PETN为基的高聚物粘结炸药(PBX)力学性能的M...

浇注炸药PBX‑1侵彻安定性试验与数值模拟浇注炸药PBX⁃1侵彻安定性试验与数值模拟张琪林1，段卓平1，孟凡星2，南海3，王昕捷1，黄风雷1（1.北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室，北京100081；2.哈尔滨建成集团有限公司，黑龙江哈尔滨150030；3.西安近代化学研究所，陕西西安710065）摘要：为了研究浇注型高聚物黏结炸药（PBX‑1）在侵彻过程中的安定性，开展155mm 火炮发射平头试验弹侵彻混凝土靶板试验，获得了该试验条件下装药安定的临界侵彻速度约为490m·s -1。

基于黏弹性统计裂纹（Visco‑SCRAM ）模型，采用流固耦合方法模拟了安定性试验中装药的力学响应，计算了装药黏弹性变形和宏观裂纹损伤导致的温升。

数值模拟结果与试验结果相一致，试验弹弹体侵彻后无明显的变形和破坏，但浇注PBX 炸药在侵彻过载下发生大变形流动，部分装药从尾部缝隙挤出并发生了局部点火反应；侵彻过程中装药尾部会与药室底部发生高速碰撞，形成局部高压区，最高压力超过500MPa ，装药尾部变形和损伤严重，装药尾部在碰撞和挤出时，温度会急剧升高，从而导致意外点火。

关键词：浇注型高聚物黏结炸药；侵彻安定性；黏弹性统计裂纹模型；点火；流固耦合中图分类号：TJ55；O389文献标志码：ADOI ：10.11943/CJEM20202031引言浇注PBX 炸药是一种具有低模量易变形特性的混合炸药，具有良好的抗过载和爆轰性能，自20世纪80年代，浇注PBX 炸药开始广泛应用于高速侵彻战斗部中［1-2］。

钻地弹等侵彻战斗部装药在侵彻过程中需要承受极高的过载和复杂应力波作用，容易发生损伤、变形和摩擦，使局部温升过高，当温度超过炸药临界点火阈值时，装药会发生意外点火导致战斗部失效［3-4］。

因此，研究侵彻战斗部中浇注PBX 装药的力‑热响应具有重要意义。

国内外学者针对炸药的点火机制进行了广泛的研究，目前认可的热点机制包括裂纹摩擦、孔洞塌缩、位错滑移等［5-7］。

高聚物粘结炸药结构与性能的计算模拟研究以高聚物粘结炸药（PBX）为主的高能复合材料的出现，赋予含能材料（如混合炸药、发射药、推进剂和传爆药等）以更多优良的综合性能，如较高的能量密度、优良的机械性能和较高的安全性能等，在现代国防和国民经济各相关领域获得极为广泛的应用。

探讨高能复合材料的结构与性能，为其配方设计提供信息、规律和指导，具有理论和实际双重意义。

本文以分子动力学（MD）为主结合量子化学等理论方法，对以PBX为主的多类型高能复合材料，进行了较为系统的模拟和计算，获得了一些有价值的结果。

首先，对以TATB为基的聚三氟氯乙烯（PCTFE）粘结炸药（TATB／PCTFE PBX）通过“吸附包覆”型MD模拟，发现添加高聚物于主体炸药中，使其弹性系数和模量减小，表明刚性减小，弹性增大，机械力学性能大为改善；TATB与PCTFE的相互作用较强，多为氢键和范德华作用。

还发现在一定范围内，随高聚物PCTFE在PBX中浓度的增加，体系结合能逐渐增大，刚性逐渐减弱，弹性逐渐增强；而随温度升高，PBX刚性减弱、弹性增强，结合能则逐渐减弱。

对4种不同氟聚物(PVDF，F₂₃₁₁，F₂₃₁₄和PCTFE)粘结TATB形成的PBX，MD模拟和爆轰性能计算表明，4种氟聚物均能增强体系的弹性，改善其力学性能，但同时又均降低体系的爆热和爆速。

