压装HMX基PBX老化损伤及力学环境适应性

尹俊婷， 袁宝慧， 石玮纬， 王建朝， 高玉玲

(1. 西安近代化学研究所， 陕西 西安 710065; 2. 中国人民解放军第5715工厂， 河南 洛阳 471000)

1 引 言

弹药具有“长期贮存、一次使用”的特点，在贮存期内受到热应力和低机械应力等复杂加载环境的长期作用，装药会发生缓慢的物理及化学变化，产生老化损伤。高聚物粘结炸药(PBX)广泛应用于高效毁伤武器弹药装药，研究其长贮性能对于弹药安全与可靠使用至关重要。目前对PBX的老化研究大都采用小尺寸试验件，通过加速老化，辅以常规拉伸压缩、应力应变等力学实验[1-6]。长贮装药承受的载荷具有加载缓慢、多应力叠加、作用时间长的特点[7]，与加速试验载荷作用下的老化机理存在一定差异，另外尺寸效应对研究结果也会产生一定影响。由于开展弹药装药自然长贮老化研究危险性大，保密性强，且需要较长的周期，相关资料和公开的文献较少。

为了研究弹药装药的长贮老化损伤及力学环境适应性，本研究针对库房标准条件下自然长贮4，8，12 a的压制奥克托今(HMX)基PBX弹药装药，运用CT扫描观察了贮存4，8，12 a装药的结构完整性，采用扫描电子显微镜SEM表征了贮存12 a装药的细观形貌损伤，根据机载武器平台典型冲击、振动实验条件，采用振动实验台考核了贮存12 a的带缺陷弹药装药的力学环境适应性。研究结果可应用于长贮弹药的使用安全性分析及贮存可靠性评估。

2 实验

2.1 试验样品

试验样品为装填压装HMX基PBX的弹药，PBX组成为HMX96%、地蜡2.0%、三元乙丙共聚物2%，装药质量2.5 kg、外径170 mm、内径90 mm。弹药在库房标准条件(温度低于30 ℃，湿度小于80%)下分别贮存4、8、12 a。CT扫描样品为贮存4、8、12 a的弹药各2发,SEM样品为贮存4、12 a的弹药各1发中取出的装药,力学环境适应性样品为贮存12 a的弹药1发。

2.2 实验设备及条件

CT扫描采用俄罗斯莫斯科探伤有限公司BT-400型工业CT机，任意方向的裂纹敏感度为0.05 mm； SEM采用日本日立S-2150型扫描电子显微镜； 力学环境适应性实验采用SAI 120F-T2000-44/ST振动实验台系统。

力学环境适应性实验参照GJB150-86《军用设备环境实验方法》[8]，根据机载武器平台典型的使用环境要求进行冲击和振动考核。冲击实验的冲击脉冲波形为后峰锯齿波，瞬时加速度峰值为7 g，脉冲持续时间25～30 ms,冲击次数20次；Y轴、Z轴的随机振动实验每个轴向2 h，频率范围为15～2000 Hz，功率谱密度W1=0.01 g2/Hz，W2=0.06 g2/Hz。冲击与振动实验均采用单点控制，传感器灵敏度10.156。

3 结果与讨论

3.1 装药结构缺陷

采用数字放射显影(DR)技术对贮存4，8，12 a的弹药各2发进行装药轴向检测，根据轴向DR情况，进行径向CT扫描，观察装药结构老化缺陷。典型CT扫描照片如图1所示。

a. 4 ab. 8 ac. 12 a

图1 不同贮存年限PBX的 CT照片

Fig.1 CT images of PBX stored for different years

CT结果(图1)表明，自然贮存后PBX装药结构出现明显的老化缺陷，表现为沿径向贯通，沿轴向延伸一定长度或贯通的裂纹。裂纹断裂面比较平直，并且沿周向分布较为均匀； 贮存4 a的弹药有1条裂纹，贮存8 a的弹药有3条裂纹，贮存12 a的则有5条裂纹，即随贮存年限增加，裂纹数量呈增加的趋势。

3.2 装药细观损伤

为分析弹药装药结构缺陷的细观损伤形貌，进行了不同倍数(200，500，1000倍)SEM分析，结果如图2所示。由于SEM分析用样品是弹药拆分后取出的装药，需损耗弹药且具有危险性，故仅对贮存年限较短的4 a和贮存年限较长的12 a弹药装药各1发进行了SEM分析。

由200倍SEM(图2a、图2d)可见，HMX晶体粒度分布为100～400 μm，结晶致密，晶粒较为完整，晶体形状相对规则，晶粒断面较平整光滑，晶粒与粘结剂之间解理面清晰，断面上有HMX晶粒脱离粘结剂后留下的空隙；由500倍SEM(图2b、图2e)可见，贮存4 a的PBX其HMX晶粒与粘结剂之间界面脱粘形成了裂纹，贮存12 a的PBX出现了明显的界面脱粘及沿晶断裂裂纹，断面上有HMX颗粒从粘结剂中脱离出留下的孔洞； 由1000倍SEM(图2c、图2f)可见，贮存4 a PBX粘结剂基体完整，贮存12 a PBX出现了粘结剂基体开裂现象。上述SEM分析结果表明，长贮PBX结构缺陷的细观损伤为HMX晶粒与粘结剂之间界面脱粘及粘结剂基体开裂。

a. 4 a(×200)b. 4 a(×500)

c. 4 a(×1000)d. 12 a(×200)

e. 12 a(×500)f. 12 a(×1000)

