石墨对TATB基PBX导热性能的影响

为有效调节TATB基高聚物粘结炸药(PBX)的导热性能,利用闪光导热仪研究了石墨包覆方式(内包和外包)、温度及石墨含量对TATB基PBX导热系数的影响,应用Agari模型分析了TATB基PBX的导热机制。结果表明,添加高导热石墨可改善TATB基PBX的导热性能。常温下,由内包和外包1%(质量分数)石墨改性的TATB基PBX配方的导热系数分别为0.572 W·(m·K)-1和0.697 W·(m·K)-1,显示,外包石墨包覆方式比内包石墨包覆方式更好。与不含石墨的TATB基PBX相比,内包1%和外包1%石墨的TATB基PBX的导热性能分别提高4.76%和27.66%。随温度升高,TATB基PBX及其石墨改性配方的导热性能逐渐降低。随着石墨含量增加,外包石墨改性的TATB基PBX的导热性能升高。外包2%(质量分数)石墨可使TATB基PBX的导热系数提高至0.786 W·(m·K)-1。TATB基PBX及由内包石墨改性的配方的导热机制符合串联模型,而由外包石墨改性的配方的导热机制介于串联模型和并联模型之间。     

TATB基PBX及其改性配方的蠕变性能

为探讨粘结剂组成对TATB基高聚物粘结炸药(PBX)蠕变性能的影响,用电子万能试验机和动态力学分析仪分别研究了TATB基PBX及其改性配方的拉伸、压缩和三点弯曲蠕变行为。结果表明,加入高玻璃化转变温度和高力学强度的增强剂苯乙烯共聚物可改善TATB基PBX的抗蠕变性能。改性配方的蠕变应变降低,蠕变破坏时间延长。由50 ℃/3 MPa下拉伸蠕变、70 ℃/10 MPa下压缩蠕变以及70 ℃/6 MPa下三点弯曲蠕变试验所得原配方的破坏时间分别为14,12.7,12 min,而同样条件下,改性配方未发生蠕变破坏。根据时温等效原理,获得TATB基PBX及其改性配方在参考温度60 ℃下的蠕变柔量主曲线。与原配方相比,TATB基PBX改性配方的蠕变柔量主曲线向下偏移,抗蠕变性能提高。     

TATB基PBX界面热阻研究及导热系数预测

为研究TATB基高聚物粘接炸药(PBX)中炸药晶体与粘结剂之间的界面热阻,采用在TATB单质药片上涂覆氟橡胶层的方法,制备了TATB基PBX单层界面样品,并通过纳米压痕法获得了界面样品氟橡胶层及界面层厚度,利用激光热导仪测得TATB/氟橡胶界面层在293,303,313,323,333 K下的导热系数分别为6.18×10~(-3),6.53×10~(-3),9.87×10~(-3),2.16×10~(-2),7.72×10~(-3)W·m~(-1)·K~(-1)。基于界面导热系数与热阻的关系,建立含界面热阻的PBX导热系数预测模型,获得了某型PBX导热系数理论值,理论计算结果与实测值吻合性较好。     

F2311含量对TATB基PBX蠕变性能的影响

以TATB基高聚物粘结炸药(PBX)为原配方,制备了含氟弹性体(F2311)含量分别为0.05%、0.1%、0.2%、0.4%的4种改性配方,采用动态力学分析仪研究了F2311对PBX的三点弯曲蠕变性能影响。结果发现,加入0.4%的F2311使TATB基PBX的抗蠕变性能下降,减少F2311含量有利于提高其抗蠕变性能。含0.05%F2311的改性配方PBX在60℃/6 MPa下的蠕变应变略低于原配方。研究同时采用六元件模型对TATB基PBX及其改性配方的蠕变行为进行模拟。得到了蠕变曲线的本构方程,理论预测模型和试验数据吻合良好。根据时温等效原理,获得了TATB基PBX及其改性配方在参考温度30℃下的蠕变柔量主曲线,结果表明含0.05%F2311的TATB基PBX改性配方的长期抗蠕变性能优于原配方PBX。     

