GAP/PET/RDX基推進(jìn)劑的動(dòng)態(tài)沖擊及點(diǎn)火響應(yīng)行為

范穎楠,武 毅,文俊杰,王 昱,楊爭(zhēng)輝,吳迎春,李海濤,侯 曉

(1.北京理工大學(xué) 宇航學(xué)院,北京 100081;2.浙江大學(xué) 能源清潔利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,浙江 杭州 310027;3.湖北航天化學(xué)技術(shù)研究所,湖北 襄陽(yáng) 441003)

引 言

隨著導(dǎo)彈武器系統(tǒng)對(duì)遠(yuǎn)射程需求的不斷提升,固體推進(jìn)劑能量水平逐漸提高的同時(shí),對(duì)其低易損性也提出了更高的要求[1-3]。固體推進(jìn)劑在制造、儲(chǔ)存和使用過(guò)程中可能遭遇低速撞擊等意外刺激作用,例如搬運(yùn)過(guò)程中的撞擊、發(fā)射失敗、轉(zhuǎn)載導(dǎo)致的跌落等[4],最終可能引起固體發(fā)動(dòng)機(jī)意外燃燒甚至爆炸。因此,研究高能固體推進(jìn)劑在低速撞擊條件下的動(dòng)態(tài)撞擊力學(xué)性能、點(diǎn)火響應(yīng)行為以及點(diǎn)火后的能量增長(zhǎng)過(guò)程對(duì)于在提升推進(jìn)劑能量水平的前提下保障使用安全性具有重要意義。

通常情況下,推進(jìn)劑能量水平提升可通過(guò)使用含能黏合劑[5]和調(diào)整炸藥含量、粒度及微觀形貌等方式實(shí)現(xiàn)。因此推進(jìn)劑在能量大幅提升的基礎(chǔ)上是否同時(shí)滿足低易損性就成為了研究重點(diǎn)。ZHANG等[6]采用沖擊試驗(yàn)機(jī)、落錘沖擊試驗(yàn)機(jī)和密閉容器對(duì)不同RDX含量硝基胺推進(jìn)劑在常溫(20℃)和低溫(-40℃)下的力學(xué)性能和燃燒性能進(jìn)行了測(cè)試;王奧等[7]測(cè)試了不同RDX粒徑改性單基藥的燃燒性能和力學(xué)性能并分析了其在沖擊后的破壞機(jī)理。

從以往文獻(xiàn)來(lái)看,高能推進(jìn)劑在低易損性方面的探究工作仍有所欠缺:力學(xué)性能測(cè)試上大多僅關(guān)注推進(jìn)劑的準(zhǔn)靜態(tài)力學(xué)性能,動(dòng)態(tài)力學(xué)性能局限于沖擊強(qiáng)度、壓碎高度等表象結(jié)果的獲得;低速撞擊引起的點(diǎn)火燃燒過(guò)程也僅關(guān)注燃燒速率、熱穩(wěn)定性等基本特性,未對(duì)點(diǎn)火響應(yīng)及能量增長(zhǎng)過(guò)程做進(jìn)一步分析[6-10]。目前,含能材料在低速撞擊條件下的熱點(diǎn)形成機(jī)理及損傷破壞理論分析較為成熟[11-14],同時(shí)也使用了一些先進(jìn)觀測(cè)手段對(duì)其在撞擊條件下的變形損傷過(guò)程或點(diǎn)火現(xiàn)象進(jìn)行分析:陳鵬等[15]采用高速攝影記錄了PBXs (Plastic Bonded Explosives)炸藥裝藥在沖擊加載過(guò)程中的反應(yīng)情況,研究了PBX炸藥在完全約束加載和剪切流動(dòng)加載下的點(diǎn)火性能;DUAN等[16]在霍普金森壓桿實(shí)驗(yàn)中利用高速紅外相機(jī)采集了NEPE(Nitrate Ester Plasticized Polyether)推進(jìn)劑溫度變化,證明了推進(jìn)劑點(diǎn)火是由剪切摩擦機(jī)制導(dǎo)致。以上工作均在原有單一研究手段的基礎(chǔ)上有所創(chuàng)新。但是,受限于高速相機(jī)成像能力,高速攝影直接拍攝僅能觀測(cè)到推進(jìn)劑的形變、點(diǎn)火和燃燒的部分過(guò)程,無(wú)法觀測(cè)到推進(jìn)劑燃燒后火焰內(nèi)部的試樣破碎過(guò)程、碎片大小以及可能產(chǎn)生的激波結(jié)構(gòu)等具體細(xì)節(jié),而這些數(shù)據(jù)對(duì)推進(jìn)劑受到低速撞擊后的反應(yīng)等級(jí)定量判定,以及為構(gòu)建推進(jìn)劑撞擊點(diǎn)火后的能量增長(zhǎng)數(shù)值模型和仿真方法的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證至關(guān)重要。

