HMX 基PBX 的温度环境适应性

韦兴文，周筱雨，涂小珍，王 培

（中国工程物理研究院化工材料研究所，四川 绵阳621900）

引 言

PBX 在贮存、运输和使用时会经历各种各样的温度环境。短时间的高温作用会加剧界面分子的运动，使剪切强度降低，但是，如果长期暴露于较高的温度下，则会导致一些反应的发生，引起界面的物理和化学方面的变化，产生热老化［1-5］。因此，炸药件在贮存的过程中，将会发生界面“损伤”，导致材料的微观界面结构发生变化，产生微小缺陷。随着外界载荷的变化，缺陷会演化发展，并进一步汇集、扩展，最终可能导致材料的宏观破坏。另一方面，由于炸药件是粉末压制脆性材料，温度突变引起的热应力可能会使炸药件产生热激损伤、微裂纹、开裂或塌陷，这将直接影响到武器的安全性能和使用性能［6-10］。田勇等［11-12］用淬水法和超声波特性参量检测技术对HMX 基PBX 试样的热冲击损伤破坏进行了试验研究，获得了热冲击温度差与试样损伤破坏率、超声波声速、增益之间正相关的对应关系。

本实验从炸药装药的实际使用环境条件出发，对压制成型的HMX 基PBX 进行温度循环试验和温度冲击试验，考察不同温度载荷作用对其损伤及力学性能的影响，综合评估HMX 基PBX 的温度适应能力，为其工程应用提供依据。

1 实 验

炸药为HMX 基PBX，黏结剂为三元乙丙共聚物。样品尺寸分别为Φ20mm×20mm 药柱和Φ15mm×65mm 长哑铃，粉末压制成型，密度约为1.850g／cm3。

温度循环试验使用ESL-04AGP 调温调湿箱，在-40～+75℃开展热循环试验，升降温速率为12℃／h，并在-40℃和75℃恒温2h使样品温度均匀稳定，试验周期数分别为5个周期和10个周期。在-55～+75℃高温试验箱和低温试验箱进行热冲击损伤试验，并在-55℃和75℃恒温2h使样品温度均匀稳定，高低温转换时间小于5min，试验周期数分别为1个周期、3个周期和5个周期。

利用CTS-36型数字化超声波探伤仪检测哑铃状和柱状样品的热损伤。使用单换能器纵波脉冲反射法，探头频率2.5MHz，晶片尺寸Φ10mm ，仪器增益值的上限为84dB，耦合剂为水，耦合面为试样端面。检测的超声波参量包括声速和增益值。

采用英国INSTRON 公司5582型电子万能实验机进行拉伸性能和压缩性能的测试，参照GJB772A-97方法418.1和413.1标准执行。横梁速度为0.5mm／min，测试温度为（20±2）℃。采用中科科仪公司KYKY-2800B 扫描电子显微镜对热疲劳前后HMX 基PBX 拉伸断口形貌进行观察和分析。

2 结果与讨论

2.1 HMX 基PBX 温度循环损伤对力学性能的影响

温度循环试验前后HMX 基PBX 的密度及超声波参数值见表1。

由表1可见，经热循环试验后，HMX 基PBX柱状和哑铃状的密度均有所下降，这主要是由于温度循环导致药柱发生不可逆长大所致。由于PBX中黏结剂的含量很低，而且黏结剂与HMX 颗粒的热膨胀系数有很大不同。在交变热应力作用下，会发生黏结剂从炸药表面“脱粘”，导致炸药产生塑性形变即“不可逆长大”，可以通过尺寸和密度两个物理量进行观测。超声波参数值均具有相同的变化规律：声速值随温度循环周期数的增加而减小，但增益值随周期数的变化不明显。从超声波检测理论定性分析，材料的增益值侧重于关联材料局部的宏观性能，如缺陷的存在等；声速与材料的密度密切相关，其侧重于关联材料整体的微细观性能，如损伤等。这表明，温度循环试验将使HMX 基PBX产生热疲劳损伤，损伤程度随周期数增加而增大。用式（1）可以计算PBX 的损伤量［13］。

