程 壟，徐 堯，李 麗，肖 盼，龐海燕，張偉斌

（1.中國工程物理研究院化工材料研究所，四川 綿陽621999；2.北京理工大學(xué)先進加工技術(shù)國防重點學(xué)科實驗室，北京100081）

1 引言

高聚物黏結(jié)炸藥（PBX）是由炸藥晶體和高聚物黏結(jié)劑等組成的一種復(fù)合材料，反復(fù)變化的溫度載荷作為熱時效過程的工藝因素，以及貯存、運輸和使用等過程的環(huán)境因素，將導(dǎo)致材料性能發(fā)生改變，直接影響到武器的使用性能和安全性能。

超聲無損檢測方法，具有非破壞、操作簡單、效率高的優(yōu)點，在國內(nèi)外被廣泛用于金屬、復(fù)合材料、陶瓷等材料的性能表征，從不同角度來看，材料細觀結(jié)構(gòu)、形態(tài)以及相應(yīng)的力學(xué)性能等很多方面能與超聲時頻參量、非線性參量等建立關(guān)系，使其成為材料性能表征的有效手段。在含能材料領(lǐng)域，田勇［1-4］、張偉斌［5-6］、韋興文［7］、蘭瓊［8］、徐堯［9］等采用超聲無損檢測方法研究了壓制成型、熱處理、熱循環(huán)、熱沖擊、機械載荷等過程對PBX 性能的影響，主要集中在利用分層、裂紋和疏松等內(nèi)部缺陷的超聲波信號進行內(nèi)部質(zhì)量的表征，利用超聲波聲速、增益和衰減量進行損傷破壞的表征，以及利用超聲波聲速進行應(yīng)力狀態(tài)的表征。在合金［10-11］、巖石［12-13］、混凝土［14-15］等材料領(lǐng)域，許多研究人員采用超聲脈沖法測定了材料的聲學(xué)參量、動彈性模量及泊松比，并開展其與力學(xué)性能、結(jié)構(gòu)特征、微觀機制的關(guān)系研究，但含能材料在環(huán)境溫度反復(fù)變化下的性能及超聲無損檢測方法研究仍然有待開展探索性和適用性試驗。

為了進一步探索超聲無損檢測方法在含能材料熱循環(huán)性能研究中的適用性，對HMX 及TATB 基PBX 熱循環(huán)試驗過程中的超聲縱、橫波聲速和動、靜彈性模量等超聲波特征參量變化規(guī)律進行了實驗觀察，并對這些超聲波特性參量變化規(guī)律與熱疲勞損傷和微裂隙、孔隙黏結(jié)劑流動等性能關(guān)系進行了分析討論，為HMX及TATB 基PBX 熱循環(huán)性能研究提供了新型超聲無損檢測方法支撐。

2 實驗部分

2.1 試樣

HMX 基PBX，中國工程物理研究院化工材料研究所；HMX 單質(zhì)炸藥晶體、F2311（氟樹脂）黏結(jié)劑和部分鈍感炸藥TATB 組成的炸藥造型粉經(jīng)等靜壓壓制大坯料，切取15 mm×102 mm 方啞鈴平行試樣（1#～10#），密度均為1.847 g·cm-3。

TATB 基PBX，中國工程物理研究院化工材料研究所；TATB單質(zhì)炸藥晶體和F2314（氟樹脂）黏結(jié)劑組成的炸藥造型粉經(jīng)等靜壓壓制大坯料，切取15 mm×102 mm方啞鈴平行試樣（11#～20#），密度均為1.893 g·cm-3。

2.2 儀器及試驗條件

圖1 動彈性模量測量系統(tǒng)Fig.1 Measurement system of dynamic elastic modulus

超聲波傳感器為2.25 MHz 橫縱波一體化探頭，中國工程物理研究院化工材料研究所自研；集合常規(guī)縱波直探頭和常規(guī)橫波直探頭為一體，包括吸聲材料、縱波壓電晶片、橫波壓電晶片、阻尼塊、電纜線以及外殼等，實現(xiàn)縱波和橫波同時檢測，保證縱波和橫波垂直入射，耦合劑為Olympus 公司的SWC?2 橫波耦合劑，如圖2 所示。