因此,本研究針對(duì)不同RDX粒度的GAP推進(jìn)劑和PET推進(jìn)劑,利用分離式霍普金森壓桿裝置開展高應(yīng)變率動(dòng)態(tài)撞擊實(shí)驗(yàn),同時(shí)結(jié)合高速攝影和數(shù)字全息技術(shù),采用3臺(tái)高速攝像機(jī)同步觀測(cè)推進(jìn)劑在撞擊條件下?lián)p傷演化、點(diǎn)火響應(yīng)和能量增長(zhǎng)過(guò)程,研究了不同黏合劑基體、RDX粒度對(duì)推進(jìn)劑動(dòng)態(tài)撞擊下的力學(xué)性能和點(diǎn)火響應(yīng)的影響規(guī)律。最后,對(duì)動(dòng)態(tài)加載后的試樣進(jìn)行回收,利用掃描電鏡等手段對(duì)其宏細(xì)觀損傷破壞形式進(jìn)行分析,以期對(duì)推進(jìn)劑在中低速撞擊下的點(diǎn)火燃燒響應(yīng)過(guò)程可視化分析及反應(yīng)等級(jí)定量判定方面提供參考。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 樣 品

分別采用PET基體含中粒度RDX、GAP基體含中粒度RDX、粗粒度RDX的3種固體推進(jìn)劑開展實(shí)驗(yàn)。推進(jìn)劑原始試樣及掃描電鏡圖片如圖1所示,試樣尺寸均為Φ10mm×5mm。組分及含量見表1,其中“P-中粒度”表示PET基體含中粒度RDX推進(jìn)劑,“G-中粒度”表示GAP基體含中粒度RDX推進(jìn)劑,“G-粗粒度”表示GAP基體含粗粒度RDX推進(jìn)劑。制備過(guò)程中AP、Al均采用同一批次原材料,同時(shí)也保證了不同類別推進(jìn)劑中主要組分的規(guī)格形貌基本一致。

表1 不同推進(jìn)劑組分及質(zhì)量含量Table 1 Components and mass contents of various propellants

由圖1可以看出,AP、RDX和Al等顆粒均緊密地粘接在黏合劑基體上,基體和顆粒沒(méi)有明顯的裂紋或孔隙出現(xiàn)。

圖1 推進(jìn)劑原始試樣及不同推進(jìn)劑掃描電鏡照片F(xiàn)ig.1 The original sample and scanning electron microscope picture of various propellants

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置及方法

本實(shí)驗(yàn)采用分離式霍普金森壓桿(SHPB)裝置,結(jié)合光學(xué)測(cè)量手段觀測(cè)3類推進(jìn)劑在高應(yīng)變率(1000～6000s-1)撞擊條件下的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能、點(diǎn)火響應(yīng)和能量增長(zhǎng)過(guò)程,并進(jìn)行對(duì)比分析,研究不同種類黏合劑和RDX粒度對(duì)推進(jìn)劑撞擊力學(xué)性能和反應(yīng)強(qiáng)度的影響。

1.2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

分離式霍普金森壓桿裝置如圖 2所示。

圖2 SHPB裝置示意圖Fig.2 The schematic diagram of SHPB apparatus

(1)

式中:C0為桿中的彈性波速;L0為試樣的初始長(zhǎng)度;A0為試樣的初始橫截面積;A和E分別為桿的橫截面積及彈性模量。

試樣的真實(shí)應(yīng)力、應(yīng)變可根據(jù)工程應(yīng)力、應(yīng)變換算得到:

