PBX细观损伤特征及表征方法研究综述

高聚物粘结炸药(PBX)是一种高颗粒填充复合材料。PBX的细观损伤对其本构模型的建立和起爆机理(特别是XDT)的研究具有重要的意义。本文总结了国内外在PBX细观损伤的研究方面所做的工作,对PBX的损伤特性和损伤的表征方法进行了归纳和简要评述。分析了PBX的初始损伤,其压制成型过程同时也是PBX的损伤过程,而损伤的演化随加载方式和加载条件的不同呈现出明显的差异;PBX细观损伤的表征方法可以分为经验型和物理型两类,分析了各自的优缺点,而基于细观损伤的物理型表征方法是PBX力学研究的重要方向。     

PBX模拟材料动态力学响应及细观损伤模式

基于分离式霍普金森压杆(SHPB)装置对高聚物粘结炸药(PBX)模拟材料进行高应变率(1763~2650 s-1)动态压缩实验,采用铅整形器得到正弦入射脉冲。聚偏氟乙烯(PVDF)压力传感器监测试件两端的应力状态,高速相机拍摄试件的变形和破坏过程,激光位移计测量试件的轴向应变,采用电子显微镜观测细观结构形貌和损伤模式。结果表明,PBX模拟材料具有应变率相关性;结合界面脱粘和晶体断裂理论,认为晶粒与粘结剂的分离,晶粒脆性断裂是该PBX模拟材料的主要细观损伤模式。     

非线性超声技术检测TATB基PBX微损伤

针对高聚物粘结炸药(PBX)初始损伤及疲劳损伤问题,利用自行建立的非线性超声测试装置,对模压成型的两种密度三氨基三硝基苯(TATB)基PBX圆柱形试样及其在压缩疲劳过程中的非线性超声参量进行了测试,用断貌分析和计算机断层扫描(CT)验证了非线性超声检测结果。结果表明,与内部初始损伤程度较低的TATB基PBX试样相比,内部存在明显界面损伤的TATB基PBX试样的非线性超声系数明显偏高,非线性超声系数与TATB基PBX初始损伤程度之间有一定的相关性;在TATB基PBX试样疲劳加载至即将产生微裂纹时,非线性超声系数急剧增加并在产生宏观裂纹时达到极值,显示非线性超声参量可监测TATB基PBX疲劳损伤发展过程;TATB基PBX初始损伤程度不同其疲劳损伤速度和发展过程也不尽相同。     

某HMX基PBX温压时效处理过程变形规律数值模拟

为掌握高聚物粘结炸药(PBX)内部弹性应变向塑性应变转化规律,应用时温等效原理推导80℃的HMX基PBX蠕变曲线,并由ANSYS有限元软件拟合得到基于修正时间硬化理论的蠕变模型,用此模型对温压时效处理过程的HMX基PBX加热加压阶段变形情况进行模拟,结果显示:温压时效处理(80℃、10MPa)使HMX基PBX产生应力加载方向的压缩变形,炸药柱直径和高度分别减小0.476mm和1.306mm,密度增大约0.047g·cm-3,表明温压时效处理方法能够对PBX起到加速蠕变的作用。     

PBX模拟材料压剪应力状态下的幂函数M-C强度准则与失效特性

为了研究高聚物粘结炸药(PBX)在压剪复合应力状态下的强度特性,采用变角剪切加载方法进行了0°,15°,30°,45°,60°,75°以及90°的压剪实验研究;建立了PBX模拟材料的幂函数Mohr-Coulomb(M-C)准则,并对其围压强度进行了预测;利用SEM对压剪加载下的细观失效特性进行了分析。结果表明,PBX模拟材料在加载角度θ为0°,15°,30°,45°时主要表现为沿压剪面剪切的破坏模式,在θ为60°,75°,90°时表现为剪切和张裂的混合破坏模式;在剪切破坏模式下,随着压应力的增加,PBX模拟材料剪切强度呈非线性增加的趋势,细观损伤会从颗粒剪断、破碎逐步发展到次生裂纹的形成与贯通。分析发现,幂函数M-C模型适用于描述PBX模拟材料剪切强度的非线性变化规律,拟合得到的强度准则能较为准确地预测不同围压下的轴向压缩强度;压应力增加引起的内摩擦阻力增大和颗粒破碎、次生裂纹等引起的内摩擦系数降低是导致PBX模拟材料剪切破坏强度随压应力增加而非线性增加的重要原因。     

