高温下奥克托今单晶的冲击响应特性

丁凯，王昕捷，吴艳青，黄风雷

(北京理工大学 爆炸科学与技术国家重点实验室，北京 100081)

0 引言

奥克托今(HMX)含能单晶具有优异的综合性能，是常用高聚物粘结炸药(PBX)的主要成分。因此，研究HMX单晶在热力刺激下的力学性能，对PBX在运输、存储以及复杂环境下的安全性评价有重要指导作用。

目前炸药单晶力学性能实验研究方法包括压痕实验、Hopkinson杆实验、平板撞击实验及准等熵斜波加载实验等。其中，压痕实验着重研究单晶的准静态力学性质[1]，但由于炸药通常面临动态加载条件，需要借助平板撞击实验等研究其动态力学性能。太恩(PETN)炸药单晶的平板撞击实验结果表明，(110)和(001)晶向在冲击压力达到8.4 GPa时会发生爆轰，而对于(100)和(101)晶向，即使冲击压力超过19.5 GPa仍然不会发生爆轰，表明PETN炸药单晶的冲击感度呈现显著的取向依赖性[2-4]。关于HMX和黑索今(RDX)炸药单晶的研究中，Dick等[5-6]和Menikoff等[7]利用激光速度干涉仪(VISAR)在平板撞击实验中获得了HMX单晶(010)、(110)和(011)取向的界面粒子速度历史曲线，通过对比发现：(010)取向比(110)和(011)取向对应的弹性先驱波幅度高，同样表现出显著的各向异性。另外，曲线均表现出弹塑性双波结构，Dick等[6]进一步指出这是因为对于脆性炸药晶体，位错和孪晶仍是其主要变形机制。Hooks等[8]对不同取向RDX单晶进行了平板撞击实验，同样发现其冲击力学响应呈现各向异性，随着厚度增大其Hugoniot弹性极限(HEL)减小。与PETN和HMX单晶有所不同的是，RDX单晶(100)取向的变形机制由位错和孪晶转变为脆性解理断裂。Wang等[9]对不同取向的HMX和RDX单晶进行平板撞击实验，并结合各向异性晶体模型研究了单晶冲击热力学响应。蔡进涛等[10]通过磁驱动压缩加载实验技术对HMX单晶(010)和(011)取向进行准等熵斜波加载实验，发现粒子速度历史曲线中存在明显的弹塑性转变及速度弛豫效应。以上不同单晶实验的结果表明，单晶的动态力学响应均表现出各向异性。然而目前大多数炸药单晶动态力学特性研究通常在常温下进行，对于高温下炸药单晶的冲击特性研究较少。

国内外对热和冲击作用下炸药的研究主要集中于PBX宏观的冲击起爆，鲜有对炸药晶体尺度的研究。高温相变对HMX单晶的力学性质具有一定的影响。高温下HMX单晶由β转变到δ相，体积膨胀产生裂纹，从而容易形成热点，导致单晶感度增高[11]。

为分析高温对HMX单晶冲击响应的影响，本文设计高温加热装置，在相变温度以下进行HMX单晶的平板撞击实验，以获取相应的弹塑性动态力学参数，进而研究温度对HMX单晶冲击力学响应的影响规律。

1 实验方法和实验方案

1.1 实验方法

1.1.1 加热装置设计

根据轻气炮靶板室空间及单晶样品尺寸要求，设计如图1所示的多凹槽铝制结构。在内径区域预留键槽，以便热电偶测量单晶边侧温度；将加热电阻丝缠绕在凹槽内并连接在加热电路中，其中热电偶将测量温度反馈给温度仪，温度仪通过控制固态继电器的通断达到温度恒定，变压继电器用来调节加热功率。

图1 加热装置示意图Fig.1 Schematic diagram of heating device

1.1.2 实验样品

HMX通常具有α、β、γ和δ共4种晶型，在常温常压下，β-HMX是最稳定的晶型，因此本文实验使用的HMX均为β-HMX.HMX样品通过切割由丙酮溶液培养出较大纯净的单晶得到。

