RDX基PBX炸藥熱損傷演化行為的量化表征

許禮吉, 段卓平, 白志玲, 吳艷青, 黃風(fēng)雷

(北京理工大學(xué) 爆炸科學(xué)與技術(shù)國家重點實驗室, 北京 100081)

0 引言

彈藥在存儲、運輸、使用或服役等全壽命過程中,不免會遭遇火災(zāi)或長期暴露在高溫環(huán)境等意外熱刺激,引發(fā)裝藥發(fā)生點火、燃燒直至爆炸甚至轉(zhuǎn)為爆轟等典型非沖擊點火事故反應(yīng)[1-2],導(dǎo)致武器裝備和作戰(zhàn)平臺遭受嚴(yán)重的損毀而喪失戰(zhàn)斗力,甚至造成大量的人員傷亡等災(zāi)難性后果,極大地影響了軍事行動和國防建設(shè)。作為目前國內(nèi)外不敏感彈藥裝藥的發(fā)展方向,高聚物粘結(jié)炸藥[3-4](PBXs)由主體炸藥晶體顆粒(如黑索金(RDX)、奧克托今(HMX)和三氨基三硝基苯(TATB)等)或其混合物與聚合物粘結(jié)劑混合制成,具有良好的安全性和高能特性,一直被廣泛關(guān)注。研究熱刺激下PBX炸藥損傷形成機制和損傷演化特征,關(guān)注熱損傷對炸藥點火響應(yīng)的敏化機制,為發(fā)展建立炸藥損傷點火反應(yīng)模型提供物理基礎(chǔ),是研究熱刺激下炸藥點火事故反應(yīng)演化行為、反應(yīng)烈度量化表征和評估的前提和關(guān)鍵。

大量研究表明,熱刺激作用下炸藥內(nèi)部會產(chǎn)生多種形式微/細觀結(jié)構(gòu)變化的熱損傷,如炸藥組分相變和熱分解、炸藥顆粒-粘結(jié)劑界面脫粘、炸藥晶體破碎、孔洞及連通裂紋形成等[1,5-9]。意外刺激作用下,上述損傷作為潛在熱點使得炸藥更容易發(fā)生點火,直接影響了炸藥的熱感度、機械感度、沖擊波感度等安全性能[10-14],將嚴(yán)重影響武器系統(tǒng)的性能指標(biāo)。

為探索炸藥微/細觀結(jié)構(gòu)、缺陷或損傷等特征對炸藥性能的影響,國內(nèi)外學(xué)者發(fā)展建立了多種直觀定性觀測和精密測量技術(shù)[7,15-18],包括光學(xué)顯微鏡(OM)、掃描電子顯微鏡(SEM)、聚焦離子束-二次電子顯微鏡(FIB-SEM)、計算機斷層掃描和小角散射(SAS)等,其中OM/SEM方法僅給出樣品表面/斷面形貌的二維圖像,且實驗過程中對樣品表面拋光會造成樣品的二次損傷[7,15];SAS方法可無損測量樣品內(nèi)部微/細觀損傷缺陷的尺寸和數(shù)量分布特征,但無法獲得樣品的形態(tài)學(xué)信息[16];FIB-SEM[17-18]方法可獲取樣品詳細微/細觀結(jié)構(gòu)信息并生成三維圖像,但由于逐層切割材料而具有破壞性,且與納米級計算機斷層掃描(CT)相比,獲得相同大小的視場需耗費更大的時間成本。

CT[15,19-20]作為典型的無損檢測技術(shù),可生成樣品的高分辨率三維結(jié)構(gòu)圖像,已廣泛應(yīng)用于材料科學(xué)、生命科學(xué)等領(lǐng)域[21-22],近年逐漸應(yīng)用于炸藥[23]和固體推進劑[24]的內(nèi)部缺陷表征。Yeager等[25]采用微米級CT(Micro-CT)獲得了單質(zhì)炸藥和PBX炸藥整體形貌和內(nèi)部細觀結(jié)構(gòu)特征(如晶粒大小、形狀和分布)的三維圖像。CT技術(shù)也被用于研究單軸壓縮等原位力學(xué)加載對HMX單晶[26](實驗室CT)和TATB單晶[27](同步輻射CT)的孔洞演化特征的影響。Parker等[28]使用同步輻射CT研究了HMX基PBX炸藥的熱失控過程,但同步輻射CT實驗昂貴且資源極少。

