PBX炸药缝隙挤压加载下的破裂模式及点火响应

武器装药服役过程中内部容易产生缝隙等结构弱环。针对圆形缝隙开展PBX-3炸药及其模拟材料缝隙挤压加载实验。通过结构设计,使样品内部的宏观裂纹在实验结束后的拆卸过程中不发生破坏,保留裂纹原始形貌以便于观测分析。采用45°镜反射成像结合高速摄影,记录样品缝隙挤压的动态全过程。采用欧拉-拉格朗日耦合方法对炸药缝隙挤压过程进行仿真计算,用未点火情况下的实验数据进行模型参数校核,使用校核后的模型对点火情况进行再计算。基于做功和加热增加物体内能的等效性,对主导点火机制和点火时间进行分析。研究结果表明:缝隙挤压加载下样品内部形成滑移区和死区,两区分界面为锥面;对于φ0.8 mm直径的缝隙,强围压下挤压速度仅4.2 m/s即可导致点火,点火后的燃烧反应烈度随缝隙尺寸的减小而增加;数值模拟得到的挤压应力、速度及破裂模式与实验结果符合较好,滑移区与死区之间的挤压摩擦功率高达数千W/cm^(2),点火时间为百μs量级,引发点火的重要机制是滑移区-死区界面的挤压摩擦温升。

基于新型聚氨酯弹性体材料在PBX炸药载体中的应用

为提高高聚物粘结炸药(polymer bonded explosive,PBX)炸药载体的力学强度,在炸药的粘结剂体系中引入聚氨酯弹性材料进行聚醚/聚酯粘结剂高强度载体设计。通过调控聚氨酯弹性体制备过程中多元醇的比例和分子量、固化剂的种类,利用旋转流变仪和多功能万能材料试验机开展材料固化速率性能分析和固化后聚氨酯弹性体对端羟基聚丁二烯(hydroxyl-terminatedpolybutadiene,HTPB)粘结剂体系力学强度影响规律分析。结果表明:PCL_PTMG聚氨酯弹性体拉伸强度的大小与固化剂的固化速率相关;改变聚酯聚醚分子量对弹性体抗拉强度的影响不大;当聚酯聚醚的比例为4:1时,弹性体抗拉力学强度最优;聚氨酯弹性体增大了HTPB粘结剂体系强度。

损伤累积下PBX炸药低速撞击点火行为的数值模拟

为了研究微裂纹损伤累积对PBX炸药低速撞击点火行为的影响,采用考虑微裂纹拉压非对称性演化的PBX炸药力-热-化耦合模型,对损伤累积下HMX基PBX炸药点火行为进行数值模拟;炸药内部的损伤累积通过多次撞击实现;此外,模拟了平头弹和针形弹对PBX炸药多次撞击点火行为。计算结果表明,损伤累积作用下,PBX炸药第二次撞击点火阈值随第一次撞击速度增加表现为非线性降低,这是因为多次撞击提高了撞击区域环向扩展裂纹的损伤程度,环向裂纹的损伤累积加剧了PBX炸药剪切变形,导致了表面裂纹摩擦生热的加剧,并最终形成了热点;平头弹多次撞击下提高了弹头边缘对应区域的损伤程度,并在该位置发生了炸药的点火行为;而针形弹多次撞击条件下,裂纹损伤程度显著提高,同样导致炸药点火行为。

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%。

缓慢加热条件下壳装PBX炸药响应特性研究

为了研究弹药在热刺激作用下的响应规律,进行了壳装PBX炸药慢速烤燃试验,获得了1 K/min升温速率下壳体内部的压力-时间曲线,壳体内部压力变化过程表现为炸药热分解产气段、点火燃烧段和壳体破裂段3个阶段。提出了一种模拟计算慢速烤燃时壳装PBX炸药发生低等级响应过程的理论方法,首先计算炸药点火前的温度场分布,引入热分解系数k描述炸药热分解消耗的程度,在此基础上建立改进的内弹道方程组,模拟计算了因炸药点火燃烧导致壳体内部压力快速上升的行为,理论值和试验值吻合良好,随后应用LS-DYNA软件模拟了壳体在内部压力作用下的破裂行为。计算了1.0~10.0 K/min之间6种不同升温速率条件下炸药点火后的压力-时间曲线,当升温速率为1.0 K/min时,炸药点火后压力增长速率明显高于其他工况。

