固化温度及固化剂种类对模拟PBX浇注炸药力学性能的影响

测试了端羟基聚丁二烯-异佛尔酮二异氰酸酯-三苯基铋(HTPB-IPDI-TPB)和端羟基聚丁二烯-六亚甲基二异氰酸酯三聚体-亚乙基二胺(HTPB-HDI-trimer-DABCO)两种黏结剂在不同固化温度下对模拟PBX浇注炸药的力学性能的影响。实验结果表明,随着固化温度的升高,HTPB-IPDI-TPB和HTPB-HDI-trimer-DABCO制备的模拟PBX浇注炸药药柱的力学性能增强。固化剂IPDI和HDI-trimer对药柱的机械性能有较大影响,与含IPDI炸药相比,含HDI-trimer的炸药药柱的剪切强度在35℃增大50.27%,45℃增大34.30%,55℃增大44.83%;抗拉强度在35℃降低82.66%,45℃降低78.73%,55℃降低82.22%;抗压强度在35℃增大54.85%,45℃增大45.25%,55℃增大53.38%。HDI-trimer形成三维网状结构降低了药柱的抗拉强度。

升温加载下含LLM-105的RDX基浇注炸药热点火细观模拟

为了解加入含能钝感剂2,6-二氨基-3,5-硝基吡嗪-1-氧化物(LLM-105)对RDX基浇注炸药热安全性的影响,根据LLM-105的不同含量和晶型,建立了含LLM-105的RDX基浇注炸药二维细观模型。利用有限元方法,考虑LLM-105和RDX的自放热反应,模拟了不同工况下边界升温速率为6K/min的点火行为,分析了含LLM-105的RDX基浇注炸药点火响应规律。结果表明,在持续稳定的加热条件下,浇注PBX炸药匀速升温,RDX先于LLM-105分解放热导致炸药发生毫秒级点火响应;在浇注PBX炸药模型中增加LLM-105含量后,点火源数量减少至10个,点火延滞时间延长至1 926s;细化后无棱角且粒径小的LLM-105颗粒有利于提高RDX基浇注PBX炸药的热安全性。

基于光纤布拉格光栅的浇注炸药固化温度监测

首次采用光纤Bragg光栅实时测量浇注炸药在固化成型过程中固化剂与粘结剂的反应放热量。为了实时、准确的测量出浇注炸药在固化过程中的温度值,设计了基于光纤布拉格光栅的组网式温度监测系统。鉴于炸药成分的危险性、以及浇注炸药固化过程时间长、对条件要求恒温的特殊性,直接的实时监测一直未找到合适的测量方法。近年来,光纤布拉格光栅由于其优越的特点,在通信和传感领域得到广泛应用。利用光纤光栅与温度之间的线性关系,将采集的光栅反射波长值换算为温度实时显示。通过波分复用技术在两根光纤上写入7个光栅点同时测量,多点分布式测量可以将炸药内部温度的分布趋势显示出来。封装的光栅传感器采用90°弯曲设计,不仅改进了传感器与跳线的连接,同时有利于装入烘箱内。Origin软件将txt数据绘制成曲线图形式,将固化过程温度的变化直观明了的显示出来。结果表明,该方法操作简单,精确度高,满足炸药固化过程中对温度的测试需求。

高致密球形RDX基浇注炸药的性能

为探索高致密球形黑索今(H-RDX)与普通黑索今(RDX)对浇注炸药性能的影响,采用扫描电子显微镜(SEM)、差示扫描量热仪(DSC)等对两者的晶体形貌、热稳定性及机械感度进行评估;同时以典型浇注配方为例,探讨RDX类别对药浆黏度、药柱密度、爆速和冲击波感度的影响规律。结果表明:H-RDX表面光滑,晶体缺陷少,球形度高;与普通RDX相比,H-RDX的热分解表观活化能Ea和活化焓ΔH分别高10.79 kJ·mol^-1和10.81 kJ·mol^-1,撞击和摩擦感度分别降低20%和8%;相同配方下药浆黏度降低41%~45%,药柱密度提高0.6%~3.9%,爆速提高1%~3%,冲击波感度降低10%~14%,表现出更优的工艺性能、爆轰性能及安全性能。