本文使用更易獲取的實驗室Micro-CT觀測不同溫度熱處理后RDX基PBX炸藥的內(nèi)部損傷形態(tài),基于Avizo軟件定量圖像分析方法對掃描數(shù)據(jù)進行處理,獲得炸藥樣品內(nèi)部損傷的形貌特征,并進一步分析熱損傷形成機制和隨溫度變化的損傷演化規(guī)律,為后續(xù)建立熱刺激下炸藥裝藥宏細觀點火模型和點火后反應(yīng)演化模型提供物理基礎(chǔ)。

1 實驗設(shè)計

1.1 RDX基PBX炸藥樣品制備

實驗用壓裝RDX基PBX炸藥樣品由質(zhì)量分數(shù)為95%的RDX和5%的粘結(jié)劑組成,粘結(jié)劑為耐高溫透明聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane,簡稱PDMS),炸藥樣品尺寸為φ5 mm×5 mm,實測密度為1.676 g/m3±0.007 g/m3。

為了確定合適的加熱溫度范圍,采用瑞士METTLER TOLEDO公司生產(chǎn)的TGA/DSC 3+同步熱分析儀對微量炸藥造型粉顆粒進行差示掃描量熱法和熱重分析(DSC/TGA)測試,儀器工作氣氛為空氣,升溫速率為5 ℃/min,測試結(jié)果如圖1所示。從圖1中可以看出:高溫條件下炸藥樣品先發(fā)生明顯的熔融吸熱現(xiàn)象,吸熱峰值溫度為208.98 ℃;隨著溫度繼續(xù)升高,炸藥樣品開始發(fā)生明顯的質(zhì)量損失和熱分解放熱,放熱峰值溫度為232.71 ℃。于是,綜合考慮CT實驗安全性和盡可能將炸藥樣品加熱至接近點火溫度,確定3種加熱溫度分別為140 ℃、160 ℃和180 ℃。

圖1 RDX基PBX炸藥的 DSC/TGA實驗測試結(jié)果

采用可視化防爆加熱裝置對炸藥樣品進行加熱,以1.5 ℃/min的升溫速率加熱到預(yù)設(shè)溫度,等溫?zé)嵩?0 h,隨后在室溫下自然冷卻,依次制備 20 ℃(未加熱)、加熱至140 ℃、160 ℃和180 ℃后冷卻的4種炸藥樣品。值得指出的是,由于PDMS為惰性材料,其在180 ℃以下保持熱穩(wěn)定狀態(tài),經(jīng)過不同溫度熱處理的炸藥樣品的熱響應(yīng)主要取決于加熱溫度引起的RDX組分和粘結(jié)劑的熱力學(xué)響應(yīng)以及RDX組分的熱化學(xué)響應(yīng)。

1.2 Micro-CT表征

使用天津三英精密儀器公司生產(chǎn)的Micro-CT 3000掃描系統(tǒng)分別對20 ℃(室溫)、140 ℃、160 ℃和180 ℃溫度處理后的炸藥樣品進行掃描成像,用以表征炸藥樣品和內(nèi)部損傷的形貌特征及分布,如圖2所示。X射線源發(fā)出X射線照射樣品,經(jīng)過樣品吸收衰減后的X射線通過閃爍體轉(zhuǎn)化為可視化的圖像投影,探測器(CCD)用來捕捉圖像。載物臺連續(xù)旋轉(zhuǎn),從不同角度拍攝一系列投影圖像。Micro-CT掃描系統(tǒng)的電壓70 kV、電流60 μA,X射線曝光時間0.62 μs。采用Avizo 2019.1軟件對Micro-CT掃描獲得的系列二維圖像投影進行3D重建,重建后的圖像像素分辨率為2.5 μm/pixel。進一步地,使用該軟件進行損傷形貌結(jié)構(gòu)分析,并量化表征損傷的幾何形狀、尺寸和分布。

圖2 CT測試數(shù)據(jù)的3D圖像重建流程圖

2 結(jié)果與分析

使用Avizo軟件對Micro-CT掃描數(shù)據(jù)進行處理,獲得可視化的RDX基PBX炸藥樣品3D圖像,分析樣品內(nèi)部損傷特征的3D形貌信息;進一步采用多個物理量對樣品內(nèi)部損傷進行量化表征,包括孔隙率、孔隙尺寸分布、孔隙比表面積、球度和泛形復(fù)雜度等,研究損傷隨溫度變化的演化規(guī)律;最后結(jié)合損傷形貌特征和損傷量化表征結(jié)果,分析熱刺激下RDX基PBX炸藥的損傷形成機制。

