浇注PBX替代材料的准静态压缩力学行为及本构模型标定

为研究高聚物粘结炸药(PBX)的准静态压缩行为,对两种典型配方(含铝粉与否)的浇注PBX替代材料在不同应变率下进行单轴准静态压缩试验,并对其力学性能进行了对比分析。同时基于朱‑王‑唐(ZWT)模型提出一种新模型来描述材料的准静态压缩行为,通过遗传算法获取本构模型参数,并使用Fortran语言在Abaqus有限元软件的用户材料子程序(UMAT)接口中进行本构模型的建立。结果表明:浇注PBX替代材料的准静态压缩过程可分为弹性压缩、应力衰减以及失稳破坏3个阶段;准静态压缩力学行为与应变率有明显的相关性,随着应变率的提高,材料的有效压缩应变基本不变,而压缩模量、屈服强度和压缩强度的对数与应变率对数近似呈现出线性关系;铝粉的加入使浇注PBX替代材料压缩模量、屈服强度和压缩强度均有所提升。新构建的本构模型能较好描述浇注PBX替代材料的准静态压缩行为,使用有限元软件对本构模型普适性进行验证,得到仿真计算结果与试验结果间可决系数R^(2)均大于0.98,吻合程度较高。

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%。

浇注PBX装药爆炸壳体破片分布特性

为了研究浇注PBX炸药装药爆炸壳体破片分布与炸药、壳体等的影响关系,采用典型浇注PBX炸药配方PBX-1装填不同壁厚的模拟弹,开展了模拟弹装药的水井爆炸破碎性试验。爆炸后破片回收率较好,对回收破片的数目分布、质量分布进行了统计分析,获得了破片分布与壁厚之间的规律,结合Payman模型进行了破碎性参数的分析计算,获得了破碎性参数与炸药装药之间的关系,并结合壳体破碎性对不同壁厚壳体炸药装药的有效杀伤距离进行了对比分析。

某RDX基浇注PBX的加速老化规律与寿命评估

目的掌握环三亚甲基三硝胺(RDX)基浇注高聚物黏结炸药(PBX)的加速老化规律,分析老化机理和关键敏感参量,并探讨加速老化寿命评估方法。方法针对RDX基浇注PBX开展60、70、80℃等恒定温度下的加速贮存老化试验,采用微焦点X射线计算机断层扫描仪(微焦点CT)、核磁共振、气相色谱等方法,分析浇注炸药在老化过程中微孔隙率、交联密度以及增塑剂含量等结构参量的变化规律,通过对这几种参量的对比,分析其老化机理,并进一步对加速老化寿命评估方法进行初步探讨。结果浇注PBX在加速老化过程中会出现明显的孔隙率逐渐增加、交联密度逐渐增加以及增塑剂逐渐降低等问题,且表现为温度越高,相关性能参量变化得越快。鉴于增塑剂含量的降低理论上会导致孔隙率增加,且增塑剂具有降低感度的作用,对于侵彻安定性具有较大的影响,且增塑剂含量的表征方法简便,以增塑剂含量作为浇注PBX的敏感参量,采用阿伦尼乌斯模型,对浇注PBX的寿命进行了评估。结论RDX基浇注PBX在加速老化过程中孔隙率、交联密度以及增塑剂含量会出现较为明显的变化,可作为性能评价的敏感参量。以增塑剂含量作为敏感参量,以增塑剂含量降低10%为判据,推导出RDX基浇注PBX的寿命约为14.5 a(25℃)和23.8 a(21℃)。

提高浇注PBX炸药装药品质技术途径

为提高浇注热固性高聚物粘结炸药(polymer boned explosive,PBX)的品质,对影响高固相含量浇注PBX装药质量的因素进行分析。根据相关理论,运用振动、抽真空及分次装药的方法设计装药工艺参数,通过试验分析不同装药方法排出装药气泡的影响。结果表明:采用真空-振动-分次装药,可有效排出浇注PBX装药气泡,使装药密度提高到98.5%TMD。

浇注PBX的低易损性能研究

通过快速烤燃、枪击感度、冲击波感度等试验 ,研究了浇注PBX的低易损性能 ,并将浇注PBX的作功能力和爆炸威力与TNT基混合炸药进行了对比 ,结果表明 ,浇注PBX的低易损性能和作功能力以及爆炸威力都显著优先于TNT基混合炸药。

以RDX为基的浇注PBX力学性能与本构模型

为研究一种黑索今（RDX）基浇注高聚物粘结炸药（PBX）的力学性能与本构模型,利用INSTRON材料试验机及改进分离式Hopkinson压杆（SHPB）进行了准静态和动态单轴压缩实验,获得了材料在10^-4~10^-2s^-1及843~1490 s^-1应变率范围内的应力-应变曲线。结果表明：该浇注PBX的变形过程分为线性段、强化段和软化段。准静态加载下该浇注PBX具有明显的应变率效应,其弹性模量、压缩强度、临界应变与相对对数应变率之间近似呈线性关系;而在实验应变率范围内,动态加载下特别是加载初期应变率效应不明显,同时发现其破坏准则由应力控制,材料在12MPa附近发生破坏。借鉴推进剂及橡胶材料本构关系的研究结果,分别提出了能描述浇注PBX一维动、静态压缩力学行为的率相关本构模型,该模型与实验结果误差小于10%吻合较好。

