高性能高聚物黏结炸药压制成型研究进展与展望

压装型高聚物黏结炸药(PBX)因具有优异的爆轰性能和力学性能而被广泛应用于现代高效毁伤武器战斗部。未来作战环境和战略需求的不断变化,促使压装型PBX朝着高质量、高安全、高效率成型制造的方向发展。综述了压装型PBX在成型质量与性能调控、压制安全性、自动化制造三方面的相关研究现状及面临的问题。首先探讨了PBX在成型质量与性能调控方面的研究进展,包括炸药颗粒致密化演变规律与密度均匀性、损伤演化机制与界面性能调控、残余应力检测与调控;进而分析讨论了PBX的压制安全性以及在数字化和自动化制造方面的研究现状;最后基于对研究现状的分析,展望了PBX压制成型领域未来的发展趋势与面临的挑战。

高聚物黏结炸药的压制成型性

为了获得高聚物黏结炸药(PBX)压制成型的基本规律,对TATB基PBX进行等静压压制试验,研究了PBX压制过程中的一些力学行为,通过对力学和物理性能测试及SEM分析,得到PBX的微显结构和在成型过程中的性能参数变化规律。结果表明,在PBX颗粒压制成型过程中,成型件的密度、泊松比、压缩模量和压缩强度与压力呈对数函数关系。成型件泊松比、压缩强度与压缩模量随成型密度的增加快速增大。延长保压时间可以有效提高压实密度,使成型效果更好。

高聚物黏结炸药JH-94和JO-96撞击感度特性落高的估算

推导了估算含能材料(EMs)撞击感度特性落高(H50)的Friedman表达式。提出了估算H50的数值方法。编制了相应的计算机程序。用所编程序算得的结果核实了8种EMs(HMX、RDX、TNT、PETN、BTF、HNS、Tetryl、NG)的实测H50值,认为所编程序适用于H50值的快速计算,报道的2种EMs(PBX-JH-94和PBX-JO-96)的H50值在一定程度上可信。

高聚物黏结炸药的力学性能研究进展

从材料的力学行为特性、实验方法、本构模型和强度理论4个方面对高聚物黏结炸药(PBX)的力学性能特征进行了归纳和评述。指出应变率和温度对材料应力状况的影响及动态力学性能分析是目前PBX研究的热点和难点。认为可以借鉴研究混凝土和高聚物的一些方法来建立PBX的本构模型和失效准则。指出选择和改进现有测试技术时,须考虑PBX的含能敏感性、大变形等特性。对PBX力学性能的理论研究、实验技术及数值模拟等方面需要开展的工作提出了一些看法。认为复杂环境下的力学响应和细观建模模拟应是今后研究的重点方向。附参考文献93篇。

高聚物黏结炸药的冲塞试验研究

用冲塞试验评价大药量装药在撞击、剪切、绝热加热等综合作用条件下的安全性。用火药加速装置对试件加速,并通过高速摄像机拍摄炸药试验件跌落撞靶、点火等试验过程,利用冲击波压力传感器测试冲击波超压表征炸药试验件的反应程度。结果表明,PBX-1炸药在撞靶速度高达37.6m/s时没有发生反应,且PBX-2炸药在撞靶速度为27.7m/s时发生了爆燃反应,在撞击速度低于25.5m/s时未发生反应,说明PBX-2炸药的冲塞试验撞击感度高于PBX-1炸药。

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。

高聚物黏结炸药CT图像像素级裂纹识别方法研究

为了有效地提高裂纹识别精准度和改进裂纹表征方法,针对奥克托今(HMX)基高聚物黏结炸药(PBX)CT检测图像存在的暗视野、低对比度、高噪声等问题开展研究。利用裂纹的稀密性和局部方向性,结合非局部均值、拉普拉斯锐化和Gamma校正等方法对CT图像进行预处理,然后运用统计学方法直接提取裂纹特征点集,借助马氏距离对裂纹特征点的局部方向性和裂纹位置、走向及粗细进行判定并推演裂纹的扩展方向,最终通过像素灰度值拷贝实现HMX基PBX的CT图像中完整裂纹的精细识别。在三种PBX热力耦合加载损伤的CT图像上对文中提出的MDCE算法(Mahalanobis distance based crack extraction algorithm)与Canny算法和相位一致性方法开展对比实验研究。结果表明,提出的MDCE算法能清晰准确地提取出多种形态的裂纹,证实了该方法的有效性和高效性,显著提高了裂纹的识别和表征能力。