2.1 損傷形貌特征

通過μ-CT掃描和數(shù)據(jù)處理獲得炸藥樣品及內(nèi)部損傷特征的3D形貌信息,不同溫度熱處理后的典型炸藥樣品軸向中心截面位置的CT切片如圖3(a)～圖3(d)所示,由于初始CT圖像數(shù)據(jù)中包含支撐樣品的套筒,炸藥/套筒界面粘連、難以準(zhǔn)確分割,同時圖像中存在偽影和噪聲使得圖像不夠清晰,低信噪比也使得某些損傷難以檢測,因此需進行以下數(shù)據(jù)處理:1)去除背景,包括支撐樣品的套筒、樣品與套筒之間的空氣以及少部分樣品外圍區(qū)域,截取φ4 mm×2.4 mm的圓柱炸藥樣品子體積作為分析區(qū)域;2)使用平面中值濾波算法對圖像進行濾波、降噪,結(jié)果如圖3(e)～圖3(h)所示;3)基于圖像灰度值的交互式閾值分割算法區(qū)分固相和孔隙。需要指出的是,盡管從圖3(e)～圖3(h)中可以觀測RDX顆粒的大致輪廓,但是由于粘結(jié)劑和RDX顆粒之間密度差異不大,二者之間的灰度值相近,難以分割。

圖3 不同熱處理溫度下炸藥樣品軸向截面中心位置的原始CT切片和炸藥CT切片

由圖3(e)可以看出,20 ℃炸藥樣品中孔隙缺陷主要是顆粒間的不規(guī)則小孔洞,存在少量炸藥顆粒-粘結(jié)劑界面輕微脫粘現(xiàn)象(見紅色圓圈),極少炸藥顆粒內(nèi)部也存在孔洞(見黃色圓圈),其局部放大可以看出孔洞中包含低密度的物質(zhì),分析原因可能是RDX顆粒在結(jié)晶過程中形成的溶劑夾雜物(晶體從溶液中沉淀、析出時陷在晶體內(nèi)部的溶劑),這些缺陷特征是壓裝PBX炸藥的典型細觀結(jié)構(gòu)。140 ℃熱處理后樣品中炸藥顆粒間的狹長孔洞明顯較20 ℃樣品的數(shù)量更多且寬度更大,呈現(xiàn)顆粒-粘結(jié)劑界面脫粘趨勢,如圖3(f)所示。160 ℃熱處理后樣品中炸藥顆粒間的脫粘程度顯著提高,如圖3(g)所示,且出現(xiàn)了部分界面脫粘連通現(xiàn)象,此時樣品中的損傷主要為顆粒-粘結(jié)劑界面脫粘。脫粘現(xiàn)象是由炸藥試樣中RDX顆粒各向異性熱膨脹、RDX顆粒和粘結(jié)劑的熱膨脹系數(shù)差異等熱-力學(xué)機制主導(dǎo)的。180 ℃熱處理后樣品中熱損傷程度進一步增大,出現(xiàn)了直徑大約為200 μm的圓孔(見圖3(h)中的黃色圓圈),同時大部分RDX顆粒內(nèi)部出現(xiàn)了大量的微小孔洞和裂紋(見圖3(h)中的紅色圓圈)。RDX顆粒內(nèi)部小孔的出現(xiàn)是由RDX高溫?zé)岱纸庖鸬?炸藥熱分解速率與溫度呈指數(shù)相關(guān),揭示了熱-化學(xué)損傷機制的顯現(xiàn)。上述RDX/粘結(jié)劑熱膨脹差異導(dǎo)致的界面脫粘、RDX熱分解等形成的損傷是潛在“熱點”成核點,將明顯提高炸藥感度[1,13]。

