配、應力平衡及常應變率加載[22]。傳統SHPB多采用鋼材制造，阻抗較高，而炸藥材料阻抗低，透射應變信號的幅值極小，容易被噪聲信號淹沒，嚴重影響著實驗的測量精度。在準靜態條件下，炸藥初始溫度在-10～50 ℃范圍時，炸藥的失效應變小于1%，壓縮強度在101MPa～102MPa量級[23]，在試件兩端未達到應力平衡前，試件就已經破壞，采集不到有效信號。

對于波阻抗匹配問題，一般的解決方法為采用黏彈性桿[24-25]、空心桿[26]、鋁桿等改善壓桿與試樣的波阻抗匹配度。但是，由于黏彈性桿存在色散、空心桿加工裝配難度較高，本文采用LC4超硬鋁作為壓桿材料以解決阻抗匹配問題。LC4超硬鋁桿材料密度為2.78 g/cm3，楊氏模量為71 GPa.桿組直徑為14.5 mm，子彈長度為100 mm，入射桿長與透射桿均為1 060 mm，阻尼桿長度為600 mm.

為提高SHPB桿組中應變信號的信噪比，入射桿和透射桿均采用SB5-120-P-2Y15型半導體應變片。信號適配器采用北京理工大學研制的BH-1型超動態應變儀。

對于應力平衡和常應變率問題，一般的解決方法為在子彈和入射桿之間粘貼紫銅整形器[27]，以延長應力上升時間。本文用T2純銅(紫銅)材料制作整形器。實驗時，用真空硅脂將整形器粘貼于入射桿撞擊端中心位置。為了盡可能消除入射桿和透射桿端面與炸藥樣品之間的摩擦影響，在界面上涂覆涂一層薄凡士林潤滑劑降低摩擦力。

SHPB動態力學實驗在重慶紅宇精密工業集團有限公司動態加載實驗室完成。實驗中，為防止被試炸藥樣品意外爆炸對實驗人員及儀器造成傷害，加裝鋼質防護盒，實驗裝置現場實物照片如圖2所示。

圖2 SHPB裝置實物照片

2 結果及討論

2.1 炸藥應力- 應變曲線

本文對密度1.80 g/cm3，尺寸φ10 mm×5 mm的DNAN基熔注炸藥試樣進行動態力學性能測試，子彈加載速度分別為1.97 m/s、2.21 m/s和2.83 m/s.實驗前后樣品尺寸對比如表1所示。在加載速度2.83 m/s條件下，實驗回收炸藥樣品如圖3所示。

表1 SHPB實驗前后炸藥樣品尺寸變化

圖3 SHPB實驗回收炸藥樣品照片(編號1)

從表1中可以看到炸藥試樣實驗前后直徑和厚度變化較小，同時，從回收樣品照片(見圖3)可以看到試樣均已失效，表明該炸藥具有脆性材料的特征。

圖4給出了本文典型的SHPB實驗信號。由圖4可以看到：添加波形整形器后入射波呈三角形，波形整形器有效地增加了入射波上升沿時間，有利于試樣達到應力平衡；反射波出現一個平臺，表明試樣達到了常應變率狀態。

圖4 添加整形器后測試波形信號

圖5給出了炸藥試樣左右兩端應力σl、σr與時間曲線及應變率時間曲線。從圖5中可以看到，添加整形器后試件兩端的應力基本平衡，且在20 μs到100 μs的時間段內試樣達到常應變率，滿足了SHPB應力平衡和常應變率的條件。

圖5 試件兩端應力對比

常應變率的獲得是熔注炸藥動態力學實驗的難點，同時常應變率的獲得為炸藥本構方程參數的擬合提供了前提。

通過調整子彈速度和波形整形器尺寸，在滿足應力平衡和常應變率的前提下，得到子彈速度分別為1.97 m/s、2.21 m/s和2.83 m/s時的加載應變率為65 s-1、130 s-1和200 s-1.采用“三波法”[28]對炸藥樣品測試入射、反射和透射曲線進行處理，計算得到了炸藥試樣在65 s-1、130 s-1和200 s-1等3種不同應變率下的應力-應變曲線，結果如圖6所示。從圖6中可以看到，彈性段和硬化段，光滑過渡，沒有明顯的轉折點，故取σ0.2為初始屈服應力。

