炸药造型颗粒随机堆积体系物理参量无损表征

炸药造型颗粒作为高聚物粘结炸药(Polymer‑bonded explosive,PBX)构件成型的中间体,表征其体系物理参量对掌握不同造型颗粒对PBX构件性能的影响具有重要意义。利用X射线层析成像(XCT)和图像处理技术无损表征了9种造型颗粒样品随机堆积体系(包含粒径、体积分数、孔隙率、球形度以及本征密度)的物理参量。9种造型颗粒堆积体系平均粒径最大为1.04 mm,体积分数最高可达68.7%,孔隙率最低为1.04%,平均球形度最高为0.93,密度最大为1.44 g·cm^(-3)。结果表明,造型颗粒配方中粘结剂种类、炸药晶体成分、炸药晶体配比以及造粒工艺对颗粒堆积体系物理参量有重要影响,且颗粒堆积体系物理参量之间存在相关性。体系粒径分布越分散,颗粒平均表面积越大;体系平均粒径越大、平均球形度越低,颗粒平均孔隙率就越高;平均粒径较大的颗粒堆积体系体积分数较高,当体系平均球形度较大时颗粒堆积的体积分数与球形度无关。研究为掌握造型颗粒堆积体系的物理参量以及颗粒结构与材料性能关系提供了基础。

造型颗粒统计特征参量CT量化表征方法

为了量化表征造型颗粒结构统计特征参量,基于显微CT、图像处理与统计分析技术开展了造型颗粒统计特征参量表征方法研究,利用该方法对TATB基造型颗粒统计特征参量进行表征并用筛网筛分实验对表征结果进行了验证,对表征结果的稳定性和重复性进行了评估。结果表明,该方法可实现对造型颗粒粒径、形貌、孔隙、密度、堆积特性的量化表征,TATB基造型颗粒的粒径与球形度分别近似服从指数高斯和韦伯分布,本征密度1.35 g·cm^(-3),可见孔隙率2.3%(空间分辨率14.3μm),体积分数0.69。评估实验表明该方法具有较好准确性,表征结果具有较好的稳定性和重复性,粒径表征结果与筛网筛分结果相符,主要统计特征参量在不同时间段的测量结果相对偏差小于1%,形貌和孔隙特性表征结果受样品堆积状态影响相对较大。

TATB造型颗粒内部微结构特征

炸药造型颗粒通常是压制类高聚物粘结炸药（PBX）的基本颗粒单元,一般通过水悬浮法造粒成型,造粒结构与质量的一致性将直接影响压制成型PBX的质量与性能。TATB是目前安全性能最好的钝感炸药,以TATB为基制成的PBX更是得到了广泛应用,但TATB造粒结构特征还未完全认识,

TATB造型颗粒微细结构X射线亚微层析成像

利用X射线亚微层析成像技术无损研究了1,3,5-三氨基-2,4,6-三硝基苯(TATB)造型颗粒微细结构特征,获得了TATB造型颗粒的三维结构图,结果显示颗粒内部存在明显的、可定量的孔隙、涡环层、致密表层及高密度杂质等。分析表明,内部孔隙形态与分布受湍流作用模式影响;凝结涡旋环尺寸越小愈呈椭圆形,短长径比趋于0.7,涡耗散趋于稳形耗散;湍流涡扩展是致密表层形成的主要成因;高密度杂质靠近颗粒表面证明颗粒经历强旋转。

TATB造型颗粒模压结构演变的X射线层析成像

利用X射线层析成像技术结合内置变形材料的形变特征,研究了TATB造型颗粒压制过程中颗粒变形和结构演变。CT图像显示：中部颗粒主要发生向下的压实变形,模具壁附近颗粒向下压实同时还会发生拱起变形;孔隙率变化主要发生在压制初期,即0~10 MPa压力下,上、中、下各部位（分别距顶面5,20,35 mm处）孔隙率分别减少了73%,62%和58%,压制各阶段孔隙率沿轴向由上至下递增;颗粒主要在压制方向（轴向）发生位移,模具与颗粒间的摩擦力大于颗粒间摩擦力,中部的颗粒向下发生较大位移。结果表明,X射线层析成像可无损表征造型颗粒受压过程内部结构演变,颗粒形态变化和相互接触关系揭示了受压颗粒间作用模式,颗粒位移间接反映了炸药内部应力传递情况。

TATB造型颗粒温等静压成型X射线微层析成像

与传统钢模成型相比,温等静压成型是一种获得致密、均匀高聚物粘结炸药的更优方法,为温等静压成型高聚物粘结炸药精密物理性能研究提供细观结构基础,利用X射线微层析成像技术研究了三氨基三硝基苯(TATB)造型颗粒经温等静压成型圆柱样品的三维细观结构。结果显示,TATB造型颗粒经过温压后仍保留完整,典型形态呈多边体,压实颗粒间有高密度薄层、颗粒接触数最大达到12。CT图像分析表明,压实颗粒尺寸轴向分布保持不变,径向存在沿轴心方向的密度降和压力降;层面密度离散性高于1.15%,但体密度趋向均匀;分析内部力链分布情况,发现了温等静压成型过程TATB造型颗粒呈现等向压缩特征;基于细观颗粒接触角统计了颗粒接触数,证实了压实颗粒构形态及其排列趋向各向同性,但局部颗粒仍存在剪切压缩状态。

TATB造型粉颗粒单轴压缩力学性能

为掌握三氨基三硝基苯(TATB)造型粉颗粒力学性能,设计了一种适用于X射线微层析成像系统的原位微米力学加载装置,利用X射线微层析成像技术对颗粒细观结构特征进行了无损表征,采用Hertz法向接触模型对单个造型粉颗粒力-位移关系进行了研究,获得了单个TATB造型粉颗粒的杨氏模量、屈服点、接触刚度、破坏荷载等力学参数与颗粒外形、孔隙形态、孔隙分布等结构特征。结果表明,单个TATB造型粉颗粒准静态法向压缩过程表现出弹性变形、弹-塑性变形与破坏崩塌三个阶段,颗粒内部尺寸小且空间结构分散的孔隙在颗粒变形过程中基本不发生变化,颗粒内部尺寸大且平行于加载方向的片状孔隙显著降低颗粒破坏强度,颗粒内部结构的差异对其压缩力学性能影响较大。

单向温模压TATB基高聚物粘结炸药X射线微层析成像

利用X射线微层析成像技术获得了单向温模压TATB基高聚物粘结炸药微细结构的全三维信息。松装颗粒经升温软化、压制、摩擦仍完整并以不同形态保存下来。压制后的颗粒典型形态径向呈多边形、轴向呈扁长形并与径向有明显夹角。轴向与径向颗粒形态分布揭示了力学响应与内摩擦机制。X射线微层析成像提供了无损侵入非均质材料内部的分析方法,能探测颗粒材料压制排列方式及其高密度界面层。