進一步對炸藥樣品子體積進行三維渲染如圖4所示,灰色為固相,藍色為孔隙損傷相,隨著加熱溫度的升高,炸藥樣品中損傷增多。20 ℃樣品中孔隙主要是小孔洞,且RDX顆粒間的區(qū)域較為密集;140 ℃加熱后的樣品中孔洞與20 ℃樣品中的相比,孔洞數(shù)量明顯增多且尺寸變大;160 ℃ 和180 ℃ 加熱后的樣品中顆粒周圍出現(xiàn)了連續(xù)損傷,對圖4(c)紅色方框部分放大(見圖4(e)),可以看到顆粒與粘結(jié)劑界面脫粘結(jié)構(gòu)細節(jié)。從圖4(d)觀察到180 ℃樣品中RDX顆粒中出現(xiàn)了大量的微小損傷。

圖4 不同熱處理溫度下炸藥樣品三維渲染圖(樣品中灰色為RDX、藍色為孔隙)

為了深入研究炸藥的熱損傷形式,提取樣品內(nèi)部的孔隙損傷并進行標(biāo)記渲染,如圖5所示,圖中每種顏色并非特指某類型孔隙,顏色僅用于隨機填充孔隙區(qū)域,勾勒與鄰近炸藥固相的界面(渲染方法同中國省份地圖),同一色塊尺寸越大,說明此處孔隙趨于連通孔隙。從圖5中可以看出:20 ℃和140 ℃樣品中孔隙顏色混雜,即損傷主要為離散的小孔洞;隨著加熱溫度的升高,160 ℃樣品和180 ℃樣品中出現(xiàn)了大片的紅色區(qū)域,說明損傷主要為連通孔隙。進一步提取圖5樣品中的連通孔隙(即貫穿樣品表面的孔隙,簡稱通孔,孤立孔與之相反),如圖6所示,20 ℃樣品中沒有形成連通孔隙,140 ℃樣品中形成了一個等效直徑(等效直徑定義為與孔隙具有相同體積的球的直徑)為539.5 μm、體積為8.22×107μm3的不規(guī)則連通孔隙,160 ℃和180 ℃樣品中形成了一個大范圍的連通性孔隙,等效直徑分別為1 243.5 μm、1 241.3 μm,體積分別為1.007×109μm3和1.001×109μm3。對比圖5(c)和圖6(b)以及圖5(d)和圖6(c),可知圖6(b)～圖6(c)中的連通性孔隙即為圖5(c)～圖5(d)中的大片紅色區(qū)域。在圖6(c)中截取 1 mm×1 mm×1 mm立方體子體積,放大如圖6(d)所示,藍色為孔隙,明顯可以看出此孔隙形狀近似為薄壁,圍繞RDX顆粒,此孔隙特征正是由顆粒-粘結(jié)劑界面熱力學(xué)脫粘導(dǎo)致的。

圖5 不同熱處理溫度下炸藥樣品孔隙三維渲染

圖6 不同熱處理溫度下炸藥試樣連通孔隙三維渲染

2.2 損傷量化表征

采用多個物理量如孔隙率、孔隙尺寸分布、孔隙比表面積、球度和泛形復(fù)雜度等表征炸藥樣品內(nèi)部損傷特征,并關(guān)注其隨溫度的變化規(guī)律。其中,孔隙率、孔隙尺寸分布、孔隙比表面積是定量表征損傷度的常用物理量,球度體現(xiàn)了損傷的形狀特征,泛形復(fù)雜度定量描述了損傷的空間分布復(fù)雜程度,通過這些物理量可以全面了解炸藥樣品內(nèi)部損傷演化情況。孔隙率、孔隙尺寸分布、孔隙比表面積和泛形復(fù)雜度為后續(xù)構(gòu)建炸藥點火后泛形反應(yīng)演化模型提供了必要數(shù)據(jù)。

2.2.1 孔隙率

基于上述炸藥樣品的三維損傷特征結(jié)構(gòu),分別計算其二維CT切片的孔隙率和三維孔隙率,獲得切片的孔隙率和三維孔隙率隨溫度變化的演化情況。不同溫度熱處理后樣品CT切片的孔隙率隨切片位置(以樣品軸向中心切片位置為原點,向上為正)的分布曲線如圖7(a)所示,CT切片間距為2.5 μm,4個樣品三維孔隙率隨熱處理溫度的演化規(guī)律如圖7(b)所示,20 ℃、140 ℃、160 ℃和180 ℃熱損傷樣品的孔隙率分別為2.499%、3.435%、4.351%和5.119%。由圖7(a)和圖7(b)可以看出,不同截面(切片)孔隙均質(zhì)性較差,切片孔隙率隨位置波動,說明本批次壓裝樣品細觀結(jié)構(gòu)不均勻;隨著熱處理溫度升高,樣品孔隙率增大,20 ℃～140 ℃熱處理后樣品的孔隙率增長較慢,超過 140 ℃孔隙率迅速增長。

