高致密球形黑索今晶体结构对高聚物粘结炸药安全性能的影响

为探索炸药晶体结构对其安全性能的影响,通过分子动力学模拟和实验相结合的方法开展高致密球形黑索今（RDX）晶体结构对高聚物粘结炸药（PBX）安全性能影响的研究。采用X射线 单晶衍射测试高致密球形RDX的晶体结构,并根据晶体结构数据,通过分子动力学模拟方法对比高致密球形RDX和普通RDX基PBX的安全性能。为验证分子动力学模拟结果的准确性,制备以高致密球形RDX和普通RDX为基的浇注PBX,采用直接起爆法和卡片式隔板法测试浇注PBX的雷管感度和冲击波感度。分子动力学模拟与实验结果表明：高致密球形RDX是内部缺陷少、形状趋于球形的单晶体,晶胞密度较普通RDX提高2.6%;高致密球形RDX基PBX比普通RDX基PBX的结合能提高289.30 kJ/mol,内聚能密度提高0.022 kJ/cm³、引发键最大键长减小0.02 ,高致密球形RDX基PBX的安全性能更好;在配方比例相同条件下,高致密球形RDX基浇注PBX的雷管感度和冲击波感度比普通RDX基PBX确实有所降低,与分子动力学模拟结果相符,验证了模拟计算的准确性。     

GAP/CL-20基PBX炸药固化温度的分子动力学模拟与实验研究

为了深入了解GAP/CL-20基混合炸药的固化机理和固化工艺,采用分子动力学的方法对混合炸药药浆在不同温度下的固化交联情况进行了数值模拟,用非等温差热扫描法对混合炸药的特征固化温度进行了测试和分析,并对模拟结果进行了验证。结果表明:在不同的模拟时间和模拟温度下,混合炸药药浆的交联点数有较大差别,在345K、500ps时交联点可以达到13个;差热扫描结果表明,随着升温速率的升高,固化放热峰特征温度均不断升高,采用外推法得出的最优固化温度为346K。分子动力学模拟结果与实验结果基本一致,可以为热固性混合炸药的固化工艺提供参考。     

固化温度对浇注PBX固化应力的影响

为改进固化工艺,确保浇注高聚物粘结炸药(PBX)的发射安全性,采用自制的间接应力感应器测试了浇注PBX药浆从液态到固态转变过程中应力的变化。研究了固化温度对浇注PBX固化应力的影响。结果表明:热固性浇注PBX固化过程包括从常温到固化温度的快速热膨胀,恒温固化阶段的热膨胀与交联收缩及固化降温时的冷缩变形三个阶段。研究了恒温固化过程中测试瓶的变形。根据变形情况计算了浇注PBX的固化应力。固化温度对PBX变形影响明显。当固化温度为100,90,80,60℃时,浇注PBX在固化过程中的最大热应力分别为2.14,0.72,0.56,0.29 MPa;固化过程的收缩应力分别为0.29,0.25,0.24,0.21 MPa,显示固化温度对恒温阶段固化热应力及收缩应力影响较大,固化温度越高,固化热应力及收缩应力越大。可以根据固化过程的应变-时间曲线,采取前期低温固化以减小固化应力,在固化应力变化平稳的后期升高温度以提高效率的变温固化工艺。     

高聚物粘结炸药模拟材料动态变形破坏的实验研究

采用分离式霍普金森压杆(SHPB)加载装置对高聚物粘结炸药(PBX)模拟材料进行动态拉伸和压缩加载。利用高速摄影装置记录材料动态变形破坏过程,结合数字散斑相关技术,对不同加载条件下的位移场和应变场进行了分析,对PBX模拟材料动态变形破坏现象和机理进行了分析。实验结果和理论分析基本吻合,验证了数字散斑相关方法用于PBX模拟材料动态测量的可行性。     

多官能团聚叠氮缩水甘油醚基浇注聚合物粘结炸药的固化反应动力学和固化工艺参数

为设定多官能团聚叠氮缩水甘油醚（ATP）在聚合物粘结炸药（PBX）中应用时的固化工艺参数,开展ATP基PBX固化测试方法和固化工艺实验研究。采用非等温差示扫描量热法和流变法进行实验,研究ATP基PBX固化过程中热量和储能模量的变化,获得PBX的固化反应动力学方程和固化工艺参数。实验结果表明：流变法可作为表征ATP基PBX固化反应的测试方法,ATP基PBX的固化反应动力学方程为dαdt=2.0×10 ¹⁹exp [JB<2(]－1.51×10 ⁵RT[JB>2)]α^0.42(1－α) ^1.30,α为固化度,t为时间,R为气体常数,T为温度。ATP基PBX直接在60 ℃恒温固化时PBX内部出现大量气孔,采用先30 ℃后60 ℃的阶梯固化工艺时PBX内部无气孔;ATP基PBX 30 ℃的最优固化时间为68 h,60 ℃的最优固化时间为66 h.     

