温度对压装RDX基含铝炸药力学性能的影响

姚李娜，王海清，赵省向，王彩玲，陶 俊，戴致鑫



温度对压装RDX基含铝炸药力学性能的影响

姚李娜1，王海清2，赵省向1，王彩玲1，陶 俊1，戴致鑫1

（1.西安近代化学研究所，陕西西安, 710065；2. 北方特种能源集团西安庆华公司，陕西西安，710062）

为了分析温度对压装RDX 基含铝炸药的性能变化规律，对该炸药在不同温度下的抗压、抗拉性能及泊松比进行了测试，并对拉伸试验后的样品进行了形貌观察。结果表明：在高温下，压装RDX基含铝炸药粘结剂软化，炸药颗粒与高分子粘结剂界面作用减弱，其拉伸强度和抗压强度性能均随温度升高而降低；在拉伸试验中，从低温到高温状态，该炸药的泊松比随温度升高却变化不大；高温下，炸药断面损伤形式表现为炸药颗粒与粘结剂脱粘。

压装RDX基含铝炸药；力学性能；泊松比；损伤形式

炸药部件的跌落、撞击、冲击过程从力学角度看是一个高应变率下材料的变形（响应）过程[1]。通过实验手段研究炸药在复杂条件下的力学性能，得到其各种力学参数随条件的基本变化规律，可以为装药设计提供有益的指导。国外Blumenthal[2]用SHPB对PBXN-110 和以HTPB为基的粘结剂在不同温度和应变率条件下的压缩性能进行了研究，得出此炸药的温度对压缩应力峰值影响很大，即随着温度的降低，材料的压缩强度和模量会有所增加。Wiegand[3]在Comp B和TNT的单轴实验中发现它们的压缩强度都随温度的增加而增加，杨氏模量随温度升高而降低，拉伸强度σ也随温度的升高而降低。国内陈荣[4]等对某含铝炸药进行了准静态和动态压缩实验，建立了材料在不同初始密度、不同应变率下的本构模型，对该炸药不同密度下的力学行为特征和应变率效应得到了较为系统的认识。

基于以上研究，为了研究RDX基炸药在高低温条件下的力学性能变化和微观形貌的变化，笔者对RDX基含铝炸药不同温度条件下抗拉强度、抗压强度、弹性模量和泊松比等性能进行研究，分析了温度对其性能变化的机理，进一步探讨了力学试验后炸药的微观形貌，从而为该炸药在不同温度环境条件下的装药应用提供参考。

1 试验部分

1.1 试验样品

样品制备采用“直接法”工艺制备而成。RDX基炸药的组成为RDX、铝粉、粘结剂和钝感剂。

RDX基炸药造型粉，采用10t精密压机压制成不同尺寸的试样药柱。其中：Ф20mm×20mm药柱50发，用于不同温度药柱抗压、抗拉测试；Ф20mm×30mm药柱30发，用于抗剪强度测试；Ф20mm×20mm药柱20发，用于药柱压缩模量（弹性模量）测试，试样密度为1.70 g/cm3，药柱密度差为±0.003 g/cm3。每个项目以5发药柱为1组数据。

1.2 试验方法

1.2.1 力学性能测试

将压制好的炸药药柱分别在温度-55℃、-20℃、20℃和65℃条件下采用高低温恒温烘箱进行处理，时间为4h，烘好的药柱用保温桶储存，备用。

采用AG-IC l00型万能试验机测试了RDX基炸药药柱准静态下（密度为1.70g/cm3）的力学性能，试验采用控制速度方式加载，加载速度为10 mm/min。

抗压强度采用GJB 772A-97方法416.1 抗压强度压缩法[5]，抗压强度用σ表示；抗拉强度采用Q/AY91-90方法413.1 抗拉强度劈裂法[5]参考，抗拉强度用σ表示，临界应变用ε表示。

1.2.2 弹性模量测试

弹性模量采用GJB 772A-97方法418.1 压缩应力-应变曲线 电子引伸计法[5]。

1.2.3 形貌分析

采用电子扫描显微镜分析样品的微观形貌，型号：QUAINTA 600，产地：美国FEI公司。测试前对样品进行喷金处理。

2 结果与讨论

2.1 温度对RDX基炸药的抗压和抗拉强度的影响

3种温度下药柱的抗压、抗拉应力——应变曲线如图1~2所示。各个温度条件下RDX基炸药的抗压、抗拉强度及临界应变数据见表1。

表1 不同温度下RDX基炸药的抗压强度和抗拉强度试验结果

Tab.1 Results of compressive strength and tensile strength of RDX-based explosive in different temperatures