RDX基PBX炸药热损伤演化行为的量化表征

炸药热损伤特征及演化行为对装药安全性具有重要影响。综合采用微米级计算机断层扫描和定量图像分析方法,系统研究热处理过程中某RDX基PBX炸药内部产生的损伤特征,包括损伤形貌特征、损伤量化表征和损伤形成机制。炸药样品被加热到不同温度,直至接近其临界点火温度,热损伤后炸药内部细观结构发生显著变化,产生RDX颗粒-粘结剂界面力学脱粘、RDX颗粒内部热分解形成微孔以及脱粘区域汇集形成连通孔隙等典型损伤特征。定量分析表征损伤的多个关键参量如孔隙率、孔隙尺寸分布、孔隙比表面积、球度和泛形复杂度等随温度的变化规律,揭示了RDX基PBX炸药热损伤形成机制和损伤演化规律。所得研究成果为研究热损伤对炸药点火响应的敏化机制、建立炸药损伤点火反应演化泛形模型提供了物理基础。

HMX基和TATB基PBX炸药爆轰成长差别的实验研究

为了深入研究HMX基和TATB基PBX炸药爆轰成长过程的差别,采用炸药平面透镜爆轰加载及空气与隔板综合衰减技术,建立基于锰铜压阻传感器的一维拉格朗日实验分析系统,通过实验确定了PBXC03炸药和PBXC10炸药的临界起爆爆轰加载装置,得到了PBXC03和PBXC10炸药在各自临界起爆压力加载条件下冲击起爆过程不同拉格朗日位置的压力变化历史。发现PBXC03和PBXC10炸药的爆轰成长过程存在明显区别:PBXC03炸药前导冲击波过后有明显的压力增长过程,而PBXC10炸药前导冲击波过后未能看到明显的压力增长过程,这一现象表明HMX基和TATB基PBX炸药冲击起爆及其爆轰成长的物理机制是不同的。

PBX炸药体膨胀特性研究

研制了适用于PBX炸药体膨胀的测试装置。采用此装置分别对热固型与热塑型PBX炸药的体膨胀力进行了测试,获得了两种炸药由常温升至75℃时的体膨胀力和体膨胀力随温度的变化曲线。试验结果表明,两种炸药的体膨胀力均是随着温度的升高而增加,在60~70℃范围内体膨胀力增加最大。炸药类型对炸药的体膨胀特性有较大的影响,热塑型PBX的体膨胀力远远大于热固型PBX的体膨胀力,是热固型炸药体膨胀力的8~9倍。对比不同质量的PBX-A炸药试验结果发现,随着炸药质量的增加,炸药体膨胀力随之增加;对体膨胀力-质量曲线进行线性拟合发现,体膨胀力随着质量的增加基本呈线性增长趋势。

RDX基PBX炸药烤燃试验与数值计算

对RDX基PBX炸药进行了烤燃试验,建立了炸药烤燃计算模型,其中加入了Frank-Kamenetskii、Sestak-Berggreen和McGuire-Tarver反应模型,采用流体力学计算软件Fluent进行了数值模拟。试验结果表明,PBX炸药在1 K/min升温速率下发生剧烈反应的时间为176.0 min,此时试样中心温度为185.2℃,壳体表面温度为194.8℃;Sestak-Berggreen反应模型计算结果为:剧烈反应的时间为176.5 min,中心温度为187.2℃,壳体表面温度为194.9℃,验证了计算模型和相关参数的正确性。分别计算了10 K/min1、K/min、3.3 K/h升温速率下PBX炸药相变和温度的变化情况,结果表明,升温速率对炸药的相变、点火时间、温度分布和点火位置都有影响。

