梁華瓊,韓 超,雍 煉,陳學(xué)平,蘭 瓊

(中國工程物理研究院化工材料研究所,四川 綿陽 621900)

引 言

炸藥造型粉在壓制過程中會發(fā)生位移、變形、甚至斷裂等各類力學(xué)行為,由于粉末成型過程的復(fù)雜性,使人們難以闡明其成型機(jī)理。為表征粉末材料的壓制成型特性,大量學(xué)者[1-8]通過建立不同的理論模型及實(shí)驗(yàn)來描述粉體材料的壓制成型過程,也試圖通過各種方法獲取粉體材料的一些力學(xué)性能參數(shù)。溫茂萍等[9-10]測試了等靜壓和模壓兩種工藝成型的JOB-9003炸藥在不同溫度下的拉伸、壓縮及三點(diǎn)彎曲等加載方式下的力學(xué)性能;梁華瓊等[11-12]對 HMX及 RDX基 PBX材料的鋼模壓制特性進(jìn)行研究;張鵬等[13]研究了 PBX代用材料的動態(tài)力學(xué)行為和微觀結(jié)構(gòu)等;陳鵬萬等[14]結(jié)合實(shí)驗(yàn)研究對 PBX的力學(xué)行為和細(xì)觀力學(xué)現(xiàn)象進(jìn)行了分析和討論;陳朗等[15]進(jìn)行了等靜壓實(shí)驗(yàn),對炸藥柱保壓階段進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算;張濤等[16]對 PBX粉末溫壓成型過程進(jìn)行了數(shù)值模擬,獲得了粉末體幾何形變、應(yīng)力場及相對密度分布等相關(guān)數(shù)據(jù)等。雖然這些學(xué)者對炸藥造型粉成型過程的相關(guān)規(guī)律及炸藥件細(xì)觀狀態(tài)變化等方面做了較多研究,但由于炸藥本身的特殊性,炸藥成型過程是炸藥造型粉從松散態(tài)到密實(shí)態(tài)這一大變形的過程,各種物理性能參數(shù)很難直觀得到,這就迫切要求用一種簡單可行的方法來指導(dǎo) PBX的工藝研究。

本研究利用等靜壓機(jī)設(shè)備,將 TATB基 PBX造型粉壓制成Φ30mm×100mm藥柱,研究其壓制過程中的一些力學(xué)行為,獲得了 PBX壓制成型的基本規(guī)律,為其制備工藝提供參考。

1 試 驗(yàn)

1.1 材料及儀器

TATB基 PBX造型粉,中國工程物理研究院。

WDJ-350型等靜壓機(jī),川西機(jī)械廠;TY-8000型材料試驗(yàn)機(jī),江都市天源試驗(yàn)機(jī)械有限公司;KYKY-2800型掃描電鏡,北京中科儀器技術(shù)發(fā)展有限公司;M P2002型電子天平,上海精密儀器儀表有限公司。

1.2 炸藥成型方法

將 TATB基 PBX造型粉裝入橡膠包套中密封后置于 WDJ-350型等靜壓機(jī)中,在 5～ 120MPa壓力下將其壓制成Φ30mm×100 mm藥柱。

1.3 試驗(yàn)方法

密度測試:利用排水法測試 PBX藥柱的密度。

力學(xué)性能測試:將成型試件分別加工成 20 mm×20 mm×65 mm、Φ20mm× 20mm標(biāo)準(zhǔn)測試件,在材料試驗(yàn)機(jī)上選擇 0.5mm/min的橫桿加載速度分別進(jìn)行泊松比、壓縮強(qiáng)度及模量的性能測試。

掃描電鏡測試:將試件從中部破壞,用掃描電鏡觀測其表面形貌。

2 結(jié)果與分析

2.1 成型件相對密度與成型壓力的關(guān)系

為得到TATB基PBX造型粉在成型過程中性能參數(shù)的變化規(guī)律 ,選擇 5、 10、20、40、80、100、120MPa七個壓力點(diǎn),對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行函數(shù)擬合,擬合曲線見圖1。

圖1 成型件相對密度與壓制壓力的函數(shù)擬合曲線Fig.1 The curves of relative density of samples with pressure

擬合曲線與試驗(yàn)結(jié)果一致性較好,擬合方程為:

式中:y為壓實(shí)密度;x為壓制壓力;R為相關(guān)系數(shù)。

由圖 1可以看出,在 0～20MPa,PBX造型粉的相對密度隨壓力增加而快速增大;超過 20 MPa,其相對密度的增速趨緩,到 80M Pa時,其相對密度可達(dá)到 98.2%。說明隨著壓力的增加,PBX造型粉顆粒之間的孔隙率減小,位移和變形增大,分子間距減小,分子間的作用力逐漸增大,顆粒間的機(jī)械嚙合力及黏附力增強(qiáng),成型件的密度就越高。

由圖 1可看出,PBX造型粉顆粒受壓后發(fā)生位移和變形,隨著壓力的增加,顆粒的壓實(shí)密度出現(xiàn)有規(guī)律的變化,壓實(shí)密度與壓制壓力的關(guān)系可分 3個階段。

第 I階段:在 0～20MPa,由于壓力的作用,顆粒發(fā)生位移,充填空隙,隨壓力的增大,密度增加很快,但是顆粒與顆粒之間產(chǎn)生的摩擦、剪切和擠壓作用都相對較弱,稱為滑動階段。

第 II階段:20～ 80MPa,隨著顆粒間隙的減小,顆粒出現(xiàn)一定的壓縮阻力,繼續(xù)提高壓力,但壓實(shí)密度的增加變緩,此時顆粒間的位移大大減少,這一階段,由于顆粒間的擠壓、剪切作用增強(qiáng),主要為顆粒的破碎階段。

第 III階段:80MPa以上,由于顆粒處于相對平衡的狀態(tài),顆粒填隙基本完成,顆粒間的孔隙率很難繼續(xù)減小,壓實(shí)密度增量很小。所以當(dāng)壓力達(dá)到80MPa以上時,通過增大成型壓力來提高成型件密度的方法不可取。

2.2 成型件泊松比與成型壓力及相對密度的關(guān)系

將成型件泊松比與成型壓力進(jìn)行函數(shù)擬合,擬合曲線見圖2,可以看出,TATB基 PBX造型粉在成型過程中的泊松比隨成型壓力增大而增加,5M PaP時為0.14,80MPa時則達(dá)到0.36,說明隨著壓力的增加,PBX成型件的性能越接近彈性體。擬合曲線與試驗(yàn)結(jié)果一致性較好,擬合方程為:

圖2 成型件泊松比與成型壓力的關(guān)系Fig.2 The curves of possion ratio of samples with pressure

式中:y為泊松比;x為成型壓力;R為相關(guān)系數(shù)。

將成型件泊松比與相對密度間的關(guān)系進(jìn)行函數(shù)擬合,擬合曲線見圖3。由圖3可見,TATB基PBX成型件的泊松比隨相對密度的增加呈快速增長的態(tài)勢,在低密度時,泊松比增幅較小,而在高密度范圍內(nèi),其增幅變大。擬合曲線與試驗(yàn)結(jié)果一致性較好,擬合方程為:

式中:y為泊松比;x為相對密度;R為相關(guān)系數(shù)。

圖 3 成型件泊松比與相對密度的關(guān)系Fig.3 The curves of possion ratio of samples with relative density

2.3 成型件壓縮模量在壓力成型過程中的變化規(guī)律

將成型件的壓縮模量與成型壓力進(jìn)行函數(shù)擬合,擬合曲線見圖4。由圖4可見,TATB基PBX造型粉在成型過程中的壓縮模量隨壓力增大而增加,5M Pa時為 1.81GPa,80MPa則達(dá)到 8.88GPa。說明隨著壓力的增加,分子間的作用力逐漸增大,顆粒間的機(jī)械嚙合力及黏附力增強(qiáng),成型件的壓縮模量越大。

圖 4 試件壓縮模量與成型壓力的關(guān)系Fig.4 The curves of samples compression modul with pressure

擬合曲線與試驗(yàn)結(jié)果一致性較好,擬合方程為:

式中:y為壓縮模量(GPa);x為成型壓力;R為相關(guān)系數(shù)。

將成型件的壓縮模量與成型密度進(jìn)行函數(shù)擬合,擬合曲線見圖 5。由圖 5可見,TATB基 PBX造型粉在成型過程中的壓縮模量隨成型密度的增大而快速增加,擬合曲線與試驗(yàn)結(jié)果一致性較好,擬合方程為:

式中:y為壓縮模量(GPa);x為相對密度;R為相關(guān)系數(shù)。

圖5 試件壓縮模量與相對密度的關(guān)系Fig.5 The curves of samples compression modul with relative density

2.4 成型件壓縮強(qiáng)度在壓力成型過程中的變化規(guī)律

將成型件的壓縮強(qiáng)度與成型壓力進(jìn)行函數(shù)擬合,擬合曲線見圖6。由圖 6可見,成型件壓縮強(qiáng)度在壓力成型過程中的變化規(guī)律與壓縮模量的變化規(guī)律類似,壓縮強(qiáng)度隨壓力的增大而增加,5MPa時為4.7MPa,80MPa時則達(dá)到 26.13MPa。說明隨著壓力的增加,分子間的作用力逐漸增大,顆粒間的機(jī)械嚙合力及黏附力增強(qiáng),成型件的壓縮強(qiáng)度就越高。擬合曲線與試驗(yàn)結(jié)果的一致性較好,擬合方程為:

式中:y為壓縮強(qiáng)度(MPa);x為成型壓力;R為相關(guān)系數(shù)。

將成型件的壓縮強(qiáng)度與成型密度進(jìn)行函數(shù)擬合,擬合曲線見圖 7,其壓縮強(qiáng)度隨相對密度的增加呈快速增大的態(tài)勢。擬合曲線與試驗(yàn)結(jié)果的一致性較好,擬合方程為:

式中:y為壓縮強(qiáng)度(MPa);x為相對密度;R為相關(guān)系數(shù)。

圖 6 試件壓縮強(qiáng)度與成型壓力的關(guān)系Fig.6 The curves of samples compression intensity with pressure

圖 7 試件壓縮強(qiáng)度與相對密度的關(guān)系Fig.7 The curves of compression intensity of samples with relative density

2.5 保壓時間對成型件密度的影響

圖 8為成型壓力80MPa條件下,保壓時間與成型件密度的關(guān)系圖,可以看出,保壓時間對 PBX成型件的成型密度影響很大,成型件的密度隨著保壓時間的增加而增大。所以,在相同壓力條件下,延長保壓時間可以有效提高壓實(shí)密度,使成型效果更好。這主要是由于延長保壓時間,可以使壓力傳遞的更充分,顆?？障吨械目諝庥凶銐虻臅r間逸出,PBX造型粉中的黏結(jié)劑塑性變形和充填得越充分,引力和黏附力就越強(qiáng),成型件的密度就越高。

圖 8 保壓時間與相對密度的關(guān)系Fig.8 The curve of relative density with dwelling-time

2.6 PBX成型件微觀形貌分析

圖9為成型壓力80MPa條件下,PBX成型件界面的掃描電鏡圖?？梢钥闯?炸藥的壓制密實(shí)過程是炸藥顆粒的位移、破碎、重排和黏結(jié)劑的塑性變形過程。炸藥顆粒在壓力作用下位移、破碎、重排后,顆粒與顆粒之間很快被黏結(jié)劑充填,所以 PBX成型件主要靠黏結(jié)劑和炸藥顆粒間的引力及黏附力使其具有足夠的強(qiáng)度。

圖9 PBX炸藥件界面的 SEM照片F(xiàn)ig.9 SEM imageof interface of PBX

3 結(jié) 論

(1)PBX顆粒壓制成型過程中,成型件的密度、泊松比、壓縮模量和壓縮強(qiáng)度與壓力呈對數(shù)函數(shù)關(guān)系,而成型件泊松比、壓縮強(qiáng)度與壓縮模量隨成型密度的增加的快速增大。

(2)TATB基 PBX成型件的密度與成型壓力的關(guān)系可分為 3個階段:0～20MPa、20～ 80MPa、80 MPa以上 ,當(dāng)壓力超過80MPa時,由于顆粒處于相對平衡的狀態(tài),顆粒間的孔隙率很難繼續(xù)減小,壓實(shí)密度增量很小。

(3)在相同壓力條件下,延長保壓時間可以有效提高 PBX造型粉壓實(shí)密度,使成型效果更好。

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