求得爆热的大小顺序为TATB／PVDF＞TATB／F₂₃₁₁＞TATB ／F₂₃₁₄＞TATB／PCTFE，爆速的大小顺序则相反。

这些规律的发现，为优选粘结剂提供了依据和指导。

其次，将“吸附包覆”型MD模拟应用于四组分体系，模拟研究了两个HMX基PBX实际配方JOB-9003(即HMX／TATB／F₂₃₁₁／石蜡)和JO-9159(即HMX／NC／F₂₃₁₁／石蜡)，求得它们的结构、结合能、力学性能、计算了爆热和爆速，探讨了感度性质和各添加组分的作用。

PBX的损伤、断裂及本构关系研究PBX的损伤、断裂及本构关系研究PBX是高聚物粘结炸药（polymer bonded explosive）的简称，是由炸药颗粒和聚合物组成的一种固体高能炸药，是武器的主要装药；PBX力学行为影响武器的性能。

本文绪论介绍了PBX材料及其含能特性，并从力学研究角度认为PBX以及炸药代用材料属于颗粒填充聚合物复合材料。

根据目前在PBX力学行为方面的一些研究，总结了PBX 力学行为的典型特征及其研究进展。

然后本文以某一配方PBX为主要研究对象，同时结合其它配方PBX以及炸药代用材料，从损伤力学、断裂力学、断裂动力学、材料动态力学性能及本构关系等方面研究PBX的力学行为。

（1）通过SEM对炸药代用材料的细观观察结果表明，炸药代用材料与PBX的细观破坏模式一致，即拉伸载荷下以颗粒界面断裂（沿晶断裂）为主，而压缩载荷下以颗粒断裂（穿晶断裂）为主。

正因为PBX（以及炸药代用材料）在拉伸和压缩下具有不同的破坏模式，材料拉伸强度和压缩强度存在明显的差别。

（2）将声发射（AE）技术应用于PBX材料损伤演化过程的监测。

大量的实验结果表明，PBX在损伤演化过程中激发出大量的声发射信号；利用声发射技术，根据检测的声发射信号，可以定性研究PBX的损伤演化过程和识别材料的细观破坏模式；对于含宏观裂纹的PBX材料试件，还可以研究宏观裂纹的扩展过程，以及判定起裂点（起裂时刻或起裂时的载荷）；而对炸药代用材料结构件的声发射实验表明，声发射技术可以应用于这类材料结构件在载荷作用下损伤演化的监测。

（3）基于PBX细观结构特征和破坏模式，定义损伤变量D为单位面积上微缺陷的密度；采用弹性模量下降法测量损伤变量，建立了与应变相关的损伤演化方程描述PBX在拉伸载荷下的损伤演化规律。

（4）根据PBX及其代用材料的静态断裂实验，研究这类材料断裂韧性的实验测试方法。

结果表明，可以选取0.2≤a/W≤0.3范围裂纹长度的三点弯曲试件来确定PBX及其代用材料的断裂韧性；测定了JOB9003及其代用材料的断裂韧性分别为0.2MPam1/2和0.23MPam1/2。

高聚物粘结炸药损伤声发射特性研究
本文以高聚物粘结炸药为研究对象,利用声发射技术监测温度冲击和力学性能试验过程中材料内部的损伤演变,研究损伤演变特征、温度冲击损伤对力学性能的影响和高聚物粘结炸药的声发射特性。

在调研和试验的基础上,确定了声发射检测参数和温度冲击试验方法。

温度冲击试验采用了“水浴”冲击的方法,由于材料热冲击下产生的热应力来不及释放,从而导致材料内部产生裂纹。

利用声发射(AE)仪器对热冲击过程进行监测,获得炸药材料在不同温度的热冲击过程中声发射信号。

研究发现,声发射事件增长曲线能够很好地反映热冲击过程中PBX 损伤的
产生和演变,清晰地区分炸药内部损伤产生、扩展和宏观断裂各阶段。

力学性能试验采用劈裂和压缩两种施压方式,分析两种方式下材料内部损伤产生的声发射信号。

结合扫描电镜对损伤断面的观察和材料本身特性,研究不同冲击温度对材料内部损伤及其声发射信号的影响,总结不同受力方式下产生声发射信号的幅度分布规律,初步了解温度冲击和力学性能试验中材料声发射特性。