利用ESPEC 公司生產(chǎn)的SETH?Z041U 調(diào)溫調(diào)濕箱對HMX 及TATB 基PBX 試樣進行熱循環(huán)試驗，在-40～75 ℃開展熱循環(huán)試驗。其中，室溫—-40℃—75 ℃—室溫為一個熱循環(huán)試驗周期，升降溫速率為1 ℃·min-1，并 在-40 ℃和75 ℃恒 溫2 h 使 試 樣 溫 度均勻穩(wěn)定。HMX 基PBX 試樣（1#～10#）和TATB 基PBX的10 個平行試樣（11#～20#）分別經(jīng)歷3N 個（N=0，1，2，…，9）熱循環(huán)試驗周期。靜彈性模量采用英國Instron 5582 萬能材料試驗機進行拉伸性能的測試，根據(jù)拉伸應(yīng)力?應(yīng)變曲線計算得到，測試參照GJB772A-1997 方法417.1 標準執(zhí)行，橫梁速度為0.5 mm·min-1，測試溫度為（20±2）℃。

圖2 橫縱波一體化探頭原理示意及實物圖1—外殼，2—阻尼塊，3—吸聲材料，4—橫波壓電晶片，5—縱波壓電晶片F(xiàn)ig.2 Schematic and physical diagram of integrated ultrason?ic longitudinal and transverse wave sensor1—shell，2—damping block，3—sound absorbing material，4—transverse wave piezoelectric wafer，5—longitudinal wave piezoelectric wafer

3 彈性模量和泊松比超聲測量方法

動彈性模量（楊氏模量、剪切模量）和動泊松比采用超聲聲速法測量［17-18］。超聲波在固體介質(zhì)中的傳播速度與介質(zhì)的彈性模量和密度有關(guān)，通過測量介質(zhì)中的縱、橫波聲速可計算得到其楊氏模量、剪切模量和泊松比。

式中，E 為楊氏模量，GPa；G 為剪切模量，GPa；σ 為泊松 比；ρ 為 介 質(zhì) 的 密 度，g·cm-3；VL為 縱 波 的 聲 速，m·s-1；VS為橫波的聲速，m·s-1。

超聲波縱波聲速和橫波聲速通過厚度除以介質(zhì)中傳播聲時的方法得到，計算公式為：

式中，h 為厚度，m；Δt 為聲時，s；V 為聲速，m·s-1。

4 試驗結(jié)果與分析

4.1 超聲聲速-熱疲勞損傷

HMX 及TATB 基PBX 經(jīng)歷不同熱循環(huán)試驗周期后的熱循環(huán)試驗周期?密度及超聲參量關(guān)系見圖3。

由圖3a 可見，在試驗過程中，隨著熱循環(huán)周期增加，HMX 基PBX 的密度降低且速率逐步平緩，TATB 基PBX 的密度呈先降低并速率放緩后略微回升的趨勢。分析認為，熱循環(huán)導(dǎo)致PBX 產(chǎn)生不可逆長大，密度降低，主要原因包括熱膨脹系數(shù)不同導(dǎo)致黏結(jié)劑/炸藥晶體界面脫粘引起塑性變形，內(nèi)部微孔隙或微缺陷的擴張、炸藥晶體的不可逆長大等。但隨周期增加，密度降低速率放緩，甚至密度略微回升，這與熱應(yīng)力作用導(dǎo)致PBX 產(chǎn)生塑性形變的特性有關(guān)［7，19-20］。由圖3b～圖3f 可見，在試驗過程中，隨著熱循環(huán)周期增加，HMX 及TATB 基PBX 的縱波聲速、橫波聲速、動楊氏模量、動剪切模量的變化趨勢與其密度變化趨勢一致，動泊松比基本不變。