温压时效处理PBX内部裂纹愈合现象研究

采用温压时效处理技术开展PBX炸药件裂纹愈合试验,结合微焦点X射线断层扫描技术(μCT)、超声和力学性能测试,对PBX裂纹愈合现象开展探索研究。结果表明:经处理后,400 μm以下的内部裂纹愈合,愈合后的PBX抗拉强度和抗压强度接近相同密度下的无损伤试件,起到了有效改善受损炸药件质量的作用。裂纹类损伤存在阀值,低于阀值的裂纹可被填充愈合,而超过阀值的裂纹难愈合。PBX炸药件损伤程度影响愈合效果。      

压装HMX基PBX老化损伤及力学环境适应性

研究弹药装药的长贮老化损伤及力学环境适应性,用计算机断层成像(CT扫描)观察了贮存4,8,12a的压制奥克托今(HMX)基高聚物粘结炸药(PBX)装药的宏观结构缺陷。采用扫描电子显微镜(SEM)分析了贮存4,12a装药的细观损伤。运用冲击、振动实验考核了贮存12a装药的力学环境适应性。结果表明,长贮后出现PBX装药缺陷,表现为较为平直的沿径向贯穿、沿周向分布较为均匀的裂纹,裂纹数量随贮存年限增加而增加。装药缺陷的细观损伤模式为界面脱粘及基体开裂。带缺陷PBX装药弹药经受一定的冲击及振动载荷后,虽然增加了两处径向裂纹,但能够保证安全。     

基于Voronoi细观数值模型预测PBX的有效弹性模量

为探讨高聚物粘接炸药(PBX)细观结构对其有效弹性模量的影响,采用有限元方法分析对比了六边形颗粒、不同分布形式的圆形颗粒、基于Voronoi方法建立的不规则多边形颗粒等细观数值模型。结果表明,颗粒形貌和分布对PBX的有效模量影响显著。Voronoi细观数值模型不仅可以实现PBX材料颗粒的高填充度(85%),也可以通过不规则多边形颗粒更好地刻画PBX的细观结构,其杨氏模量预测结果为1.41 GPa,与实验值接近;杨氏模量、体积模量、剪切模量随颗粒含量增加近似指数上升,而泊松比随颗粒含量的增加快速下降。     

PBX炸药含裂纹扩展损伤的粘塑性本构关系

为描述高聚物粘结炸药(PBX)的动态力学性能,将炸药内由微裂纹扩展引起的细观损伤,耦合到宏观粘塑性本构方程中,建立了含微裂纹扩展损伤的粘塑性本构关系。针对某PBX炸药,开展了单轴压缩及断裂性能实验,研究了材料本构参数及本构关系计算算法,嵌入到ABAQUS软件中,数值模拟了该PBX炸药不同应变率条件下的力学行为。与实验结果对比表明,含裂纹扩展损伤的粘塑性本构关系能够表征PBX炸药动态条件下力学性能变化过程,可用于冲击环境下炸药损伤演化分析研究。     

PBX炸药及其模拟材料冲击损伤的试验研究

文中利用轻气炮驱动飞片加载技术对JO-9159炸药及其模拟材料样品进行了冲击加载，使其产生损伤，利用锰铜压阻计测量了试件的冲击压力。通过扫描电镜（SEM）对回收样品进行了显微观察．分析比较了炸药和模拟材料在冲击载荷作用下的损伤破坏模式。结果表明两者都具有脆性材料的损伤破坏特征，相对于PBX炸药模拟材料具有更明显的脆性特征。在细观上，PBX和模拟材料的损伤破坏模式是以微裂纹为主的脆性损伤，模拟材料的破坏主要表现为造型粉颗粒的破裂、破碎形成裂纹，而PBX炸药主要表现为颗粒之间的脱粘，并伴有颗粒的破碎。     

