被动围压下浇注PBX炸药的动态力学性能研究❋

2022-01-11胡雪垚屈可朋

爆破器材 2022年1期

胡雪垚沈飞肖玮屈可朋

西安近代化学研究所（陕西西安，710065）

引言

PBX炸药(polymer bonded explosive)通常是由主体炸药和黏结剂组成的高能低感炸药。浇注PBX炸药因安全性高、抗过载能力强以及便于加工等优点被广泛应用[1]。在使用过程中，PBX炸药常装填于金属弹体内，当弹体承受力、热等外界载荷作用时，炸药常处于被动围压状态，在发射、侵彻过程中还需承受瞬时强冲击作用，该状态下炸药的动态力学响应特性将直接影响其使用安全性[2]。而准确获取炸药材料的动态力学性能，是研究瞬时强冲击作用下PBX炸药动态响应的基础。

材料在被动围压加载下的力学行为与损伤演化会更加复杂。Xiao等[3]研究了低速冲击载荷下PBX炸药的损伤机理和断裂模式，发现:围压冲击作用下，试样的主要破坏模式为脱黏和解理；而非围压冲击载荷下，主要破坏模式为穿晶断裂。Dong等[4]建立了围压条件下混凝土材料的横向应变预测模型，发现横向应变主要取决于轴向应变、围压应力以及混凝土强度，而与围压应力的加载历程无关。根据围压加载装置的不同，一般可分为主动围压测试和被动围压测试。通常情况下，主动围压压力低且恒定，适用于材料的装配、热膨胀等条件；而被动围压压力高且不恒定，与实际发射、侵彻过载等加载条件更为接近。Wiegand等[2]研究了0.1～138.0 MPa主动围压条件下一种PBX炸药的准静态力学性能，发现:在低围压应力下，裂纹的慢速扩展起主导作用；而在高围压条件下，塑性流动起主导作用。Bailly等[5]设计了一种基于分离式霍普金森杆(split Hopkinson pressure bar，SHPB)系统的被动围压试验方法，分析了压力和应变率对材料变形与损伤特性的影响，发现动态围压条件下剪切应力明显增大。

本文中，针对一种浇注PBX炸药，采用SHPB加载系统开展不同应变率下的被动围压加载试验，通过设计不同壁厚的围压装置来改变围压应力的大小，获取应变率和围压应力对浇注PBX炸药动态力学性能的影响规律，并进一步揭示围压应力与轴向应力之间的关系。

1 材料及试验

1.1 试样设计

选用一种HMX基浇注PBX炸药作为研究对象，其主要组成(质量分数)为:55%HMX、35%铝粉和10%黏结钝感剂，平均密度约为1.80 g/cm3，所有样品均由西安近代化学研究所提供。分析被动围压加载下围压应力对浇注PBX炸药轴向力学响应的影响，同时开展非围压试验进行对比，用于非围压和被动围压试验的试样尺寸分别为∅10 mm×6 mm和∅16 mm×10 mm。

1.2 试验原理

非围压和被动围压试验均采用SHPB系统进行。其中，被动围压试验通过金属围压管实现。被动围压试验的原理是在试样外表面增加一个内径与试样外径接近的金属套管，实现对试样的横向加载。采用施绍裘等[6]提出的一种改进的SHPB被动围压试验方法，用油膜作为传递压力的介质。

图1为被动围压装置示意图。围压管长度为20 mm，内径2r为16 mm，并根据常用战斗部工况设计了两种围压管外径2R的尺寸，分别为24 mm和36 mm。由此，两种围压管的壁厚δ分别为4 mm和10 mm。试验时，在试样表面均匀涂抹润滑油:一方面，形成油膜，起到传递载荷的作用；另一方面，可以减小试样表面与围压管内壁之间的摩擦[6]。