图2 HMX单晶XRD衍射图谱Fig.2 XRD diffraction pattern of HMX single crystal

关羽翔等[12]使用相同的丙酮重结晶方法生长出HMX晶体，利用二氧化锗粉末作为内标物质，通过X射线衍射内标法标定HMX晶体各个显露晶面的晶面指标，在实验基础上构建β-HMX晶体的丙酮晶体模型。晶体显露面指标化结果如图3所示，各晶面指标化的XRD实验结果如表1所示。对比图2结果和表1结果可知，实验使用HMX晶体取向均为(011)取向。

图3 晶体表面指数Fig.3 Orientations of crystal surface

表1 β-HMX晶体表面衍射的校正2θ[[12]Tab.1 Calibrated 2θ of β-HMX crystal surface[12] (°)

实验时，应保证使用的HMX单晶加工表面无明显裂纹、孔洞以及缺陷。因此，利用光学显微镜观测放大50倍和200倍后的单晶，其加工表面细观特征如图4所示，从而确保实验使用的HMX单晶加工表面特性良好。

图4 HMX单晶加工表面细观特征Fig.4 Microscopic morphologies of HMX single crystal

飞片、砧板以及窗口选用的材料、密度ρ和体积声速c以及冲击波波速D与波后质点速度u之间线性关系的斜率s如表2所示。

表2 实验材料参数Tab.2 Parameters of experimental materials

1.1.3 实验装置

通过设计的装置加热单晶，使单晶初始温度T分别升至323 K、373 K及423 K.1级轻气炮作为加载装置，控制飞片的撞击速度均在300 m/s左右。

利用探针测速技术测量飞片出炮口的速度，金属探针组分为3组，依次排布在炮口处，具体位置及测量示意图如图5所示。

图5 金属探针测速示意图Fig.5 Schematic diagram of velocity measurement by metal probe

实验靶板系统采用砧板- 单晶- 窗口结构。HMX单晶与氟化锂窗口界面粒子速度历史曲线由VISAR测量得到，测速系统布置如图6所示。高温下利用VISAR测速的轻气炮实验示意图如图7所示。

图6 VISAR系统实验布置Fig.6 Arrangement of VISAR instrumentation

1.2 实验方案

实验时，在1级轻气炮的靶板室中安装靶板系统和光学测试系统，炮口安装金属探针测速装置，将靶室与炮管抽真空，并使用加热线圈加热单晶，使其温度达到实验初始温度；当真空度达到一定标准时，在高压室注入氦气，并将固定在弹托上的飞片置入炮管中。开启阀门，弹丸在炮管中加速，在炮口处飞片接通金属探针，示波器记录电信号随时间的变化，飞片继续运动并连通置于出炮口端面的触发探针，信号经由同步机触发示波器，并延迟一段时间后触发电光开关。电光开关闭合后，VISAR开始记录HMX单晶与氟化锂窗口界面处的粒子速度变化，输出到示波器。根据VISAR信号记录数据电压幅值和相位差，由此推算出界面粒子速度历史曲线。

2 实验结果与分析

2.1 金属探针测速信号结果

实验之前，用测量显微镜测量3组探针的间隔分别为Δd1、Δd2.弹丸在炮管中运动，飞片先依次触发与示波器通路连接的3组金属探针，在示波器3个通道上依次产生电压信号的波动，读出电压信号改变的时间间隔Δt1、Δt2.图8所示为单晶初始温度323 K的实验示波器信号。再结合测量的探针间隔计算出经过Δd1、Δd2的平均速度v1、v2，取平均值得到飞片撞击速度v.表3所示为不同温度下的测量和计算结果。

表3 不同初温下金属探针测量飞片速度结果Tab.3 Flyer velocities measured by metal probe at elevated temperatures