圖7 不同熱處理溫度下炸藥試樣的孔隙率

三維總孔隙度包含通孔孔隙度和孤立孔孔隙度兩部分,根據(jù)三維損傷結(jié)構(gòu)提取的連通孔隙式損傷,研究樣品的通孔孔隙率和孤立孔孔隙率隨溫度的變化規(guī)律,如圖7(b)所示,孤立孔的孔隙率呈現(xiàn)先增加后減小再增加的趨勢,而通孔的孔隙率呈現(xiàn)先增加后大致不變的趨勢。本批次炸藥樣品中,20 ℃樣品中不存在通孔,孔隙均為顆粒間的孤立孔;140 ℃的熱損傷樣品中形成了小范圍通孔,通孔孔隙率略微增長至0.49%,孤立孔孔隙率略微增長了0.45%;160 ℃的熱損傷樣品中通孔孔隙率猛增至3.43%,孤立孔孔隙率從2.95%下降至0.92%,這是因為隨著加熱溫度的升高,大量獨立的小孔洞合并、連通,形成連通大孔隙;熱處理溫度超過160 ℃后,直至180 ℃,樣品中通孔孔隙率幾乎沒有變化,為3.41%,分析原因可能是因為樣品熱力學(xué)脫粘程度達到極限,閉孔隙率較160 ℃的樣品增長了0.79%,這是由RDX顆粒高溫?zé)岱纸庖鸬摹＿B通孔隙的形成極大地提高了樣品的滲透率,對點火前和點火后的氣體輸運均具有重要影響[1,5-6]。

2.2.2 孔隙尺寸分布

采用三維孔隙結(jié)構(gòu)模型進一步分析樣品中孔隙尺寸(以孔隙體積表示)分布,樣品中每一個孔隙的體積均通過Avizo軟件計算并單獨標(biāo)記。對不同溫度熱處理的炸藥樣品內(nèi)部不同尺寸孔隙的數(shù)量進行統(tǒng)計分析和研究,結(jié)果如表1所示,20 ℃樣品中孔隙尺寸處于103～104μm3的孔隙數(shù)量最多,達到 8 602個;隨著熱處理溫度的提高,樣品中孔隙數(shù)量峰值左移,尺寸處于10～102μm3的孔隙數(shù)量最多。140 ℃樣品中孔隙尺寸處于10～102μm3的孔隙數(shù)量比20 ℃樣品大致增加了5倍,這是因為熱處理造成顆粒間熱力學(xué)脫粘,在樣品中產(chǎn)生大量新的缺陷位置;160 ℃樣品中孔隙尺寸處于10～102μm3的孔隙數(shù)量比140 ℃樣品減少了近一半,這與更高的熱處理溫度導(dǎo)致顆粒間的孤立小孔洞(尺寸處于10～102μm3的孔隙)發(fā)生合并、連通成顆粒間的大孔隙有關(guān)。180 ℃樣品中孔隙尺寸處于10～102μm3和102～104μm3的孔隙數(shù)量相對于160 ℃樣品分別增加了25倍和18倍,此孔隙數(shù)量的劇增歸因于RDX顆粒高溫?zé)岱纸庑纬尚】?正如圖3(d)觀察到的RDX顆粒內(nèi)部大量孤立小孔洞一樣。