σT=(1-ε)σE

(2)

εT=-ln(1-εE)

(3)

1.2.2 光學(xué)測(cè)量方法

結(jié)合光學(xué)測(cè)量的分離式霍普金森壓桿裝置如圖3所示。由圖3可知,本研究使用3臺(tái)高速攝像機(jī)對(duì)霍普金森壓桿中撞擊推進(jìn)劑過(guò)程進(jìn)行觀測(cè)。其中,一臺(tái)高速攝像機(jī)對(duì)推進(jìn)劑的變形和反應(yīng)過(guò)程進(jìn)行直接拍攝,另外兩臺(tái)用于數(shù)字全息成像拍攝[20-21],記錄撞擊過(guò)程中推進(jìn)劑破碎顆粒云和能量增長(zhǎng)過(guò)程中可能存在的激波演化過(guò)程,3臺(tái)相機(jī)通過(guò)信號(hào)觸發(fā)器同步。

圖3 結(jié)合光學(xué)測(cè)量的分離式霍普金森壓桿裝置Fig.3 The split hopkinson pressure bar (SHPB) apparatus combined with optical measurement

(1)高速攝影。為可視化固體推進(jìn)劑在低速撞擊載荷下的變形、點(diǎn)火和能量增長(zhǎng)過(guò)程,本研究使用高速攝像機(jī)記錄整個(gè)撞擊過(guò)程。使用的相機(jī)型號(hào)為Revealer X213,分辨率為1280×1024,像素大小69.8μm/pixel,高速攝像機(jī)采集幀率為13698fps,曝光時(shí)間1μs,同時(shí)使用150W的補(bǔ)光燈進(jìn)行輔助照明。

(2)數(shù)字全息。本研究使用數(shù)字全息技術(shù)記錄推進(jìn)劑在高應(yīng)變率撞擊條件下破碎、點(diǎn)火以及能量增長(zhǎng)過(guò)程中可能產(chǎn)生的激波結(jié)構(gòu),還可利用重建技術(shù)獲得撞擊后顆粒的粒徑、形貌等三維信息[21]。其中,數(shù)字全息光路單元包括脈沖激光器、空間濾波器、光闌、透鏡、同步器、分束器、反射器、全息成像相機(jī)和其他光學(xué)安裝組件。

2 結(jié)果與討論

2.1 推進(jìn)劑力學(xué)性能分析

3類推進(jìn)劑在3000s-1時(shí)的應(yīng)力—應(yīng)變曲線如圖4所示。

圖4 3類推進(jìn)劑在3000s-1時(shí)的應(yīng)力—應(yīng)變曲線Fig.4 The stress—strain curves of three kinds of propellants at 3000s-1

由圖4可知,P-中粒度和G-粗粒度兩種推進(jìn)劑的力學(xué)曲線無(wú)明顯屈服點(diǎn),曲線可簡(jiǎn)單分為3個(gè)區(qū)域:線彈性區(qū)域、應(yīng)變硬化區(qū)域和失效區(qū)域,試樣在受力過(guò)程中的變形近似為彈塑性變形;G-中粒度推進(jìn)劑與其他兩類有明顯不同,試樣在經(jīng)歷線彈性階段后首先在A點(diǎn)發(fā)生屈服,隨即發(fā)生應(yīng)變軟化和應(yīng)變硬化現(xiàn)象,最終失效。G-中粒度推進(jìn)劑發(fā)生屈服可能是由于該組分推進(jìn)劑內(nèi)部顆粒和黏合劑基體之間存在初始間隙,受到力的作用時(shí),間隙發(fā)展成了位錯(cuò)。隨著外力的增加,由間隙導(dǎo)致的位錯(cuò)增多,不容易移動(dòng)。當(dāng)外力大到一定程度時(shí),顆粒可能已經(jīng)從黏合劑基體上完全脫開,所以相應(yīng)的位錯(cuò)減少,外力幾乎不增加,或是增加不明顯的情況下,推進(jìn)劑仍發(fā)生了變形,即屈服現(xiàn)象。應(yīng)力—應(yīng)變曲線的不同說(shuō)明推進(jìn)劑組分變化會(huì)對(duì)其是否發(fā)生屈服產(chǎn)生影響。