基于X射线显微CT的PBX热冲击损伤特征

为研究小尺寸高聚物黏结炸药（polymer bonded explosive,PBX）半球的热冲击损伤特征,针对Φ10 mm TATB基和HNS基PBX半球样品开展了0~100 ℃水浴温度冲击实验,利用X射线显微层析成像（Micro-computed tomography,μCT）技术研究了样品损伤的三维形态和分布特征,并采用热弹塑性二维轴对称模型对样品温度冲击过程的热传导和热应力进行了模拟分析。CT结果表明温度冲击后2种样品均由边角起裂,其中TATB基PBX半球沿边部环向扩展,形态曲折,具有撕裂和脆断特征;HNS基PBX半球沿轴向基本贯穿,形态平直,具有脆断特征。数字模拟结果表明温度冲击过程中TATB基PBX半球内部产生较强的拉应力,由边角区域至中心区域拉应力先后超过其拉伸强度,导致主裂纹由半球边角区域萌生并向内扩展。样品损伤形态与温度冲击作用下的应力分布特征、黏结剂温度特性吻合。本研究为TATB基和HNS基PBX温度冲击损伤机理分析奠定了基础。     

时间-温度-应力等效原理在TATB基PBX拉伸蠕变中的适用性分析

为验证时间-温度-应力原理在TATB基PBX拉伸蠕变中的适用性,实现长期拉伸蠕变变形评估计算,开展了某TATB基PBX恒应力不同温度的常规拉伸蠕变实验和恒温度梯级拉伸蠕变实验,采用陈氏法对梯级加载蠕变曲线进行分解处理,得到恒温度不同应力的拉伸蠕变曲线,基于非线性粘弹性材料的时间-温度-应力等效原理,采用二分法计算程序对各蠕变柔量曲线进行了平移汇集,获得了参考温度和应力（30 ℃、3.0 MPa）下的温度应力耦合蠕变柔量主曲线和考虑温度和应力的Williams-Landel-Ferry方程参数。结果表明在所分析的温度范围（30~50 ℃）和应力范围内（1.0~5.5 MPa）,TATB基PBX的拉伸蠕变行为较好地符合时间-温度-应力等效原理描述,可以利用该原理通过高温度高应力的PBX短期拉伸蠕变实验预测其低温低应力的长期拉伸蠕变变形。     

基于SVM算法的TATB基PBX单轴准静态应力应变关系

以1,3,5?三氨基?2,4,6?三硝基苯(TATB)基高聚物粘结炸药(PBX)材料为研究对象,在-40～75℃下开展了准静态的单轴拉伸、压缩试验,获得了预设17个温度点下的应力应变关系数据;以温度、应变为自变量,应力为因变量,基于支持向量机(SVM)算法对拉伸压缩条件下的应力应变关系进行了描述,并对构建的关系式进行了误差分析。结果表明,在-40～75℃内,材料的拉伸强度和压缩强度均随温度的升高而劣化,应力应变曲线的非线性和拉压非对称性特征变化明显;同时,采用一组参数基于SVM算法实现了不同温度下TATB基PBX拉伸压缩应力应变关系的描述,解决了模型参数常随温度变化的问题,构建的关系式平均绝对百分比误差不超过7.77%,相关系数均大于0.998,表现出了良好的适用性。     

粘结剂含量对热压TATB基PBX残余应力的影响

为了掌握粘结剂含量对高聚物粘结炸药(PBX)残余应力和宏观力学性能的影响规律,采用基于VKα靶的X射线衍射方法测试了F2314粘结剂含量为0~11%热压成型的TATB基PBX残余应力,采用巴西试验方法测试其宏观力学性能,并采用了TATB晶体-粘结剂包裹结构简化模型进行温度单一因素条件的残余应力数值模拟验证。实验结果表明:不含粘结剂的PBX,其残余应力为拉应力;随着PBX中粘结剂含量增加,残余应力逐渐减小,当粘结剂含量超过5%,其拉伸残余应力递减趋势增强;当粘结剂含量由7%增加到9%时,残余应力由拉应力转变为压应力;PBX力学强度随粘结剂含量增加而增强。残余应力模拟结果与实验结果具有相同变化趋势。     

TATB基PBX双曲Drucker-Prager强度准则适用性分析

为准确建立三氨基三硝基苯(TATB)基高聚物粘接炸药(PBX)材料的强度准则,通过自主研制的主动围压试验机获取了不同温度(22.5,35,50℃),不同围压(0～10 MPa)下材料的强度;根据单轴拉伸、单轴压缩以及围压压缩实验数据,采用传统Drucker-Prager(D-P)以及双曲D-P强度准则分别建立了不同温度下TATB基PBX材料的强度模型,并分析了其对于强度实验数据的预测精度。结果表明,双曲D-P强度准则对于22.5,35,50℃下强度实验数据的预测相对误差最大分别为2.41%,3.46%,5.22%,均方根误差分别为0.42,0.38,0.44 MPa,优于传统D-P强度准则结果;对于间接三轴拉伸和压缩破坏应力状态的预测,其相对误差分别为4.93%和12.14%,总体上均优于传统D-P、Mohr-Column、双剪以及单轴强度准则。考虑中主应力影响且处处正则的双曲D-P强度准则能准确预测不同温度下TATB基PBX材料的强度特性。     