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。

浇注PBX力学性能的研究进展

从材料特性、力学行为特征、本构模型和实验手段四个方面详细论述了浇注高聚物粘结炸药(PBX)力学性能的研究进展,指出动态力学测试及材料本构是目前研究浇注PBX的热点和难点。认为可以通过借鉴粘弹性模型、橡胶超弹性模型及推进剂模型建立浇注PBX的本构模型,并指出需要结合浇注PBX含能敏感、软材料和大变形特性来选择和改进现有的测试技术。对力学性能预测、动态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。

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。

热固性浇注PBX力学行为的影响因素探讨

利用拉伸实验、压缩实验、巴西实验对浇注黏结炸药（PBX）的力学行为进行了研究,探讨了影响浇注PBX 力学行为的因素。实验结果表明,浇注 PBX 的力学行为分为脆性断裂和延性断裂两种形式；在固化阶段的不同时间点浇注 PBX 的力学行为不同,当固化度为70％--80％时,浇注 PBX 表现出延性断裂的特征；当浇注 PBX 的固化度在80％以上时,药柱的力学行为受到固化温度和胶黏剂分子量等的影响。对于含有同一分子量端羟基聚丁二烯（HTPB）的浇注 PBX,固化温度越高,其力学行为越趋近于脆性断裂特征；经同一固化温度后,HTPB分子量越小,浇注 PBX 的力学行为越趋近于脆性断裂的特征。对产生上述现象的原因进行了分析。

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。

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。

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。

小组分对热固性浇注PBX性能的影响

通过对比热固性浇注PBX的渗油性、力学强度,探讨了配方中增塑剂、固化剂、键合剂等小组分对热固性浇注PBX炸药性能的影响。试验结果表明:增塑比增加,渗油率增加,试样力学强度降低;固化参数减小,力学强度降低,在固化参数小于0.8时渗油率明显增加;外加0.3%(质量分数)的键合剂可改善试样渗油率,并可明显增加试样力学强度,减少颗粒脱黏。

含AP的浇铸PBX炸药的热安全性

用自行研制确定火炸药热爆炸临界温度(Tcr)的试验装置测定了直径为10,15,20,30 mm和40 mm,长径比为1∶1的含高氯酸铵(AP)的PBX-A药柱的热爆炸临界温度。用Tcr测定和5 s爆发点试验装置测定了85℃老化70 d前后PBX-A的热爆炸临界温度和5 s爆发点。获得了PBX-A炸药在恒温热刺激下的响应程度,不同直径药柱的热爆炸临界温度,爆炸延滞期(t)与温度(T)的关系以及PBX-A炸药老化前后的热性能变化。结果表明,直径小于40 mm的无约束PBX-A炸药装药在恒温条件下仅发生燃烧。由拟合方程外推直径1 m长径比为1∶1的PBX-A炸药药柱的热爆炸临界温度大于120℃。lnt与1/T只在有限温度范围内呈线性关系。85℃老化70 d前后PBX-A炸药的热爆炸临界温度不变,5 s爆发点降低4.6℃。

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。

聚能射流对带壳浇注PBX装药的撞击响应

为研究聚能射流对带壳浇注高聚物粘结炸药(PBX)的引爆特性,利用弹径Ф82 mm的聚能装药形成了一种直径细、速度大于7000 m·s-1的高速射流,以及一直径较粗、速度约5000 m·s-1长杆状射流,分别对覆盖有210,255 mm和165,210 mm两组不同厚度钢板的PBX进行了撞击试验。采用高速摄影观测分析了射流撞击下带壳PBX点火引爆的反应过程。用LS-DYNA软件验证了试验结果,得到了不同射流对PBX的引爆能量值。结果表明:弹径Ф82 mm的聚能装药形成的射流能够可靠引爆覆盖小于255 mm厚钢板的浇注PBX,能满足反导弹战斗部毁伤厚壳体目标的需求。

热固型浇注PBX在静态混合器中的流动特性

介绍了目前国内外浇注PBX炸药的混合方式发展趋势,设计了适用于浇注PBX炸药的静态混合装置。采用流体动力学仿真技术,对物料在SK型静态混合器中的流动特性进行了模拟分析,获取了静态混合器管路中压力分布、温度分布及浓度分布情况,对比了固化剂组份浓度均匀性随着混合单元数增多的变化,并结合模拟物料混合工艺进行了试验验证。结果表明,SK型静态混合器能够将PBX物料与固化剂混合均匀,且增加混合单元数,有利于固化剂组分的均匀性。

仿生疏液表面对浇注PBX药浆的低黏附性能研究

降低浇注高聚物粘接炸药(PBX)药浆与接触材料的黏附作用是提高浇注固化PBX制备工艺水平和效率的关键因素之一。采用溶液刻蚀方法在接触容器金属表面构筑微米-纳米多级复合仿生结构,使高黏液端羟基聚丁二烯(HTPB)和浇注PBX药浆在金属表面的静态接触角均大于130°,表面具有良好的疏液性能,且通过调整刻蚀时间为120 min时,在金属表面形成仿花状的微纳米复合结构,可使金属表面与HTPB、HTPB/Al和HTPB/1,1-二氨基-2,2-二硝基乙烯(Fox-7)药浆间的黏附作用力分别降低至29.4,46.0μN和12.7μN,下降幅值达57%~82%。同时将仿生结构涂覆于模具内表面,宏观实现对PBX药浆不黏附特性。