一种浇注PBX固化过程的实验与数值模拟

为研究浇注高聚物粘结炸药(PBX)固化工艺过程中温度场和应力场的变化规律,用布拉格(Bragg)光栅在60℃下测试了其固化过程的温度场。采用有限单元法进行了其固化工艺过程温度场和不同换热系数条件下的应力场的数值模拟。结果表明:固化前期药柱温度高于60℃。其中心部位温度可达65℃。温度由中心部位到模具内壁呈递减趋势。温度梯度在3.88×105 s时最大。应力集中区域主要分布在药柱下半部分。随着模具和药柱之间换热系数的增大,有效应力集中面积和最大有效应力相应增加。当换热系数为12 W·m-2·K-1时药柱在3.88×105 s有效应力集中区域最大,最大有效应力为6.69kPa。     

固化温度对PBX炸药结构和力学性能的影响研究

PBX(高聚物粘结炸药)固化后的内部结构直接影响其安全性,影响PBX结构形成的外界因素成为控制PBX安全性的主要条件。本文研究了不同固化温度下PBX的粘结强度、压缩强度和微观结构。结果表明:固化温度从60℃逐渐增加至100℃时,分子量为1 500的HTPB的粘结强度从342k Pa降为280k Pa;分子量为2 800的HTPB的粘结强度从389k Pa降为310k Pa;分子量为3 400的HTPB的粘结强度从399k Pa降为352k Pa;分子量为4 000的HTPB的粘结强度从390k Pa降为354k Pa。在此温度区间内,随着温度的增加,固化后PBX沿径向的压缩强度梯度增加,PBX粘结剂出现鼓包和裂纹及固体颗粒的裸露现象。从PBX内部性能的均匀性和安全性考虑,选取固化温度为60℃的固化工艺。     

浇注PBX力学性能的研究进展

从材料特性、力学行为特征、本构模型和实验手段四个方面详细论述了浇注高聚物粘结炸药(PBX)力学性能的研究进展,指出动态力学测试及材料本构是目前研究浇注PBX的热点和难点。认为可以通过借鉴粘弹性模型、橡胶超弹性模型及推进剂模型建立浇注PBX的本构模型,并指出需要结合浇注PBX含能敏感、软材料和大变形特性来选择和改进现有的测试技术。对力学性能预测、动态实验技术及数值模拟等方面需要开展的工作提出了一些看法。     

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。     

高温及机械应力对PBX力学行为的影响规律及机理分析

为了获得高温和机械应力对高聚物粘接炸药(PBX)力学行为的影响规律,基于材料试验机的结果获得了以HMX为基的PBX-1及以TATB为基的PBX-2在不同高温和机械应力作用下的力学响应规律,用动态热机械分析仪(DMA)和扫描电子显微镜(SEM)分析了它们的力学性能的变化机理。结果表明,在25~90℃高温-力耦合加载下,两种PBX的拉伸、压缩强度随温度升高而降低,但破坏应变在一些温度点产生突变,PBX-1的应变突变温度点约为65℃,PBX-2分别约为35、55℃和75℃;PBX-1的高温-力顺序加载响应规律包含两个温度段,25~150℃为第一阶段,该范围的高温作用下材料压缩强度和破坏应变几乎不会变化,150~200℃为第二阶段,破坏应变随温度升高而增大,压缩强度先减小后增大,在180℃最低。高温-力耦合作用下,粘结剂相态变化和粘弹特性改变是影响PBX高温软化和力学性能劣化的主要原因,其软化-流动-粘流化将引起PBX的变形行为特别是拉伸及压缩破坏应变的突变,同时导致PBX破坏模式由脆断向脱粘失效转变,PBX的突变温度与粘结剂的物态转变温度相对应。对于高温-力顺序加载,粘结剂弹性回复和炸药晶体无损伤是PBX-1在25~150℃力学性能不变的主要原因,炸药晶体在180℃附近会发生高温破碎,导致PBX-1的压缩强度在180℃附近达到最低值。     

浇注PBX固化行为的实验与模拟

采用动态流变学实验对浇注高聚物黏结炸药(PBX)固化过程的宏观性质表现进行了测试。结果表明,PBX的储能模量(G′)和损耗模量(G″)随固化时间逐渐增大,且G′逐渐接近并超过G″,二者最终趋于稳定。通过分子动力学方法模拟了PBX黏结剂端羟基聚丁二烯(HTPB)与交联剂甲苯二异氰酸酯(TDI)之间固化反应的微观过程,并对体系固化各阶段的力学性能进行了计算。模拟结果与流变实验结果之间具有较高的一致性,说明分子动力学模拟可为PBX的固化行为研究提供微观信息。     

