2，4-二硝基苯甲醚基不敏感熔注炸药动态力学性能

李东伟，苗飞超，张向荣，熊国松，周霖，赵双双

(1.重庆红宇精密工业集团有限公司，重庆 402760；2.北京理工大学 机电学院，北京 100081)

0 引言

炸药装药是战斗部的关键组成部分，其在战斗部运输、发射及与目标作用过程中都将经受复杂的力学刺激，如压缩、剪切、摩擦等[1-2]。在这些力学刺激作用下，炸药内部缺陷处可能形成热点导致炸药意外爆炸[3-4]。因此，合理地描述炸药在外界刺激下的动态力学响应对认识炸药起爆机理，进而正确评估武器装药的安全性能具有重要意义。众多学者对高聚物粘结炸药(PBX)类炸药的力学性能进行了大量研究[5-11]。梯恩梯(TNT)基熔注炸药作为广泛应用的炸药类型[12]，其力学性能也受到国内外研究者的一些关注。Weigand等[13]、Pinto等[14]、Weigand等[15]、韩小平等[16]对TNT和B炸药在动态条件下的力学参数进行了测试。熔注类炸药与PBX类炸药相比，具有强度低、脆性大的特点，实验难度大，导致熔注炸药动态力学性能研究进展缓慢。

2，4-二硝基苯甲醚(DNAN)，无色或黄色针状或单斜晶体，熔点94～96 ℃，密度1.544 g/cm3[17].DNAN的感度和黏度均显著低于TNT，而且DNAN不存在异构物，纯度达99.8%以上。DNAN基熔注炸药不仅提高了战斗部的长期贮存性能和装药工艺性，而且其具有良好的安定性，提高了战斗部勤务处理过程安全性以及战场生存能力[18]。DNAN作为一种新型不敏感载体，以其为载体的混合熔注炸药受到国内外的高度关注[19-21]。

为揭示DNAN基不敏感熔注炸药的动态力学性能，推进其在战斗部中的应用，本文采用分离式霍普金森压杆(SHPB)对DNAN基不敏感熔注炸药进行动态力学性能测试，并通过对实验数据拟合标定该炸药Johnson-Cook(J-C)本构模型参数，为装填新型DNAN基熔注炸药的战斗部安全性研究提供基础。

1 实验条件及方法

1.1 被试样品

本文研究的DNAN基不敏感熔注炸药(体积分数：DNAN为25%，黑索今(RDX)为36%，Al为31%，助剂为8%)，被试样品密度为1.80 g/cm3，尺寸为φ10 mm×5 mm.DNAN基不敏感熔注炸药样品实物照片如图1所示。

图1 炸药样品实物照片

1.2 实验设计

本文研究的DNAN基熔注炸药是一种低阻抗材料，采用SHPB对其进行动态加载力学实验的难点在于阻抗匹配、应力平衡及常应变率加载[22]。传统SHPB多采用钢材制造，阻抗较高，而炸药材料阻抗低，透射应变信号的幅值极小，容易被噪声信号淹没，严重影响着实验的测量精度。在准静态条件下，炸药初始温度在-10～50 ℃范围时，炸药的失效应变小于1%，压缩强度在101MPa～102MPa量级[23]，在试件两端未达到应力平衡前，试件就已经破坏，采集不到有效信号。

对于波阻抗匹配问题，一般的解决方法为采用黏弹性杆[24-25]、空心杆[26]、铝杆等改善压杆与试样的波阻抗匹配度。但是，由于黏弹性杆存在色散、空心杆加工装配难度较高，本文采用LC4超硬铝作为压杆材料以解决阻抗匹配问题。LC4超硬铝杆材料密度为2.78 g/cm3，杨氏模量为71 GPa.杆组直径为14.5 mm，子弹长度为100 mm，入射杆长与透射杆均为1 060 mm，阻尼杆长度为600 mm.

为提高SHPB杆组中应变信号的信噪比，入射杆和透射杆均采用SB5-120-P-2Y15型半导体应变片。信号适配器采用北京理工大学研制的BH-1型超动态应变仪。

对于应力平衡和常应变率问题，一般的解决方法为在子弹和入射杆之间粘贴紫铜整形器[27]，以延长应力上升时间。本文用T2纯铜(紫铜)材料制作整形器。实验时，用真空硅脂将整形器粘贴于入射杆撞击端中心位置。为了尽可能消除入射杆和透射杆端面与炸药样品之间的摩擦影响，在界面上涂覆涂一层薄凡士林润滑剂降低摩擦力。

SHPB动态力学实验在重庆红宇精密工业集团有限公司动态加载实验室完成。实验中，为防止被试炸药样品意外爆炸对实验人员及仪器造成伤害，加装钢质防护盒，实验装置现场实物照片如图2所示。

图2 SHPB装置实物照片

2 结果及讨论

2.1 炸药应力- 应变曲线

本文对密度1.80 g/cm3，尺寸φ10 mm×5 mm的DNAN基熔注炸药试样进行动态力学性能测试，子弹加载速度分别为1.97 m/s、2.21 m/s和2.83 m/s.实验前后样品尺寸对比如表1所示。在加载速度2.83 m/s条件下，实验回收炸药样品如图3所示。