表1 各溫度樣品中不同尺寸孔隙對應(yīng)的數(shù)量

統(tǒng)計每一孔隙尺寸區(qū)間對應(yīng)的孔隙體積,并歸一化獲得對應(yīng)的孔隙體積百分比,即孔隙尺寸分布,如圖8所示。由圖8(a)和圖8(b)可以看出:20 ℃(未經(jīng)加熱)樣品中孔隙尺寸大多在104～108μm3范圍內(nèi),累計尺寸分布超過95%;140 ℃樣品中孔隙尺寸范圍更寬,大多在104～109μm3范圍內(nèi),累計尺寸分布超過99%。由圖8(c)和圖3(d)可以看出,160 ℃和180 ℃樣品中在10～108μm3范圍內(nèi)的孔隙尺寸呈正態(tài)分布,但累積尺寸分布較小,160 ℃樣品中大約占21%,180 ℃樣品中大約占33%;盡管在109～1010μm3范圍內(nèi)只有單一孔隙(從圖5、圖6中可知此孔隙為通孔),但其在孔隙體積百分比中占比很大,160 ℃樣品中大約為79%,180 ℃樣品中大約為67%。180 ℃樣品中大尺寸的孔隙(109～1010μm3)占比相較于160 ℃樣品減小,是由于 180 ℃樣品中RDX熱分解形成了大量的小孔隙,其中10～108μm3尺寸范圍內(nèi)的孔隙占比增大導(dǎo)致的。

圖8 不同熱處理溫度下炸藥樣品孔隙尺寸分布

2.2.3 孔隙比表面積

熱處理過程中RDX顆粒與粘結(jié)劑界面脫粘和RDX顆粒的高溫?zé)岱纸庑纬傻目紫稉p傷結(jié)構(gòu)導(dǎo)致了孔隙和樣品的表面積均增大。根據(jù)三維孔隙結(jié)構(gòu)模型計算孔隙的表面積和比表面積,孔隙比表面積定義為孔隙表面積與樣品體積之比,結(jié)果如表2所示。隨著熱處理溫度的升高,樣品內(nèi)形成了更多的孔隙,孔隙表面積、比表面積均提高;熱處理溫度低于140 ℃時,樣品比表面積略微增長;超過160 ℃后由于樣品中形成了連通的曲折孔隙,比表面積幾乎成倍提高。20 ℃樣品中不存在通孔,140 ℃樣品中通孔表面積增加至1.39×106μm2,160 ℃樣品中通孔表面積較140 ℃樣品的通孔表面積成百倍增長,然而180 ℃樣中的通孔表面積又有略微降低,這可能是實驗誤差導(dǎo)致的。

表2 不同溫度熱處理后炸藥樣品孔隙的比表面積

2.2.4 球度

除了上述3種關(guān)鍵參量,孔隙的幾何形態(tài)對RDX基PBX炸藥的力學(xué)性能和燃燒性能至關(guān)重要。長孔隙提供產(chǎn)物氣體和燃燒火焰進入炸藥基體的通道,使得炸藥中發(fā)生層流燃燒到對流燃燒的轉(zhuǎn)變[1,29]。孔隙的幾何形態(tài)通常使用球度表征,球度S定義為與給定孔隙體積相同的球體表面積與該孔隙表面積的比值,計算公式如下:

(1)

式中:V、A分別為孔隙的體積與表面積。球度S的值越趨近于1,表明孔隙形狀越接近為球;球度S的值越小,表明孔隙形狀越不規(guī)則和呈長條形。

由于Avizo軟件使用弧線近似計算孔隙表面積,弧線近似相較統(tǒng)計小孔洞的體素總面積能給出更好的面積近似,然而在計算由少量體素組成的小孔洞的球度可能出現(xiàn)大于1的情況,比如單個體素構(gòu)成的小孔隙按以上公式計算出的球度為0.806,而Avizo軟件計算出的球度為1.610。使用Avizo軟件計算每個孔隙的球度,忽略因孔隙表面弧線近似造成其球度大于1的情況,得到孔隙球度與孔隙體積的散點圖,如圖9所示。從圖9中可以看出,所有熱處理樣品中孔隙球度與孔隙體積均呈負指數(shù)相關(guān),越小的孔隙趨向于越大的球度,而越大的孔隙趨向于越小的球度。從20 ℃樣品中提取典型孔隙形狀的三維圖像如圖9(a)所示,藍色標(biāo)記的不規(guī)則大孔球度為0.21,體積為1.59×106μm3;紅色標(biāo)記的近似球的小孔球度為0.84,體積為2 609 μm3。

圖9 不同熱處理溫度下炸藥樣品孔隙球度隨尺寸的變化

2.2.5 泛形復(fù)雜度

泛形的復(fù)雜度[30]可以用來表征材料孔隙結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度,材料內(nèi)部孔洞的泛形復(fù)雜度越大,孔洞結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度越高[31]。多種高能炸藥的孔洞結(jié)構(gòu)具有明顯的泛形特征[30-32]。為了準(zhǔn)確計算樣品中孔隙的泛形復(fù)雜度,在圓柱體中心截取2.4 mm×2.4 mm×2.4 mm的立方體子體積,對其二值化(即將樣品圖像中每個體素區(qū)分設(shè)置為1或0,其中1代表孔隙相,0代表固相),使用計盒維數(shù)方法計算其泛形復(fù)雜度:

(2)

式中:D為計盒維數(shù);r和N分別為盒子尺寸與使用該尺寸盒子覆蓋孔隙相對應(yīng)的盒子數(shù)。使用Avizo軟件計算樣品2.4 mm×2.4 mm×2.4 mm立方體子體積的孔隙的泛形復(fù)雜度,結(jié)果如圖10所示,泛形復(fù)雜度的值在2.26～2.40之間,且隨溫度升高,樣品孔隙的泛形復(fù)雜度增大,因此隨溫度升高,孔洞結(jié)構(gòu)形狀越復(fù)雜,這與上述孔隙率隨溫度升高而增大相對應(yīng)。

圖10 炸藥樣品孔隙的泛形復(fù)雜度隨溫度的變化趨勢圖

3 損傷形成機制

2.1節(jié)CT掃描獲得的熱損傷形貌特征表明,熱刺激條件下RDX顆粒-粘結(jié)劑界面出現(xiàn)脫粘現(xiàn)象,脫粘傾向于出現(xiàn)在大尺寸RDX顆粒周圍(見圖3(f)、圖3(g)),并且隨著熱處理溫度升高,脫粘匯集發(fā)展成連通孔隙。Parker等[28]使用同步輻射CT研究了HMX基PBX炸藥的熱失控過程,同樣觀察到炸藥顆粒-粘結(jié)劑界面脫粘。熱刺激下炸藥顆粒-粘結(jié)劑界面脫粘失效的臨界應(yīng)力[33]表達式為

(3)

式中:E為粘結(jié)劑的楊氏模量;γ為界面的表面能;ν為泊松比;R為剛性球體顆粒半徑。當(dāng)炸藥顆粒受力超過σd時,顆粒-粘結(jié)劑界面發(fā)生脫粘失效。

從式(3)中可知,脫粘失效臨界應(yīng)力σd與顆粒半徑R呈反比,大顆粒比小顆粒更容易發(fā)生脫粘,這與CT掃描圖像觀察結(jié)果一致(見圖3(f)、圖3(g))。本文實驗所用的RDX顆粒粒度范圍在 5～150 μm之間。

試樣內(nèi)部由溫度引起的熱應(yīng)力[34]可表示為

σd=KβV(T-T0)

(4)

式中:K和βV分別為炸藥的體積模量和體膨脹系數(shù);T和T0分別為樣品高溫?zé)崽幚頊囟群统跏紲囟取ｋS著熱處理溫度的升高,樣品中的熱應(yīng)力增大,依次達到不同尺寸炸藥顆粒與粘結(jié)劑界面脫粘的臨界應(yīng)力,RDX顆粒由大到小逐漸脫粘,使得樣品內(nèi)部熱應(yīng)力承載面積降低,導(dǎo)致應(yīng)力集中加速脫粘發(fā)展,這可能是160 ℃樣品觀察到脫粘程度遠大于140 ℃樣品的原因,盡管二者之間由溫度引起的熱應(yīng)差異不大。一旦大量RDX顆粒脫粘,樣品內(nèi)脫粘程度趨于定值,這與CT圖像結(jié)果一致,即160 ℃樣品和 180 ℃ 樣品中脫粘遍布整個樣品并且脫粘匯集引起的連通孔隙的孔隙率幾乎保持不變。由于缺乏RDX-PDMS界面材料參數(shù),目前未采用式(3)和式(4)對炸藥樣品進行具體數(shù)值計算。