浇注炸药PBX⁃1侵彻安定性试验与数值模拟

为了研究浇注型高聚物黏结炸药(PBX‑1)在侵彻过程中的安定性,开展155 mm火炮发射平头试验弹侵彻混凝土靶板试验,获得了该试验条件下装药安定的临界侵彻速度约为490 m·s^-1。基于黏弹性统计裂纹(Visco‑SCRAM)模型,采用流固耦合方法模拟了安定性试验中装药的力学响应,计算了装药黏弹性变形和宏观裂纹损伤导致的温升。数值模拟结果与试验结果相一致,试验弹弹体侵彻后无明显的变形和破坏,但浇注PBX炸药在侵彻过载下发生大变形流动,部分装药从尾部缝隙挤出并发生了局部点火反应;侵彻过程中装药尾部会与药室底部发生高速碰撞,形成局部高压区,最高压力超过500 MPa,装药尾部变形和损伤严重,装药尾部在碰撞和挤出时,温度会急剧升高,从而导致意外点火。

湿热加速老化对季戊四醇丙烯醛树脂-RDX浇注炸药力学性能的影响

为了评估湿热老化对季戊四醇丙烯醛树脂(123树脂)-黑索今(RDX)浇注高聚物黏结炸药(PBX)炸药性能的影响,开展了湿热加速老化试验研究。采用水分吸附仪,材料试验机,扫描电镜以及红外光谱等表征方法,分析了该浇注PBX炸药试件的吸湿性能及其湿热老化前后的力学性能、断面形貌和老化机理。结果显示,RDX、123树脂及其浇注PBX的吸湿率随相对湿度的升高逐渐增加,其中123树脂的吸湿率最大,相对于主炸药RDX有较强的吸湿性,表明浇注PBX的吸湿性由体系中123树脂占主导;红外光谱结果显示123树脂经湿热老化后存在吸湿水解现象,同时湿热老化显著影响123树脂基浇注PBX力学性能,环境湿度越高123树脂基浇注PBX力学性能下降越显著,且随着老化时间延长力学性能下降明显;经65℃/90%RH老化5 d抗压强度下降了17.60 MPa,降幅达24.09%,抗拉强度下降了2.32 MPa,降幅达28.78%,当老化30 d时抗压强度下降了77.80%,抗拉强度下降了58.56%。研究结果表明123树脂基浇注PBX对湿度较敏感,而123树脂吸湿水解是导致浇注PBX力学性能显著下降的主要原因。

浇注PBX炸药的准静态压缩力学性能

利用材料实验机进行了PBX-1炸药准静态压缩实验,获得PBX-1炸药真应力——应变曲线和表观应力——应变曲线,分析了应变速率和温度对炸药力学性能的影响。结果表明:与表观应力——应变曲线相比,真应力——应变曲线所测的抗压强度值下降了0.09MPa,屈服应变也降低了0.8%,ε=7%时压缩模量降低了1.0MPa。PBX-1炸药的抗压强度随着应变速率增加而增高,随温度的增高而降低;屈服应变并没有随应变速率和温度发生变化。PBX-1炸药在71℃固化75d内,抗压强度没有随时间降低。

