刘瑞鹏，王世英，王淑萍

（西安近代化学研究所，陕西 西安，710065）

随着应用范围的逐渐扩大，军用混合炸药需要满足各种极端环境条件下的使用要求，这就对含铝炸药的材料性能和装药结构提出了更高更严的要求。而环境温度会影响含铝炸药的材料性能和结构强度，进而影响武器弹药的实际应用。因此，深入探究含铝炸药性能和结构对环境温度的响应规律对于提高军用混合炸药的应用水平是有帮助的。

目前对于炸药性能与损伤的研究较多。尹俊婷等[1]对有边界限定的压装 PBX炸药进行了温度损伤试验，认为低温贮存、温度冲击及冲击试验会使炸药产生裂纹损伤。李敬明等[2]对TATB基高聚物粘结炸药进行了-40～+75℃的热循环试验，认为热循环产生的热应力作用导致样品的力学性能下降。周栋等[3]进行了 PBX炸药细观损伤实验的研究。刘永刚等[4]对TATB/氟聚合物PBX的界面性能进行了研究，结果表明使用F2314作粘结剂可实现与TATB的较佳粘结；TATB与F2314之间的界面作用主要为分子间的范德华力；TATB/F2314造型粉经过热压成型后，其界面作用有所增强。

本文侧重于高低温环境试验对典型含铝炸药装药质量的裂纹损伤研究，依据试验结果分析裂纹产生的规律和有关条件。

1 试验部分

1.1 试验原料

典型含铝炸药X，其组分含量如表1所示。

表1 含铝炸药X配方Tab.1 Formula of typical aluminized explosives

1.2 试验方法

按照《炸药试验方法》GJB 772A-97方法416.1和方法415.1分别测量炸药试样的抗压强度和抗剪强度，按照企业标准测量试样的抗拉强度。同时还测量了不同温度条件下A-IX-II炸药及含铝炸药X的抗压强度。

将含铝炸药X压制成圆柱体。将试验样品分成3组，分别按照《军用设备环境试验方法》GIB150.4进行低温试验，GIB150.3进行高温试验，GIB150.5-86进行温度冲击试验。环境温度执行第六一〇研究所J11A-01-3《环境试验要求》标准。用直线加速器对试验样品进行检测。

2 结果与讨论

2.1 药柱力学性能对装药产生裂纹的影响

力学强度测试结果如表2所示。

表2 力学强度测试结果Tab.2 The results of mechanical strength

不同温度条件下试样的抗压强度如表 3所示。由表3可见不同温度下含铝炸药X的抗压强度明显高于A-IX-II炸药，这是由于前者组分中粘结剂与增塑剂的含量低于后者所致。对表3进行数据处理后发现，抗压强度与环境温度之间呈现良好的负线性相关关系，如图1所示。

表3 不同温度下抗压强度测试结果Tab.3 The results of compressive strength in different temperature

图1 A-IX-II炸药及含铝炸药X抗压强度随温度的变化Fig .1 Compressive strength vs temperature of A-IX-II and explosive X

这种关系对于分析炸药在温度试验过程中裂纹产生的原因提供了一定的参考。

2.2 温度试验对装药裂纹产生的影响

2.2.1 低温试验

低温试验检测结果如表4所示。由表4可见，低温试验后多数样品出现裂纹，这表明低温环境有利于炸药装药形成裂纹。

表4 低温试验结果Tab. 4 The results of low temperature test

含铝炸药X组分中添加了0.75%的粘结剂，这种粘结剂的玻璃化转变温度(Tg)区间为-20～-30℃，而低温试验时的环境温度已明显低于此转变温度，故该非晶态粘结剂分子结构发生转变，呈现出很高的脆性。从整体上看含铝炸药X的脆性高。

低温环境引起的内应力导致样品尺寸发生变化，体积明显减小，出现“冷缩”现象。由于材料的脆性高，塑性形变能力较差，低温环境引起的外加载荷在尚未超过样品的屈服强度之前很容易导致样品产生脆性断裂。表3及图1说明X炸药在低温环境中表现出很高的抗压强度，低温时产生的裂纹可能是由于内应力超过了炸药的抗拉强度而产生脆性断裂所致。

从表4可注意到在经过48h室温保温后，裂纹均消失。这是由于脆性断裂发生在屈服之前，高分子粘结剂的弹性经过较长时间的保温（玻璃化温度之上）可以得到恢复，且一定含量的增塑剂有助于该过程的进行。说明适当时间的保温有利于裂纹逐步愈合及消失。

