传爆药静态压缩力学性能及损伤特性研究*

2022-05-21肖向东肖有才洪志雄熊言义赵慧平王泽宇王志军

爆炸与冲击 2022年4期

肖向东，肖有才，洪志雄，熊言义，赵慧平，王泽宇，王志军

（1. 中北大学机电工程学院，山西太原 030051；2. 中国船舶重工集团公司第七一三研究所，河南郑州 450015）

含能材料的力学性能及损伤机理研究是武器战斗部安全评估的一个重要环节。JH-14C 作为引信传爆序列中的一种传统装药，在运输、贮存等过程中会因意外刺激而产生损伤。这些损伤将成为潜在的热点，影响引信传感序列安全性，因此，其力学性能及损伤机理研究对引信传爆序列安全评估具有重要意义。

目前，对钝感装药静态、动态力学性能已开展了大量研究工作。邓琼等利用Hopkinson 压杆实验装置，对含能材料力学行为相关问题进行了研究，给出了冲击片雷管的动态力学响应特性。Rae 等利用改进的光学显微镜，对PBX9501 进行准静态压缩实验，并对回收试样进行了细观形貌观测，发现在准静态压缩下，PBX9501 主要有黏结剂与含能颗粒脱黏，同时伴随含能颗粒原始微裂纹开裂。Heider 等利用准静态和SHPB 压缩实验，研究了PBX KS32 的力学行为，给出了一种确定材料黏弹性松弛函数的方法，并运用该方法构造了描述PBX KS32 动态力学性能的本构关系。Dinens 等给出了包括裂纹开裂、剪切、扩张和聚合的统计裂纹力学模型，基于此，Bennett 等建立了黏弹性统计微裂纹损伤模型。

JH-14C 是战斗部常用传爆药，对JH-14C 的物理化学性质和爆炸特性已有了详细研究，但对其力学性能尤其在不同加载条件下的力学性能的报道不多。张子敏等采用分离式Hopkinson 压杆，对JH-14C 传爆药在不同冲击载荷下的动态力学性能进行了研究，并利用扫描电镜（SEM）对回收试样的细观形貌进行了观察，发现JH-14C 呈现明显的应变率效应，在外界载荷下JH-14C 的主要损伤模式为黏结剂与含能颗粒的脱黏，但研究仅针对动态载荷，并没有涉及静态载荷下JH-14C 传爆药的力学性能。

本文中，研究JH-14C 传爆药准静态力学性能及损伤特性：利用静态压缩实验，获得不同应变率下的应力-应变曲线；采用修正的Ramberg-Osgood 关系，描述JH-14C 在低应变率下的力学行为；结合扫描电子显微镜，研究JH-14C 静态压缩损伤模式。

1 实验

1.1 材料

JH-14C 试样由西安近代化学研究所提供，密度约为1.70 g/cm，其成分RDX、黏结剂和石墨的质量分数分别为96.5%、3.0%和0.5%。图1 为JH-14C 的细观形貌，可见其内部含能颗粒端面清晰不规则散布于聚合物黏结剂中，直径主要在50～200 µm。

图1 JH-14C 的细观形貌Fig. 1 Micrographs of JH-14C

1.2 单轴准静态压缩实验

采用配备环境箱的INSTRON 试验机进行单轴准静态压缩实验，根据GJB 770B–2005《火药试验方法》，设计JH-14C 试样尺寸为 ∅ 12.5 mm×12.5 mm。在室温（25 ℃）下，共进行5 次实验，压缩速率分别为0.012 5、 0.062 5、0.125、0.625 和1.25 mm/s，应变率分别为 0.001、0.005、0.01、0.05、0.1 s。

1.3 准静态压缩力学性能

图2 为JH-14C 传爆药在应变率0.01 s下的变形过程，其中点、、、对应不同时刻试件的压缩应力-应变状态。在准静态压缩实验中，JH-14C 传爆药试件变形过程呈均匀变化，随着压缩应变增大，试件表面裂纹逐渐增多：当到达点（7 s）后应力开始减小，这是因试件产生宏观裂纹，导致承载能力降低；当到达点（11 s）后，JH-14C 传爆药发生明显断裂，表面裂纹贯穿上下表面，试件破坏。

图2 应力-应变关系和试件变形过程Fig. 2 Stress-strain relationship and the corresponding specimen deformation process