浇注六硝基六氮杂异伍兹烷基混合炸药驱动性能

为研究浇注六硝基六氮杂异伍兹烷(CL-20)基混合炸药的金属驱动特性,制备了CL-20∶端羟基聚丁二烯(HTPB)∶Al-Zn配比为84∶11∶5的浇注CL-20基炸药试样GWL.测试GWL密度、爆速、爆压、机械感度以及快速烤燃、慢速烤燃和枪弹撞击3项不敏感特性,发现其炸药密度为1.78 g/cm 3、爆速为8750 m/s、爆压为33.21 GPa,不敏感试验反应等级均为燃烧,机械感度也符合炸药使用要求。采用50 mm标准圆筒试验测试了GWL炸药试样的做功能力,发现GWL炸药试样驱动圆筒在41 mm特征点上的速度为1730 m/s.应用有限元分析软件Autodyn时圆筒试验过程进行数值模拟计算,通过对比试验结果与数值模拟结果,得到GWL炸药的JWL状态方程;设计CL-20∶HTPB配比为89∶11的无金属粉炸药试样GC,在相同试验条件下测试了GC的机械感度与爆炸驱动能力,结果表明GC与GWL两种炸药试样驱动能力相当,但是GC炸药的机械感度高于GWL炸药。采用Autodyn软件建模对比研究了GWL炸药与C-1炸药和LX-14炸药的驱动能力,结果显示:GWL炸药驱动破片的终速比LX-14炸药高2.6%;其驱动性能优良,是一种高能低感度的新型CL-20基浇注炸药。

浇注CL-20基混合炸药的高速破片撞击安全性

为提高CL-20在混合炸药中的应用性能,研究了CL-20基混合炸药在高速破片撞击下的安全性,制备了CL-20与端羟基聚丁二烯质量比为87∶13的浇注CL-20基炸药试样(GW炸药);采用静爆试验和高速破片撞击试验方法,获取了浇注CL-20基混合炸药在高速破片撞击下的安全性反应等级;通过分析对比静爆试验和高速破片撞击试验的超压数据、影像资料和见证板的破坏情况,综合判断GW炸药试样在高速破片撞击下的反应等级,得到破片撞击速度和破片撞击质量对GW炸药试样的撞击安全性的影响。静爆试验结果表明,GW炸药具有良好的破片驱动能力,测得壳体破片速度为1435m/s,4m处的超压均值为0.09MPa。高速破片撞击试验结果表明,GW炸药在破片质量为16g的高速撞击条件下发生燃烧反应,具有良好的安全性;在破片质量为50g、速度为1412m/s的撞击条件下发生爆轰反应,证明GW炸药试样在大质量破片高速撞击的刺激下炸药响应剧烈。

浇注PBX炸药老化过程中交联密度与力学性能的关系

为分析浇注PBX炸药交联密度与力学性能的关系,在70℃时对浇注PBX炸药样品进行高温加速老化试验,对比分析了平衡溶胀法和核磁共振(NMR)法测定交联密度的差异,研究了其在常温时的抗拉强度(σm)、抗压强度(σb)、压缩率(εb)、抗剪强度(τ)、硬度(SH)与黏结剂母体凝胶分数(G)、交联密度(ve)之间的关系。用动态热机械分析仪(DMA)分析了不同老化时间下样品损耗因子tanδ和黏弹系数的变化规律。结果表明,PBX炸药样品的交联密度在老化初期增加,老化中期略有降低,老化后期又增加;NMR法因其测试简单、快捷,精确度高、试样非破坏性等优点,可以作为今后浇注PBX炸药交联密度表征方法的一个重要发展方向;样品老化过程中,浇注PBX炸药样品的交联密度与各力学性能的变化呈线性相关,其力学损耗降低的原因是黏结剂母体的G和v_e增加,浇注PBX炸药的降解和交联是由黏结剂母体结构变化引起。

动态热机械分析法研究HTPB/AP基浇注PBX炸药的老化性能

采用动态热机械分析(DMA)法研究了HTPB/AP基浇注PBX炸药的动态力学性能,利用损耗因子(tanδ)、动态柔量(D′和D″)、黏弹系数和交联密度表征了其在70℃下的老化性能。结果表明,随老化时间的延长,HTPB/AP基浇注PBX炸药的tanδ的β峰值呈先增加后减小的变化趋势,α峰值则持续减小;D′和D″均呈先增加后逐渐减小的变化趋势;黏弹系数C_1增加;交联密度呈现先增加后略有降低再增加的变化规律。同时,扫描电子显微镜(SEM)的分析测定结果也验证了老化过程中造成力学损耗降低的根本原因是黏结剂基体的氧化交联,主要原因是填料/黏结剂的界面脱粘。

