复合载荷作用下TATB基PBX炸药药柱的损伤试验研究

李志鹏，龙新平，何松伟，文玉史

（1．中国工程物理研究院化工材料研究所，四川绵阳621900；2．中国工程物理研究院，四川绵阳621900）

引 言

随着现代高性能武器系统的飞速发展，对炸药在各种条件下的安全性要求日益迫切。在实际使用中炸药会受到各种载荷的作用，从而产生孔洞、裂纹等损伤，不仅影响炸药的宏观力学性能，同时还可能影响其爆轰及安全性能。

温度载荷和机械载荷是影响炸药性质的两个重要因素，温度载荷导致炸药发生化学老化，改变了高聚物的宏观分子结构，影响炸药的损伤阈值和损伤演化速率；机械载荷导致炸药发生力学损伤，改变了高聚物材料的细观结构，从而加速化学反应速率［1］。目前国内外对炸药损伤的研究主要以机械载荷或温度载荷单因素作用为主［2－7］。然而，在加工、运输、贮存及使用过程中炸药受到的载荷往往是同时或相互的。因此，考虑温度和机械载荷的复合作用对炸药感度的影响更具有实际意义。

本研究根据炸药实际使用过程中可能遇到的复合载荷情况，分别采用较轻微和较强烈两种典型复合载荷作用对TATB 基PBX炸药进行损伤试验，通过测试密度、增益值和声速值的变化对炸药的损伤程度进行了表征，采用隔板试验测试了炸药的冲击波感度，以期为了解炸药在实际使用过程中的安全性提供参考。

1 实 验

1．1 样品及仪器

TATB 基PBX炸药，中国工程物理研究院化工材料研究所，主要成分为TATB 和氟橡胶。测试药柱为模具压制成型，密度约为1．893g／cm3，尺寸为Φ20mm×20mm。

8862J4873型材料试验机，美国INSTRON 公司；CTS－36型全数字式超声波检测仪，汕头超声仪器研究所。

1．2 较轻微复合载荷试验模拟

较轻微复合载荷作用主要模拟TATB 基PBX炸药在贮存、运输等过程中同时存在温度载荷和应力作用的情况。试验模拟在材料试验机上进行，先用材料试验机在药柱两端加载5MPa的应力，保持两个压头间的距离不变，然后进行缓慢加热，升温速率约为2．5℃／min，升温至70℃时恒温10min，然后再以约5℃／min的降温速率冷却到室温，循环5次。单次加载过程中TATB基PBX炸药药柱承受应力的变化见图1。由图1可见，TATB基PBX炸药药柱承受的应力随温度的升高逐渐增大，当温度到达70℃时，应力最大值达到10．9MPa。

1 复合载荷作用下TATB基PBX炸药药柱的应力变化Fig．1 Stress history of TATB－based explosive under combined load

1．3 较强烈复合载荷试验模拟

较强烈复合载荷作用主要模拟炸药运输、勤务处理等过程发生跌落并且遭遇高温热环境等异常情况可能带来的损伤。首先用3kg 落锤从0．6m高处自由落下，对PBX炸药药柱进行撞击，模拟炸药意外跌落经受低速冲击时损伤的产生。撞击时药柱放置在图2 所示的约束装置中，便于回收，并保证测试样品的完整性。约束装置由撞击杆、钢套筒和钢底板组成，材料均为45号钢，其中钢套筒内径为20．5mm，壁厚15mm，高40mm。

图2 炸药撞击损伤试验装置示意图Fig．2 Schematic diagrams of impact damage test setup

回收经撞击损伤的药柱并放置在热爆炸炉中进行高温载荷试验，首先以5℃／min的升温速率将药柱加热到180℃，并用热电偶进行测温，保证上下端温差不大于0．5℃，然后在180℃的条件下恒温2h，再以约6～7℃／min的降温速率冷却室温。