表1 SHPB实验前后炸药样品尺寸变化

图3 SHPB实验回收炸药样品照片(编号1)

从表1中可以看到炸药试样实验前后直径和厚度变化较小，同时，从回收样品照片(见图3)可以看到试样均已失效，表明该炸药具有脆性材料的特征。

图4给出了本文典型的SHPB实验信号。由图4可以看到：添加波形整形器后入射波呈三角形，波形整形器有效地增加了入射波上升沿时间，有利于试样达到应力平衡；反射波出现一个平台，表明试样达到了常应变率状态。

图4 添加整形器后测试波形信号

图5给出了炸药试样左右两端应力σl、σr与时间曲线及应变率时间曲线。从图5中可以看到，添加整形器后试件两端的应力基本平衡，且在20 μs到100 μs的时间段内试样达到常应变率，满足了SHPB应力平衡和常应变率的条件。

图5 试件两端应力对比

常应变率的获得是熔注炸药动态力学实验的难点，同时常应变率的获得为炸药本构方程参数的拟合提供了前提。

通过调整子弹速度和波形整形器尺寸，在满足应力平衡和常应变率的前提下，得到子弹速度分别为1.97 m/s、2.21 m/s和2.83 m/s时的加载应变率为65 s-1、130 s-1和200 s-1.采用“三波法”[28]对炸药样品测试入射、反射和透射曲线进行处理，计算得到了炸药试样在65 s-1、130 s-1和200 s-1等3种不同应变率下的应力-应变曲线，结果如图6所示。从图6中可以看到，弹性段和硬化段，光滑过渡，没有明显的转折点，故取σ0.2为初始屈服应力。

图6 不同应变率下炸药试样的应力-应变曲线

从图6中可以看到：

1)在应变从0增加到0.1%过程中，3条曲线基本重合，表明应变初始阶段试样处于线弹性变形状态，相应的弹性模量约为4.5 GPa；

2)随着应变的逐渐增加，3条曲线逐渐分离，表现出明显的应变率效应，随后试样在曲线峰值点处失效，相应的失效应力和失效应变如表2所示。

表2 不同应变率下炸药试样失效应力与失效应变

从图6及表2中的数据来看，应变率从65 s-1提高到200 s-1时，压缩强度从11.75 MPa增加至13.62 MPa(准静态压缩强度约5 MPa[18])，破坏应变从0.61%降低到0.56%.因此，随着加载速度的提高，该DNAN基熔注炸药的动态屈服强度不断提高，失效应变均不断降低，试样具有明显的应变率效应。

2.2 本构参数标定

为描述材料的应变率行为，Johnson提出一个用来描述材料流动应力σy和塑性应变εp的率相关J-C模型。室温条件下，J-C模型[29]表达式为

(1)

通过对Lesuer方法的改进，可去除必须有1 s-1应变率实验数据的限定条件，拓宽其应用范围。在常应变率条件下，J-C模型的表达式变为

σy=[A+B(εp)n]C*，

(2)

对图6实验曲线进行处理，去除弹性分量，得到不同应变率条件下流应力与塑性应变关系如图7所示。

图7 不同应变率下流应力-塑性应变曲线

以130 s-1为参考应变率，得AC*=9.40 MPa.将AC*代入(1)式中，并对其取对数，得

ln(σ-AC*)=ln(BC*)+nlnεp.

(3)

利用最小二乘法对(3)式进行线性拟合，得到BC*=62.72 MPa和n=0.49.拟合结果如图8所示。

图8 参数BC*与n的拟合结果

此时，已经求得AC*、BC*和n.由于C*中含有C，一旦求得C就可以从AC*和BC*中得到A和B.下面开始对C进行求解。(1)式可以改写为

(4)

对(4)式化简，得

(5)

图9 不同应变率的参数C拟合结果

上述方法得到的参数代入J-C模型与实验结果进行对比，对比结果如图10所示。从图10中可以看到，J-C模型的计算结果与实验结果吻合较好。表明本节采用的J-C模型参数标定方法是可行的。因此，这里给出的标定方法可以自由选择参考应变率，比Lesuer[30]的公式更加普适，应用范围也更广。

图10 不同应变率下J-C模型计算值与实验值对比

3 结论

1)采用分离式SHPB研究炸药试样的动态力学性能时，通过在入射杆撞击端粘贴紫铜整形器，可以延长入射脉冲的上升时间，使试样处于应力平衡状态，并有助于实现常应变率加载。

2)在满足应力平衡和常应变率的前提下，得到了炸药试样在65 s-1、130 s-1和200 s-1等3种不同应变率下的应力-应变曲线。结果表明，随着应变率的提高，失效应力逐渐增加，试样具有明显的应变率效应。

3)通过改进的Lesuer方法，去除了必须有1 s-1应变率实验数据的限定条件，拓宽了其应用范围。采用改进的Lesuer方法标定了J-C模型参数，A=1.70 MPa，B=11.37 MPa，C=0.93，n=0.49.采用此套参数的计算结果与实验结果吻合较好，证明了改进的Lesuer方法的可行性。

4)研究结果可为战斗部装药冲击响应研究提供基础数据。

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