RDX基PBX炸药的力学行为和损伤模式

利用电子万能实验机和分离式霍普金森压杆对RDX基PBX炸药进行了实验,获取了不同应变率(10-3～103s-1)下的应力-应变曲线,用扫描电子显微镜(SEM)分析了RDX基PBX炸药的微观损伤模式。结果表明,RDX基PBX炸药的力学性能具有明显的应变率效应,失效应力和失效应变均随着应变率的增加而增加。准静态压缩时,试样沿轴线方向开裂,以界面脱粘为主要的损伤模式;而冲击压缩时,试样依然保持原有的块状结构,界面脱粘和晶粒破碎两种损伤模式并存。

PBX炸药的拉伸断裂损伤分析

采用巴西实验作为间接拉伸加载手段,研究了某PBX(polymer-bonded explosive)炸药试样拉伸作用下的断裂损伤特性。发展了PBX炸药的光学制备技术,获得了试样在光学显微镜下的细观表面形貌和断裂损伤形貌,结合高速摄影和数字相关分析技术获得了试样的形变和破坏过程。实验结果表明该PBX炸药的静态拉伸强度低于3MPa,破坏应变也非常小。根据观测结果,运用晶体穿晶断裂和临界脱粘理论对PBX炸药的拉伸断裂模式进行了分析,认为脱粘裂纹在加载早期即可成核;当晶体开始发生断裂后试样发生宏观破坏。颗粒尺寸较大的晶体容易发生穿晶断裂,颗粒尺寸很小的晶体则容易发生界面脱粘。

PBX炸药及其模拟材料冲击损伤的试验研究

文中利用轻气炮驱动飞片加载技术对JO-9159炸药及其模拟材料样品进行了冲击加载,使其产生损伤,利用锰铜压阻计测量了试件的冲击压力。通过扫描电镜(SEM)对回收样品进行了显微观察,分析比较了炸药和模拟材料在冲击载荷作用下的损伤破坏模式。结果表明两者都具有脆性材料的损伤破坏特征,相对于PBX炸药模拟材料具有更明显的脆性特征。在细观上,PBX和模拟材料的损伤破坏模式是以微裂纹为主的脆性损伤,模拟材料的破坏主要表现为造型粉颗粒的破裂、破碎形成裂纹,而PBX炸药主要表现为颗粒之间的脱粘,并伴有颗粒的破碎。

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。

RDX基PBX炸药在不同应力率下的撞击安全性

利用大型落锤和一级轻气炮加载装置对RDX基PBX炸药进行撞击加载实验,获取了不同应力率（0.314~9.83GPa/ms）下的力学响应特性及反应情况,探讨了应力率对该RDX基PBX炸药撞击安全性机理的影响。结果表明,随着应力率的增加,RDX基PBX炸药的撞击安全性降低;PBX炸药颗粒的变形速率随着应力率的增加而增大,热量无法被蜡状添加物在短时间内吸收,使得RDX颗粒温度迅速上升,这是RDX基PBX炸药撞击安全性下降的主要原因。

PBX炸药本构关系的实验研究

在SHPB装置上开展了某典型PBX炸药的单轴压缩、间接拉伸实验。利用入射波整形技术,结合半导体应变片和石英晶体联合测试的方法,实现了PBX炸药的应力平衡和恒应变率加载,得到了不同应变率下某PBX炸药的压缩应力应变曲线,初步建立了该炸药的修正Sargin唯象模型;开展了3种PBX炸药的动态巴西实验,通过高速摄影获得了炸药的破坏过程,结合数字相关技术,获得了试样裂纹附近的应变场分布,初步建立了描述3种炸药动态拉伸行为的修正Johnson-Cook模型。模型曲线与实验结果符合较好。