发射环境下高聚物黏结炸药的瞬态响应及裂纹扩展

为了提供发射环境下含炸药弹体安全性评估所需的精确的炸药动力响应数据,该文提出了黏弹性统计裂纹本构模型,并用于数值计算冲击载荷作用下含裂纹黏弹性复合材料的瞬态响应。采用四阶龙格库塔法解耦常微分方程形式的本构方程。通过Fortran语言编制了相应的子模块,并将其嵌入非线性有限元计算程序,通过比较数值结果与实验结果验证了该文方法的正确性。数值结果表明,发射(冲击载荷作用)后110μs时裂纹扩展已经稳定,此时高聚物黏结炸药(PBX)柱两端面的边缘位置和中心位置的等效应力大于其他位置,从而导致这些部位的平均裂纹半径大于其他各点。研究还发现,裂纹扩展速度低于应力波的传播速度,扰动点的应力达到峰值时该点裂纹半径才开始增大。

TEX的细化及TEX基高聚物黏结炸药的制备与性能表征

为了探究晶体形貌和粒径大小对4,10-二硝基-2,6,8,12-四氧杂-4,10-二氮杂四环[5.5.0.05,9.03,11]十二烷(TEX)及其高聚物黏结炸药(PBX)性能的影响,先利用溶剂非溶剂重结晶法制备超细TEX,再利用溶液水悬浮法制备了超细TEX基PBX。采用扫描电子显微镜(SEM)、激光粒度仪、X射线衍射仪(XRD)、热重分析(TG)、差示扫描热量法(DSC)对样品进行了表征和热分析;并测试了细化前后TEX及其PBX的机械感度。结果表明:超细TEX的中值粒径从原料的102.23μm减小到4.53μm,粒度分布均匀且大多呈微球形;与原料TEX及其PBX相比,超细TEX及其PBX的最大热失重温度分别提高了6.93℃和8.36℃;超细TEX的表观活化能和热爆炸临界温度比原料TEX分别提高了22%和4.96℃,具有更好的热稳定性,机械感度下降明显。

高聚物黏结炸药冲击波感度试验方法

介绍了以HMX为主要原材料和以TATB为主要原材料的高聚物黏结炸药的冲击波安全性试验方法,以JH-14药柱作为扩爆药,结果显示,HMX高聚物黏结炸药冲击波感度最高,TATB与HMX高聚物黏结炸药组合的冲击波感度次之,TATB高聚物黏结炸药感度最低。

热老化对HMX基高聚物黏结炸药撞击感度的影响

参照GJB 736.8—1990的试验方法,对奥克托今(HMX)基高聚物黏结炸药在71℃高温条件下进行了长达203 d的加速老化试验,每隔一定时间测定其撞击感度。研究发现:炸药的撞击感度在加热到147 d以后有下降的趋势,与老化前相比下降了20%,但初期下降比较明显,后期下降比较缓慢,主要是由于热老化首先引起炸药中硝化棉分解,硝化棉的分解产物进一步引起HMX分解。

TKX-50/BTF双组分炸药与黏结剂间界面作用的MD模拟

为改善1,1’-二羟基-5,5’-联四唑二羟胺盐(TKX-50)/苯并三氧化呋咱(BTF)基高聚物黏结炸药(PBXs)力学性能,筛选合适黏结剂,选取3种高聚物黏结剂氟橡胶(F_(2311))、氟橡胶(F_(2602))与直链式酚醛树脂(PF),采用分子动力学(MD)方法模拟计算了TKX-50/BTF/F_(2311)、TKX-50/BTF/F_(2602)与TKX-50/BTF/PF三种PBXs体系的结合能、径向分布函数以及力学性能。结果表明:黏结剂与TKX-50/BTF炸药体系间结合能顺序为:F_(2311)>PF>F_(2602),TKX-50/BTF/F_(2311)体系最稳定,物理相容性较好;径向分布函数分析可知3种黏结剂与TKX-50/BTF炸药界面间均存在范德华力(vdW)与氢键作用,其中F_(2311)与炸药层间氢键作用最强;3种黏结剂的加入均使PBXs体系刚性减弱,延展性增强,相较F_(2311)与F_(2602),PF的加入使体系K/G值增加至3.10,柯西压(C_(12)-C_(44))增大至6.54 GPa,材料延展性得到一定提升,对PBXs力学性能的改善效果最好,进而对改善混合炸药体系的压制成型性有一定的应用价值。