对低温试验过程进行了模拟计算，结果如图2所示。计算结果表明低温时样品尺寸收缩，体积减小，与试验结果相符；低温时产生的热应力集中于样品的两个端面，产生环形裂纹，考虑试验误差及检测精度，可以认为计算结果与试验结果一致。

图2 低温试验模拟结果Fig.2 The simulation results of low temperature test

2.2.2 高温试验

高温试验检测结果见表5。

表5 高温试验检测结果Tab.5 The results of high temperature test

从表5可见，高温试验后全部样品中均未检测出明显的裂纹，且保温48h后亦未出现宏观裂纹。

从试验结果可见高温不是样品中出现裂纹的主要原因。主体炸药加高分子粘结剂的体系在70℃环境温度场中软化熔化，粘结剂呈现出高粘度的类流体性质。整个炸药体系显现出类橡胶的软化性质，能够比较有效地吸收高温环境所引起的外加内应力及能量变化。

当恢复到室温保温时，由于高分子粘结剂较低的玻璃化温度，整个炸药体系仍可以保持有类橡胶的性质，显示出一定的弹性。且高分子粘结剂和增塑剂在体系中的迁移可以抵消体积变化引起的裂纹萌生，故在宏观上观察不到裂纹产生。

2.2.3 温度冲击试验

温度冲击试验检测结果见表6。由表6可见，温度冲击试验后在大部分样品中出现了严重的明显裂纹，多次循环温度冲击试验使裂纹分布加宽。

表6 温度冲击试验检测结果Tab.6 The results of temperature shock test

从试验结果可见含铝炸药装药对于温度冲击最为敏感，宏观结构损伤突出。结合2.2.1和2.2.2的分析，高温环境已超过粘结剂体系软化点温度，高度粘稠的炸药装药缓慢地发生体积变化；之后突变的低温作用使炸药装药形成脆性断裂，结构上显示出不连续性，炸药装药破裂成几部分。接下来的温度冲击过程使炸药装药各部分更易产生裂纹，同时由于炸药装药结构破裂，相对体积减小，则对于内应力及能量变化的吸收能力下降，也更易于裂纹形成。

温度冲击试验后的48h室温保温有利于裂纹的愈合，但由于温度加载条件苛刻，导致高分子粘结剂的力学性能发生变化，结果不能像低温试验后裂纹充分愈合乃至全部消失，但裂纹宽度和数目均相应减小。

2.3 贮存温度对装药裂纹的影响

将以上经过温度试验后的样品在库房中贮存了大约5个月的时间。结合实际情况，贮存时的温度条件大约在-30～0℃之间。之后对样品分别重复进行上述的低温试验、高温试验及温度冲击试验，试验结果见表7。

表7 贮存后的试验结果Tab.7 The test results after storage

将表7的试验结果分别同表4、表5及表6进行对比，结果表明较长时间的低温贮存环境对样品低温时的力学性能影响不显著，但在高温及温度冲击时则会引起样品的力学强度下降，产生了更加严重的裂纹损伤。

3 结论

综合上述分析，得到如下结论：

（1） 低温加载是导致裂纹产生的主要因素，单独的高温加载不易形成裂纹，温度冲击强化裂纹损伤并导致裂纹分布加宽；

（2） 样品在低温加载时所经历的力学过程是可逆的，高分子添加剂的性能显著影响炸药装药质量；

（3） 较长时间的低温贮存环境对含铝炸药装药的实际使用性能有不利影响；

（4） 含铝炸药的抗压强度随温度变化显现出线性相反的趋势，低温时的裂纹可能是由于内应力超过炸药装药的抗拉强度所致。

[1] 尹俊婷, 袁宝慧, 牛鹏俊,等. 炸药损伤及损伤炸药环境适应性的实验研究[J].火炸药学报,2008,31(2):78-80.

[2] 李敬明, 温茂萍, 黄毅民. 热循环对TATB基高聚物粘结炸药性能的影响研究[J]. 含能材料, 2005, 13(4):208-210.

[3] 周栋, 黄风雷, 姚惠生. PBX炸药细观损伤的实验研究[J].火炸药学报, 2007,30(3):16-18.

[4] 刘永刚, 雷延茹, 余雪江,等. TATB/氟聚合物塑料粘结炸药的表(界)面特性研究[J].粘接, 2003, 24(4):6-9.

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