图8 金属探针测速示波器信号Fig.8 Oscilloscope signal of metal probe

2.2 不同初温下单晶与窗口界面粒子速度历史曲线

不同初温下HMX单晶与氟化锂窗口界面粒子速度历史曲线如图9所示。从图9中可以看出，单晶在不同初温下的界面粒子速度历史曲线均表现出弹黏塑性双波结构，这里塑性变形不仅表示传统的位错滑移塑性机制，还可能包括依赖晶体取向的脆性解理断裂机制。首先弹性波传播到界面处，粒子速度突跃至HEL.随后位错运动或微裂纹产生导致非弹性变形，出现应力松弛以及塑性应变率的降低，粒子速度降低。最后塑性主波到来，粒子速度急剧增加到恒定值。

图9 HMX单晶/窗口界面粒子速度历史曲线Fig.9 Particle velocity profiles on the interface between HMX single crystal and window

不同温度下界面粒子速度曲线第1个波峰对应的粒子速度为HEL对应的界面粒子速度。323 K初始温度下的界面粒子速度历史曲线中波峰不明显，可能在实验时未保证飞片正撞击靶板，导致产生的剪切波影响单轴应变纵波的传播，但从图9中可以看出其HEL对应的界面粒子速度约为64 m/s.当初始温度为373 K时，从图9中明显看出，出现HEL对应的界面粒子速度为65 m/s.结合文献[18]中常温即300 K下HMX单晶(011)取向的平板撞击实验数据，换算到实验工况，可计算出该温度出现HEL对应的界面粒子速度为67 m/s.对比初始温度分别为常温、323 K、373 K下HEL对应的界面粒子速度发现，随着单晶初始温度的升高，粒子速度无明显变化，表明对应的HEL不会发生明显变化。这是因为当初始温度较低、未对单晶的初始体积和密度造成明显影响时，温度效应对HEL影响较小。只有当初始温度较高时，温度效应较为明显。从初始温度为423 K的实验可以看出，HEL对应的界面粒子速度为95 m/s，随着初始温度升高，HEL反常增高，实验结果表现出热硬化效应。这种现象可能类似金属铝基于位错滑移机制的热效应：由于在高应变率下，变形机制由热激活转变为声子阻力控制，与声子阻力相关的移动位错黏性摩擦系数随着温度增大而增大，导致摩擦阻力增大，需要更高的分解剪应力才能使位错滑移启动。

2.3 不同初温下单晶的弹塑性力学参数

本文实验中所测定的波形曲线为HMX单晶与氟化锂窗口界面的粒子速度历史曲线，记录了在HMX单晶传播后的波与氟化锂窗口作用之后的波形，反映的是HMX单晶以及氟化锂窗口的力学性能。为了进一步分析单晶HMX内部波的传播以及其力学性质，采用波阻抗匹配原理得到HMX单晶的弹塑性力学参数，具体阻抗匹配的方法如图10所示。图10中，氟化锂窗口的Rayleigh线与HMX单晶Rayleigh线反演线的交点为测得界面粒子速度ui和应力σi，HMX单晶的Rayleigh线与其Rayleigh线反演线的交点为对应HMX单晶中的粒子速度us和应力σs.

图10 HMX单晶阻抗匹配方法Fig.10 Impedance matching method of HMX single crystal

因此，波阻抗匹配计算公式为

σLiF=ZLiFuLiF=ρLiFDLiFuLiF，

(1)

(2)

(3)

式中：ZLiF为氟化锂窗口的波阻抗；uLiF为氟化锂窗口的粒子速度，uLiF=ui；ρLiF为氟化锂窗口的密度；DLiF为氟化锂窗口的波速，DLiF可根据表2中参数由D=c+su计算得到；Zs为HMX单晶的波阻抗；ρs为HMX单晶的密度，ρs=1.900 g/cm3；Ds为HMX单晶的波速。由于实验条件所限，无法直接测量HMX单晶的弹性波速，同时需要考虑弹性波速的温度相关性。线性拟合杨氏模量与初始温度关系，在初始温度较高时由杨氏模量计算出的弹性波速失真。因此对杨氏模量进行二次拟合，得到弹性波速De.弹性波速De计算公式为

(4)

式中：υ为泊松比；E为杨氏模量。

利用(4)式，参考文献[18]中HMX单晶在初始温度300 K的De为4 510 m/s，泊松比υ为0.25，反推出HMX单晶在初始温度300 K时杨氏模量E=32.2 GPa，υ随温升无明显变化，而在初始温度552 K时HMX单晶发生熔化，则E=0 GPa，利用初始温度300 K和552 K时的杨氏模量二次拟合出：

E=-5.07×10-4T2+0.304T-13.3.

