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。     

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。     

TATB基PBX界面粘结改善研究进展

对近年来提高和改善TATB基高聚物粘结炸药(PBX)界面粘结的方法进行了综述,从TATB特殊的分子结构出发,讨论了粘结剂的选择以及界面之间相互作用的评估,从理论模拟的角度分析了氟聚合物与TATB间的相互作用。重点阐述了炸药表面改性、偶联剂对界面改善的影响。指出了重点发展的三个方向:粘结剂结构设计、偶联剂加入、新型包覆方法。     

苯乙烯共聚物改性TATB基PBX的抗热冲击性能

为改善TATB基高聚物粘结炸药(PBX)的抗热冲击性能,采用苯乙烯共聚物对TATB基PBX进行改性。分析了TATB基PBX及其苯乙烯共聚物改性配方的拉伸力学性能及热物理性能,并对改性前后配方的抗热冲击性能进行了比较。采用Agari串联模型对TATB基PBX及其苯乙烯共聚物改性配方的导热行为进行了模拟。结果表明,加入高玻璃化转变温度和高力学强度的苯乙烯共聚物可以明显提高TATB基PBX的拉伸强度和弹性模量,同时降低线膨胀系数和导热系数。理论预测模型和试验数据吻合良好。添加质量分数为1%的苯乙烯共聚物后,常温下TATB基PBX的抗热应力因子由10.72 W·m~(-1)提高到13.16 W·m~(-1)。随着温度升高,TATB基PBX的抗热冲击性能逐渐下降。在玻璃化温度范围转变范围(323~343 K),TATB基PBX的抗热应力因子显著降低。加入苯乙烯共聚物可以抑制323~343 K温度范围内TATB基PBX的抗热应力因子的下降程度。     

含预制缺陷PBX模拟材料损伤演变的原位CT研究

为研究初始损伤对高聚物粘结炸药(PBX)在外力作用下结构变化与损伤行为的影响,采用预制缺陷的方式模拟了初始损伤,制备了不含预制缺陷、含斜45°非贯通缺陷以及含斜45°贯通缺陷的3组PBX模拟材料样品,利用经改进的圆弧压头巴西试验加载方式,在X射线CT系统上开展原位研究。通过数字图像处理技术获得了裂纹及孔隙的三维形态、尺寸及空间分布信息。利用ABAQUS软件对试验进行了有限元模拟。结果表明,预制缺陷与巴西试验加载方向呈45°角时,预制缺陷会破坏其加载方式的对称性,样品的损伤行为也会相应发生改变;非贯通缺陷与贯通缺陷对样品的损伤行为的影响有很大区别;含非贯通缺陷的样品会发生分层现象,即表层缺陷对样品损伤行为的影响范围主要集中在含有缺陷的部分;模拟的结果与试验结果吻合较好,在一定程度上解释了试验现象。     

TATB基PBX与硬质聚氨酯泡沫塑料的相容性

用热重-红外(TG-IR)研究了TATB基高聚物粘结炸药(PBX)与硬质聚氨酯泡沫塑料(RPUF)之间在线性升温过程中的相互作用。结果显示,接触体系释出的气相产物组分基本上是两种独立组分释出的总和,没有新的组分产生。用微热量仪得到了140 ℃下受热10 d内TATB基PBX与硬质聚氨酯泡沫塑料及二者接触体系的热量变化曲线。用红外和X-射线光电子能谱表征了量热测试前后样品的表面结构和元素含量,显示接触后样品的表面结构和元素环境没有变化,表明TATB基PBX与聚氨酯泡沫塑料的相容性良好。     

TATB颗粒温压成形PBX的初始细观损伤

用X射线微层析成像(X-μCT)技术无损研究了TATB造型颗粒经单、双向钢模温压(UWDC和BWDC)法和软模温等静压(IWSC)法成形的高聚物粘结炸药(PBX)三维微细结构特征。结果表明,单向、双向压法压成的PBX内部存在初始细小裂纹和一些残余孔隙。初始损伤尺度范围从百微米至毫米。在相同温度(85℃)和压力(90 MPa)下,UWDC和BWDC法可产生初始细观损伤,但IWSC法能避免初始细观损伤。     

复杂构型PBX截面密度分布CT测试方法

高聚物粘结炸药(PBX)的密度均匀性对其力学性能和安全性能影响较大。用双标准同步CT扫描实验模型,测试复杂构型PBX的截面密度分布。采用与PBX相同构型的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚四氟乙烯(PTFE)作为标准密度件,以扇束扫描方式研究了PBX和标准密度件的截面CT值分布规律及线性关系,用MATLAB软件,通过灰度阈值和灰度值提取,得到不同截面的CT值。通过标准件体密度获得PBX的截面密度,利用排水法测得的PBX体密度计算修正系数k,对计算获得的PBX截面密度进行线性修正,获得复杂构型PBX不同高度的截面密度分布。结果表明,PBX截面密度与体密度的最大相对偏差为0.74%。     