朱濤等[32]通過室內(nèi)試驗分析了寬級配礫質(zhì)土的壓實特性，結(jié)果表明，寬級配礫質(zhì)土擊實時干密度和含水率關(guān)系曲線呈上凸的拋物線型，具有一個最優(yōu)含水率。擊實后的最大干密度隨著礫石含量的增加先迅速增大，后又開始逐漸減小。隨著礫石含量的增加，其最優(yōu)含水率先逐漸減小，后基本趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

HMX 及TATB 基PBX 經(jīng)歷不同熱循環(huán)試驗周期后的縱波聲速、橫波聲速?密度關(guān)系、線性擬合直線及擬合后線性關(guān)系表達式見圖4。由圖4 可見，在熱循環(huán)試 驗 過 程 中，HMX 和TATB 基PBX 的 縱、橫 波 聲 速 與密度具有正相關(guān)的線性關(guān)系。

圖3 HMX 及TATB 基PBX 的熱循環(huán)試驗周期?密度及超聲參量關(guān)系Fig.3 The relationship between thermal cycle number and density and ultrasonic parameters of HMX? and TATB? based PBX

圖4 熱循環(huán)試驗過程中HMX 及TATB 基PBX 縱波聲速、橫波聲速?密度的線性關(guān)系Fig. 4 The linear relationship between longitudinal/shear wave velocity and density of HMX? and TATB? based PBX during thermal cycling

關(guān)聯(lián)材料的整體微細觀性能，熱循環(huán)試驗將使PBX 產(chǎn)生熱疲勞損傷，基于Lemaitre［21］等效應(yīng)變假設(shè)的損傷本構(gòu)方程，損傷可通過損傷前后材料彈性模量的變化來定義或度量。

式 中，D 為PBX 的 損 傷 變 量；E 為 無 損PBX 彈 性 模 量，GPa；? 為受損PBX 彈性模量，GPa；ρ 為無損PBX 的密度，g·cm-3；ρ?為受損PBX 的密度，g·cm-3；VL和VS分別為無損PBX 縱波聲速，m·s-1；V?L和V?S分別為受損PBX縱波聲速，m·s-1。

由式（2），（5），（6）和（7）可見，熱循環(huán)試驗過程中，PBX 熱循環(huán)損傷量與密度變化和內(nèi)部微損傷密切相關(guān)，可用密度和超聲聲速的表達式進行計算。如果PBX 密度已知，可利用式（2）和（5），通過超聲縱、橫波聲速計算彈性模量，定量評價PBX 熱循環(huán)試驗中的熱疲勞損傷；如果PBX 密度未知，可利用縱波聲速或橫波聲速和密度的線性關(guān)系，將縱波聲速或橫波聲速代入式（6）或式（7），直接通過縱波聲速或橫波聲速定量評價PBX 熱循環(huán)試驗中的熱疲勞損傷。

4.2 動靜態(tài)模量?微裂隙、孔隙

HMX 及TATB 基PBX 經(jīng)歷不同熱循環(huán)試驗周期后的熱循環(huán)試驗周期?動彈性模量、靜彈性模量和動靜彈性模量比關(guān)系分別見圖5 和圖6。由圖5 和圖6 可見：（1）PBX 動彈性模量高于靜彈性模量，動靜彈性模量比大于1；（2）熱循環(huán)試驗過程中，HMX 及TATB 基PBX 都經(jīng)歷了靜彈性模量先降低再升高，動靜彈性模量比先升高再降低的兩個階段，前者拐點在第15 個熱循環(huán)周期，后者拐點在第21 個熱循環(huán)周期。

圖5 HMX 基PBX 的熱循環(huán)試驗周期?動彈性模量、靜彈性模量和動靜彈性模量比關(guān)系Fig.5 The relationship between thermal cycle number and elastic modulus of HMX?based PBX

圖6 TATB 基PBX 的熱循環(huán)試驗周期?動彈性模量、靜彈性模量和動靜彈性模量比關(guān)系Fig.6 The relationship between thermal cycle number and elastic modulus of TATB?based PBX