1．4 TATB基PBX炸药损伤的表征

复合载荷作用后炸药的损伤情况主要通过其密度和超声波特性（声速和增益值）的变化来表征。超声波特性采用CTS－36型全数字式超声波检测仪进行测量，探头频率5．0MHz，耦合剂为蒸馏水，耦合面为药柱端面，主要沿药柱长轴方向检测超声波的声速和增益值。

1．5 冲击波感度试验

采用隔板试验方法测试冲击波感度，试验装置示意图见图3。其中主发药为JO－9159，密度1．860g／cm3，尺寸为Φ20mm×20mm；隔板材料为铝，直径为30mm。

图3 隔板试验装置示意图Fig．3 Schematic diagram of gap test setup

2 结果与讨论

2．1 药柱的损伤程度分析

不同载荷作用下TATB基PBX炸药药柱损伤前后密度和超声波声速及增益的平均值变化情况见表1。

表1 复合载荷作用前后TATB基PBX炸药药柱的密度和超声波声速及增益值Table 1 The density，ultrasonic wave velocity and gain values of TATB－based explosive column before and after combined load effect

由表1可见，在较轻微复合载荷作用下，TATB基PBX 药柱的平均密度减小0．003g／cm3，较初始值减小0．15%；超声波声速平均减小24m／s，较初始值减小0．97%；而增益值则平均增大9．4dB，较初始值增加43．32%。

从加载条件来看，试验的最高温度仅为70℃，对炸药组分的影响不大，药柱内部可能未产生更多的微孔洞、微裂纹等损伤，因此，密度和声速的变化较小。由于受到温度冲击和压力的复合作用，会导致药柱中的微裂纹生长、扩展，进而出现局部裂纹，使得增益值有较大变化。研究表明［2］，温度冲击作用条件下，药柱有明显的裂纹增加现象，也从一定程度上验证了上述分析结果。由此可见，TATB 基PBX 药柱在较轻微复合载荷条件下的损伤主要表现为局部产生裂纹。

由表1还可看出，在较强烈复合载荷作用下，药柱的平均密度减小0．039g／cm3，较初始值减小2．16%；超声波声速平均减小194m／s，较初始值减小7．87%；增益值则平均增大10．5dB，较初始值增加49．07%。表明较强烈复合载荷作用后药柱中可能形成了更多的孔洞、微裂纹等细观损伤，这些损伤的存在使药柱的密度减小，从而导致其超声波声速发生较大变化。同时，局部宏观裂纹的出现也使得其增益值变大。

研究表明［3］，炸药在冲击载荷作用下主要发生颗粒破碎和晶体内部孔洞增加两种突出现象。根据试验加载条件，TATB基PBX炸药药柱首先经受落锤撞击，较大的冲击作用使炸药颗粒发生破碎，晶体内部孔洞增加，从而导致药柱中的微裂纹、微孔洞等缺陷增多。此外，在180℃高温条件下，TATB晶体会发生不可逆增长［4］，同样导致药柱体积增大，密度减小；高温作用还使黏结剂软化流动，炸药颗粒与基体材料更易发生脱粘，这也会进一步产生一些新的微孔洞和微裂纹。综上所述，TATB基PBX炸药药柱在较强烈的复合载荷作用下，不仅局部有较大裂纹，同时其内部也出现较多的微孔洞、微裂纹等损伤。

2．2 不同损伤状态下药柱的冲击波感度

不同损伤状态下TATB基PBX炸药药柱发生50%爆轰时的隔板厚度见图4。

图4 TATB基PBX炸药药柱50%爆轰的隔板厚度Fig．4 Gap thickness of 50%detonation for TATB－based PBX explosive

由图4可见，较轻微复合载荷作用后TATB基PBX药柱50%爆轰的隔板厚度为9．8mm，与初始状态的隔板厚度（9．6mm）相比增加约2．08%，表明其冲击波感度略有升高。较强烈的复合载荷作用后，TATB 基PBX 药柱50%爆轰的隔板厚度为12．5mm，比初始状态增加约30．21%，表明经较强烈复合载荷作用后，冲击波感度明显增加，炸药变得更敏感。

