碳纤维对塑料粘结炸药力学性能的影响

2014-07-07李文祥赵省向邢晓玲刁小强

火工品 2014年3期

李文祥，赵省向，邢晓玲,刁小强

（西安近代化学研究所，陕西西安 710065）

高聚物粘结炸药也称塑料粘结炸药（PBX），随着现代武器的发展，要求PBX具有更好的力学性能，以抵抗运输中的颠簸震动、武器发射过程中的振动冲击和过载要求，以及存储过程中环境的温差变化引起的热冲击和热应力释放等[1]。因此，提高PBX的力学强度对拓宽其使用范围和提高使用寿命有重要意义。

温茂萍等人采用平面断裂韧度试验[2]、压缩疲劳特性试验[3]等方法研究了高聚物粘结炸药药柱的宏观力学性能与老化的关系；周红萍[4]等人研究了高聚物粘结炸药在热压成型过程中的残余应力测试方法，以及应力消除的方法，对药柱的压制成型工艺具有指导意义。但是，这些研究主要集中在炸药力学性能的测量及力学性能和老化关系上，并没用揭示如何有效地提高PBX的力学性能。

碳纤维[5]作为一种新型的复合材料基体增强材料，可以和高聚物、树脂、金属、陶瓷、碳、玻璃等复合，制备具有高模量、高强度、耐腐蚀、抗疲劳、低热膨胀系数等众多优异性能的复合材料。本文将碳纤维添加到PBX炸药中，研究碳纤维含量和粘结剂种类对PBX力学性能的影响，初步探索了新型增强材料碳纤维在改善炸药力学性能、拓展炸药应用范围等方面的可行性。

1 CF增强原理

从材料学角度，PBX是一类以高聚物粘结剂为连续相、高能炸药为分散相的两相复合材料。药柱的力学性能主要取决于高分子粘结剂的力学性能以及两相之间粘结的紧密程度[6]。当PBX药柱受到外力时，粘结剂和炸药颗粒一起承受载荷，虽然粘结剂一般选择具有较高力学强度的聚合物，但是通常含量较少，而炸药颗粒承受载荷能力有限，因而药柱的力学性能较低。本研究中利用碳纤维高强度特点，在PBX两相体系中加入碳纤维，形成一个三相体系，如图1。其中碳纤维是增强体，作为主要的承力结构，粘结剂起连接纤维和传递载荷的作用，来提高PBX的力学性能。

图1 碳纤维增强PBX力学性能原理图Fig.1 The improvement principle of mechanical property of PBXs by CF

2 实验

2.1 原材料

RDX：工业品，甘肃银光化学公司；乙酸乙酯：分析纯，天津化学试剂有限公司；丙烯酸丁酯-丙烯腈共聚物乳液（202橡胶浆简称202胶），工业品；氟橡胶：FPM2603，工业品，晨光化工研究院；碳纤维（CF）：短切聚丙烯腈（PAN）纤维。

2.2 样品制备

采用水悬浮造粒法制备造型粉颗粒，然后将造型粉颗粒在250MPa下压制成Φ20mm×20mm的药柱。本次实验共涉及了202胶和氟橡胶两种粘结剂配方体系，具体配方组成见表1。

表1 不同配方编号及组成Tab.1 The different components of PBXs

3 结果与讨论

3.1 CF含量对PBX药柱抗压强度的影响

选用202胶体系，对不同含量CF的PBX药柱进行抗压强度测定，抗压强度按照GJB772A-97方法416.1，结果见图2。

图2 CF含量对PBX药柱抗压强度的影响Fig.2 The compressive strength of PBXs with different CF contents

由图2可见：（1）碳纤维含量从0.25%增加到1%时，药柱的抗压强度呈现下降趋势，但均大于空白样品的抗压强度；（2）药柱的压缩应变随着碳纤维含量的增加呈增大趋势，其中空白试样的压缩应变最小；（3）在相同粘结剂总量时，碳纤维含量为0.25%时，药柱的抗压强度比空白样品提高了62%。这说明碳纤维的加入有效地承载了压力载荷，使得药柱的抗压强度均高于空白样品；（4）抗压强度并不总是随着碳纤维含量的增加而增大。这是因为复合材料的力学性能一方面与碳纤维含量有关，另一方面在很大程度上也取决于基体和碳纤维界面质量。由图2可知，当分散相含量为95%时，202胶与CF质量比为19∶1时，可以形成较优的界面结合，最大程度提高PBX抗压强度。

3.2 CF含量对PBX药柱抗拉强度的影响

选用202胶体系，对不同含量CF的PBX药柱进行抗拉强度测定，抗拉强度按照 GJB 772A-97方法417.1，结果如图3所示。

从图3可见：（1）药柱的抗拉强度随着碳纤维含量的增加而增大，当碳纤维含量为 1%时，抗拉强度可提高30%，说明碳纤维的加入有效地吸收了拉伸的载荷，使得药柱的抗拉强度提高；（2）当碳纤维含量低于 1%时药柱的抗拉强度随碳纤维的含量增加变化显著；当碳纤维含量超过 1%时，碳纤维的加入对药柱的抗拉强度增强不明显。这是因为在碳纤维低含量时，决定药柱抗拉强度的主要因素在于碳纤维骨架可以吸收多少载荷，因此药柱的抗拉强度主要受碳纤维的含量影响。但是随着碳纤维含量的增加，理论上碳纤维应该可以吸收更多的载荷，使得药柱抗拉强度提高更多，但是结果却是碳纤维含量的增加对抗拉强度影响不大。这是因为药柱受到外力载荷时，这些载荷并没有有效地从基体传递到碳纤维骨架上，这时起主要作用的应该是碳纤维和基体之间的粘结紧密程度。

图3 碳纤维含量对PBX药柱抗拉强度的影响Fig.3 The tensile strength of PBXs with different CF contents

3.3 粘结剂体系对含CF的PBX药柱抗压强度的影响

将相同RDX和CF含量的不同粘结剂体系制备的PBX炸药的抗压强度列于表2。

表2 不同粘结剂体系PBXs药柱的抗压强度Tab.2 Compressive strength of PBXs with different binders

从表3可知，在相同RDX和CF含量下，含202胶和氟橡胶的PBX药柱药柱抗压强度分别比空白样品提高了62%和 30%。这是因为CF整体组成主要是碳、氧、氮、氢等元素，一般PAN碳纤维中的碳含量约95%。碳纤维是一种表面较为平滑的物质，未经处理的碳纤维含有16.5%的羟基和3.4%的羰基[7]，而202胶为丙烯酸丁酯-丙烯腈共聚物，含有酯基和腈基，相对氟橡胶而言，易于和碳纤维表面的官能团结合形成化学键，因此，在相同碳纤维含量下，202胶体系的PBX药柱抗压强度增强比较明显。

为了进一步分析，将两种不同粘结剂体系的PBX药柱拉伸断口试样表面喷金，用SEM观察断口形貌，见图4～5。碳纤维是一种表面较为平滑的物质，从图4可以看出，在202胶体系中，碳纤维外层包裹着一层粘结剂，说明碳纤维与202胶基体间产生了良好的结合，而图5中，碳纤维与氟橡胶基体之间接触较差，碳纤维表面裸露，包覆粘结剂较少或没有包覆粘结剂。因此，在增强PBX药柱承受外力的效果上，宏观表现为碳纤维对202胶体系的增强效果明显优于对氟橡胶体系，这说明碳纤维与粘结剂之间的界面性能的好坏直接影响PBX的整体力学性能。