含预制缺陷PBX炸药裂纹扩展过程的试验研究

陈科全，蓝林钢，路中华，聂少云，胡榕希

(中国工程物理研究院 a.化工材料研究所； b.安全弹药研发中心，四川 绵阳 621900)

【化学工程与材料科学】

含预制缺陷PBX炸药裂纹扩展过程的试验研究

陈科全a,b，蓝林钢a，路中华a,b，聂少云a,b，胡榕希a,b

(中国工程物理研究院 a.化工材料研究所； b.安全弹药研发中心，四川 绵阳 621900)

以典型HMX基PBX炸药为研究对象，采用圆弧巴西试验和数字散斑方法，通过预制缺陷的方式研究了不同缺陷条件下炸药裂纹的扩展过程。研究表明，不同缺陷下炸药裂纹扩展过程的差异较大，当缺陷位于加载轴向时，主裂纹完整贯穿试样中心，而当缺陷与加载方向存在夹角时，主裂纹从缺陷两端附近向加载面扩展，且不再通过试样中心。

高聚物粘结炸药；巴西试验；数字散斑方法；预制缺陷；裂纹扩展

炸药是武器杀伤、破坏的重要组成部分，其安全可靠性直接关系到整个武器系统的优劣。高聚物粘接炸药(PBX)是由炸药颗粒和粘弹性粘结剂构成的聚合物基含能材料，通常经过炸药造粒、结晶和冷热合成等工艺制作而成，炸药颗粒内部以及与基体之间不可避免地存在微缺陷[1,2]。在炸药加工成形、运输、贮存和使用过程中，受力、热及其耦合荷载的作用，微缺陷可能逐渐发展为宏观裂纹，裂纹进一步扩展不仅影响炸药装药的爆轰特性和安全可靠性， 甚至导致炸药装药失效，因此是炸药装药安全性研究的重要内容之一。炸药宏观裂纹扩展过程研究可丰富对炸药装药失效机理的认识，为各种荷载下炸药装药力学失效的抑制、防护设计研究等提供参考。

国内外在炸药微缺陷形成、演化对其性能的影响方面开展了大量研究，取得了系列研究成果[3-7]。受炸药力学强度低、试验试样制备困难等限制，一般对其进行压缩试验或间接拉伸试验(也称巴西试验)，如周忠彬等[8]采用半圆盘弯曲实验和数字散斑相关方法，定量分析了试样损伤局部化特征，证明了数字散斑方法用于炸药变形破坏研究的有效性。本文作者则利用巴西试验，研究了裂纹缺陷对PBX炸药力学性能和破坏形式的影响[9]。值得一提的是，相关研究主要集中微缺陷形成演化及其对力学性能影响等方面，对含宏观缺陷炸药裂纹的扩展过程研究相对较少。

本研究以某典型HMX基PBX炸药为对象，通过预制宏观裂纹缺陷的方式，借助成熟的巴西试验技术和数字散斑方法，研究了不同缺陷条件下炸药裂纹的扩展过程，分析了试样全场的变形特征。研究结果可加深对PBX炸药性能的认识，为武器装药安全可靠性数值模拟研究提供基础试验数据。

1 试验原理及方法

1.1 巴西试验原理

巴西试验也称劈裂试验，最早主要用于陶瓷、混凝土、岩石和玻璃等脆性材料拉伸强度的测试，具有试样制备简单、试验成本低等特点。巴西试验方法如图1所示，通过对圆形试样进行径向压缩，在受压直径上产生拉应力，当试样拉应力大于其拉伸强度极限时发生破坏。在满足平面应力状态和试样中心起裂的前提下，拉伸强度为

(1)

式中:σb为拉伸强度极限；P为集中载荷；d为试样直径；t为试样厚度。

图1 巴西试验示意图

1.2 数字散斑方法

数字散斑方法(DSCM)采用数学相关方法分析荷载作用下试样表面的数字图像数据，即通过数字图像的灰度值精确测定材料变形[10]，其基本原理是跟踪数字化散斑图像上几何点的运动，从而获得材料表面的变形信息。数字散斑法的基本作用过程是：用高速录像机采集加载过程中试样表面的散斑图，再由数字化记录仪记录成数字图像格式，通过对图像进行数学运算，以得到试样表面的变形信息等。该方法在硬件配置上相比其他方法(如云纹干涉法)较为简单，已获得广泛的应用。

