高品质HMX在压装PBX中的晶体损伤研究

论文摘要

压装型高聚物粘结炸药（Polymer Bonded Explosives, PBX）具有主体炸药含量高、力学性能优良、爆轰性能好、工艺简单、生产周期短等优点,在现代先进战斗部中得到广泛应用。压装型PBX在成型过程中需要经受高温高压的作用,在药柱内部会产生炸药晶体的破损或断裂、炸药晶体与粘结剂的界面脱粘等现象,从而导致PBX药柱内部形成损伤和裂纹,这种微观层面的损伤和裂纹不仅对PBX药柱的力学性能会有显著影响,而且会对药柱的安全性能产生显著影响。通常PBX药柱内部缺陷来源主要包含两类,一是炸药原材料内部的孔洞、裂纹等初始缺陷,二是在压装成型过程中产生的新的损伤。因此研究PBX药柱内部的损伤形成机制和演化机制对于深入研究PBX的安全性、力-热作用下的反应机制具有重要意义。为了提高武器弹药在战场环境下的生存能力,如何提高武器系统的安全性一直是国内外含能材料领域研究者的关注焦点。高品质炸药的研制和应用是提高炸药安全性的重要途径,应用高品质炸药作为PBX的主炸药可以有效减少原材料的初始缺陷。本论文针对国内外使用广泛的奥克托今炸药（HMX）,深入研究HMX的晶体特性对压装PBX在成型过程中损伤的形成和影响规律,并探索降低炸药晶体在压制过程中损伤产生的途径,以期得到影响损伤程度的因素和规律。本论文以普通商用HMX和高品质HMX为研究对象,采用单轴压缩、声发射技术、多种显微观测技术、定量表征手段和数值模拟相结合的方法,研究了HMX晶体在压制过程中的损伤机制,主要取得了以下结果：（1）利用多种显微观察技术,如扫描电镜（SEM）、光学显微镜（OMS）和偏光显微镜（PLM）等,并结合颗粒粒径统计分析、小角X射线散射技术（SAXS）,光电子能谱（XPS）、毛细渗透法等手段,对不同配方的PBX中的HMX晶体颗粒的损伤和影响因素进行了研究分析,结果发现,普通HMX和高品质HMX在同等压力下（40kN）发生的损伤程度相似；压力越高,HMX颗粒的破碎越严重,但随着压力的升高,损伤增加的趋势逐渐减缓；炸药颗粒集聚体的力学强度与粘结剂的包覆协同影响颗粒损伤的产生,当炸药颗粒粒径小或有级配时,其力学强度大,粘结剂的包覆度高,晶体损伤也相对较小,因此欲减少炸药颗粒在压制过程中的损伤,应多考虑小颗粒或级配装药作为主体炸药；TATB的加入可以提高药柱的成型性,并在压制过程中起到润滑效果,减少HMX晶体压制损伤的产生。（2）采用声发射方法研究HMX颗粒聚集体在单轴压缩过程中的损伤形成机制。声发射在线监测结果记录了炸药颗粒在压制过程中重排、断裂等行为发生的规律,表明HMX炸药颗粒集聚体在升压—保压单轴压缩中,能量累积—断裂重排—能量累积的循环状态导致声发射信号的不连续性；随着压力的升高,声发射信号密度和强度都有所加强,表明压力越高晶体损伤越严重；保压阶段,声发射信号迅速减少,表明HMX晶体压制损伤的出现大多集中在升压过程中。（3）使用VASP软件对HMX单晶进行了等比压压缩模拟,得到了HMX单晶的压缩特性曲线,与实验值符合较好；并且发现高压下（33.74GPa）HMX晶胞中O原子的转移行为,为HMX炸药的起爆机理提供参考。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 研究背景和意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 高品质炸药的发展及应用
• 1.2.2 压装PBX中炸药晶体压制损伤的形成
• 1.2.3 炸药晶体损伤对PBX宏观性能的影响
• 1.2.4 压装PBX中炸药晶体损伤的表征
• 1.2.5 压装PBX中晶体的损伤模型
• 1.2.6 小结
• 1.3 本文主要工作
• 1.3.1 研究内容、目标
• 1.3.2 采用的研究方法、技术路线
• 1.3.3 研究特色与创新点
• 2 研究方法
• 2.1 原材料的选择与制备
• 2.2 HMX损伤及性能表征方法
• 3 压装PBX中HMX晶体颗粒的压制损伤
• 3.1 不同品质HMX颗粒的损伤研究
• 3.1.1 成型性分析
• 3.1.2 HMX颗粒形貌分析
• 3.1.3 压制前后HMX颗粒粒径变化
• 3.1.4 压制前后HMX颗粒表面积变化
• 3.1.5 HMX颗粒的力学性能分析
• 3.1.6 小结
• 3.2 压制压力对高品质HMX颗粒的损伤研究
• 3.2.1 HMX颗粒形貌分析
• 3.2.2 压制前后HMX颗粒粒径变化
• 3.2.3 压制前后HMX颗粒表面积变化
• 3.2.4 不同压力下HMX基PBX切片
• 3.2.5 颗粒损伤对力学性能的影响
• 3.2.6 小结
• 3.3 不同粒径高品质HMX颗粒的损伤研究
• 3.3.1 成型性分析
• 3.3.2 HMX颗粒形貌分析
• 3.3.3 压制前后HMX颗粒粒径变化
• 3.3.4 压制前后HMX颗粒表面积变化
• 3.3.5 影响不同粒径HMX颗粒损伤的因素分析
• 3.3.6 小结
• 3.4 TATB/HMX基PBX中高品质HMX颗粒损伤
• 3.4.1 成型性分析
• 3.4.2 晶体损伤表征与分析
• 3.4.3 小结
• 3.5 HMX晶体颗粒压制过程中力学行为研究
• 3.5.1 HMX晶体颗粒在单轴压下的声发射特征
• 3.5.2 HMX力学行为与声发射特征的关联性分析
• 3.5.3 造型粉力学行为与声发射特征的关联性分析
• 3.5.4 小结
• 4 高压下HMX晶体损伤模拟
• 4.1 引言
• 4.2 VASP软件简介
• 4.3 本模拟计算方法
• 4.4 结果与讨论
• 4.4.1 HMX晶体的能态方程
• 4.4.2 HMX晶胞的结构变化
• 4.4.3 HMX晶胞中的电荷转移
• 4.5 本章小结
• 5 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文
• 致谢