2.1.1 不同黏合劑種類的推進(jìn)劑性能

復(fù)合固體推進(jìn)劑的力學(xué)性能受黏合劑基體影響較大,黏合劑基體是固體推進(jìn)劑的基礎(chǔ),其性能好壞決定了推進(jìn)劑力學(xué)性能的優(yōu)劣[5]。同粒度的GAP和PET推進(jìn)劑在不同應(yīng)變率下的壓縮應(yīng)力—應(yīng)變曲線如圖5所示,兩種推進(jìn)劑在不同應(yīng)變率下的壓縮力學(xué)性能參數(shù)見表2。

圖5 PET和GAP推進(jìn)劑的應(yīng)力—應(yīng)變曲線對(duì)比Fig.5 The stress—strain curves comparison of PET propellant with GAP propellant

從圖5和表2可以看出,在高應(yīng)變率加載條件下,GAP推進(jìn)劑較PET推進(jìn)劑在撞擊下的力學(xué)性能有了一定提高。其中,強(qiáng)度極限的較大提升在1000s-1和5000s-1,數(shù)值上最大達(dá)到了一倍。最大應(yīng)變提升同樣出現(xiàn)在1000s-1和5000s-1,最大為34.5%;相比強(qiáng)度極限和最大應(yīng)變,彈性模量的提升更加明顯:不同應(yīng)變率下均提升了一倍以上。說(shuō)明黏合劑種類的改變能顯著改善推進(jìn)劑的動(dòng)態(tài)壓縮力學(xué)性能,在高應(yīng)變率壓縮條件下,GAP基推進(jìn)劑較PET基推進(jìn)劑來(lái)說(shuō)體現(xiàn)出的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能(強(qiáng)度極限、彈性模量和最大應(yīng)變)更佳。

表2 黏合劑種類對(duì)推進(jìn)劑壓縮力學(xué)性能的影響Table 2 Effect of binder types on the compressive mechanical properties of propellant

2.1.2 不同RDX粒度的推進(jìn)劑性能

復(fù)合固體推進(jìn)劑中固體顆粒所占百分比可達(dá)到70%～80%,包括氧化劑AP、燃燒劑Al粉和高能化合物RDX等,固體顆粒的組分及粒度均對(duì)推進(jìn)劑的力學(xué)性能有一定影響。對(duì)不同RDX粒度的推進(jìn)劑進(jìn)行高應(yīng)變率壓縮實(shí)驗(yàn),應(yīng)力—應(yīng)變曲線如圖6所示,不同RDX粒度推進(jìn)劑的動(dòng)態(tài)壓縮力學(xué)性能參數(shù)見表3。

圖6 中等粒度以及粗粒度RDX推進(jìn)劑的應(yīng)力—應(yīng)變曲線對(duì)比Fig.6 The stress—strain curves comparison of medium RDX propellant with coarse RDX propellant

從表3可以看出,在高應(yīng)變率壓縮實(shí)驗(yàn)中,中等粒度RDX比粗粒度RDX在強(qiáng)度極限和彈性模量上有一定提高,最大應(yīng)變差距不大;強(qiáng)度極限最大提升了80%,由0.95MPa提升到1.75MPa;彈性模量最大提升了148.4%,由8.97MPa提升到22.28MPa,最大應(yīng)變由0.58提升到0.74,可見提升作用在較低應(yīng)變率下(1000s-1)更加明顯。

表3 RDX粒度對(duì)推進(jìn)劑壓縮力學(xué)性能的影響Table3 Effect of RDX particle size on the compression mechanical properties of propellant