1.3 试验设计

1.3.1 试验装置及试样制备

试验采用改进后的圆弧巴西试验装置，如图2(a)所示。采用差动变压器式引伸计(LVDT)测量试样径向变形，其量程为0.5 mm，精度为0.5%。加载设备为INSTRAN 5582材料试验机，量程5 kN，精度0.5%，测试环境温度为(20±2)℃。圆弧压头为1.35倍试样半径。

试验对象为某典型HMX基PBX炸药(87HMX/13其他)，试样为φ20 mm×6 mm的药片，由同一压机在相同工艺条件下压制而成。真实地模拟炸药装药中宏观裂纹缺陷的形状、数量和分布等尚不成熟，为此本文在现有炸药机加工艺保证的前提下，通过精加工形式预制了3种不同形式的宏观裂纹，预制裂纹缺陷均完全贯穿试样，其横截面近似为4 mm×1.5 mm的矩形。3种不同裂纹缺陷的位置分别为：第一种缺陷中心与试样中心重合，缺陷位于试样直径上；第二种缺陷也位于试样直径上，但其中心与试样中心距离5 mm；第三种缺陷垂直于试样直径方向，其中心距离试样中心也为5 mm。

为满足数字散斑法跟踪点的运动，通过人工喷漆标记斑点的方法制作了散斑场，如图2(b)所示。试验采用双摄像头进行图像采集，采集时间间隔为0.5 s，利用Correlated Solutions公司的Vic 3D软件对采集的图片进行处理和分析，通过预计算和标定校正等得到试样应变场图像。

图2 圆弧巴西试验装置

1.3.2 试验加载方式

针对加工的预制缺陷试验样品，综合考虑宏观缺陷空间位置及其与加载方向夹角等对炸药裂纹扩展过程的影响，设计了5种典型试验加载方式。试样编号及加载方式如图3所示，包括：预制缺陷位于加载方向，并考虑了两种不同空间位置(图3(b)～图3(c))；预制缺陷与加载方向夹角45°，并包含预制缺陷垂直试样直径和位于直径方向两种情况(图3(b)～图3(c))。同时与传统巴西试验密实样品试验结果进行对比(图3(a))。试验均为拟静态加载，材料试验机加载速度v为0.1 mm/min。

2 结果与分析

试验加载过程中，利用高速录像机记录试样表面全场区域，计算机同步记录图像和荷载，通过相关数学算法计算出试样从受压直到裂纹扩展、破坏的全过程。不同缺陷条件下，PBX炸药裂纹扩展过程典型时刻变形测试结果如图4所示。可见，无缺陷PBX炸药试验结果与相关文献报道结果一致，即主裂纹从样品中心完整贯穿试样直径，同时受加载面应力集中的影响，加载面附近产生两条次裂纹[见4(a)]。不同缺陷条件下炸药裂纹扩展过程差异较大。当缺陷位于加载方向(轴向)时，试样在较短时间内即失去承载能力，且主裂纹仍然完整贯穿试样中心，如图4(b)～图4(c)所示。需要说明的是： 2#样品受力分布基本对称，缺陷两端产生的裂纹也一致，这与试样结构和受力对称有关；3#样品由于轴向受力不对称，因此与预制裂纹较近的下加载面应力集中现象明显，除主裂纹以外加载面附近也形成两条次裂纹，如图4(c)所示。

图3 样品编号及加载方式

当预制缺陷与加载方向存在一定夹角时如图4(d)～图4(e)，受预制缺陷附近应力集中的影响，裂纹从缺陷两端附近开始起裂，且随着裂纹长度的增加，裂纹逐渐向加载面扩展，直至失去承载能力，此时主裂纹未通过样品中心。分析其原因是，试样预制缺陷与加载方向(轴向)的夹角引起炸药试样水平、轴向应力非对称，不在满足经典巴西试验起裂条件。此外，同样受试样加载面应力集中的影响，主裂纹扩展过程中加载端附近试样逐步被压溃，同样形成了次裂纹，如何改善巴西试验加载面附近试样的受力特性尚需进一步研究。

