浇注PBX炸药的准静态压缩力学性能

席 鹏， 郑元锁，陈春燕，杨 惠



浇注PBX炸药的准静态压缩力学性能

席 鹏1， 郑元锁2，陈春燕1，杨 惠1

（1.西安近代化学研究所，陕西西安，710065；2.西安交通大学理学院，陕西西安，710049）

利用材料实验机进行了PBX-1炸药准静态压缩实验，获得PBX-1炸药真应力——应变曲线和表观应力——应变曲线，分析了应变速率和温度对炸药力学性能的影响。结果表明：与表观应力——应变曲线相比，真应力——应变曲线所测的抗压强度值下降了0.09MPa，屈服应变也降低了0.8%，=7%时压缩模量降低了1.0MPa。PBX-1炸药的抗压强度随着应变速率增加而增高，随温度的增高而降低；屈服应变并没有随应变速率和温度发生变化。PBX-1炸药在71℃固化75d内，抗压强度没有随时间降低。

浇注炸药；力学性能；抗压强度；真应力

浇注型高聚物粘结炸药（浇注PBX）是一种聚合物基复合材料，因其优异的低易损性能和爆轰性能，可以广泛应用于侵战斗部器、水下战斗部等[1-3]。研究浇注PBX炸药的准静态压缩力学性能，可以分析炸药在贮存、运输、跌落等低速条件下的安全性，所获取力学性能参数也有助于炸药在侵彻、冲击等应用工况下的安全性研究[4-5]，是炸药数值仿真计算的必备条件。拉伸和压缩是典型的准静态力学实验。唐明峰[6]利用材料实验机获得RDX基浇注PBX循环加载、卸载应力——应变曲线；周红萍[7]等人采用单轴拉伸实验和拉伸蠕变实验分析了温度对浇注PBX力学性能的影响；Belmas等人[8]研究TATB基压装PBX炸药，发现不同载荷作用下的破坏机制存在差异，拉伸和压缩二种载荷下的力学性能不同。此外，诸多学者[9]对推进剂进行拉伸实验，并用抗拉强度和断裂延伸率来评估推进剂的优劣。浇注PBX配方体系和力学性能与复合推进剂相似，与压装PBX差异较大，但是炸药在战斗部内密实填装，受到战斗部壳体的约束作用，针对外载荷刺激所呈现的压缩行为远超过拉伸行为。本文主要研究PBX-1炸药在压缩条件下的力学特征，讨论浇注PBX力学特点和影响因素，为安全性预估提供基础数据，有助于浇注PBX炸药的应用和推广。

1 实验

1.1 试样制备

PBX-1炸药药柱由64%黑索今（RDX）、20%铝粉（Al）和粘结剂组成，按照文献[10]报道的炸药配方，根据文献[11]要求外加0.01%的TPB催化剂；炸药尺寸：φ20mm×20mm药柱，密度1.645～1.647g•cm-3。

1.2 仪器设备

水浴烘箱，CTA-F型，常州范群设备有限公司。防爆材料实验机，西安近代化学研究所研制，最大压力30kN，具备样品恒温和压力、位移、时间测试功能。压力测试采用1 000N压力传感器，量程0～1 000N，相对误差0.29%；位移测量量程0～1 000mm，相对误差0.28%；温度测量量程-50～120℃，相对误差±0.1℃。

1.3 实验条件

应变速率效应实验：样品固化7d，固化温度60℃；在25℃烘箱内贮存2h，应变速率8.3×10-4～1.7×10-2s-1。温度效应实验：样品固化7d，固化温度60℃；在不同温度烘箱内贮存24h，应变速率8.3×10-3s-1。固化/后固化影响实验：0～7d固化温度60℃，7～75d固化温度71℃；在25℃烘箱内恒温2h，应变速率8.3×10-3s-1。

2 结果和分析

2.1 真应力和表观应力

在压缩过程中，随着应变增加，应力值增大，药柱呈现出腰鼓状，试样截面积增大，如图1所示。为减小截面积增量对力学性能数据的影响，根据文献[12]提出的应力——应变曲线修正方法，对炸药的表观应力——应变曲线进行修正，拟合真应力——应变曲线和表观应力——应变曲线，如图2所示。