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。     

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。     

一种高颗粒体积分数PBX细观模型的生成方法

为了从细观尺度上对高聚物黏结炸药(PBX)的力学性能进行模拟,将蒙特卡洛方法中级配的概念引入高体积分数的PBX细观模型,与Voronoi方法相结合,形成了一种可以考虑级配分布的Voronoi多边形颗粒生成方法,通过颗粒修正、收缩、切角和平滑等处理,建立了考虑级配和体积分数达94%及以上的PBX细观结构模型,模型在边界处还可保持周期连续性。采用数值流形(NMM)方法对不同颗粒级配条件下的三组PBX细观模型进行了单轴压缩模拟。将NMM模拟所得等效弹性模量与文献实验结果进行了比较。分析了模拟结果与实验结果之间出现偏差的原因,讨论了PBX细观结构模型生成方法的合理性。结果表明,PBX的等效弹性模量随体积分数的提高而增大,并且体积分数越高,增速越快;同时,当体积分数低于30%及高于85%时,颗粒的级配对等效模量的影响较小,而当30%≤体积分数≤85%时,颗粒级配对等效模量影响显著。     

TATB基PBX炸药冲击波感度数值模拟研究

为研究TATB基PBX炸药的冲击波感度,采用显式动力学有限元程序——AUTODYN软件对某TATB基PBX炸药在冲击波作用下的临界起爆特性进行数值模拟。通过小隔板试验和冲击波在有机玻璃隔板中衰减模型的理论计算验证了数值模拟的可靠性,数值模拟中,通过3D模型的计算可以直观地看到在爆炸过程中冲击波传播的运动轨迹,模拟计算出某TATB基PBX炸药临界隔板值在5.5～5.7mm之间,临界起爆压力在3.19～3.44GPa之间,数值模拟结果与实验结果基本吻合。     

基于内聚裂纹模型的高聚物粘结炸药模拟材料动态断裂行为研究

对某高聚物粘结炸药（PBX）模拟材料的动态拉伸断裂行为进行研究。针对该材料开展了基于霍普金森压杆的动态带预制裂纹半圆盘弯曲实验,并结合高速摄像与数字图像相关方法,得到了试样动态破坏过程中的位移场和应变场。基于内聚裂纹模型,对其动态拉伸破坏过程进行了数值模拟。数值模拟与实验结果进行对比后发现,拉伸应力曲线、试样破坏前后变形场等结果符合较好。根据数值模拟结果,分析了PBX试样在动态预制裂纹半圆盘弯曲实验过程中的裂纹扩展演化规律,得到裂纹宽度比实验结果偏小约15%的结论。     

基于内聚裂纹模型的高聚物粘结炸药模拟材料动态巴西实验的数值模拟

高聚物粘结炸药(PBX)是战斗部的关键组成部分,其动态力学行为,特别是动态断裂特性关系到战斗部的安全性和使用可靠性。基于内聚裂纹模型,对PBX模拟材料(PBX-M)的动态巴西实验进行数值模拟,对比霍普金森杆实验中测得的拉伸应力曲线,以及高速摄像结合数字图像相关方法得到的试样表面位移场和应变场。对比结果发现,拉伸应力峰值的数值模拟结果比实验结果小约5%,拉应变集中带的数值模拟结果与实验结果的偏差小于15%,验证了内聚裂纹模型的有效性。根据数值模拟结果,探讨了PBX-M试样在动态巴西实验过程中的起裂和裂纹扩展规律,给出了裂纹宽度的定量化信息。     

NC/PEG共混体系组分间的相互作用及其微观结构

用溶液共混法制备了硝化纤维素/聚乙二醇(NC/PEG)共混物,采用红外光谱和偏光显微镜表征了共混物两组分的相互作用和共混体系微观结构。结果表明,NC与PEG分子间存在较强的相互作用,PEG以碎晶的形式分布在共混体系中。用分子动力学模拟研究了NC和PEG分子间的相互作用机理,通过介观动力学模拟得到共混体系微观结构及密度分布图,两种模拟结果与实验结果均保持较高的一致性。表明,分子动力学和介观动力学模拟能表征NC/PEG体系分子间相互作用和微观结构。     