图3 为准静态压缩实验时JH-14C、X0242（HMX、Estane 和BDNPA/F 的质量分数分别为92%、4%和4%）和PBX9501（HMX、Estane和BDNPA/F 的质量分数为95.0%、2.5% 和2.5%）的应力-应变曲线。可见：（1）PBX9501、JH-14C 和X0242 的压缩强度都随着应变率升高而提高，3 种材料均符合材料应变率效应规律；（2）PBX9501 的准静态压缩强度显著高于JH-14C和X0242 的，主要原因为PBX9501 的含能颗粒含量高于JH-14C 和X0242 的，通过对比JH-14 与PBX9501 的细观扫描结果，发现PBX9501细观结构致密，因此细观结构对含能材料强度具有重要影响；（3）准静态实验中，相同压缩强度下PBX9501 的应变比JH-14C 和X0242 的小，这是因内部黏结剂含量及细观结构差异导致，虽然3 种材料都是脆性材料，但是PBX9501 强度更高、脆性效应更明显。以上分析，可为钝感炸药配方设计、装药等提供参考。

图3 不同应变率下JH-14C、PBX9501[14]、X0242[13]的准静态应力-应变曲线Fig. 3 Quasi-static stress-strain curves of JH-14C,PBX9501[14], X0242[13] at different strain rates

2 理论模型与计算

2.1 Ramberg-Osgood 本构关系

2.2 模型验证

通过最小二乘法拟合得到修正的Ramberg-Osgood 本构关系：

式中：σ 的单位为MPa，ε ˙的单位为s。

表1 模型拟合结果的相关系数Table 1 Correlation coefficients of the model fitting results

图4 理论与实验的准静态压缩应力-应变曲线比较Fig. 4 Comparisons between theory and experiment quasi-static stress-strain curves

3 JH-14C 静态压缩的损伤特性

图5 为JH-14C 传爆药与PBX9501加载前的细观形貌，、、、为炸药中的含能颗粒。可见：JH-14C 与PBX9501 细观结构相似：（1）内部都存在大量的孔洞及微裂纹等缺陷，含能颗粒呈现菱角形状，且在大颗粒周围环绕着许多体积较小的含能晶体；（2）含能颗粒上都存在大量微裂纹；（3）部分含能颗粒相互接触，但他们间并不存在黏结剂。

图5 试样加载前细观形貌Fig. 5 Micrographs of the specimens before loading

图6 为PBX9501 细观形貌，准静态压缩中PBX9501 的主要损伤模式为含能颗粒与黏结剂脱黏，同时伴随着穿晶断裂。

图6 PBX9501 的细观形貌[4]Fig. 6 Micrographs of PBX9501[4]

图7 为JH-14C 在准静态压缩实验中的细观形貌。当=3 s 时，应力约为1.8 MPa，JH-14C 传爆药内部形成了很多微裂纹，这种应力状态下JH-14C 的主要损伤机制为黏结剂的脱黏。当=7 s 时，应力约为3.4 MPa，此时不仅有黏结剂脱黏形成的微裂纹（红色虚线），同时内部还形成了新的裂纹扩展路径。即原本存在于含能颗粒上的裂纹（黄色虚线），因外力导致含能颗粒裂纹附近应力集中形成微裂纹区，这些微裂纹与黏结剂脱黏形成的微裂纹经过汇聚、贯通等而形成宏观裂缝，最终导致JH-14C 发生断裂。通过对比JH-14C 和PBX9501 细观损伤形貌，发现两者类似：在外力作用下，首先产生脱湿，其次发生穿晶断裂，最后失效破坏。

图7 JH-14C 试样加载时的细观形貌Fig. 7 Micrographs of the JH-14C specimen at loading moments

图8 为JH-14C 在压缩实验后试样径向截面的细观形貌。由于石墨含量低，且分布不均匀，在制作过程中JH-14C 内部含能颗粒形成团簇，图中白色位置无石墨。在压缩作用下，团簇体与整体界面处为主要损伤产生位置。

图8 JH-14C 试样的径向截面细观形貌Fig. 8 Micrographs of the radial cross-section of the JH-14C specimen

图9 为JH-14C 试样准静态压缩实验后的宏观断裂形貌。在试样表面裂纹的扩展方向与径向轴线方向成60°，试样断裂角度几乎相同，这表明JH-14C 具有较好的内部结构。通常，采用与库仑相关的破坏模式准则，假设JH-14C 摩擦角为30°，满足库仑准则的莫尔应力圈有两条对称的直线作为其包络线，则运用上述准则计算得到破坏角为60°，这与实验现象一致。