从真应力/表观应力——应变曲线可以看出，在应变值小于5%时，二条曲线近似重合，当应变值增大后，差距逐渐明显。两种条件下获得的炸药力学性能参数如表1所示。

图1 PBX-1的压缩形变图

图2 真应力/表观应力——应变曲线

表1 2种曲线所获得力学参数

Tab.1 The data of two stress vs strain curves

由表1及图2可以看出，真应力——应变曲线所测试的压缩模量低于表观应力——应变曲线测试值；相对于表观应力——应变曲线，真应力——应变曲线所得抗压强度降低了0.09MPa，下降了12%左右；真应力——应变曲线获取的屈服应变也降低了0.8%。文献报道[5,6,13]的PBX9501等压装PBX炸药主要采用表观应力——应变曲线表征其力学性能，是由于压装PBX属于脆性炸药，其屈服应变主要在0.3%～3%之间，在该范围其真应力——应变与表观应力——应变差异较小；而PBX-1炸药属于高弹性材料，其屈服应变远大于压装PBX，对此分析认为，采用表观应力——应变曲线更能反映PBX-1类高弹性炸药的压缩行为。

2.2 应变速率效应

PBX-1炸药在不同应变速率下的真应力——应变曲线，如图3所示。PBX-1炸药存在丰富的界面层，在应变初始阶段产生界面压缩形变，4组压缩曲线均表现出较低的压缩模量。

图3 不同应变速率下的真应力——应变曲线

从图3可以看出，随着应变增加，聚合物压缩变形，刚度逐渐增大，炸药处于一种高模量状态，发生高弹形变。当应变大于6%左右，高弹形变逐渐向粘性流动转变，压缩模量逐渐降低，在越过屈服点后，应力逐渐下降，表现为明显的应变软化特征。4组实验中炸药抗压强度、屈服应变与应变速率的关系如图4所示。

图4 不同应变速率下的抗压强度和屈服应变

从图4可以看出，PBX-1炸药的抗压强度与应变速率相关，应变速率由8.3×10-4s-1上升到1.7×10-2s-1，抗压强度由0.55MPa上升到0.68MPa，提高了20%以上，而屈服应变并没有显著变化，屈服过程受应变控制。对抗压强度和应变速率对数值进行线性拟合，建立了抗压强度和应变速率的拟合方程（1）。

拟合方程（1）中，为抗压强度，是应变速率。从图4中的拟合曲线可以看出，该方程能够反应PBX-1炸药在准静态压缩条件下抗压强度随应变速率的变化趋势。

2.3 力学性能的温度效应

不同温度下PBX-1炸药的抗压强度和屈服应变如图5所示。

在压缩载荷下，处于不平衡构象的聚合物要逐渐过渡到平衡的构象，链段沿外力方向运动，消除内部应力。随着温度升高，链段运动受到的内摩擦力减小，内部阻抗应力很快被松弛掉。从图5可以看出，随着温度升高，炸药抗压强度下降；屈服应变并没有随温度变化而发生改变，屈服过程依然受应变控制。对抗压强度和温度关系进行数据拟合，建立了抗压强度和应变速率的拟合方程（2）。

（3）

式（3）中：t为样本的摄氏温度，取特征温度为298k，分子项是样本温度转化为开尔文温度后与特征温度的差值。从图5可以看出，拟合曲线能够反应PBX-1炸药抗压强度随温度的变化特征和变化趋势。

图5 不同温度下的抗压强度和屈服应变

2.4 固化/后固化影响

炸药在不同时间内的抗压强度如图6所示。

图6 PBX-1炸药抗压强度——时间曲线

PBX炸药的固化、后固化和老化现象的本质是粘结剂由高分子预聚体逐渐形成高分子网络与网络缓慢断裂的过程。随着高分子网络增加，炸药的抗压强度增大。从抗压强度——固化时间曲线可以看出，随着固化时间增加，炸药抗压强度增大，固化过程存在明显的固化-后固化现象。

在开始阶段，由于体系中高分子预聚体与固化剂的浓度较大，反应速率较快，炸药在短时期内即具备一定的抗压强度，如图6中0～5d时，抗压强度和邵氏硬度随时间迅速增大。随着固化反应的完成，体系中预聚体和固化剂被大量消耗，浓度降低，化学反应速率降低，炸药完成后续固化的时间较长。即使在这个较长的时间段内，炸药也不仅仅在完善固化反应，同时早期形成的高分子网络受到温度刺激、热应力甚至外力作用，在局部已经发生断裂，因此，在这个时期抗压强度是炸药固化与老化耦合作用的时期，只是因为固化反应对力学性能的贡献大于老化反应，所以药柱强度出现缓慢的提高，如图6中5d以后，抗压强度和邵氏硬度随时间缓慢增长。随着固化反应持续，炸药发生后固化的能力逐渐削弱，发生老化的几率逐渐增加。当炸药老化对力学性能的影响超过后固化产生的影响时，炸药即进入老化阶段，力学性能逐渐降低，只是在上述实验周期内未发现老化行为的时间拐点。