式中：Dρ为PBX 的损伤量；ρo为初始PBX 的密度，g／cm3；ρ1为 受 损PBX 的 密 度，g／cm3。计 算 得 到PBX 热疲劳损伤量如表1所示。

表1结果表明，柱状和哑铃状不同尺寸规格的PBX 样品，热疲劳损伤量很接近，也就是说用式（1）表征热损伤度是合理的。随着温度循环周期数的增加，PBX 热疲劳损伤度增大，但增长幅度随周期数增大有所减小，这与热应力作用导致PBX 产生塑性形变的特性有关，一定的温度范围和温变速率下热应力是有限的一个量值，产生的最大形变量（弹性应变和塑性应变）也是一个有限量值。

温度循环试验前后HMX 基PBX 力学性能的测试结果见表2。

表1 温度循环试验前后HMX 基PBX 的密度及超声波参数值Table 1 Densities and ultrasonic character of HMX based PBX before and after thermal cycling

表2 温度循环试验前后HMX 基PBX 的力学性能Table 2 Mechanical properties of HMX based PBX before and after thermal cycling

由表2可见，随着循环周期数的增加，HMX 基PBX的压缩强度和压缩模量均有所减小，但拉伸强度和拉伸模量的变化趋势不明显。这表明，热疲劳损伤导致HMX 基PBX 的压缩性能下降，而对拉伸性能无显著影响。

PBX是一种黏弹性材料，在压缩载荷作用下炸药晶体将起主要作用，而在拉伸载荷作用下，黏结剂与炸药的界面将起决定作用［14］。用KYKY-2800B扫描电子显微镜对HMX 基PBX 拉伸断口形貌进行观察，结果如图1所示。

图1 HMX 基PBX 拉 伸 断 口SEM 照 片Fig.1 SEM photographs of fractured surface of HMX based PBX

由图1可见，热疲劳试验前后HMX 基PBX 拉伸断裂断口形貌差别不大，拉伸应力作用下断裂的主要模式为炸药晶体颗粒和黏结剂界面的脱粘，其主要特征有两个：一是炸药颗粒脱落后留下的黏结剂；二是断面上的炸药晶体还比较完整。经过温度循环试验后，HMX 炸药晶体与黏结剂仍保持极强的黏合作用。

2.2 HMX 基PBX 热冲击损伤对力学性能的影响

热冲击试验前后HMX 基PBX 的密度和超声波参数值见表3。

由表3可见，经热冲击试验后，HMX 基PBX柱状和哑铃状样品的密度均没有出现明显下降，但超声检测得到的声速值随冲击次数增加而下降，增益值变化无明显规律。表明热冲击没有引起试样的“不可逆长大”，但也导致试样内部微损伤，其微损伤量可用式（2）进行计算［15］。

式 中：Dc为PBX 的 损 伤 量；c0为 初 始PBX 的 超 声波速度，m／s；c1为受损PBX 的超声波速度，m／s。计算得到PBX 热冲击损伤量如表3所示。

表3结果表明，柱状和哑铃状样品的热冲击损伤量随着热冲击周期数的增加而增大，药柱经一轮温度冲击后即出现了较大的损伤量，而哑铃状样品的损伤量相对较小。因此，热冲击损伤量与样品的形状尺寸密切相关，相同的温度冲击条件下，尺寸较大的样品内部产生的热应力更大，相应的损伤也更大。

表3 热冲击试验前后HMX 基PBX 的密度和超声波参数值Table 3 Densities and ultrasonic character of HMX based PBX before and after thermal shock

热冲击试验前后HMX 基PBX 药柱的力学性能测试结果见表4。

表4 热冲击试验前后HMX 基PBX 的力学性能Table 4 Mechanical properties of HMX based PBX before and after thermal shock

由表4可见，随着热冲击周期数的增加，HMX基PBX 的压缩强度和拉伸强度出现明显的下降，但拉伸强度下降幅度不大。对比分析试验结果表明，热冲击损伤和温度循环损伤对力学性能影响具有相似的规律，即热损伤导致HMX 基PBX 压缩力学性能下降，而对炸药的拉伸性能影响不明显。

3 结 论

（1）温度循环试验和温度冲击试验均容易导致HMX 基PBX 产生热损伤，随温度循环和热冲击次数的增加而加剧。

（2）HMX 基PBX 的热疲劳损伤机理为塑性形变导致尺寸“不可逆长大”和密度下降。热损伤导致HMX 基PBX 压缩力学性能下降，对炸药的拉伸性能影响不明显。

（3）热损伤后炸药晶体与黏结剂仍保持极强的黏合作用，HMX 基PBX 仍然具有较高的抗拉强度。

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