LLM-105基PBX炸药的热分解反应动力学

通过布氏压力计法获得了普通的和纳米化的LLM-105基PBX炸药在不同温度条件下热分解放气量随时间的变化曲线。基于Arrhenius公式计算了两种PBX炸药分解深度为0.1%时的表观活化能。采用TG-DSC研究了两种LLM-105基PBX炸药的非等温热分解反应动力学。结果表明,由Arrhenius公式得到的普通和纳米化的LLM-105基PBX炸药在分解深度为0.1%时的表观活化能分别为74.67和138.09kJ/mol。利用Kissinger法计算获得两种LLM-105基PBX炸药在最大分解速率(分解深度约50%)下的表观活化能分别为389.26和215.73kJ/mol,与Ozawa法计算结果相吻合。升温速率趋于零时的特征分解峰值温度分别为606.94和586.48K,热爆炸临界温度分别为615.0和600.4K。相对于普通LLM-105基PBX炸药,纳米化LLM-105基PBX炸药热分解具有更高的反应活性,热感度也有所提高。

PBX炸药有效弹性模量的有限元模拟

采用代表体积元法,建立了炸药颗粒圆形随机分布和六边形规则分布细观力学模型,通过ANSYS有限元软件对PBX炸药的有效弹性模量进行了计算,计算结果和实验结果吻合较好.计算分析了炸药颗粒的性质、体积分数、形状和级配以及黏结剂性质等因素对PBX炸药有效弹性模量的影响.结果表明,炸药颗粒形状和分布方式对PBX炸药的有效弹性模量影响较小;颗粒级配对PBX炸药的有效弹性模量影响较大.PBX炸药的有效弹性模量随炸药颗粒体积分数以及弹性模量的增加而增大,在炸药颗粒体积分数较高时,炸药颗粒性质对PBX炸药有效弹性模量的影响较明显.黏结剂的体积分数虽然很少,但黏结剂的弹性模量对PBX炸药有效弹性模量的影响较大.

多组分PBX炸药细观结构冲击点火数值模拟

建立了炸药颗粒自由堆积三维计算模型,考虑了炸药颗粒尺寸和位置的随机分布、粘结剂对炸药颗粒的包覆和不同组分炸药颗粒间的级配;采用非线性有限元方法,对炸药颗粒由自由堆积到密实装药的压药过程进行模拟,构建了PBX炸药细观结构模型;对多元PBX炸药(HMX+TATB+Estane)细观结构冲击点火过程进行了计算,考虑冲击作用下炸药内部热力耦合作用和自热反应,计算不同组分比例混合炸药的冲击点火性能,分析了炸药组分对冲击点火的影响。研究表明TATB含量增加,混合炸药冲击感度降低。

摩擦效应对某PBX炸药动态力学性能的影响

基于分离式霍普金森压杆(SHPB)围压加载下的试样受力模型,考虑试样与套筒间的摩擦效应,建立了动态力学性能参量(动态泊松比及动态杨氏模量)的修正方法,并以某浇注PBX炸药为例,分别以常规方法和修正方法计算了4种试样的动态力学性能,并进行了对比。结果表明,对于实验所用的浇注PBX炸药,在应变率300~2000s^(-1)内,修正方法与常规方法所获得的动态参量误差不超过5%,可以忽略摩擦效应对此PBX炸药动态参量的影响。

含预制缺陷PBX炸药的力学性能及破坏形式

为探索裂纹缺陷对炸药力学性能和破坏形式的影响,以压装HMX基PBX炸药为对象,采用改进后的圆弧巴西试验,研究了不同预制缺陷条件下炸药的破坏过程,并与无缺陷炸药的试验结果进行对比。结果表明,在所研究的范围内,压装PBX炸药的力学强度随缺陷的空间位置变化显著,最高降幅达75.3%;不同缺陷下炸药的破坏形式差异较大,缺陷与加载方向存在夹角时,炸药存在二次承载的现象,且裂纹从缺陷端部向炸药加载面扩展。