TATB基高聚物粘结炸药高温力学性能

为分析TATB基高聚物粘结炸药(PBX)在高温状态下的性能变化,对该高聚物粘结炸药在不同温度下的压缩性能、拉伸性能、蠕变性能及泊松比进行了测试,并采用扫描电子显微镜对其高温蠕变断面形貌进行了观察。结果表明,该高聚物粘结炸药的压缩强度、拉伸强度、抗蠕变持久应力及持久时间均随温度升高而降低,其泊松比随温度升高无明显变化; 在高温70 ℃、拉伸应力为3 MPa下,该PBX拉伸蠕变破坏模式主要为炸药颗粒与粘结剂脱粘,而在相同拉伸应力、温度为50 ℃和60 ℃下,其拉伸蠕变破坏模式还表现为炸药颗粒断裂。     

热弹性环境下HMX基PBX厚壁结构件失效破坏分析

针对高聚物粘结炸药(PBX)厚壁球结构件引入稳态温度场,并展开了热弹性变形分析,讨论了热应力作用下构件的失效破坏状况。采用包括最大拉应力准则、von-Mises准则、Mohr-Coulomb准则、Drucker-Prager准则等强度准则来分析了厚壁球结构件的承受温差能力与最先破坏点位置,并通过无量纲分析分离出与结构形状尺寸相关的参数因子,从而获得PBX普通结构件的承受温差能力规律。结果表明:Drucker-Prager准则能够较为准确描述PBX厚壁球结构件的失效破坏状况;PBX结构件失效破坏状况与材料特性、结构尺寸等因素相关,提高材料抗拉强度和降低材料弹性模量、优化结构尺寸及形状能提高其承受温差能力。室温下,PBX结构件承受温差能力可以认为由拉伸破坏应变决定,提高PBX炸药的拉伸破坏应变,可以提高其承受温差能力。比较了热环境下三种PBX炸药PBX-A、PBX-E和PBX-C相同结构件下的材料性能,PBX-A的承受温差能力是PBX-C的5.6倍,PBX-E的承受温差能力是PBX-C的4.4倍。     

高聚物粘结炸药冲击起爆统计热点反应速率模型

为深入探索非均质固体炸药冲击起爆热点机制,重点关注炸药孔洞尺寸分布及热点点火临界条件,建立高聚物粘结炸药(PBX)冲击起爆统计热点反应速率模型,描述热点形成、形核或消亡、点火后燃烧反应演化直至快速转为爆轰的全过程。奥克托今（HMX）基PBX9501和三氨基三硝基甲苯（TATB）基LX-17炸药冲击起爆过程的数值模拟结果显示,反应流场中波到达时间的计算值与实验值偏差小于3.7%,初步验证了统计热点反应速率模型的合理性,且相比文献［21-24］的统计模型适应性更强。研究结果表明：孔洞尺寸分布对非均质固体炸药冲击起爆感度影响显著;HMX基PBX炸药冲击起爆爆轰成长过程呈加速反应特性,而TATB基PBX炸药表现为稳定反应特性,进一步提高了对HMX/TATB混合基钝感高能炸药冲击起爆机理的认识。     

基于分形方法的高聚物粘接炸药热导率预测模型

采用颗粒随机填充模型和分形理论,提出了基于分形维数的高聚物粘结炸药(PBX)热导率计算模型,利用该模型对填充率为20%、40%、50%、60%、80%、90%和95%的TATB基PBX的热导率进行了计算,使用闪光法对相应填充率下PBX的热导率进行了实验验证。结果表明,在20%的填充率下,本研究的热导率模型计算值与实测值的误差为20.2%,40%的填充率时达到32.8%,随着填充率进一步增加,预测误差趋于减小,在填充率为95%时误差为15.0%;PBX的热导率随着T AT B填充率的增加而升高,且本研究模型的预测结果优于半经验Hamilton-Crosser模型。     

基于改进Hashin-Shtrikman方法预测PBX有效弹性模量

高聚物黏结炸药(PBX)是一种颗粒高度填充的含能复合材料,其单质炸药晶体的体积百分含量通常达到了80%以上,采用经典的细观力学模型Hashin-Shtrikman界限法获得的PBX有效弹性模量与实验测试值存在较大误差.引入含有炸药密度参数的"界面结合修正系数",得到了一个改进的Hashin-Shtrikman模型.设计了三种密度的以TATB为基的PBX,测定了相应的弹性模量值,并确定了模型的修正系数为0.813(ρ/ρ_0)~(8.64)和0.296(ρ/ρ_0)~(8.68).分别利用经典的和改进的Hashin-Shtrikman模型计算了该型PBX的有效体积模量和有效剪切模量,同时与实验值进行了对比.结果表明:以TATB为基的PBX其有效弹性模量随密度的减小呈指数形式衰减,且体积模量与剪切模量随密度的影响程度几乎一致,其指数约为8.6;改进的Hashin-Shtrikman模型的预测结果与实验值的误差在1%左右;改进后的模型合理,拟合精度高,适合于对双组分PBX有效弹性模量的预测.     