隨著RDX粒度的減小,固體顆粒和黏合劑基體之間的附加交聯(lián)點(diǎn)數(shù)量增多[22],晶粒的趨空性和楔入性減小[23],結(jié)構(gòu)也更加穩(wěn)定,所以在高應(yīng)變率加載后中粒度推進(jìn)劑體現(xiàn)出更為優(yōu)異的撞擊力學(xué)性能;此外,粗粒度晶體多數(shù)是由小粒度晶體聚晶得到的,晶體中存在大量的“晶界”和 “位錯(cuò)”[23],隨著撞擊速度的增大(應(yīng)變率的提高),其在晶粒內(nèi)部的弱晶面發(fā)生錯(cuò)動(dòng)滑移相較在黏合劑基體和固體顆粒之間發(fā)生滑移的可能性更大,所以粗粒度RDX的力學(xué)性能相較中粒度RDX的差距比低應(yīng)變率下更小,這也就是撞擊條件下力學(xué)性能的提升作用在較低應(yīng)變率下(1000s-1)更加明顯的原因。

2.2 點(diǎn)火響應(yīng)行為分析

2.2.1 點(diǎn)火響應(yīng)過(guò)程

G-中粒度推進(jìn)劑在不同應(yīng)變率下(4000～6000s-1)的高速攝影圖片如圖 7所示。由圖7可以發(fā)現(xiàn),在第一次應(yīng)力波傳播過(guò)程中(0～473μs),試樣僅發(fā)生變形;隨著應(yīng)變率的提高,在同一時(shí)刻(t=219μs)發(fā)生由均勻變形到不均勻變形的過(guò)渡;當(dāng)應(yīng)變率為4000s-1時(shí),推進(jìn)劑發(fā)生明顯的剪切變形,緊貼入射桿試樣前半部分破壞程度明顯大于后半部分,通過(guò)高攝圖片未觀察到點(diǎn)火現(xiàn)象;當(dāng)應(yīng)變率為5000s-1時(shí),試樣在584μs時(shí)點(diǎn)火,1022μs時(shí)熄滅,可定義G-中粒度推進(jìn)劑在5000s-1時(shí)的點(diǎn)火延遲時(shí)間為584μs,燃燒持續(xù)時(shí)間為438μs;當(dāng)應(yīng)變率為6000s-1時(shí),試樣在511μs時(shí)就已點(diǎn)火,1022μs時(shí)熄滅,可定義G-中粒度推進(jìn)劑在6000s-1時(shí)的點(diǎn)火延遲時(shí)間為511μs,燃燒持續(xù)時(shí)間為511μs。可以發(fā)現(xiàn),隨著應(yīng)變率的提高,試樣發(fā)生由不點(diǎn)火到點(diǎn)火燃燒的現(xiàn)象過(guò)渡,燃燒也越來(lái)越劇烈。

G-中粒度推進(jìn)劑在4000s-1時(shí)同一時(shí)刻高速攝影與全息的對(duì)比如圖8所示。由于高速攝影僅能觀測(cè)到推進(jìn)劑的形變、點(diǎn)火和燃燒部分過(guò)程,無(wú)法觀測(cè)燃燒后火焰內(nèi)部的試樣破碎過(guò)程、碎片大小以及可能產(chǎn)生的激波結(jié)構(gòu)等具體細(xì)節(jié),所以需要高速攝影和數(shù)字全息同時(shí)開展。其中,相機(jī)-1用于高速攝影過(guò)程的記錄,相機(jī)-2、相機(jī)-3用于全息的記錄,拍攝視角如圖8所示。兩臺(tái)相機(jī)同時(shí)用于全息記錄可以根據(jù)獲得的不同圖像進(jìn)行融合,產(chǎn)生立體視覺(jué),更好地判斷試樣破碎后顆粒所在的位置及深度等信息。當(dāng)t=511μs時(shí),從高攝圖上發(fā)現(xiàn),試樣已發(fā)生大變形,并被擠出桿截面,全息圖中黑色部分即為擠出的試樣。在t=584μs時(shí),從高攝圖中未觀察到點(diǎn)火,但全息圖記錄到了明顯的激波,這可能是由于試樣內(nèi)部產(chǎn)生熱點(diǎn)并發(fā)生微爆導(dǎo)致的;隨著時(shí)間推移,全息相機(jī)記錄到試樣周圍出現(xiàn)了波前畸變,這是由于推進(jìn)劑產(chǎn)生熱點(diǎn)后臨近空氣溫度和周圍壓力分布不均,折射率不同引起的,進(jìn)一步說(shuō)明試樣內(nèi)部產(chǎn)生了熱點(diǎn)。