HTPB推进剂热力耦合加速老化细观损伤机理分析

为了深入探究端羟基聚丁二烯（HTPB）推进剂在热力耦合作用下的细观损伤机理，采用了试验表征和理论分析相结合的方法。具体而言，对在不同环境温度（50，70 ℃和90 ℃）及不同加载次数下的HTPB推进剂进行了细观层面分析。在50 ℃下，分别进行了约3000次和10800次加载；在70 ℃下，分别进行了约1800，3600次和7030次加载；而在90 ℃下，则进行了约1800次加载。研究发现：在热力耦合加速老化作用下，HTPB推进剂的细观损伤比单一因素老化更为显著。其细观损伤机理主要涉及两方面：一是由于基体热降解，基体自身的承载性能及其与颗粒间的粘接强度均有所下降，进而导致颗粒“脱湿”；二是颗粒的“脱湿”现象反过来进一步加剧了基体的热降解。这种相互作用使得细观损伤更加严重。研究还发现，随着老化温度的增加，细观损伤的程度会加剧，但温度过高将改变老化过程的细观损伤机理。此外，研究指出，在其他条件不变的前提下，合理选择终止加载次数对于判断HTPB推进剂是否发生显著细观损伤至关重要。本研究中，当50 ℃和70 ℃下的加载次数比（）分别超过0.281和0.330时，HTPB推进剂会产生显著的细观损伤。     

聚氨酯弹性体中NG和BTTN迁移的介观模拟

为在介观尺度下研究聚氨酯弹性体中的硝酸酯增塑剂硝化甘油(NG)和1,2,4-丁三醇三硝酸酯(BTTN)的迁移扩散现象,运用分子模拟软件Materials Studio进行了耗散粒子动力学DPD模拟计算。搭建了粗粒化的介观模型,用此模型计算了NG和BTTN在聚氨酯弹性体中的扩散系数。计算得到NG的介观扩散系数为1.80×10-12m2·s-1,BTTN的扩散系数为0.21×10-12m2·s-1,与文献报道NG的微观扩散系数0.65×10-12~11.10×10-12m2·s-1处于同一数量级上。预聚物分子量提高、温度升高后扩散系数增大,但硝酸酯含量提高后扩散系数降低,同等条件下NG的扩散系数大于BTTN。介观分子模拟计算结果与文献报道值和理论趋势较为符合,说明搭建的硝酸酯/聚氨酯粗粒化模型可以用于考察NG和BTTN在聚氨酯中扩散的情况。     

钨铜射流成形的细观数值模拟分析

为研究钨铜复合材料聚能射流成形的细观机理及材料细观结构对射流成形的影响,基于随机投放原理编制了钨铜复合材料细观离散化模型生成程序,建立了不同两相配比及钨颗粒尺寸的钨铜药型罩细观离散化模型。应用动力学仿真AUTODYN-2D软件中的欧拉算法,对钨铜细观模型及其等效均质药型罩开展了聚能射流成形的细观尺度有限元数值模拟分析。研究结果表明,钨铜材料在爆炸载荷驱动下铜相与钨相速度有显著差异,钨颗粒含量沿射流尾部至头部分布不均匀,呈现依次递减的趋势。在一定钨颗粒尺寸下,射流中钨含量相对变化量随着原始药型罩中钨含量降低而增大,钨体积含量30%的钨铜材料形成射流中平均钨含量降低65%,其中头部钨含量下降达90%;在给定罩材两相配比时,射流中钨含量随着钨颗粒尺寸的增大而降低,高钨含量的钨铜射流成分分布不均匀性对颗粒尺寸的变化更加敏感。     

TATB基PBX介观结构的耗散粒子动力学模拟

利用耗散粒子动力学对四种TATB基PBX的介观结构及其演变过程进行了研究。结果表明:聚合物在单质炸药TATB中形成线形的网状结构,但没有完全包覆TATB;随着聚三氟氯乙烯重复单元在聚合物中含量比例的增加,聚合物在TATB中的扩散变得越来越容易;温度升高也会使更多的聚合物扩散到TATB中。研究发现,温度在400K时,聚合物形成蜂窝状结构,能很好地包覆TATB。     

弹丸膛内运动过程中弹带表层热软化机理分析

为研究弹带表层金属在急剧升温条件下的热软化机理与组织演变过程,基于再结晶动力学理论分析表层金属发生再结晶及晶粒长大的可能性,研究了动态再结晶对弹带表层热软化的影响,采用金相显微镜和扫描电镜（SEM）观察并分析了回收砂弹的弹带细观与微观组织.实验中发现了存在于弹带表面薄层的再结晶组织,且部分晶粒未显著长大,这表明再结晶是弹带表层热软化的微观机理.     