利用超声波探伤和声发射监测数据,研究温度冲击损伤对力学性能的影响,证明了初始损伤裂
纹的位置和走向对力学性能及其所产生声发射信号的影响。

对比不同高聚物粘结炸药的声发射特征,初步分析了影响声发射特性的因素。

本文系统地概述了声发射技术在含能材料领域内的应用和研究,并首次利用声发射技术实现对高聚物粘结炸药温度冲击损伤的监测和特性研究,采用材料成分特性与损伤声发射信号特征相结合的方法,实现对高聚。

超细高品质RDX基PBX制备及其性能表征环三亚甲基三硝铵(RDX)是目前使用最广泛的高能炸药,具有高能量高密度、性能稳定和成本低的优点,但由于其感度较高,安全性较差,所以要进行降感处理。

本文采用对RDX细化和制备RDX基高聚物粘结炸药(PBX)两种方式来对RDX进行降感处理,主要研究内容如下:(1)采用Materials studio软件模拟RDX与五种高聚物粘结剂(AR-12、AR-14、AR-71、Viton A和F2602)之间的平衡体系,并计算了它们之间的结合能,结果为RDX/AR-12>RDX/AR-14>RDX/AR-71>RDX/Viton A>RDX/F2602。

通过结合能的大小来判断体系的稳定性,为RDX/ACM的配方设计提供理论依据。

(2)采用雾化干燥细化法制备了亚微米级球形RDX,并在实验过程中研究了干燥温度、雾化速率、RDX溶液浓度对制备的RDX晶体的粒径和形貌的影响。

研究表明,当干燥温度为90℃、雾化速率为1ml/min和RDX溶液质量百分浓度为4%时,制备的超细RDX颗粒呈球形且粒径分布较窄,在400-600nm。

使用扫描电子显微镜(SEM)、X射线粉末衍射仪(XRD)和差示扫描量热仪(DSC)等对最佳工艺条件下制备的亚微米级RDX进行了测试和表征。

结果表明,细化后RDX晶型没有发生变化,表观活化能比原料RDX降低了24.52KJ/mol,热安定有了略微降低;但撞击感度特性落高升高了35.3cm,摩擦感度降低了35%,机械感度大幅降低,安全性显著提高。

(3)以二甲基亚砜(DMSO)为溶剂,去离子水为非溶剂,采用超声喷雾细化法制备了微米级RDX,并对样品进行了测试和表征。

结果表明,微米级RDX粒径分布在2-5μm,颗粒为椭球形且表面光滑没有明显的棱角。

与原料RDX相比,微米级RDX表观活化能降低了10.5KJ/mol,热安定性有了略微降低;撞击感度特性落高升高了16.8cm,安全性有了明显提高。

战斗部侵彻过程中PBX装药动态损伤数值模拟作者：石啸海戴开达陈鹏万来源：《中国测试》2016年第10期摘要：为研究战斗部侵彻过程中PBX装药的动态力学性能及损伤情况，进行缩比弹侵彻半无限大混凝土靶板的数值模拟。

PBX装药采用内聚力裂纹模型，通过计算PBX装药的损伤演化过程，获得单元裂纹宽度等关键参数，并分析过载、轴向应力及损伤程度，同时计算分析有机玻璃、聚四氟乙烯等材料作为缓冲层对装药动态损伤的影响。

结果表明：1）基于内聚力裂纹模型的PBX装药自定义材料模型能很好地模拟装药的动态力学性能及损伤；2）使用缓冲层可以有效地保护战斗部内部装药；3）有机玻璃作缓冲材料用于改善装药力学环境的效果更加明显。