2.2.2 不同黏合劑種類推進(jìn)劑的點(diǎn)火響應(yīng)行為

PET基和GAP基推進(jìn)劑在應(yīng)變率5000s-1時(shí)的高速攝影圖如圖9所示。由圖9可知不同黏合劑種類推進(jìn)劑在5000s-1時(shí)的點(diǎn)火燃燒反應(yīng)。在第一次應(yīng)力波傳播過(guò)程中,試樣發(fā)生均勻變形,同一時(shí)刻下GAP推進(jìn)劑的變形程度比PET推進(jìn)劑大的多。此外在5000s-1下,PET推進(jìn)劑僅發(fā)生變形及試樣破碎飛濺的過(guò)程,并未觀察到明顯的點(diǎn)火現(xiàn)象,而GAP推進(jìn)劑在584μs時(shí)發(fā)生劇烈點(diǎn)火,1022μs時(shí)熄滅,故可定義GAP推進(jìn)劑在5000s-1時(shí)的點(diǎn)火延遲時(shí)間為584μs,燃燒持續(xù)時(shí)間為438μs。在第一次應(yīng)力波傳播過(guò)程中,同一時(shí)刻下(t=292μs)GAP推進(jìn)劑發(fā)生了環(huán)狀變形,且在變形過(guò)程中發(fā)生了明顯的黏性剪切摩擦,并被撞散擠出;而PET推進(jìn)劑僅發(fā)生了均勻變形,GAP推進(jìn)劑損傷變形程度遠(yuǎn)大于PET推進(jìn)劑。待第二次應(yīng)力波來(lái)臨時(shí),GAP推進(jìn)劑由于黏性剪切摩擦產(chǎn)生熱點(diǎn),另外在“損傷敏化”的作用下,內(nèi)部熱點(diǎn)更易積聚,能量積累發(fā)生燃燒現(xiàn)象;而PET推進(jìn)劑內(nèi)部變形程度小,未形成黏性剪切摩擦,也沒(méi)有熱點(diǎn)生成,所以在第二次應(yīng)力波的作用下僅發(fā)生更為明顯的變形現(xiàn)象,并未點(diǎn)火燃燒。

圖9 PET基和GAP基推進(jìn)劑在應(yīng)變率5000s-1時(shí)的高速攝影圖Fig.9 High-speed photographies of PET and GAP propellants at 5000s-1

2.2.3 不同RDX粒度推進(jìn)劑的點(diǎn)火響應(yīng)行為

G-中粒度和G-粗粒度推進(jìn)劑在應(yīng)變率4000s-1時(shí)的高速攝影圖如圖10所示。由圖10可知不同RDX粒度推進(jìn)劑在4000s-1時(shí)的點(diǎn)火燃燒反應(yīng)。在第一次應(yīng)力波傳播過(guò)程中,試樣發(fā)生均勻變形,同一時(shí)刻下中等粒度推進(jìn)劑的變形程度較粗粒度推進(jìn)劑更大。同時(shí),中等粒度推進(jìn)劑還發(fā)生了明顯的剪切變形,且變形損傷最先發(fā)生在與入射桿端面接觸部分,其余部分推進(jìn)劑并未觀察到明顯的撞擊破碎現(xiàn)象;此外,結(jié)合圖8的全息技術(shù)分析可見,中等粒度推進(jìn)劑在584μs產(chǎn)生熱點(diǎn),但并未發(fā)生持續(xù)的點(diǎn)火燃燒,而粗粒度推進(jìn)劑在657μs時(shí)發(fā)生明顯點(diǎn)火現(xiàn)象,產(chǎn)生明亮火光。由此可見,在高應(yīng)變率加載時(shí)RDX粒度越大,越容易產(chǎn)生點(diǎn)火現(xiàn)象。這是由于晶體的粒度越小,相應(yīng)比表面積越大[8],當(dāng)顆粒受到撞擊作用時(shí),不易形成應(yīng)力集中,能量分散在晶粒各處,也就不容易引起點(diǎn)火;此外粒徑越小,顆粒與黏合劑基體粘接的更牢固,受到撞擊作用時(shí)不易發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng);最后,大粒度晶體多數(shù)是由小粒度晶體聚晶形成的,撞擊后易在其內(nèi)部的晶界或者弱晶面上產(chǎn)生位錯(cuò)、滑移等現(xiàn)象,發(fā)生剪切摩擦從而形成多個(gè)熱點(diǎn),能量聚集即發(fā)生持續(xù)點(diǎn)火燃燒現(xiàn)象[23]。不同組分推進(jìn)劑在不同應(yīng)變率下的反應(yīng)過(guò)程與反應(yīng)烈度如圖11所示。