双向改性对炸药与黏结体系界面的影响

为了增强HMX与黏结体系的界面结合强度,解决HMX基PBX炸药界面易脱粘的问题,设计了一种双向改性包覆HMX的方法来提升炸药与黏结体系间的界面稳定性;采用KH550对HMX进行改性,KH550、天然树脂、糊精、三(2-甲氧基氮丙啶)氧化磷(MAPO)4种表面助剂对TPU进行改性,制备了改性的HMX/TPU复合粒子;通过接触角测试仪、XPS、SEM、FTIR、感度测试仪对样品界面参数进行表征。结果表明,与单向改性的样品相比,KH550-KH550、KH550-MAPO、KH550-糊精双向改性样品的界面黏附功提高了31.1%~32.8%;双向改性后的样品包覆程度更高,其中KH550-MAPO双向改性样品表面的元素基团中—NO_(2)所占的比例较单向改性样品降低5.4%;双向改性样品的红外特征峰无明显变化;SEM结果表明,双向改性样品表面包覆更均匀、光滑;双向改性样品的摩擦感度较单向改性样品均有所降低。表明双向改性能针对性地对HMX与黏结剂界面结合进行修饰,改善其黏结性能。

高聚物黏结剂对HMX相变行为的影响

为了探究高聚物黏结剂对奥克托今(HMX)相变行为的影响,使用压装成型工艺制备了含聚酯型聚氨酯(HMX⁃Estane)、氟橡胶(HMX⁃F_(2314))、硝化纤维素(HMX⁃F_(2314)⁃NC)的HMX基高聚物黏结炸药以及纯HMX药柱,利用原位变温X射线广角散射(WAXS)技术和差示扫描量热法,研究了热刺激下样品中HMX的相变行为和机制。WAXS结果表明,HMX⁃Estane(95∶5)、HMX药柱、HMX⁃F_(2314)(95∶5)、HMX⁃F_(2314)⁃NC(95∶3∶2)的相变起始温度(T_(i))分别为186℃、188℃、192℃、198℃。相比于HMX药柱,黏结剂中加入少量的NC(2%),T_(i)可提升10℃。真空条件下,4种样品从高温δ相降温至100℃保温,只有HMX⁃Estane发生了δ→β逆相变且在3.5 h内δ相全部转变为β相,而其他样品均未发生相变,仍为δ相。β⁃HMX在HMX⁃Estane界面位置的溶解(升温过程)和析出(降温过程)可能是促进HMX⁃Estane发生β→δ相变,及其逆相变的主要因素。

CBNT与高聚物黏结剂界面作用的分子动力学模拟

为改善5,5′-二硝胺基-3,3′-联-1,2,4,-三唑碳酰肼盐(CBNT)炸药的安全性和力学性能,提高其实际使用价值,以CBNT为基,分别和氟橡胶(F2311)、氟树脂(F2314)、乙烯-乙酸乙烯酯共聚物(EVA)构建了3种CBNT基高聚物黏结炸药(PBX)模型,并对其进行了298K-NPT分子动力学(MD)模拟。结果表明,CBNT/F2314的结合能最大,表明CBNT/F2314的稳定性和相容性更佳;质量分数约5%黏结剂的加入使CBNT中N-NO2的最大键长减小,平均键长基本不变;径向分布函数g(r)揭示了黏结剂与基炸药CBNT的界面相互作用方式,表明3种黏结剂分子与CBNT间均存在氢键作用;与CBNT炸药相比,加入质量分数约5%黏结剂(F2311、F2314或EVA)的PBX刚性减小,延展性增强,且以F2311的改善效果最佳,表明黏结剂F2311较F2314和EVA在改善炸药力学性能进而致钝方面效果更佳。

PBX炸药断裂行为仿真计算方法研究

针对PBX材料的拉压不对称性,基于断裂相场变分理论,结合广义Maxwell黏弹性本构模型,采用应变张量谱分解的方法对弹性能进行分解,建立了黏弹性断裂相场模型。采用建立的模型开展了典型PBX材料的单轴拉压、围压压缩、带孔板压缩及细观结构压缩等仿真分析,得到的单轴拉压应力—应变曲线、围压压缩应力—应变曲线、带孔板压缩裂纹形貌、细观结构压缩裂纹形貌均与试验结果较为一致,且单轴拉压强度描述误差小于2.2%,压缩强度随围压变化的斜率误差小于3%,带孔板在相同裂纹长度时的载荷误差小于12%。结果表明,提出的黏弹性断裂相场模型能准确考虑PBX材料的拉压不对称性,并且可以自然地描述不同围压下的力学行为,同时可以无需特殊处理便进行PBX多裂纹萌生、扩展、分叉和融合行为的仿真分析。相场法在描述PBX材料的力学行为以及PBX结构的断裂行为上具有显著的优势和潜力。