(5)

表4 不同初始温度下HMX单晶的实验结果Tab.4 Experimental results of HMX at different initial temperatures

(6)

式中：Δt以弹性先驱波波峰到塑性波平台初始点时间间隔的1/2作为塑性上升时间。

图11和图12所示分别为不同初始温度下的ue和σe.从图11和图12中可以看出，323 K和373 K初始温度下ue和σe与王昕捷[18]所测常温下的数据无明显差异，与Dick等[6]所测常温下的数据有较大差异，其中有4组差异明显。这是因为初始温度323 K和373 K下单晶实验厚度与王昕捷[18]实验厚度相近，而比Dick等[6]使用单晶厚度薄，导致弹性先驱波衰减较小，HEL以及对应的粒子速度高于Dick等[6]的其他4组。Dick等[6]的实验结果表明，相同取向、相同撞击速度下厚度增大，其HEL会降低。本文中样品加热后尺寸变厚，与常温相比，预期获得的HEL会降低，然而本文中323 K和373 K初始温度下的HEL均较高。423 K初始温度下的HEL为1.02 GPa，远高于王昕捷[18]在常温下测得的0.754 GPa和Dick等[6]在常温下测得的最小单晶厚度的0.74 GPa.若不考虑423 K高温热膨胀导致的样品尺寸变厚，其弹性极限将更高，热硬化效应将更加明显。因此本文忽略不同初始温度对样品尺寸的影响。对比初始温度分别为常温、323 K、373 K和423 K的弹性力学参数，发现在初始温度较低时，温度效应不明显，ue和σe无明显差异，其塑性变形机制未发生明显变化；在初始温度423 K较大时，ue和σe均随温度增大有明显增大，表现出热硬化效应，塑性变形机制可能由热激活变为声子阻力控制。在相变温度以下、373 K初始温度以上，HMX单晶在一定撞击压力下，随着温度升高，更加难以发生屈服，更加不容易形变。图13为不同初始温度下单晶的塑性力学参数。由图13可见，在不同初始温度下单晶的粒子速度up有随着初始温度增大而增大的趋势，但从塑性应力σp的变化趋势看，373 K和423 K初始温度下的塑性应力差别不大，373 K和423 K初始温度下的塑性应力σp远高于323 K下，塑性应力σp与温度无明显线性相关。

图11 不同初始温度下HMX单晶粒子速度Fig.11 Particle velocities ue of HMX single crystal at different initial temperatures

图12 不同初始温度下HMX单晶HELFig.12 Hugoniot elastic limits σe of HMX single crystal at different initial temperatures

图13 不同初始温度下HMX单晶的塑性力学参数Fig.13 Plastic mechanics parameters of HMX single crystal at different initial temperatures

3 结论

1) 不同初始温度下单晶/窗口界面粒子速度曲线均表现出弹黏塑性双波结构。由于弹性波到达界面处，粒子速度突跃至冲击HEL对应的界面粒子速度。随后位错运动或微裂纹产生导致非弹性变形，出现应力松弛以及塑性应变率的降低，从而粒子速度降低。最后塑性主波到来，粒子速度急剧增加到恒定值。

2) 在较低初始温度(323 K、373 K)时，单晶的初始体积和密度相对常温下无明显改变，HEL相差不大，与温度无明显相关性，其塑性变形机制未发生明显变化。

3) 在较高初始温度(423 K)时，HEL随初始温度升高而增大，表现出热硬化效应，其塑性变形机制可能由热激活变为声子阻力控制。与声子阻力相关的移动位错黏性摩擦系数随着温度升高而增大，导致阻力增大，需要更高的分解剪应力才能使位错滑移启动。