圖10 G-中粒度和G-粗粒度RDX推進(jìn)劑在應(yīng)變率4000s-1時(shí)的高速攝影圖Fig.10 High-speed photography of G-medium and G-coarse RDX particle propellants at 4000s-1

圖11 不同推進(jìn)劑在不同應(yīng)變率下的反應(yīng)程度Fig.11 The reaction degree of different propellants at different strain rates

2.3 推進(jìn)劑破壞形式分析

為研究推進(jìn)劑在動(dòng)態(tài)載荷下的破壞機(jī)制,利用相機(jī)和掃描電鏡對(duì)樣品進(jìn)行破壞后推進(jìn)劑的特征分析[24-25]。

P-中粒度推進(jìn)劑在高應(yīng)變率加載(1000～5000s-1)后的殘樣如圖12所示。從圖12可以看出,在1000s-1加載后,試樣僅被壓扁,外觀上沒(méi)有裂紋或孔洞等破壞形式的出現(xiàn);當(dāng)應(yīng)變率達(dá)到2000s-1時(shí),由于試樣受到桿的軸向撞擊作用,觀察到表面和內(nèi)部的軸向裂紋,同時(shí)在撞擊接觸面上出現(xiàn)徑向裂紋;應(yīng)變率達(dá)到3000s-1時(shí),試樣破壞表面出現(xiàn)明顯的條狀裂紋和微孔洞;隨著應(yīng)變率的增加,撞擊速度也越來(lái)越大,試樣被撞成更小的碎片。

圖12 P-中粒度推進(jìn)劑加載后殘樣照片F(xiàn)ig.12 The photographs of P-medium RDX particle propellant after loading

G-中粒度推進(jìn)劑在高應(yīng)變率加載(1000～5000s-1)后的殘樣如圖 13所示。從圖13可以看出,在1000s-1加載后,試樣僅被壓扁,外觀上沒(méi)有裂紋或孔洞等破壞形式出現(xiàn),但其變形程度遠(yuǎn)大于P-中粒度推進(jìn)劑;當(dāng)應(yīng)變率達(dá)到2000s-1時(shí),試樣被擠壓破壞,碎片為條狀鋸齒形,邊緣有裂紋出現(xiàn);隨著應(yīng)變率的增加,試樣被撞成小塊碎片,無(wú)法觀察到更明顯的破壞形式。

圖13 G-中粒度推進(jìn)劑加載后殘樣照片F(xiàn)ig.13 The photographs of G-medium RDX particle propellant after loading

G-粗粒度推進(jìn)劑在高應(yīng)變率加載(1000～5000s-1)后殘樣如圖 14所示。從圖14可以看出,在1000s-1加載后,試樣僅被壓扁,外觀上沒(méi)有裂紋或孔洞等破壞形式的出現(xiàn);當(dāng)應(yīng)變率達(dá)到2000s-1時(shí),試樣內(nèi)部出現(xiàn)貫穿的徑向裂紋,同時(shí)側(cè)面可觀察到多條軸向裂紋;應(yīng)變率達(dá)到3000s-1時(shí),試樣被撞成不規(guī)則小塊,每一部分都可觀察到表面裂紋和孔洞。

圖14 G-粗粒度推進(jìn)劑加載后殘樣照片F(xiàn)ig.14 The photographs of G-coarse RDX particle propellant after loading

P-中粒度推進(jìn)劑在高應(yīng)變率加載(1000～5000s-1)后的掃描電鏡圖如圖15所示。

圖15 P-中粒度推進(jìn)劑在高應(yīng)變率加載后的SEM圖Fig.15 SEM photographies of P-medium RDX particle propellant after high-strain rate loading