由表1和图4可知，在两种复合载荷作用下，药柱的增益值变化较大，冲击波感度的差别很大。究其原因，可能是因为增益值的变化主要反映了药柱局部的宏观性能变化情况，如某些局部较大的裂纹等，根据冲击起爆的热点机制，在冲击波作用下被点火的热点数量更多地取决于药柱内部的微孔洞、微裂纹等损伤。根据上述测试结果，在较强烈复合载荷作用下，药柱中形成了更多的孔洞、裂纹等细微损伤，因此，TATB 基PBX炸药药柱的冲击波感度有较大增加。在较轻微复合载荷作用下，炸药的损伤主要表现为局部产生较大裂纹，其对冲击作用下热点的贡献有限，因此，冲击波感度仅略有增加。

3 结 论

（1）在较轻微复合载荷作用下，TATB 基PBX炸药药柱的密度减小0．15%，超声波声速减小0．97%，增益值增大43．32%。药柱损伤主要表现为局部裂纹，未出现更多孔洞、裂纹等微损伤，因此对其冲击波感度影响不大，50%爆轰隔板厚度仅略有增加。

（2）在较强烈复合载荷作用下，TATB 基PBX炸药药柱的密度减小2．16%，超声波声速减小7．87%，增益值增大49．07%。冲击波感度有较大的增加，50%爆轰隔板厚度为12．5mm，较初始状态约增加30．21%。

［1］ 陈鹏万，丁雁生．含能材料的细观损伤［J］．火炸药学报，2001（2）：58－61．CHEN Peng－wan，DING Yan－sheng．Damage in energetic materials［J］．Chinese Journal of Explosives and Propellants，2001（2）：58－61．

［2］ 尹俊婷，袁宝慧，牛鹏俊，等．炸药损伤及损伤炸药环境适应性的实验研究［J］．火炸药学报，2008，31（2）：78－80．YIN Jun－ting，YUAN Bao－hui，NIU Peng－jun，et al．Experimental study on the explosive damage and environment adaptability of damaged explosive［J］．Chinese Journal of Explosives and Propellants，2008，31（2）：78－80．

［3］ 姚惠生，黄风雷，张宝平．炸药冲击损伤及损伤炸药冲击起爆实验研究［J］．北京理工大学学报，2007，27（6）：487－490．YAO Hui－sheng，HUANG Feng－lei，ZHANG Baoping．Experimental study on the impact damage and shock initiation of damaged explosives［J］．Transactions of Beijing Institute of Technology，2007，27（6）：487－490．

［4］ Mulford R N，Romero J A．Sensitivity of the TATBbased explosive PBX－9502after thermal expansion［C］∥Shock Compression of Condensed Matter－1997．Amherst：AIP Press，1998：723－726．

［5］ 李俊玲，傅华，谭多望，等．PBX炸药的拉伸断裂损伤分析［J］．爆炸与冲击，2011，31（6）：624－629．LI Jun－ling，FU Hua，TAN Duo－wang，et al．Fracture damage analysis of PBX［J］．Explosion and Shock Waves，2011，31（6）：624－629．

［6］ 屈可朋，肖玮，韩天一，等．RDX 基PBX炸药的力学行为和损伤模式［J］．火炸药学报，2012，35（5）：38－44．QU Ke－peng，XIAO Wei，HUANG Tian－yi，et al．Mechanical behavior and damage mode of RDX－based PBX explosive［J］．Chinese Journal of Explosives and Propellants，2012，35（5）：38－44．

［7］ 李志鹏，龙新平，黄毅民，等．热损伤对TATB 基PBX炸药冲击起爆过程影响研究［J］．爆炸与冲击，2013，33（增刊）：151－156．LI Zhi－peng，LONG Xin－ping，HUANG Yi－min，et al．Effect of thermal damage on the shock initiation in the TATB based explosive［J］．Explosion and Shock Waves，2013，33（Supplement）：151－156．