對其中微觀作用機制進行分析討論：

（1）動、靜態(tài)載荷的應(yīng)變幅值和載荷頻率不同，靜態(tài)屬于無限低頻率的大應(yīng)變載荷，聲波為小應(yīng)變載荷。PBX 的動、靜彈性模量之所以存在差異，是因為PBX 為多相不均勻介質(zhì)，其內(nèi)部和界面上通常存在較多的微孔隙、裂隙、裂紋等缺陷。在靜態(tài)大應(yīng)變條件下，PBX 將發(fā)生沿裂隙面或顆粒接觸面的摩擦滑動，使PBX 靜彈性模量降低。而聲波引起的應(yīng)變很小，不足以引起這種滑動，因而PBX 動彈性模量高于靜彈性模量。

（2）PBX 是由炸藥晶體和高分子黏結(jié)劑所組成的復(fù)合體系，熱循環(huán)試驗過程中有類似巖石彈性物理研究中的巖石骨架和孔隙流體的結(jié)構(gòu)特性。參考Gassmann 方程理論［22］及其在巖石孔隙彈性特性［23］和動態(tài)與靜態(tài)彈性參數(shù)差別中的應(yīng)用研究［24］，從材料內(nèi)部因素出發(fā)，可知靜彈性模量受微裂隙（裂隙面或顆粒接觸面）影響，微裂隙增加，靜態(tài)大應(yīng)變條件下更容易摩擦滑動，則靜彈性模量降低；反之，則相反。而小應(yīng)變聲波加載對微裂隙不敏感，動彈性模量受微孔隙流體粘度，主要是高聚物黏結(jié)劑的粘彈態(tài)甚至流態(tài)變化的影響。

（3）對熱循環(huán)試驗中PBX 動、靜彈性模量和動靜彈性模量比變化的物理機理初步解釋為：熱循環(huán)試驗第一個階段是PBX 尺寸不可逆長大，加上黏結(jié)劑和炸藥晶體熱膨脹系數(shù)不一致，造成的顆粒邊界微裂隙增加，微裂隙率增加，使PBX 靜彈性模量降低；第二個階段由于熱循環(huán)試驗，特別是高溫段的反復(fù)作用下，PBX中玻璃化溫度較低（30 ℃左右）的黏結(jié)劑以及少量低熔點助劑變成粘彈態(tài)甚至流態(tài)［4］，一方面，使得PBX 各組分之間特別是黏結(jié)劑與炸藥晶體之間原本不太好的界面狀態(tài)得到改善，靜彈性模量升高；另一方面，微孔隙中粘彈態(tài)甚至流態(tài)黏結(jié)劑的存在為動態(tài)測試下的炸藥提供了附加剛度使動彈性模量降低速率減緩。

5 結(jié)論

（1）在熱循環(huán)試驗過程中，隨著熱循環(huán)周期增加，HMX 基PBX 的密度降低且速率逐步平緩，TATB 基PBX 的密度呈先降低并速率放緩后略微回升的趨勢?？v波聲速、橫波聲速、動楊氏模量、動剪切模量的變化趨勢與其密度變化趨勢一致，動泊松比基本不變。

（2）熱循環(huán)損傷量與密度變化和內(nèi)部微損傷密切相關(guān)，可用密度和超聲聲速的表達式進行計算，且熱循環(huán)試驗過程中縱、橫波聲速與密度具有正相關(guān)的線性關(guān)系，因此超聲縱波聲速或橫波聲速可直接定量評價PBX 熱循環(huán)試驗中的熱疲勞損傷。

（3）PBX 動彈性模量高于靜彈性模量，動靜彈性模量比大于1，差別是因為PBX 為多相不均勻介質(zhì)，且其內(nèi)部和界面上通常存在較多的微孔隙、裂隙、裂紋等缺陷的結(jié)構(gòu)特征，導(dǎo)致動、靜態(tài)載荷加載效果不同。

（4）在熱循環(huán)試驗過程中，隨著周期增加，HMX及TATB 基PBX 的靜彈性模量先降低再升高，動靜彈性模量比先升高再降低，前者拐點在第15 個熱循環(huán)周期，后者拐點在第21 個熱循環(huán)周期，內(nèi)在因素包括第一階段的微裂隙率增加和第二階段的微孔隙中粘彈態(tài)甚至流態(tài)黏結(jié)劑。