從圖15可以看出,在1000s-1加載時(shí),顆粒和基體之間只出現(xiàn)了輕微脫粘,沒(méi)有明顯的破壞產(chǎn)生;當(dāng)應(yīng)變率達(dá)到2000s-1時(shí),可觀察到明顯脫粘,同時(shí)在顆粒上有微裂紋出現(xiàn);隨著應(yīng)變率增加,脫粘現(xiàn)象和微裂紋越來(lái)越明顯:在3000s-1時(shí)出現(xiàn)顯著的劈裂裂紋,4000s-1時(shí)觀察到穿晶斷裂,且脫粘顆粒的尺寸也由大變小。說(shuō)明隨著應(yīng)變率的增加,推進(jìn)劑破壞模式越發(fā)顯著,破壞尺度也越來(lái)越小。

G-中粒度推進(jìn)劑在高應(yīng)變率加載(1000～5000s-1)后的掃描電鏡圖如圖 16所示。由圖16可以看出,當(dāng)應(yīng)變率為1000s-1和2000s-1時(shí),顆粒與基體之間出現(xiàn)了脫粘現(xiàn)象,基體上觀察到明顯的裂紋;當(dāng)應(yīng)變率達(dá)到3000s-1時(shí),黏合劑基體出現(xiàn)多條擴(kuò)展裂紋;隨著應(yīng)變率的增加破壞形式越來(lái)越顯著,當(dāng)達(dá)到5000s-1時(shí)觀察到顆粒斷裂,可能是高速撞擊過(guò)程中的剪切作用導(dǎo)致的穿晶斷裂。此外,在5000s-1加載時(shí)還觀察到顆粒附近的黏合劑基體出現(xiàn)了孔洞,說(shuō)明在高應(yīng)變率撞擊時(shí)破壞可能會(huì)在顆粒與基體界面出現(xiàn)。

圖16 G-中粒度推進(jìn)劑在高應(yīng)變率加載后的SEM圖Fig.16 SEM photographies of G-medium RDX particle propellant after high-strain rate loading

G-粗粒度推進(jìn)劑在高應(yīng)變率加載(1000～5000s-1)后的掃描電鏡圖如圖 17所示。

從圖17可以看出,1000～2000s-1應(yīng)變率加載時(shí),G-粗粒度推進(jìn)劑發(fā)生的破壞現(xiàn)象并不如P-中粒度和G-中粒度顯著,顆粒與基體之間出現(xiàn)了脫粘現(xiàn)象但在較低應(yīng)變率時(shí)脫粘并不完全,仍能看到顆粒和基體的粘連,同時(shí)在基體上觀察到了裂紋;隨著應(yīng)變率的增加,可觀察到明顯的裂紋聚集和顆粒破碎。

3 結(jié) 論

(1)GAP基推進(jìn)劑在高應(yīng)變率撞擊下的強(qiáng)度極限和彈性模量比PET基推進(jìn)劑更高;中等粒度RDX比粗粒度RDX的強(qiáng)度極限、彈性模量更高,且這種差異在較低應(yīng)變率(1000s-1)下更加明顯。此外,推進(jìn)劑組分變化會(huì)對(duì)其是否發(fā)生屈服產(chǎn)生影響。

(2)GAP基推進(jìn)劑比PET基推進(jìn)劑更容易在高應(yīng)變率沖擊下點(diǎn)火,這是因?yàn)镚AP基推進(jìn)劑在應(yīng)力波的作用下?lián)p傷變形程度大,產(chǎn)生了黏性剪切流,對(duì)于本研究所使用的加載方式,更易因撞擊剪切摩擦形成熱點(diǎn)并最終點(diǎn)火。

(3)中粒度推進(jìn)劑比粗粒度推進(jìn)劑更難發(fā)生點(diǎn)火,這是由于晶體粒度小,比表面積大,不易形成應(yīng)力集中,且粒徑越小,粘接作用越強(qiáng),撞擊條件下不易發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)和剪切摩擦導(dǎo)致。