图4 拟静态压缩下含不同预制缺陷PBX炸药的破坏过程

3 结论

针对典型HMX基PBX炸药，通过预制宏观裂纹缺陷的方式，试验研究了不同加载条件下裂纹的扩展过程，研究表明：不同缺陷下炸药裂纹扩展过程的差异较大，尤其是预制缺陷与加载方向存在夹角时，主裂纹从缺陷两端开始起裂，且不再通过试样中心。研究结果可为炸药装药裂纹扩展的抑制防护设计提供参考。

[1] 陈鹏万，丁雁生．含能材料装药损伤和力学性能研究进展[J]．力学进展，2002，32(2):212-222．

[2] 刘佳辉，刘世俊，黄明，等.压制PBX中炸药晶体损伤的研究进展[J].含能材料，2013，21(3)：372-378.

[3] RAE P J,GOLDREIN H T,PALMER S J P,et al.Studies of the failure mechanisms of polymer bonded explosives by high resolution moire interferometry and environmental scanning electron microscopy[C]//Proceedings of 11thSymposimum on Detonation.Snowmass,UT,1998,66.

[4] 李明，张珏，李敬明，等.高聚物粘结炸药压缩破坏的细观力学实验研究[J].含能材料，2005，13(2)：79-83.

[5] 陈鹏万，黄风雷.含能材料损伤理论及应用[M].北京：北京理工大学出版社，2006.

[6] 梁增友，黄风雷，段卓平，等.PBX炸药及其模拟材料冲击损伤的试验研究[J].弹箭与制导学报，2008，28(2):131 -134.

[7] ZHANG Wei-bin,DAI Bin,TIAN Yong,et al.Experimental Study on Micron Crystal Defect of Explosive by μVCT[J].Chinese Journal of Energetic Materials,2008(6):767.

[8] 周忠彬，陈鹏万，黄风雷．PBX材料宏细观断裂行为的数字散斑相关法实验研究[J]．高压物理学报，2011，25(1):1-7．

[9] 陈科全，蓝林钢，路中华，等.含预制缺陷PBX炸药的力学性能及破坏形式[J].火炸药学报，2015，38(5)：51-53.

[10]李明，张钰，温茂萍，等.数字散斑相关技术及其应用[J].信息与电子工程，2005，3(1):36-39.

(责任编辑唐定国)

Experimental Study on the Crack Growth of Polymer Bonded Explosives with Prefabricated Defects

CHEN Ke-quana,b, LAN Lin-ganga, LU Zhong-huaa,b, NIE Shao-yuna,b, HU Rong-xia,b

(a.Institute of Chemical Materials; b.Robust Munitions Center,China Academy of Engineering Physics, Mianyang 621900, China)

The crack growth of polymer bonded explosives with different prefabricated defects were studied by improved arc Brazilian test and digital speckle correlation method, using HMX based PBX explosive as the object, and the whole strain field and displacement vector plot were obtained. Research shows that the explosive crack propagation process under different defects are quite different, and when the defect is located in axial loading, the main crack complete throughout the center of the specimen, and when the defect is at loading direction when there is an angle between the crack defects, from near the ends to the loading surface, and the main crack is no longer pass the specimen center.

polymer bonded explosive; Brazilian test; digital speckle correlation method; prefabricated defects; crack growth

2016-08-22；

2016-09-30

国家自然科学基金(11372293)；中物院化材所青年人才培养基金(QNRC-201312)

陈科全(1983—)，男，博士，助理研究员，主要从事安全弹药与数值模拟研究。

10.11809/scbgxb2017.01.031

陈科全，蓝林钢，路中华，等.含预制缺陷PBX炸药裂纹扩展过程的试验研究[J].兵器装备工程学报，2017(1):134-136.

format:CHEN Ke-quan, LAN Lin-gang, LU Zhong-hua,et al.Experimental Study on the Crack Growth of Polymer Bonded Explosives with Prefabricated Defects[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(1):134-136.

TJ55；O34

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