圖6 不同應變率下炸藥試樣的應力-應變曲線

從圖6中可以看到：

1)在應變從0增加到0.1%過程中，3條曲線基本重合，表明應變初始階段試樣處于線彈性變形狀態，相應的彈性模量約為4.5 GPa；

2)隨著應變的逐漸增加，3條曲線逐漸分離，表現出明顯的應變率效應，隨后試樣在曲線峰值點處失效，相應的失效應力和失效應變如表2所示。

表2 不同應變率下炸藥試樣失效應力與失效應變

從圖6及表2中的數據來看，應變率從65 s-1提高到200 s-1時，壓縮強度從11.75 MPa增加至13.62 MPa(準靜態壓縮強度約5 MPa[18])，破壞應變從0.61%降低到0.56%.因此，隨著加載速度的提高，該DNAN基熔注炸藥的動態屈服強度不斷提高，失效應變均不斷降低，試樣具有明顯的應變率效應。

2.2 本構參數標定

為描述材料的應變率行為，Johnson提出一個用來描述材料流動應力σy和塑性應變εp的率相關J-C模型。室溫條件下，J-C模型[29]表達式為

(1)

通過對Lesuer方法的改進，可去除必須有1 s-1應變率實驗數據的限定條件，拓寬其應用范圍。在常應變率條件下，J-C模型的表達式變為

σy=[A+B(εp)n]C*，

(2)

對圖6實驗曲線進行處理，去除彈性分量，得到不同應變率條件下流應力與塑性應變關系如圖7所示。

圖7 不同應變率下流應力-塑性應變曲線

以130 s-1為參考應變率，得AC*=9.40 MPa.將AC*代入(1)式中，并對其取對數，得

ln(σ-AC*)=ln(BC*)+nlnεp.

(3)

利用最小二乘法對(3)式進行線性擬合，得到BC*=62.72 MPa和n=0.49.擬合結果如圖8所示。

圖8 參數BC*與n的擬合結果

此時，已經求得AC*、BC*和n.由于C*中含有C，一旦求得C就可以從AC*和BC*中得到A和B.下面開始對C進行求解。(1)式可以改寫為

(4)

對(4)式化簡，得

(5)

圖9 不同應變率的參數C擬合結果

上述方法得到的參數代入J-C模型與實驗結果進行對比，對比結果如圖10所示。從圖10中可以看到，J-C模型的計算結果與實驗結果吻合較好。表明本節采用的J-C模型參數標定方法是可行的。因此，這里給出的標定方法可以自由選擇參考應變率，比Lesuer[30]的公式更加普適，應用范圍也更廣。

圖10 不同應變率下J-C模型計算值與實驗值對比

3 結論

1)采用分離式SHPB研究炸藥試樣的動態力學性能時，通過在入射桿撞擊端粘貼紫銅整形器，可以延長入射脈沖的上升時間，使試樣處于應力平衡狀態，并有助于實現常應變率加載。

2)在滿足應力平衡和常應變率的前提下，得到了炸藥試樣在65 s-1、130 s-1和200 s-1等3種不同應變率下的應力-應變曲線。結果表明，隨著應變率的提高，失效應力逐漸增加，試樣具有明顯的應變率效應。

3)通過改進的Lesuer方法，去除了必須有1 s-1應變率實驗數據的限定條件，拓寬了其應用范圍。采用改進的Lesuer方法標定了J-C模型參數，A=1.70 MPa，B=11.37 MPa，C=0.93，n=0.49.采用此套參數的計算結果與實驗結果吻合較好，證明了改進的Lesuer方法的可行性。

4)研究結果可為戰斗部裝藥沖擊響應研究提供基礎數據。

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