PBX压制过程中细观力学行为的二维数值模拟

应用圆形近似,建立了炸药颗粒随机分布的细观力学模型。进行了基于物质点法的奥克托今(HMX)基高聚物粘结炸药(PBX)炸药压制过程中力学行为的数值模拟。重点分析了压制过程中体系的应力和温度的变化以及晶体颗粒的变形。模拟结果表明,压制过程可以分为整合和巩固两个阶段。在整合阶段,颗粒受到压力而重新排列,应力产生于颗粒与压缩面的接触部分,并形成了多条的应力链。应力链沿炸药颗粒间的接触面向上和向下传播,体系在受力的过程中温度逐渐升高,体系局部最大温升为10K。体系进入巩固阶段的塑性形变过程后,内部应力梯度减小,同时体系内部明显存在温差,最大温差为20K。     

DIANP对NC溶塑作用的实验与模拟

用动态流变实验和扫描电子显微镜观察对比研究了1,5-二叠氮-3-硝基氮杂戊烷(DIANP)和硝化甘油(NG)溶塑硝化纤维素(NC)的速率和效果,用分子动力学模拟方法对DIANP、NG、NC的溶度参数和DIANP、NG在NC中的扩散系数进行了模拟计算,采用介观动力学模拟方法得到了NC/DIANP和NC/NG共混体系的介观形貌。结果表明,与NG相比,DIANP溶塑NC速率较快,二者在NC中的扩散系数分别为1.39×10~(-10)m~2·s~(-1)和2.24×10~(-10)m~2·s~(-1)。相对于NG,DIANP溶塑效果更好,两种共混体系的显微形貌特征与介观动力学模拟结果具有很高的一致性。溶度参数计算结果表明,DIANP的分子间作用力大小与NC较为相似,而NG溶度参数的范德华力和静电力分量所占的比例与NC接近。     

PEG/增塑剂共混物相容性的分子动力学模拟和介观模拟

为解决含能钝感增塑剂应用于硝酸酯增塑聚醚(NEPE)推进剂的问题,研究了增塑剂三羟甲基乙烷三硝酸酯(TMETN)、硝化甘油(NG)、1,2,4-丁三醇三硝酸酯(BTTN)与粘合剂预聚物聚乙二醇(PEG)的相容性。采用分子动力学模拟计算了PEG、TMETN、NG、BTTN四种纯物质的溶度参数及分子内和分子间径向分布函数,得到相容性优劣顺序为:TMETN/PEGBTTN/PEGNG/PEG。BTTN分子中的亚甲基和TMETN的结构削弱了自身分子间作用、降低了与PEG溶度参数的差值;分析了共混物的结合能及分子间径向分布函数,认为增塑剂与PEG相容的本质为"分子间以非键作用相结合,范德华作用占主要比重"。此外,增塑剂与PEG分子的极性越相近、范德华作用的占比越大;通过介观模拟得到体系的介观形态演变过程,发现NG/PEG及BTTN/PEG易发生相分离、TMETN/PEG仅发生轻微的同相归并。最终得出:含能钝感增塑剂TMETN与PEG的相容性优于BTTN及NG,可以考虑将其代替或部分代替NG、降低NEPE推进剂的感度,为低易损战术武器的发展提供依据。     

介观尺度下磨粒流抛光温度对发动机喷油嘴质量影响研究

磨粒流抛光作为一项精密加工技术,其抛光温度对工件质量的影响在宏观尺度和微观尺度上已有较多的研究,而在介观尺度内的模拟仍很少涉及。通过构建以原子团簇为主的磨粒,在介观尺度下以耗散粒子动力学的方法研究不同温度下磨粒对发动机喷油嘴内表面的碰撞磨损行为。研究结果表明：温度越高,磨粒流抛光质量越好,在抛光温度为300~310 K区域内可获得最佳的磨粒流抛光质量,但抛光温度高于310 K后,磨粒流抛光质量有所下降;磨粒流抛光试验与数值分析的结果一致,磨粒流抛光技术可有效实现对细小孔结构的抛光,并可有效提高抛光精度和表面质量。     

Stability of the Third Generation Intensifier under Illumination

The stability under illumination of transmission-mode GaAs photocathode sealed in the third generation intensifier is investigated by use of spectral response testing instruments. The variations of spectral response with the illumination times under weak and intense illumination are compared. The variations of photoemission performance parameters are also characterized. The results show that during initial several weak illuminations photocathode behaves no evident decay and a maximum sensitivity is achieved, while under intense illumination the sensitivity of photocathode begin to decrease largely at the first illumination. The calculated performance parameters show that the variation of surface escape probability with illumination times is a direct cause of instability of photocathode. It is also found that under intense illumination peak wavelength is moved towards short-wave and peak response is decreased, which shows that the ability of long-wave response of photocathode is decreased.