图2 不同贮存年限PBX 的SEM照片

Fig.2 SEM images of PBX stored for different years

3.3 老化损伤模式分析

从力学角度表征装药的老化损伤模式，可以明确诱导损伤发生的关键因素，为分析损伤对装药性能的影响提供依据。根据D.W.Nicholson[9]能量守恒模型，在晶体模量比粘结基体模量大数个量级的情况下，临界脱粘应力可简化为将弹性基体中的刚性球从基体脱离出来所需的外界应力，PBX各组分间的弹性模量存在较大差别，HMX晶体的弹性模量达10 GPa以上，而粘结剂的模量仅为0.01～0.40 GPa[10-11]，故可采用该能量守恒模型计算其临界脱粘应力:

(1)

式中，Eb为粘结剂的模量弹性模量，取0.40 GPa，γ为界面粘着力做功，取50 mJ·m-2，φ为晶体颗粒体积分数，该PBX的颗粒体积分数为96%，最大颗粒半径r≈200 μm(由图2a,图2d得到)，代入公式(1)计算，得到临界脱粘应力σd为4.03 MPa。

在微观结构中，原子之间的强度取决于它们的化学键,两个原子之间的吸引力在一定范围内随两个原子之间距离r的增加而增加，但吸引力达到极值后，r再增加，作用力反而减弱了,此时的σ为化学键的理论拉伸强度σmax，介质的临界破坏强度可用(2)式[12]近似计算:

σmax≈0.1Eα

(2)

式中，Eα为介质的弹性模量，根据李明等[11]针对含HMX压装PBX测定的弹性模量，取Eb=6 GPa，对粘结剂取Eb=0.40 GPa。带入(2)式得粘结剂开裂临界应力为40 MPa，HMX晶体穿晶断裂临界应力为600 MPa。

计算结果表明，HMX晶体界面脱粘临界应力仅为4.03 MPa，粘结剂基体开裂临界应力是HMX晶体界面脱粘临界应力的10倍，而HMX晶体穿晶断裂临界应力达HMX晶体界面脱粘临界应力的150倍，所以界面脱粘和粘结剂开裂可在很小应力条件下发生，是PBX长贮老化的损伤模式。

装药在贮存期内受到热应力和低机械应力等复杂加载环境的长期作用及外部环境冷热交替变化的影响，在装药内部产生较为缓和的低机械应力，受低应力作用，PBX首先产生界面脱粘和粘结剂开裂的现象，随着应力继续作用，炸药中的微裂纹将经过汇集、贯通等过程形成宏观裂纹，同时宏观裂纹的端部又因应力集中而出现新的微裂纹，进而发展成新的宏观裂缝或体现为原有宏观裂缝的延伸。

3.4 力学环境适应性

力学环境适应性关系到武器装备在战场环境下的生存能力和作战效率的发挥，是装备的重要质量特性之一[13]。为了考核带损伤装药弹药的力学环境适应性，为弹药使用、维修和后勤保障提供技术参考，通过实验设备模拟国内典型机载武器在运输、储存、使用中所经受的载荷条件和接口界面，对贮存12 a的1发PBX装药弹药进行了冲击实验及振动实验。

完成+X轴、-X轴的轴向冲击实验及Y、Z轴向随机振动实验后，实验弹药未发生爆炸或燃烧现象，检查弹药外观情况，可以看出整体结构无松动。通过CT扫描进一步观察弹药装药内部结构，实验前后CT照片对比如图3所示。

a. before the testb. after the test

图3 环境实验前后贮存12 a的PBX 的CT照片

Fig.3 CT images of PBX stored for 12 years before and after the environmental test

由图3可见，冲击实验及振动实验完成后，装药结构仅增加了2条径向裂纹，且增加的裂纹损伤形态与原裂纹相似，说明在经受一定的冲击及振动载荷后，带裂纹PBX装药虽然结构缺陷有所增加，但能够保证安全。

有研究表明，老化会对装药安全性能产生一定影响[14-15]，该PBX老化后仍能经受一定的冲击及振动载荷并保证安全，分析其原因是因为HMX主体炸药中添加了高聚物三元乙丙共聚物，该聚合物兼有粘结和钝感两种作用，与蜡共同作用，对HMX晶粒充分浸润包覆，形成三维网状嵌段共聚物结构，网状结构通过形变吸收外界压力，减轻HMX晶粒上的应力集中，大大改善了装药的安全性能[16]。而该PBX老化现象主要为粘结剂开裂和界面脱粘形成的沿晶断裂裂纹，老化后炸药晶粒仍然完整，钝感剂对晶粒的包覆也基本完好，经受一定的冲击振动载荷时，网状结构仍可起到吸热、隔热、缓冲与润滑的钝感作用，炸药晶粒间并未产生较为强烈的相互作用，使得带裂纹缺陷装药承受一定的冲击、振动载荷时，能够保持其安全性。该结论对于研究缺陷装药弹药的应用、保障部队装备的可靠性和安全性具有借鉴意义。

4 结 论

(1)在库房标准条件(温度低于30 ℃，湿度小于80%)下分别贮存4、8、12 a后，压装HMX基PBX均出现老化现象。CT结果表明，老化产生的结构缺陷为沿径向贯通，沿轴向延伸一定长度或贯通的裂纹，裂纹断裂面比较平直，沿周向分布较为均匀；随贮存年限增加，裂纹数量增加。

(2)SEM观测到裂纹的细观形貌为HMX晶粒与粘结剂之间界面脱粘、沿晶断裂及粘结剂基体开裂。计算得到界面脱粘临界应力为4.03 MPa，粘结剂开裂临界应力为40 MPa，HMX晶体穿晶断裂临界应力为600 MPa，验证了界面脱粘与粘结剂基体开裂是PBX长贮老化的主要损伤模式。

(3)贮存12 a后带缺陷PBX装药弹药完成冲击实验及振动实验后，增加了2处径向裂纹，但能够保证安全。实验结果对于研究长贮弹药的应用、保障部队装备的可靠性和安全性具有借鉴意义。

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