图1 RDX基炸药的抗压应力——应变曲线

图2 RDX基炸药的抗拉应力——应变曲线

从图1~2及表1可以看出，随着试样温度的升高，相同实验条件下所获得的抗压强度和抗拉强度都在降低，而应变率随之升高。

对于拉伸试验曲线（图2），当药柱温度为-55℃时，炸药的应力随应变成正比地增加，抗拉强度最大，临界应变不到0.4%就发生断裂；当药柱温度为20℃时，应力随应变也是成正比地增加，但是增加幅度降低，抗拉强度较小，临界应变不到0.6%就发生断裂；而当药柱温度为65℃时，应力随应变成正比地增加的幅度更小，抗拉强度最小，临界应变不到0.7%就发生断裂。对于压缩试验曲线（图1），同样存在这样的变化趋势。这些现象说明，随着温度的增加，RDX基炸药在低温时，小的应变可以使炸药的抗压和抗拉强度达到最大，此时炸药表现出一定的脆性；当药柱温度继续升高到65℃时，炸药脆性小，应变大，抗压和抗拉强度最小。

压装RDX基含铝炸药是以高分子为粘结剂的复合材料，其力学性质与单体材料不同。对于高分子粘结剂（EVA）来说，可以承受较大的变形，表现出粘弹性，起着粘结炸药颗粒及传递应力的作用。高分子粘结剂的性质、高分子-炸药界面的相互作用和炸药颗粒之间的相互作用影响着PBX炸药的粘弹性。对于高分子粘结剂来说，部分高聚物分子链的重新取向和高分子链之间的滑动会引起炸药粘弹性变化；对于炸药之间的相互作用来说，其可以引起炸药力学性能的不同。在拉伸试验时，拉伸使得颗粒相互分离，压缩时颗粒相互挤压，导致在拉伸时高分子粘结剂的力学行为显得比较重要。

2.2 RDX基含铝炸药的压缩模量研究

2.2.1不同温度对炸药压缩模量的影响

试验加载速率为0.5mm/min，4种温度下压装RDX基含铝炸药的应力——应变曲线变化如图3所示。

图3 不同温度条件下RDX基炸药的（密度为1.70 g/cm3）应力——应变曲线

由图3可看出，在准静态压缩下，曲线整体表现出强烈的非线性变化，此变化可分3个阶段：即很小的线性段、强化阶段及应变软化阶段，且此变化是由高聚物粘结剂的非线性造成的。采用压缩模量、临界应变ε描述温度对压装RDX基含铝炸药准静态下的力学性能。模量参照文献[6-7]来计算，σ和ε由应力——应变曲线上应力最大值对应的应力和应变确定。

表2 给出了4个不同温度下压装RDX基含铝炸药力学性能参数的值。根据表2数据分析知，当压装RDX基含铝炸药经历从低温到高温的过程时，压缩模量的变化从缓慢降低（0.82%）到快速降低（36%），再到缓慢降低（7.5%）；对于压缩强度σ，则其经历先缓慢降低（8.6%）到快速降低（29%），再到快速升高（39%）的过程；而临界应变ε则经历先从缓慢降低（7.8%）到缓慢升高（12%），再到快速升高（50%）的过程。这些结果得出：温度对含铝炸药的力学性能影响很大，即从低温到高温，压缩模量降低，压缩强度和临界应变都表现出先降低后升高的现象。

表2 不同温度条件下压装RDX基含铝炸药的力学性能试验结果

Tab.2 Results of mechanical properties of RDX-based explosive in different temperatures

进一步分析压缩模量和温度的变化关系，如图4所示。图4曲线说明，随着温度的上升，弹性模量呈现非线性的变化，即先缓慢降低，再快速降低，最后趋于平缓。

图4 RDX基炸药（密度为1.70 g/cm3）的压缩模量与温度的关系曲线

2.2.2 不同温度对炸药泊松比的影响

从图3和表2可得出，在-50~65℃范围内随着温度的升高，压装RDX基含铝炸药的模量呈逐渐减少趋势，材料表面刚性逐渐减小，塑性逐渐增强。这是因为此炸药的力学性能主要依赖于高聚物粘结剂的力学性能[8]，随着温度升高，分子运动动能增加，高聚物粘结剂的链段更易于通过主链单键内旋转改变构象，增强柔性，进而使炸药弹性增加，但泊松比变化较小。

