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。     

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。     

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。     

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。     

热老化对TATB基高聚物粘结炸药力学性能的影响

对某TATB基高聚粘结炸药(PBX)进行了55～75℃加速老化试验,并对老化前后的样品进行了不同温度下压缩性能、拉伸性能和弯曲蠕变实验,用扫描电子显微镜对老化前后炸药高温拉伸断口形貌进行了观察。结果表明:长期高温贮存后,TATB基高聚物粘结炸药晶体与粘合剂仍具有良好的粘合界面,其模量、破坏强度、破坏应变和稳态蠕变速率等力学性能指标均未发生明显的变化。     

中子衍射法测量TATB基PBX单轴压缩的内应力研究

1,3,5-三氨基-2,4,6三硝基苯(TATB)基高聚物粘结炸药(PBX)的内应力是造成其贮存开裂和低应力破坏的重要原因。为了验证用中子衍射分析TATB基PBX内部应力的可行性,在中子残余应力谱仪(RSND)上水平安装2 kN双丝杆拉伸台,用原位中子应力测量技术测量了不同负荷状态下的内部应力的变化。结果表明,TATB晶体的(002)晶面(29°衍射角)和(412)晶面(75°衍射角)可作为中子应力观测晶面。中子衍射测量晶格间距的变化(点阵应变)与对其施加的应力呈近似线性增加的关系,随着应力的增加,点阵应变随之增加。在较为复杂的原位压缩加载/卸载过程中,晶格应变结果与复杂的应力变化过程基本保持一致。中子衍射信号强度随路径指数衰减,中子衍射深度6 mm。     

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。     

TATB基PBX的单轴主特征破坏参数识别研究

高聚物粘结炸药(Polymer Bonded Explosive,PBX)的主特征破坏参数识别是强度准则建立和结构强度评估的基础。以TATB基PBX为研究对象,基于单轴拉伸和单轴压缩两种加载方式,考虑20℃、35℃及50℃三个温度点,设计了系列的直接破坏和不同初始应力水平的蠕变后破坏试验。依据获得的破坏参数数据,对比分析了环境温度、初始应力水平对破坏应力/破坏应变这两个典型破坏参数的影响。结果表明,不论是直接破坏还是蠕变后破坏,破坏应力随环境温度的升高而降低,破坏应变体现为拉伸时的增大和压缩时的减小;相同的环境温度下,初始应力水平的增加会导致破坏应力的降低和破坏应变的增大。进一步分析表明,破坏应力受环境温度、初始应力水平的影响较大,且无临界值,不宜作为主特征破坏参数;破坏应变作为主特征破坏参数则较为简便,可认为当一点应变达到临界应变时破坏,而不论该应变是载荷直接引起的还是时温诱发蠕变引起的,直接破坏的破坏应变可作为该温度点的临界破坏应变,20℃、35℃及50℃单轴拉伸临界破坏应变分别为0.1330%、0.1452%和0.1675%,单轴压缩时临界破坏应变分别为-1.4206%、-1.4159%和-1.1731%。     

基于间接三轴拉伸破坏试验的某TATB基PBX强度准则适应性分析

强度问题关系炸药部件的结构完整性和服役安全性,是炸药部件结构强度评估的基础。基于单轴加载技术,设计了圆柱试件的端部约束拉溃试验,研究了三轴间接拉伸破坏时某TATB基高聚物粘结炸药(PBX)的强度特性。依据试验边界条件,利用有限元方法定量分析了临界载荷下试件内部的应力场,最后采用最先破坏位置的三向主应力数据分析了三种典型强度准则(Uniaxialstrength,Mohr-Coulomb,Twin-shear)描述三轴拉伸破坏的适应性。就安全阈度而言,现炸药工程中使用的Uniaxial-strength准则,三轴压缩时安全阈度最高,达43.77%,但也不能安全预测三轴拉伸应力下该PBX的破坏行为;就描述精度来看,Uniaxial-strength准则最优,Mohr-Coulomb准则次之,Twin-shear准则最差,试验值均比理论值偏大,三者依次为16.90%、19.62%和24.56%;试验中该TATB基PBX三轴拉伸应力下的强度为单轴拉伸强度的0.831倍,Mohr-Coulomb准则不能准确描述三轴拉伸应力下强度下限,分析表明静水压力的影响是造成这一结果的关键原因,建立高描述精度的多轴强度准则须考虑静水压力的影响。     

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。