RDX 基PBX 炸药的力学行为和损伤模式

屈可朋，肖 玮，韩天一，苏健军，冯海云

（西安近代化学研究所，陕西 西安710065）

引 言

炸药在生产、加工、运输、贮存和使用过程中，会受到各种载荷的作用，尤其在使用过程中要承受加载速率较高的动态载荷作用。在这些载荷的作用下，炸药会产生各种微孔洞、微裂纹等损伤，从而使炸药的力学性能劣化，同时还会对炸药的可靠应用产生影响［1］。因此，需要研究炸药在高应变率动态加载下的力学性能及其损伤模式。

国内外对PBX 类炸药的力学性能、损伤模式及本构关系等开展了一系列的研究。Tasker等人［2］对PBXW-128炸药在高应变率下的动态力学性能进行了研究，给出了103～104s-1应变率范围内的拉伸动态应力-应变曲线；Williamson等人［3］研究了EDC37炸药在不同应变率和不同温度下的压缩性能，罗景润［4］从损伤力学、断裂力学、断裂动力学、材料动态力学性能及本构关系等方面研究了PBX炸药的力学行为；卢芳云等人［5-6］对某种PBX 炸药进行了不同应变率下的压缩实验，分析了材料的细观结构和高应变率加载下的响应机制，建立了相应的本构方程。

本研究以RDX 基PBX 为对象，对其进行了准静态和冲击压缩实验，得到不同应变率下的应力-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，以期为其可靠应用提供参考。

1 实 验

1.1 样品的制备

RDX 基PBX 炸药由西安近代化学研究所提供，其主要成分为RDX、铝粉和高分子黏结剂。试样为模具压制成型，压药密度约为1.80g／cm3。

1.2 准静态压缩实验

采用MST5504 微机控制电子万能试验机进行准静态压缩实验，加载速度为10mm／min，试样尺寸为Ф20mm×20mm。

1.3 动态冲击实验

利用西安近代化学研究所自制的分离式霍普金森压杆（SHPB）进行动态冲击压缩实验，通过改变子弹的撞击速度和试样尺寸，获得不同的应变率。试样为Ф12mm×6mm 和Ф12mm×8mm 的圆柱状，并保持端面平整。

SHPB由子弹、输入杆和输出杆等组成，如图1所示。实验时，当压缩气体驱动子弹以一定速度撞击输入杆时，产生入射脉冲载荷，试样在其加载作用下高速变形，与此同时，分别向输入杆和输出杆传播反射脉冲和透射脉冲，通过贴在压杆上的应变片采集脉冲信号，根据一维应力波假定和均匀性假设，即可得出试样在不同应变率下的应力-应变曲线。

图1 分离式霍普金森压杆装置示意图Fig.1 Schematic diagram of split Hopkinson pressure bar

实验杆均为直径16mm 的LY12铝杆，子弹长400mm，输入杆和输出杆长均为1200mm。应变测试采用北戴河实用电子技术研究所SDY2107A 型超动态应变仪，瞬态波形存储采用Tektronix公司DPO4104型示波器。

每个应变率进行3次重复实验，取重复率较好的曲线作为最终实验结果。此外，采用入射波整形技术［7］，在入射杆与子弹的碰撞端用真空脂粘贴铜质整形器，以过滤加载波中的高频分量，并使加载波变宽，上升沿变缓，从而在加载波的上升过程中试件达到应力平衡，实现常应变率加载。

图2是RDX 基PBX 炸药的SHPB实验典型原始波形，其中通道1记录入射波和反射波，通道2记录透射波。

图2 SHPB实验原始波形Fig.2 Original wave-forms of the SHPB test

2 结果与讨论

2.1 RDX 基PBX 炸药的力学性能

RDX 基PBX炸药在不同应变率（10-3～103s-1）下的应力-应变曲线如图3所示。

图3 RDX 基PBX 炸药的应力-应变曲线Fig.3 Stress-strain curves of RDX-based PBX explosive

由图3可以看出，RDX 基PBX 炸药的应力应变对应变率都比较敏感，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，其中，失效应力由准静态时的5.8MPa 增加到55.5MPa，失效应变则由0.035增加到0.105。

压装成型的RDX 基PBX 炸药是一种损伤材料，在不同外载荷作用下，将使得初始损伤加剧，材料最终表现出不同的力学响应［1］。由图3 可以看出，RDX 基PBX 炸药准静态压缩的力学性能远低于动态冲击力学性能，表明RDX 基PBX 炸药的损伤亦具有明显的应变率效应。