关键词：战斗部；PBX装药；动态损伤；内聚力裂纹模型；数值模拟文献标志码：A 文章编号：1674-5124（2016）10-0138-05Abstract： To study the dynamic mechanical response and damage of PBX charge in the process of warhead penetration， the numerical simulation of scaled projectile penetrating into semi-infinite concrete target is used. The cohesive crack model （CCM） is used to simulate PBX charge. The key parameters， such as the width of crack， were obtained by computing the damage evolution of PBX charge. Meanwhile， the overload， axial stress and damage degree were analyzed. Simultaneously， the effect of dynamic damage of buffer layer， such as PMMA and PTFE， on the charge is discussed. The results show that 1）the user defined material model based on CCM has good effect to simulate the dynamic mechanical properties and damage of PBX charge； 2）the buffer layer can protect internal charge validly and 3）the PMMA is the best buffer material to improve mechanical environment of charge.Keywords： warhead； PBX charge； dynamic damage； cohesive crack model； numerical simulation0 引言装填高聚物粘结炸药（PBX）的战斗部侵彻目标，高速侵彻过程产生的惯性过载会使装药经受长持续时间的复杂应力波作用，从而造成损伤断裂。

浇注PBX炸药的配方设计与性能研究
李代茹;张仁南
【期刊名称】《广东化工》
【年(卷),期】2017(44)23
【摘要】高聚物粘结炸药(PBX)炸药是一种性能优良的低易损性炸药.为探究提高PBX炸药安全性及可靠性的方法,对炸药配方进行了研究;通过测试试样的感度及5s 爆发点等试验方法,分析了炸药组分含量对性能的影响.结果表明:粘结体系的适量增加可达到降低感度、提高热安定性的效果;钝感炸药LLM-105可以在不影响炸药爆轰性能的情况下,改善炸药的勤务安全性.以上结果可为类似炸药的研究提供参考.【总页数】2页(P164-165)
【作者】李代茹;张仁南
【作者单位】江西新余国科科技股份有限公司,江西新余338034;江西新余国科科技股份有限公司,江西新余338034
【正文语种】中文
【中图分类】TQ560
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5.被动围压下浇注PBX炸药的动态力学性能研究 [J], 胡雪垚;沈飞;肖玮;屈可朋因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

高聚物粘结炸药损伤非线性超声响应研究高聚物粘结炸药(PBX)是由单质炸药晶体高度填充于高分子材料粘结剂中的非均质复合材料,在制造成型过程中不可避免产生各种形式的初始微损伤。

PBX 在装配、运输、贮存过程中的热、力作用下,初始微损伤不断汇聚、扩展甚至产生裂纹而诱发炸药件力学性能退化、承载能力下降,进而影响武器的可靠性和安全性,因此有必要探索研究PBX材料内部损伤及其演变的无损评价方法。

基于线性波动理论的常规超声探伤技术适宜于检测PBX内部裂纹、疏松等宏观缺陷,但对PBX内部微损伤、闭合裂纹及其扩展的表征收效甚微。

本论文创新性地提出采用非线性超声方法研究PBX材料的微损伤及其扩展,以非线性超声作为PBX损伤表征的新技术。

本论文的主要工作和成果如下:总结提出PBX材料微损伤的非线性超声响应模型,求解了超声波在PBX微裂纹处引发的非线性振动位移,从物理模型上解释非线性超声可以检测PBX微损伤而线性超声不能检测的原因;总结提出基于PBX 材料相对非线性系数的谐波非线性超声方法,利用PBX二阶谐波幅值A2和基波幅值平方A12比值变化,即相对非线性系数的变化(β2*～A2/A12),获得PBX材料损伤状态和结构改变的信息。

发展了一套适用于PBX材料非线性超声测试的实验装置,确立了 PBX非线性超声测试和信号处理的关键技术,建立了 PBX损伤的非线性超声检测实验方法和分析方法。

通过实验研究定性获得了 TATB基PBX初始损伤程度与非线性超声系数和波形畸变的关系,表明非线性超声系数可以在非破坏性前提下定性判别TATB基PBX材料的初始损伤,从实验上验证了非线性超声检测PBX材料损伤的可行性。

通过实验研究获得了 TATB基PBX材料在疲劳、蠕变作用过程中的非线性超声响应行为,初步得到了 PBX材料非线性超声系数随损伤发展而显著变化的实验结果;表明与增益、声速、弹性模量等参量相比,非线性超声参量对PBX材料的疲劳损伤、蠕变损伤及损伤演变的响应更为敏感,非线性超声参量可以有效监测PBX材料在疲劳、蠕变作用下损伤的发展过程。