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。     

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。     

装药密度小幅变化对三氨基三硝基苯基聚合物粘结炸药短脉冲冲击起爆特性的影响

为了研究炸药密度的小幅差异对其短脉冲冲击起爆特性的影响程度和规律,利用爆炸桥箔加载技术（电炮）结合激光干涉测速技术对不同密度的某三氨基三硝基苯(TATB)基聚合物粘结炸药（PBX）开展了短脉冲冲击起爆实验研究。结果表明：TATB基PBX炸药的密度在其正常值1.895 g/cm³上下变化0.01 g/cm³,即从1.885 g/cm³变化到1.905 g/cm³,其起爆的能量阈值相应从5.38 GPa²·μs增大到8.20 GPa²·μs,炸药对短脉冲冲击变得更钝感。由此可见,在实际应用中将炸药密度的一致性至少保持到百分位十分必要。     

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。     

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。     

RDX为基的PBX炸药压制过程损伤形成研究

黑索今(RDX)属于非补强性填料,与黏结剂的结合效果差,当其受到载荷作用时,黏结剂与RDX间的界面结合容易被破坏,黏附失效而导致黏结剂从固体颗粒表面脱离,容易出现产品缺陷,影响产品性能.为深入了解RDX为基的高聚物粘结炸药(PBX)压制过程的损伤形成规律,对以RDX为基的两种炸药配方进行压制实验,研究了压制条件及黏结剂选择等因素对炸药成型性能的影响规律.结果表明:控制降温速率、采取分段保压的方法可有效抑制炸药件内部损伤的形成;选择适当的黏结剂对提高RDX为基的PBX炸药压制件的成型性能具有重要作用,丙烯腈丙烯酸酯黏结剂与RDX之间的黏附性能要比F_(2311)好,该炸药配方压制出的炸药柱各方面性能良好,而以F_(2311)为黏结剂的炸药配方压制出的炸药柱不能满足使用要求,存在较大的质量缺陷.     

PBX稀疏CT投影PICCS图像重建算法

为了解决CT检测高聚物粘结炸药时,传统的滤波反投影重建算法(FBP)需要采集大量投影导致检测效率低以及从不完备投影重建图像噪声大、伪影严重、细节模糊等问题,选取稀疏投影CT扫描方式提高检测效率,采用先验图像约束的压缩感知重建算法(PICCS)抑制噪声,减少伪影,利用准静态单轴压缩三氨基三硝基苯(TATB)基高聚物黏结炸药(PBX)的损伤试件验证采用的CT扫描方式和重建算法,并将完备投影集FBP重建结果与稀疏投影集联合代数重建算法(SART)、PICCS两种算法重建结果进行主观和客观的对比评价。实验结果表明,PICCS用1/3稀疏投影集重建结果与完备投影集FBP重建结果相近,在满足对检测物体缺陷和内部结构观察、判断的前提下可以提高2倍左右检测效率,而且与SART重建图像相比,PICCS重建的图像伪影少,噪声小,细节清晰。     

初始裂纹对高聚物粘结炸药低速撞击点火影响数值模拟研究

应用Visco-SCRAM模型和热点模型研究初始裂纹对奥克托今基(Octogen,HMX)高聚物粘结炸药(Polymer bonded explosive,PBX)炸药低速撞击点火的影响,主要针对标准低速撞击Steven试验进行模拟,分析初始裂纹尺寸和初始裂纹非均匀分布对PBX炸药内部温升及热点形成的影响。计算结果表明,随着初始裂纹尺寸的增加,HMX基PBX炸药内部裂纹表面的摩擦生热增强,导致其内部温升明显,更容易形成热点。当初始裂纹尺寸从1 mm增加到3 mm时,点火速度阈值从45 m·s~(-1)降低到38 m·s~(-1)。考虑初始裂纹非均匀性影响,在低速撞击过程中,PBX炸药内部温升区域发生明显的改变。而且,初始裂纹非均匀性有利于PBX炸药低速撞击过程热点形成,并导致点火速度阈值降低。当初始裂纹尺寸服从均匀分布U(0.8,1.2)时,点火速度阈值为36 m·s~(-1)。当初始裂纹服从正态分布N(1,0.115)时,点火速度阈值为31 m·s~(-1)。     

基于CT图像的高聚物黏结炸药颗粒边界勾勒算法

为了研究TATB基高聚物黏结炸药(Polymer Bonded Explosive,PBX)内部颗粒边界分布,需要对PBX炸药通过计算机层析成像技术(Computed Tomography,CT)扫描得到的低质量原始图像进行分析,开发自动化炸药颗粒边界勾勒算法.对原始图像利用灰度统计信息和二值化方法计算得到二值化炸药颗粒草图,提出弹性胶囊算法从二值化草图中识别炸药颗粒的粗略边界,再结合形态学变换和分水岭算法识别出更精确的炸药颗粒单像素边界,最后结合灰度值统计数字特征和弹性胶囊粗略边界图信息调整边界宽度与灰度,得到最终边界勾勒结果.将该基于弹性胶囊和分水岭算法的边界勾勒结果与Canny算法、相位一致性算法、经典分水岭算法流程、基于超像素算法等有代表性的图像分割算法输出进行横向比较,结果表明该边界勾勒过程识别的准确度明显更高,并且通过单幅图像确定的算法参数在同批次样品其他图像中同样具有良好的效果,在满足边界提取精度要求的基础上,无需反复调整参数即可处理批量图像数据,缩减人工的投入,证实了自动化边界勾勒算法的实用价值.