2.2 RDX 基PBX 炸药的宏观损伤模式

图4为准静态和冲击压缩（2 100s-1）后回收的RDX 基PBX 试样。可以看出，准静态压缩后试样破坏是沿轴线方向开裂，出现贯穿性的宏观裂纹，表现出脆性断裂的特征；而冲击压缩后，试样保持了原有的块状结构，这是由于RDX 基PBX 炸药中黏结剂的黏结作用所致。

图4 RDX 基PBX 试样压缩后的回收宏观形貌Fig.4 The macro-photo of RDX-based PBX samples after quasi-static and impact compression

2.3 RDX 基PBX 炸药的微观损伤模式

为了确定RDX 基PBX 炸药在不同应变率下的损伤模式，采用JSM5800 扫描电子显微镜（SEM）对其进行了微观形貌的观察，结果见图5。

由图5可以看出，原始试样由于颗粒含量很高，在压装成型过程中，颗粒间相互挤压，使得有些颗粒已经出现了初始微裂纹；由于成型过程中，黏结剂发生很大的黏性流动以及降温过程中黏结剂基体和RDX 颗粒热膨胀系数的差异，引起界面脱粘（图5（a））。准静态压缩时，可以观察到突出的炸药颗粒和颗粒拔出后留下的凹坑，裂纹和破碎主要发生在颗粒周围边缘地带，以沿晶断裂为主，穿晶断裂则较少发生（图5（b））；而高速冲击压缩时，不但颗粒晶体与黏结剂发生了脱离，而且出现明显的穿晶断裂，使得颗粒细化（图5（c）、（d））。这是由于在高速冲击作用下，试样内部的应力增加，引起试样内部初始微裂纹的扩展、汇集及贯通而形成宏观裂纹，同时宏观裂纹的端部又因应力集中而出现新的微裂纹，甚至微裂纹区，如此反复，使得材料发生碎裂，而此时由于黏结剂的黏结作用使得试样保持了原有的块状结构。

综合以上分析，认为该RDX 基PBX 炸药在准静态压缩时，以界面脱粘为主要的损伤模式；而冲击压缩时，界面脱粘和晶粒破碎两种损伤模式并存，应变率越高，晶粒破碎的作用越明显。

图5 不同条件下的PBX 炸药的SEM 照片（×1000）Fig.5 SEM photos under different conditions for RDX-based PBX explosive（×1000）

3 结 论

（1）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。失效应力由准静态时的5.8MPa增加到55.5MPa，失效应变则由准静态时的0.035增加到0.105。

（2）RDX 基PBX 炸药在准静态压缩时，沿轴线方向开裂，以界面脱粘为主要的损伤模式；冲击压缩时，保持了原有的块状结构，界面脱粘和晶粒破碎两种损伤模式并存，应变率越高，晶粒破碎的作用越明显。

［1］梁增友.炸药冲击损伤与起爆特性［M］.北京：电子工业出版社，2009.

［2］Tasker D G，Dick R D，Wilson W H.Mechanical properties of explosives under high deformation loading conditions［C］／／10th American Physical Society Topical Conference on Shock Compression of Condensed Matter.Massachusetts：American Institute of Physics，1998，429（1）：591-594.

［3］Williamson D M，Siviour C R，Proud W G，et al.Temperature-time response of a polymer bonded explosive in compression（EDC37）［J］.Journal of Physics D：Applied Physics，2008，41：1-10.

［4］罗景润.PBX 的损伤、断裂及本构关系［D］.绵阳：中国工程物理研究院，2001.

LUO Jing-run.PBX′s Damage，fracture and constitutive relationship［D］.Mianyang：China Academy of Engineering Physics，2001.

［5］吴会民，卢芳云.一种高聚物粘结炸药和B炸药的本构关 系 研 究［J］.高 压 物 理 学 报，2005，19（2）：139-144.

WU Hui-min，LU Fang-yun.Research on constitutive relation of a polymer bonded explosive and pressed comp.B［J］.Chinese Journal of High Pressure Physics，2005，19（2）：139-144.

［6］卢芳云，林玉亮，王晓燕，等.含能材料的高应变率响应实验［J］.火炸药学报，2006，29（1）：1-4.

LU Fang-yun，LIN Yu-liang，WANG Xiao-yan，et al.Experimental investigation on dynamic response of energetic materials at high strain rate［J］.Chinese Journal of Explosives and Propellants，2006，29（1）：1-4.

［7］卢芳云，Chen W，Frew D J.软材料的SHPB 实验设计［J］.爆炸与冲击，2002，22（1）：15-19.

LU Fang-yun，Chen W，Frew D J.A design of SHPB experiments for soft materials［J］.Explosion and Shock Wave，2002，22（1）：15-19.