CL-20/DNB共晶基PBXs相容性、界面作用和力学性能的MD模拟

为提高六硝基六氮杂异伍兹烷(CL-20)/1,3-二硝基苯(DNB)共晶炸药的实际使用价值,改善其安全性和力学性能,沿其(0 0 1)晶面分别添加了端羟基聚丁二烯(HTPB)和聚乙二醇(PEG)高聚物粘结剂,构建了两种CL-20/DNB共晶基高聚物粘结炸药(PBX)——CL-20/DNB/HTPB和CL-20/DNB/PEG的模型。在COMPASS力场下,对该共晶炸药及其两种PBX模型进行了295 K-NPT分子动力学(MD)模拟研究。结果表明,CL-20/DNB/PEG的结合能大于CL-20/DNB/HTPB的,预示前者的稳定性和相容性优于后者。以对相关函数g(r)揭示了粘结剂与基炸药之间界面的相互作用。与CL-20/DNB共晶炸药相比,少量粘结剂(HTPB或PEG)的加入,使弹性系数(Cij)、拉伸模量(E)、体积模量(K)和剪切模量(G)减小,而柯西压(C12-C44)和K/G值增大,表明PBX体系刚性减小,延展性增强。CL-20/DNB/HTPB的(C12-C44)和K/G值均大于CL-20/DNB/PEG的,表明前者的延展性好于后者,预示粘结剂HTPB比PEG在改变共晶炸药力学性能进而致钝的效果较好。     

基于修正时间硬化理论的PBX蠕变模型

对比分析了现有的PBX蠕变模型,提出运用基于修正时间硬化理论来模拟机械加工过程中的蠕变行为,该模型有紧凑的数学表达式和较少的待定参数.为验证模型的有效性,选取以奥克托今(HMX)为基的PBX进行常温条件下的压缩蠕变试验并进行了模型研究,确定了全部模型参数.采用有限元软件对圆柱体压缩试样的压缩蠕变实验进行仿真.理论分析以及有限元数值仿真表明该模型用于仿真计算时,其结果与试验获得蠕变数据相当吻合,可以运用于PBX部件加工的形位变化仿真.     

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。     

TATB基PBX纳米孔隙的正电子湮没寿命谱

为研究压制参数对TATB基高聚物粘结炸药(PBX)微观结构的影响,压制了密度为1.6～1.9 g·cm-3的PBX,采用了正电子湮没寿命谱(PALS)技术表征了其微观结构,讨论了不同压制密度PBX的纳米孔隙的变化.结果显示:压制密度越大,PBX中纳米孔隙浓度越小,平均尺寸越大,这表明压制过程中,PBX界面孔隙不断减小,...     

一维应力动态加载下战斗部装药力学响应预报模型

为获得战斗部装药在高过载侵彻下的动力学行为,对战斗部装药（黑索今(RDX)基高聚物粘结炸药(PBX)）在高应变率下的动态力学响应特性进行了研究。采用改进的分离式霍普金森压杆(SHPB) 实验技术对RDX基PBX炸药动态力学性能展开研究、压电传感器监测试件两端应力状态、高速相机拍摄实验中的试件变形过程,确保实验试件变形在动态应力平衡和常应变率加载条件下进行,保证实验数据的有效性。结果表明,该RDX基PBX炸药具有明显的密度效应及应变率效应,当应变超越0.075时应变率效应显著增强。基于应变能函数,建立该RDX基PBX炸药在一维应力状态下修正的Rivilin本构模型,模型拟合结果与实验结果基本相符,仿真结果得到的应变时间信号及试件变形模式与实验结果基本吻合。     

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.     

基于线性Drucker-Prager模型的PBX准静态弹塑性变形分析

根据高聚物粘结炸药(PBX)的力学特性,将线性Drucker-Prager模型引入到PBX材料的弹塑性变形研究中。基于线性Drucker-Prager模型,结合经典塑性理论,分析了PBX准静态弹塑性变形过程。明晰了其后继屈服面的特征,推导了其刚度算法,构造了其弹塑性本构模型。从理论上分析了单轴压缩状态、双轴压缩状态条件下的应力应变关系。利用线性Drucker-Prager模型模拟了PBX材料的单元特性。结果表明,其单轴压缩模拟结果和双轴压缩模拟结果均与理论分析结果、实验数据一致。经对比,双轴压缩的极限强度是单轴的1.16倍,相应塑性应变是其0.5倍。