3 结论

（1）在应变值小于5%时，表观应力——应变曲线和真应力——应变曲线近似重合，当应变值增大后，差距逐渐明显，真应力——应变曲线所测试的压缩模量低于表观应力——应变曲线测试值；真应力——应变曲线所测得抗压强度值比表观应力——应变曲线测试值下降了12%左右。

（2）PBX-1炸药的力学行为显现出应变速率和温度的相关性，抗压强度随着应变速率增加而升高，随温度的增高而降低；屈服应变并没有随应变速率和温度发生显著变化，屈服过程受应变控制。

（3）PBX-1炸药在71℃固化75d内，炸药处于后固化阶段。

（4）获得了PBX-1炸药的抗压强度随温度、应变速率变化的状态方程，为PBX力学行为的预估提供了理论模型。

[1] 李媛媛,南海.国外高聚物粘结炸药在大中口径炮弹中的应用[J] .飞航导弹,2016(2):80-83．

[2] 席鹏,南海.串联侵彻战斗部装药技术特点及发展趋势[J] .飞航导弹,2014(6):87-89．

[3] 席鹏,王晓峰,郑亚峰,等.压应力对装药侧隙缺陷的影响[J] .含能材料,2014,22(5):674-677．

[4] 贾宪振,王浩,王建灵,等.PBX炸药的抗压强度及抗拉强度细观尺度的数值计算[J].火炸药学报,2014,37(1):49-52.

[5] 李尚昆,黄西成,王鹏飞,等.高聚物黏结炸药的力学性能研究进展[J].火炸药学报,2016,39(4):1-8.

[6] TANG Ming-feng, PANG Hai-yan, LAN Lin-gang, et al. Constitutive behavior of RDX-based PBX with loading- history and loading-rate effects[J].Chinese Journal of Energetic Materials,2016,24(9):832-837．

[7] ZHOU Hong-ping,HE Qiang,LI Ming,et al.The tensile properties and creep performance of a long-term thermally aged plastic bonded explosive[J].Chinese Journal of Energetic Materials,2016,24(9):826-830．

[8] Belmas R，Reynier P. Meehanical behavior of Pressed Explosives[C]// International Symposium Energetie Materials Tehnology.Florida,1994.

[9] 常新龙,龙兵,胡宽,等.固体推进剂断裂特征研究进展[J].火炸药学报,2013,36(3):6-10.

[10] 孙国祥.混合炸药及其发展[M].北京:国防工业出版社,2008．

[11] 倪冰．GAP/HTPB共混粘合剂体系的力学性能研究[D].西安:中国兵器科学研究院西安近代化学研究所,2010．

[12] 何曼君,陈维孝,董西侠.高分子物理（修订版）[M].上海:复旦大学出版社,2002．

[13] 唐明峰,颜熹琳,唐维,等.PBX中炸药晶体与黏结剂界面力学特性的研究进展[J].火炸药学报,2015,38(6):1-5.

[14] 李福平,刘忠良,蒲若珩,等.火炸药手册（增订本·第一分册·单质炸药和混合炸药）[M].西安:第五机械工业部第二〇四研究所,1981.

Static Compression Mechanical Properties of Casting-PBX

XI Peng1，ZHENG Yuan-suo2，CHEN Chun-yan1，YANG Hui1

（1.Xi’an Modern Chemistry Research Institute, Xi’an，710065；2.School of Science,Xi’an Jiaotong University, Xi’an，710049）

The effect of strain rate and temperature on mechanical properties of PBX-1 was studied by material testing machine, and true stressstrain curve, as well as apparent stressstrain curve of explosive were obtained. The results showed that compared to apparent stressstrain curve, compressive strength of PBX-1 reduced 0.09MPa ,yield strain reduced 0.8%and compressed modulus reduced 1.0MPa when the strain is 7% on the true stressstrain curve. It was found that mechanical behavior of PBX-1 was dependent on temperature and strain rate, the compressive strength increased when strain rate increased and decreased when temperature increased, while yield strain was not changed with temperature and strain rate. The PBX-1’s compressive strength reduction is not obvious when it was cured at 71℃ for 75d.

Casting explosive；Mechanical properties；Compressive strength；True stress

1003-1480（2017）02-0042-04

TQ564

A

2017-01-16

席鹏（1985-），男，高级工程师，主要从事浇注PBX炸药性能研究。