高溫條件下炸藥分解反應(yīng)速率增大,往往在炸藥晶體生長缺陷、顆粒邊界和顆粒-粘結(jié)劑材料界面處發(fā)生分解成核反應(yīng),產(chǎn)生的產(chǎn)物氣體填充當(dāng)?shù)乜紫禰5,35-36]。本文實驗所用的RDX顆粒表面粗糙,小型晶粒附著在大型晶粒上,部分晶粒內(nèi)部存在微小的泡狀缺陷,如圖11所示,這些缺陷是RDX顆粒潛在的熱分解成核點,高溫條件下發(fā)生熱分解反應(yīng)形成孔隙。在180 ℃下經(jīng)歷了等溫?zé)嵩?0 h的炸藥樣品,其CT圖像中觀察到RDX顆粒內(nèi)部存在大量孤立小孔洞(見圖3(d)和圖4(d)),這正是RDX顆粒熱分解引起的。江鵬[37]使用SEM觀察到加熱溫度為180 ℃的RDX基PBX炸藥樣品中存在很多孔隙和鼓泡,也表明在180 ℃熱處理下RDX產(chǎn)生了熱分解并形成孔隙。

圖11 放大200倍的RDX顆粒細觀形貌

為進一步分析炸藥熱損傷點火反應(yīng)機制,初步采用一步反應(yīng)動力學(xué)模型[38]描述RDX組分的熱分解反應(yīng):

(5)

式中:C為炸藥反應(yīng)物濃度;Z為指前因子,Z=9.01×1010s-1;Ea為炸藥活化能,Ea=1.475×105J/mol;R為普適氣體常數(shù),R=8.314 J/(mol·K)。由式(5)計算得到160 ℃和180 ℃下保溫10 h樣品熱分解量分別占樣品總量的0.54%和3.32%,進一步說明180 ℃樣品CT圖像顯示RDX顆粒存在大量小孔洞是由于熱分解反應(yīng)導(dǎo)致。限于CT圖像微米分辨率(2.5 μm),無法觀測到樣品中RDX內(nèi)部是否形成納米量級的熱分解孔隙,這也可能是160 ℃樣品存在熱分解而在CT圖像中無法觀察到的原因。后續(xù)工作將考慮使用SEM對不同溫度熱損傷樣品的顆粒截面進行觀測。

綜上所述,本文實驗用RDX基PBX炸藥樣品,在熱處理溫度160 ℃以下時,樣品中的損傷主要為RDX顆粒-粘結(jié)劑界面力學(xué)脫粘,脫粘逐漸發(fā)展演化成大范圍的連通孔隙,由熱力學(xué)機制起主導(dǎo)作用;熱處理溫度超過160 ℃時,樣品中的損傷主要為脫粘演化成的大范圍連通孔隙以及RDX顆粒內(nèi)部熱分解形成的微孔,由熱力學(xué)機制和熱化學(xué)機制共同作用。

4 結(jié)論

本文采用CT和基于Avizo軟件的定量圖像分析方法,系統(tǒng)研究了RDX基PBX炸藥的熱損傷特征,包括損傷形貌特征、損傷量化表征和損傷形成機制,分析了該PBX炸藥隨溫度變化的損傷模式和損傷演化規(guī)律。得到如下主要結(jié)論:

1)與未加熱(20 ℃)樣品相比,高溫處理后炸藥內(nèi)部細觀結(jié)構(gòu)發(fā)生了顯著變化,產(chǎn)生了炸藥顆粒-粘結(jié)劑界面力學(xué)脫粘、炸藥顆粒內(nèi)部熱分解形成微孔以及脫粘區(qū)域匯聚形成連通孔隙等典型熱損傷特征。

2)采用多個物理量如孔隙率、孔隙尺寸分布、孔隙比表面積、球度和泛形復(fù)雜度等表征炸藥樣品內(nèi)部熱損傷特征,獲得了其隨溫度的變化規(guī)律,用于量化分析炸藥熱損傷演化規(guī)律。

3)高溫處理過程中炸藥內(nèi)部熱應(yīng)力誘發(fā)炸藥顆粒-粘結(jié)劑界面脫粘;隨著熱處理溫度的升高,脫粘區(qū)域逐漸發(fā)展、匯集形成連通孔隙;高溫?zé)嵩l件下炸藥顆粒熱分解,導(dǎo)致內(nèi)部產(chǎn)生大量微孔。

此外,由于CT掃描實驗屬非實時測量,高溫處理后的樣品在降溫過程中會引起額外損傷,從而造成實驗誤差,同時不同溫度熱處理使用不同樣品也會引起誤差。后續(xù)工作將進行原位加熱CT掃描實驗,以實時表征炸藥隨溫度變化的損傷模式和損傷演化規(guī)律。本文研究結(jié)果可為后續(xù)建立熱損傷點火機制模型、點火后反應(yīng)演化泛型模型提供物理依據(jù)。