聚能射流对带壳浇注PBX装药的撞击响应

为研究聚能射流对带壳浇注高聚物粘结炸药(PBX)的引爆特性,利用弹径Ф82 mm的聚能装药形成了一种直径细、速度大于7000 m·s-1的高速射流,以及一直径较粗、速度约5000 m·s-1长杆状射流,分别对覆盖有210,255 mm和165,210 mm两组不同厚度钢板的PBX进行了撞击试验。采用高速摄影观测分析了射流撞击下带壳PBX点火引爆的反应过程。用LS-DYNA软件验证了试验结果,得到了不同射流对PBX的引爆能量值。结果表明:弹径Ф82 mm的聚能装药形成的射流能够可靠引爆覆盖小于255 mm厚钢板的浇注PBX,能满足反导弹战斗部毁伤厚壳体目标的需求。     

低压热处理对PBX炸药件密度及内部质量的影响

高聚物粘结炸药(PBX)时效处理会造成炸药件尺寸长大,密度降低,甚至可能扩大裂纹和分层等初始缺陷.为了解决以上问题,开展成型炸药件低压热处理研究.将炸药件放入等静压后处理机,在恒定温度下施加5～10 MPa压力,保压2～4 h,处理1～3次.实验结果表明: 采用这种后处理方法能在短时间内有效释放PBX炸药件内应力,相对密度从96.53%～98.83%提高到99%以上,并能抑制长大,改善炸药件内部质量.     

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。     

考虑T应力的PBX裂纹尖端失效区和起裂行为

为了研究高聚物粘结炸药(PBX)结构在复杂应力状态下裂纹的起裂特征,针对中心贯穿斜裂纹的无限大平板模型,基于考虑T应力的裂纹尖端应力场和Drucker-Prager强度准则,理论上给出了考虑材料拉压比、泊松比、静水压力、应力状态、裂纹面闭合摩擦以及T应力的PBXⅠ-Ⅱ复合型裂纹尖端失效区隐式控制方程。利用裂纹尖端失效区最小半径起裂准则,研究了T应力对PBX裂纹尖端失效区和起裂行为的影响。理论研究表明,远场拉伸下,T应力导致裂尖失效区增大(0°β45°)或减小(45°β90°),T应力使裂纹起裂角减小;远场压缩下,裂纹处于纯Ⅱ型状态,裂纹面闭合摩擦效应减小了裂尖失效区,但不影响起裂角。T应力使压剪裂纹起裂角增大并减小了失效区。同时,T应力使最危险裂纹倾角β0明显增大。因此,研究PBX裂纹起裂行为,需要充分考虑裂纹尖端T应力的影响。     

高聚物粘结炸药蠕变行为的近场动力学模拟方法

近场动力学是一种新的无网格方法,发展了其对材料粘弹性力学行为的分析能力。采用Burgers粘弹性模型,结合非线性粘弹体的时间-应力等效原理,推导出非线性粘弹体在不同应力下的蠕变柔度的表达式和近场动力学蠕变本构力函数,建立起可应用于高聚物粘结炸药的近场动力学蠕变模拟方法。模拟了PBX9502的蠕变行为,并通过实验验证。建立的方法可用于高聚物粘结炸药在温度和应力共同作用下的蠕变行为分析。     

HTPB 基浇注PBX 炸药固化反应动力学研究

为研究端羟基聚丁二烯(hydroxyl-terminated polybutadiene,HTPB)基浇注PBX炸药的固化反应特性确定其固化工艺参数,采用非等温DSC法研究HTPB基浇注PBX炸药粘接剂体系固化反应动力学.分别测试升温速率为5、10、15、20 K/min时的DSC数据,得出固化反应动力学方程,计算不同温度下的反应速率常数,绘制固化速率(dα/dt)～固化度(α)关系曲线,并给出常用HTPB基浇注固化炸药的固化温度范围.结果表明:相同固化度条件下,升温速率越大,固化反应速率越大,当固化度达到0.5时,固化反应速率达到最大值,此后逐渐降低,直至为零.     