图1 被动围压试验装置示意图Fig.1 Schematic diagram of passive confinement test device

2 结果与讨论

2.1 被动围压下的动态压缩力学性能

图2对比了应变率为200 s-1时非围压和被动围压(壁厚10 mm)加载下的轴向应力-应变曲线。以此分析浇注PBX炸药在非围压和被动围压条件下的动态压缩力学性能。可以看出，浇注PBX炸药试样的非围压和被动围压测试的轴向应力-应变曲线均可分为弹性段、过渡段和黏塑性段3个部分，具体如图3所示。在小变形范围内，轴向应力随应变呈线性增长趋势；随后，应力-应变曲线斜率减小，出现一个台阶形过渡区；随着轴向应变的继续增大，轴向应力缓慢增大，材料进入黏塑性区。

图2 非围压和被动围压条件下的轴向应力-应变曲线Fig.2 Axial stress-strain curves of samples under unconfined pressure and passively confined pressure

图3 浇注PBX炸药典型轴向应力与应变的关系Fig.3 Relationship between typical axial stress and strain of cast PBX explosive

在非围压加载下，浇注PBX炸药的弹性模量和屈服应力为0.25 GPa和5.57 MPa；而在被动围压加载下，其弹性模量和屈服应力可达5.56 GPa和171.45 MPa，分别是非围压加载时的22.24倍和30.78倍，表明围压应力对浇注PBX炸药的轴向力学性能有明显的增强效应。这是由于在被动围压条件下，围压管的约束作用不仅会限制试样的横向变形，还会减缓材料内部微裂纹的萌生和扩展，从而使得材料的轴向抗压缩性能显著提高；而在非围压条件下，浇注PBX炸药的非线性力学性能主要取决于微裂纹的形成和演化，且随着应变率的增大，裂纹扩展速率增大，破坏应变呈递减规律[7]。需要说明的是，被动围压时轴向应力-应变曲线的峰值并不代表材料所能承受的最大压缩应力，只是由于加载结束导致的。

图4对比了两种围压管壁厚时浇注PBX炸药分别在两种应变率下的被动围压轴向应力-应变曲线。可以看出，在给定围压管壁厚下，随着应变率的增大，材料强度表现出一定程度的增强效应。这一方面，是由于黏结剂等组分材料的黏弹性行为；另一方面，在动态载荷下，脆性材料会产生更多的微小裂纹，由于应力反应时间很短，且积累的能量不足以使材料破坏，往往需要较高的应力才能使裂纹扩展，最终表现为压缩强度随应变率的增大而增大[8-9]。且当轴向应力逐渐卸载，试样均发生了不可逆的轴向变形，与文献[10]报道的结果一致。这可能是由塑性变形、局部压实以及孔洞塌陷共同导致的。此外，在相同应变率下，随着围压管壁厚的增加，浇注PBX炸药的被动围压轴向应力-应变曲线也呈现强化趋势。因此，围压应力对材料的轴向应力-应变响应也起着重要作用。

图4 被动围压下轴向应力-应变曲线Fig.4 Axial stress-strain curves under passive confinement

2.2 围压应力对轴向应力-应变曲线的影响

如上所述，被动围压条件下，材料的轴向应力-应变曲线不仅取决于加载应变率，还与围压应力的大小密切相关。由于围压管一直处于弹性变形状态，基于线弹性理论(厚壁圆筒弹性理论)和界面平衡条件，被动围压下试样外表面所受围压应力σc和围压应变εc可表示为围压管外壁环向应变εθ的函数[11]:

式中:r和R分别为围压管的内半径和外半径；E为围压管的弹性模量；υ为围压管的泊松比。

图5分别对比了200 s-1应变率[图5(a)]和10 mm厚围压管[图5(b)]加载条件下浇注PBX炸药的围压应力σc与轴向应力σz的关系。可以看出，相同轴向应力状态下，随着应变率̇ε或者围压管壁厚δ的增加，试样所受到的围压应力均呈增大趋势:表明被动围压条件下，浇注PBX炸药所受围压应力不仅取决于加载速率，还与围压管的壁厚密切相关。但对比图4的轴向应力-应变曲线可以看出，不同应变率和不同壁厚围压管加载下，浇注PBX炸药的弹性模量基本一致，说明围压应力对材料弹性段内的轴向力学响应影响不大。而在非线性响应阶段，围压应力大的试样轴向应力也大:说明围压应力对材料黏塑性响应阶段有明显的强化效应。