典型浇注PBX炸药的准静态压缩力学行为

采用定应变压缩试验研究了准静态压缩条件下浇注PBX炸药(浇注型高聚物黏结炸药)的力学行为,测试了典型浇注炸药PBX-1在损伤前、后的性能,获得了炸药的真应力-应变曲线。试验结果表明,浇注PBX炸药在准静态压缩条件下的力学行为分为接触压缩、弹性变形、损伤破坏和应变软化4个阶段。在压缩应变不超过损伤应变时,PBX-1炸药主要以弹性变形为主,屈服强度和屈服应变没有发生明显改变;在压缩应变超过损伤应变后,炸药中黏结剂断裂,颗粒脱黏,发生塑性变形。压缩应变增加至8%后,PBX-1炸药密度降低,残余应变增大;PBX-1炸药的屈服强度为0.6 MPa,屈服应变为10.6%,损伤应变为8%,炸药的损伤应变可以作为强度校核的依据。

浇注PBX炸药药柱的动态撞击性能

将浇注型PBX-1药柱以150、240m/s速度撞击靶板,用扫描电子显微镜(SEM)技术和差示扫描量热仪(DSC)技术对撞击加载后的样品进行了分析,研究了浇注PBX炸药药柱的动态撞击性能。结果表明,在150、240m/s撞击加载条件下,PBX-1炸药不发生反应或点火;浇注炸药药柱的损伤主要表现为炸药颗粒破碎和颗粒与黏结剂的脱离。随着撞击加载速度的增大,PBX-1炸药颗粒破碎程度增大,炸药颗粒与高分子基体发生脱离现象越严重;PBX-1炸药撞击前后,热分解性能没有发生本质性的变化。

利用分离式Hopkinson压杆技术研究浇注PBX炸药的老化性能

利用分离式霍普金森压杆(SHPB)技术研究了HTPB/AP基浇注PBX炸药70℃下的老化性能和在不同应变率、不同老化时间、不同温度下的动态力学性能;同时,运用扫描电子显微镜分析了炸药在高应变力下的微观损伤结构。结果表明,高应变率下的应力应变大于低应变率下,应力应变具有应变率效应;随着老化时间的增加,高温试验条件下,浇注PBX炸药的失效应变从0.364减小到0.343,失效应变逐渐减小;低温试验条件下,浇注PBX炸药的失效应变在0到56d时从0.32增加到0.34,之后基本保持不变。同时,微观、宏观损伤模式表明,界面脱黏和晶粒破碎两种损伤模式并存,应变率越高,晶粒的破碎作用越明显。

偶联剂在HMX基浇注固化炸药中的作用

在以奥克托今 (HMX)为基的浇注固化炸药 (ECX)体系中 ,界面存在“脱粘”观象 ,加入少量偶联剂可有效地改善HMX晶体的表面状态 ,增强晶体与粘接剂之间的界面作用 ,提高粘结强度。实验表明 :分子中同时含有羟基和胺基的酰胺类化合物是ECX合适的偶联剂。

大药量浇注PBX炸药工程化设计

为尽快将浇注PBX炸药转化为产品,借鉴成熟的推进剂工艺技术,对高性能浇注PBX炸药的工程化和规模化生产开展了有关研制工作。通过实现各工序、各设施生产能力的匹配,采用系列机械化、自动化的工艺设备,实现隔离或远距离操作。其中关键工艺装备包括大型混合机系统、炸药及氧化剂自动称量处理系统、铝粉处理系统、大型真空浇注系统和自动清洗系统。在生产能力扩大的同时,有效保证产品质量,保护人员安全健康,提高工艺过程的本质安全化水平。