高聚物粘结炸药及其涂层的摩擦性能

分别采用材料试验机和纳米压痕仪测试了两种高聚物粘结炸药(PBX)材料(P1、P2)和两种高分子涂层(C1、C2)在宏观和微纳尺度上的摩擦性能,并对这四种材料的摩擦性能进行了比较,同时还对这四种材料在60℃、80%RH、2个月条件下老化后摩擦性能的变化进行了试验研究。试验结果表明:(1)两种尺度上的摩擦性能具有一定的相关性;(2)四种材料中,C1涂层摩擦系数明显偏大,与P1、P2差异明显,C2涂层摩擦系数与P1、P2比较接近;(3)老化后,只有C1涂层摩擦系数增大,其它材料摩擦性能没有显著变化。     

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。     

高聚物粘结炸药与金属的接触腐蚀研究

利用ＸＰＳ和激光共聚焦扫描显微镜等表面分析技术研究了高聚物粘结炸药（ＴＡＴＢ或ＨＭＸ为基）与不锈钢（１Ｃｒ１８Ｎｉ９Ｔｉ）、铝（ＬＹ－１２）接触后,混合炸药成分、相对湿度以及温度对金属的腐蚀,对其腐蚀产物进行了定性及定量检测。结果表明：湿度对金属腐蚀最大,混合炸药成分对金属也有腐蚀,炸药中所含无机氯离子对金属腐蚀有促进作用。     

小角散射技术在高聚物粘结炸药中的应用研究进展

小角散射(SAS)技术是表征高聚物粘结炸药(PBX)多尺度复杂微结构的重要技术手段。对SAS技术在PBX研究中的实验方法、数据分析模型和多种应用进行了综述。论述了适用于PBX的原位变温、拉伸和压缩加载实验方法,归纳了Guinier、界面、多分散粒子、硬球相互作用和分形等常用模型,概述了它们在PBX研究中的适用条件和范围,总结了近二十年来,国内外应用中子和X射线SAS技术在PBX力热损伤、粘结剂微结构、感度以及爆轰碳产物分析等方面的研究进展。最后,总结了SAS技术在PBX研究中的独特优势,建议加强超小角散射实验技术、PBX原位力?热耦合加载设备和数据分析软件的开发,以及PBX内部多相界面和多尺度孔洞的定量研究。     

长期热老化下一种PBX的拉伸性能和蠕变性能（英）

利用单轴拉伸试验和数小时下的拉伸蠕变试验评定了在长期热老化下作用下某PBX的力学性能.试验用的哑铃型样品分别在45,55,65℃和75℃下贮存了36个月.拉伸试验在45℃下进行,贮存了6个月和36个月的样品的拉伸蠕变试验也在45℃下进行.结果显示,与原始样品相比,45℃下,样品的拉伸强度和拉伸模量在长期热老化后没有明显变化,但是除75℃下的老化样品,其余样品的蠕变断裂时间均大大延长.通过扫描电镜观察并结合粘结剂的接触角分析,提出,在55℃以下,该PBX的力学失效是由热流变机制控制的,而高于55℃时,炸药晶体和粘结剂界面之间的热应力失配起到了关键作用.同时也表明,低于75℃下的长期贮存有助于改善PBX的蠕变性能,延长其蠕变断裂时间.     

高聚物黏结炸药CT图像像素级裂纹识别方法研究

为了有效地提高裂纹识别精准度和改进裂纹表征方法,针对奥克托今(HMX)基高聚物黏结炸药(PBX)CT检测图像存在的暗视野、低对比度、高噪声等问题开展研究。利用裂纹的稀密性和局部方向性,结合非局部均值、拉普拉斯锐化和Gamma校正等方法对CT图像进行预处理,然后运用统计学方法直接提取裂纹特征点集,借助马氏距离对裂纹特征点的局部方向性和裂纹位置、走向及粗细进行判定并推演裂纹的扩展方向,最终通过像素灰度值拷贝实现HMX基PBX的CT图像中完整裂纹的精细识别。在三种PBX热力耦合加载损伤的CT图像上对文中提出的MDCE算法(Mahalanobis distance based crack extraction algorithm)与Canny算法和相位一致性方法开展对比实验研究。结果表明,提出的MDCE算法能清晰准确地提取出多种形态的裂纹,证实了该方法的有效性和高效性,显著提高了裂纹的识别和表征能力。