PBX药柱温升过程中的性能变化研究

为全面了解温升过程中PBX药柱温度、应力和尺寸变化情况,利用瞬态-应力耦合有限元法对药柱温升过程进行模拟。结果显示:药柱温升过程中,热量逐渐向内部传递,初始升温阶段应力增大很快,最大达到2.37MPa,随着内外温差的减小而逐渐减小;药柱尺寸增大,密度减小约0.008g.cm-3。通过模拟可以初步确定药柱温升过程内部应力变化规律,预估尺寸和密度变化量,优化设计了一种炸药加热工艺,即将加热分四段进行,尽量降低升温速率,保证至少1800s的恒温时间。     

仿生聚多巴胺对HMX、TATB和铝粉的界面性能改性

为了研究表面改性方法及表面包覆均匀性、浸润性等性状对含能材料的机械感度、界面力学性能以及工艺性能的影响,仿生贻贝黏附蛋白的作用原理,以多巴胺为前驱体,采用一步法使其在含能材料表面聚合形成一层致密牢固的包覆薄膜聚多巴胺(PDA),制备了改性单质炸药(HMX@PDA、TATB@PDA)和改性铝粉(Al@PDA)。通过扫描电子显微镜、X射线光电子能谱和接触角测试仪对改性含能材料的表面形貌、药柱断裂处微观形貌、元素含量以及表面浸润性能进行了表征,采用国军标(GJB-772A-1997)、巴西实验等标准测试方法对改性含能材料的机械感度、拉伸应力-应变曲线等进行了测试,并将实测性能与未改性含能材料进行了对比分析。结果表明,与HMX晶体比较,HMX@PDA晶体的摩擦感度下降30%,特性落高数值增加一倍;与TATB基药柱比较,TATB@PDA基药柱的拉伸强度提高约15%;与Al粉比较,Al@PDA在HTPB液相中24h后可有效减缓沉降。聚多巴胺对晶体完整致密的包覆性能以及含有丰富活性基团的特性,对含能材料的包覆降感、界面力学性能提升和工艺稳定性提升等方面具有显著的界面改性作用。     

硝酸钡系白光剂的热危险性研究

为揭示烟火剂对热的危险性,用绝热量热仪(accelerating rate calorimeter,ARC)研究了干燥和潮湿硝酸钡系白光剂的绝热反应过程。得到了绝热反应温度随时间和温升速率随温度的变化曲线,用伪逆矩阵法计算了干燥和潮湿烟火剂放热反应的活化能和指前因子,用热惰性因子修正了测定数据。结果表明,对干燥烟火剂,放热反应的初始温度、最终温度、初始自加热速率、最大自加热速率、最大自加热速率温度和达到最大速率所需时间分别为567.75 K、740.48 K、0.17 K.min-1、61.56 K·min-1、707.5 K和145.93 min。对潮湿烟火剂,其值分别为363.59 K、1128.8 K、0.07 K·min-1、0.77 K.min-1、799.47 K和1480.86 min。这表明,潮湿烟火剂易反应,干燥烟火剂的反应速率高于潮湿烟火剂。     

高温下奥克托今单晶的冲击响应特性

为研究高温下奥克托今（HMX）单晶的冲击响应特性,设计一种能够在平板撞击实验前对炸药单晶加热的装置并利用该装置进行323 K、373 K和423 K初温下HMX单晶平板撞击实验。通过激光速度干涉仪系统（VISAR）获取HMX单晶与窗口界面粒子速度历史曲线,并采用波阻抗匹配原理获得相应弹塑性力学参数。实验结果表明：在约300 m/s撞 击速度下,不同初温单晶与窗口界面粒子速度历史曲线均表现出弹黏塑性双波结构;在较低初温（323 K、373 K）时,Hugoniot弹性极限相差不大,无明显温度相关性,其变形机制无明显变化;在较高初温（423 K）时,Hugoniot弹性极限增大,表现出热硬化效应,其变形机制可能由热激活变为声子阻力控制。