黏结剂对喷雾干燥FOX⁃7基PBXs的性能影响

为研究喷雾干燥制备高聚物粘结炸药(Polymer Bonded Explosives,PBXs)的包覆机理和黏结剂种类及含量对PBXs性能的影响,分别以聚酯型热塑性聚氨酯(Estane 5703)、氟树脂(F_(2314))、氟橡胶(F_(2602))和丙烯酸酯橡胶(ACM)为黏结剂,采用喷雾干燥技术制备细化FOX-7和含有不同黏结剂种类和含量的1,1-二氨基-2,2-二硝基乙烯(FOX-7)基PBXs。分别采用场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)、X射线衍射仪(XRD)、差示扫描量热仪(DSC)、撞击感度测试仪测试样品的表面形貌、晶型、热分解特性和撞击感度,研究黏结剂种类和含量对FOX-7基PBXs性能影响。结果表明,喷雾干燥包覆样品晶型均为α-FOX-7;Estane 5703包覆样品拥有最佳的球形度、表面光滑度和机械安全性,但表观活化能降低10.61%,F_(2602)包覆样品的热稳定性好,二者作为黏结剂均可有效降低FOX-7的撞击感度;黏结剂含量为3%~5%时,FOX-7基PBXs造型粉颗粒表面光滑,包覆黏结效果好;黏结剂含量为5%时,FOX-7基PBXs安全性能最佳。由FOX-7在熔融态下PBXs的微观形貌,分析喷雾干燥制备PBXs中黏结剂的包覆结构和降感机理,对比细化FOX-7和PBXs的撞击感度和表面元素原子比及化学态变化对其进行验证。

温度对HMX基PBX炸药热膨胀系数和热导率的影响

用热膨胀仪和闪光导热仪研究了温度对HMX基PBX的热膨胀系数和热导率的影响。结果表明,在低于330K时,HMX基PBX的线膨胀系数约为5.34×10-5 K-1;在330～350K,线膨胀系数迅速增大到13.47×10-5K-1,随着黏结剂软化,线膨胀系数随之减小到8.04×10-5 K-1。在293～373K,HMX基PBX的比热容从0.978J.g-1.K-1线性增长到1.254J.g-1.K-1,但在343K附近黏结剂融化存在异常偏大值;HMX基PBX的热扩散率从0.256mm2.s-1下降至0.179mm2.s-1,通过比热和热扩散率实验数据计算获得的热导率从0.462W.m-1.K-1下降至0.406W.m-1.K-1。基于分子晶体传热理论模型建立了比热和导热系数的温度关系函数,HMX基PBX的导热机制符合两相串联模型。

TKX-50基混合炸药的爆轰及安全性能

为了研究5,5′?联四唑?1,1′?二氧二羟胺盐(TKX?50)基混合炸药的爆轰及安全性能,以F2314氟橡胶为粘结剂,采用淤浆捏合法制备了典型TKX?50基混合炸药。按照国军标(GJB?772A-1997)和自建的标准测试方法对炸药的爆轰性能(爆速、爆压、爆热、圆筒比动能)和安全性能(撞击感度、冲击波感度、热刺激感度)进行了测试,并将实测性能与PBX?9501等炸药进行了对比分析。结果表明,在爆轰性能方面,与PBX?9501相比,制备的TKX?50基混合炸药实测爆速值为9037 m·s-1(密度1.860 g·cm-3),但其爆热(5055 J·g-1)、爆压(26.4 GPa)和做功能力(1.377 kJ·g-1)较低。在安全性能方面,TKX?50原材料经重结晶后撞击感度可显著降低,最低撞击能由5J提高至32J,TKX?50基混合炸药的冲击波感度(L50=15.1 mm)低于HMX基混合炸药(L50=22.6 mm)。此外,TKX?50的热分解温度(240℃)、5 s爆发点(277℃)均低于HMX(285℃,327℃),以TKX?50为基的混合炸药在热刺激下更容易发生剧烈反应。

PBX炸药细观孔洞缺陷对其冲击点火特性的影响

基于Monte-Carlo法的思想,采用有限元计算方法建立了考虑炸药颗粒尺寸、形状和位置随机分布的高聚物黏结炸药(PBX)的细观结构模型。通过计算比较了孔洞缺陷及缺陷大小对PBX炸药冲击点火特性的影响。结果表明,孔洞缺陷降低了炸药的临界点火压力,提高了其冲击感度;随着孔洞缺陷尺寸的增大,炸药的临界点火压力逐渐下降,但当缺陷尺寸超过一定范围时,更大尺寸的孔洞缺陷并没有继续提高炸药的冲击感度。