不同铝粉含量黑索今基浇注高聚物黏结炸药的慢速烤燃特性

通过差式扫描量热法(DSC)测定不同比例Al/RDX浇注高聚物黏结炸药(PBX)的热分解过程,分别获得不同升温速率下的热分解峰温,根据Kissinger方程计算了其表观活化能,分析了表观活化能与Al/RDX比例的关系。采用实验室慢速烤燃试验,获取了不同Al/RDX比例配方的响应特性。结果表明,Al/RDX比例与配方表观活化能及慢速烤燃响应特性有关,Al含量为15%时,表观活化能最小,发生慢速烤燃响应的时间最早,但是响应剧烈程度最低。

多官能团聚叠氮缩水甘油醚基浇注聚合物粘结炸药的固化反应动力学和固化工艺参数

为设定多官能团聚叠氮缩水甘油醚(ATP)在聚合物粘结炸药(PBX)中应用时的固化工艺参数,开展ATP基PBX固化测试方法和固化工艺实验研究。采用非等温差示扫描量热法和流变法进行实验,研究ATP基PBX固化过程中热量和储能模量的变化,获得PBX的固化反应动力学方程和固化工艺参数。实验结果表明:流变法可作为表征ATP基PBX固化反应的测试方法,ATP基PBX的固化反应动力学方程为dαdt=2.0×1019exp-1.51×105RTα0.42(1-α)1.30,α为固化度,t为时间,R为气体常数,T为温度。ATP基PBX直接在60℃恒温固化时PBX内部出现大量气孔,采用先30℃后60℃的阶梯固化工艺时PBX内部无气孔;ATP基PBX 30℃的最优固化时间为68 h,60℃的最优固化时间为66 h.

基于端羟基含氟黏合剂的含铝浇注PBX炸药性能

为提高炸药密度及爆轰能量,将端羟基含氟黏合剂(密度1.40 g·cm^(-3))应用于浇注PBX(polymer bonded explosive)炸药配方中。研究了甲苯二异氰酸酯(TDI)、异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)、六亚甲基二异氰酸酯(HDI)、六亚甲基二异氰酸酯三聚体(3HDI)四种异氰酸酯固化剂对端羟基含氟黏合剂体系粘度、固化过程的影响,同时考察了固化剂对固化成型和力学性能的影响。结果表明,固化剂可显著降低黏合剂体系粘度。在25~70℃考察温度范围内,温度越高,黏合剂体系粘度越低。60℃以上端羟基含氟黏合剂体系粘度变化平缓且各体系相差较小。三官能度异氰酸酯作为固化剂,粘度、开放期及凝胶时间更适用于浇注PBX炸药制备工艺。基于88%固含量的含铝浇注炸药配方和捏合-真空吸注-固化制备工艺,以HTPB作为对比,研究端羟基含氟黏合剂对炸药制备工艺及性能的影响。端羟基含氟黏合剂基PBX炸药浇注流变性能和固化成型质量均较好,密度和爆热分别为1.96 g·cm^(-3)和7790 J·g^(-1),较HTPB基PBX炸药分别提升6.52%和6.55%。

低易损浇注HMX⁃Al基PBX炸药设计与性能

为提高HMX⁃Al基混合炸药的能量和低易损性能,通过分析计算Al含量、奥克托今(HMX)含量对炸药爆轰性能的影响规律,确定了高固含量含铝PBX(polymer bonded explosive)炸药设计依据,在此基础上通过三级颗粒级配优化、固化体系筛选及降感剂、工艺助剂的选择应用,制备了固相含量90%(HMX/Al=75/15)的端羟基聚丁二烯(HTPB)/异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)黏结体系浇注固化炸药GOL⁃42,炸药工艺及安全性能优良。按照GJB772A等方法对GOL⁃42炸药进行了爆轰能量、低易损性、力学性能、热性能及加速贮存性能测试,结果表明:该炸药实测密度1.782 g·cm^(-3)、爆速8251 m·s^(-1)、爆压26.9 GPa,Φ25 mm圆筒试验格尼系数2.76 mm·μs^(-1),在快速烤燃、慢速烤燃、子弹撞击试验中响应程度均为低反应等级的燃烧反应,炸药综合性能优良,预估贮存寿命20年以上,是一种长寿命低易损浇注炸药。