根据公式=3（1-2）[9]计算出在拉伸试验中不同温度下含铝炸药的泊松比，数据如表2 所示。从表2可以看出，从低温状态（-55℃）开始，上升到常温（20℃）再到高温状态下，该炸药低温到高温泊松比变化不大，也就是说，压装RDX基含铝炸药沿横向方向和纵向方向的变形比值是相当的[10]。这说明，受温度影响，压装RDX基含铝炸药的横向应变和纵向应变是一致的。

2.3 不同温度下RDX基炸药的微观形貌分析

陈鹏万等[11]指出，PBX 炸药在拉伸载荷作用下，高分子粘结剂与炸药的界面将起决定作用。因此，为了进一步分析该压装RDX基含铝炸药在不同温度下发生破坏的原因，对该炸药在低温（-55℃）、高温（65 ℃）及常温（20℃）条件下，进行拉伸试验后φ20mm×20mm药柱发生破坏的断面形貌进行了观察，如图5所示。从图5可以看出，断裂主要发生在炸药颗粒与高分子粘结剂的界面。

图5 不同温度条件下RDX基炸药（密度为1.70 g/cm3）药柱拉伸断面扫描电镜图

由图5（a）和5（c）可见，在低温和常温条件下，RDX炸药表面的颗粒之间交界面可分辨；而在高温条件、相同放大倍数情况下（见图5b），可清楚地观察到炸药颗粒之间有明显的交界面，还可看到界面之间出现了孔穴和脱粘。由图5还可以看出，从低温到常温再到高温，热作用使RDX炸药颗粒发生形成界面脱粘的现象，但未看到微裂纹，原因可能是因为热作用不够，不能促使粘结剂开裂，因而没有产生微裂纹。因此，热作用使得RDX基含铝炸药的损伤形式主要包括脱粘；随着温度升高，粘结剂软化，其与RDX炸药颗粒间作用力下降，从而导致该RDX 炸药在高温下的抗拉能力减弱。

3 结论

（1）经过对RDX基含铝炸药力学性能试验的摸索，得出温度对含铝炸药的抗压强度和抗拉强度有一定的影响；

（2）RDX基含铝炸药的压缩模量随温度的升高而降低，但是，随温度增加，该炸药泊松比则无明显变化，经过对压缩试验样品的形貌分析，炸药损伤模式为脱粘；

（3）通过本实验对压装RDX基含铝炸药各种力学参数随温度变化的基本变化规律的分析，可以为装药设计和应用安全性提供有益的指导。

[1] 李俊玲.PBX炸药装药的力学性能及损伤破坏研究[D].长沙:国防科技大学研究生院,2012.

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[4] 陈荣,卢芳云,林玉亮,等.一种含铝炸药压缩力学性能和本构关系研究[J].含能材料,2007,10(5):460-463.

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[11] 陈鹏万,丁雁生.高聚物粘结炸药的力学行为及变形破坏机理[J].含能材料,2000,8(4):161-164.

Effects of Temperature on Mechanical Properties of Pressed RDX-based Aluminized Explosive

YAO Li-na1, WANG Hai-qing2, ZHAO Sheng-xiang1, WANG Cai-ling1, TAO Jun1, DAI Zhi-xin1

(1.Xi’an Modern Chemistry Research Institute，Xi’an, 710065；2. Xi’an Qinghua Co.,Ltd.,North Special Energy Group, 710062）

In order to analyze the effects of temperature on the properties of pressed RDX-based aluminized explosive, the compressive strength, tensile strength and Poisson’s ratio were measured in different temperature, and the morphology of tensile sample was observed by scanning electric microscopy (SEM). Results show that pressed RDX-based aluminized explosive binder was soften in high temperature, interface interaction was weaken between explosive particle and polymer binder, and the compressive strength, tensile strength of the explosive decreased with temperature increasing. From low temperature to high temperature in the tensile test, the Poisson’s ratio of the explosive was presented a invariable trends with temperature increasing, damage deformation of explosive section showed debinding between explosive crystals and binder in high temperature.

Pressed RDX-based aluminized explosives；Mechanical properties；Poisson’s ratio；Damage deformation

1003-1480（2017）03-0045-04

TQ564

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2017.03.012

2016-12-05

姚李娜（1983-），女，助理研究员，主要从事含能材料研究。