何洪途 ,朱朋哲 ,劉 睿 ,曹志民 ,柴傳國 ,余家欣 ,銀 穎*

(1.西南科技大學(xué) 制造過程測試技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川 綿陽 621010;2.北京理工大學(xué) 機(jī)械與車輛學(xué)院,北京 100081;3.北京理工大學(xué) 機(jī)電學(xué)院,北京 100081;4.中國工程物理研究院化工材料研究所,四川 綿陽 621999)

含能材料通常是指高能量密度、可瞬間釋放出巨大能量的含能物質(zhì)，如各種武器系統(tǒng)的炸藥與發(fā)射藥、航天發(fā)動機(jī)的固體推進(jìn)劑等[1-2]，因此，含能材料通常作為現(xiàn)代化國防尖端武器裝備與系統(tǒng)的動力與威力能源，是國家現(xiàn)代化武器系統(tǒng)和國防威懾力量的物質(zhì)基礎(chǔ)[3-4].以炸藥為例，常見的炸藥分為單質(zhì)炸藥[例如黑索金(RDX)、奧克托今(HMX)、2,4,6-三硝基甲苯(TNT)、六硝基六氮雜異伍茲烷(CL20)]以及混合炸藥[例如以高能炸藥晶體、高聚物粘結(jié)劑、增塑劑和鈍感劑等組成的高聚物粘結(jié)炸藥(Polymer-bonded explosive,PBX)]，而PBX炸藥由于其爆轟能量高、安定性能好、力學(xué)性能好以及安全性能高等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代武器裝備系統(tǒng).然而，在含能材料的整個生產(chǎn)加工乃至使用等全壽命周期過程中，由于存在含能材料與同質(zhì)材料或與異質(zhì)材料之間的摩擦作用，從而顯著地增大了含能材料的破壞、變形或意外點(diǎn)火的可能性(圖1).例如，在含能材料的切削或車削過程中，含能材料面臨著與加工刀具之間的摩擦剪切作用，從而可能出現(xiàn)含能材料破碎和大尺寸變形，甚至出現(xiàn)意外點(diǎn)火，從而直接影響含能材料的安全性[5-6]，因此探明在不同切削或車削加工條件下含能材料界面摩擦機(jī)制、材料損傷與破壞機(jī)制以及界面摩擦溫升的演化機(jī)制等，并掌握對界面摩擦溫升的主動調(diào)控技術(shù)，對于含能材料的精密加工與安全加工具有重要的指導(dǎo)意義；在含能材料的造粒過程中，由于攪拌棒或攪拌鼓與含能材料顆粒存在摩擦作用，可能引發(fā)含能顆粒界面的摩擦溫升，存在一定的安全隱患[7]，而掌握含能材料與含能材料以及含能材料與攪拌材料界面的摩擦機(jī)制、表面成型質(zhì)量與界面溫度隨攪拌條件的變化規(guī)律等對于含能材料的安全造粒過程至關(guān)重要；含能材料的壓制過程同樣存在含能材料與含能材料之間、含能材料與模具間的界面摩擦作用[8-9]，這需要科學(xué)認(rèn)識含能材料與含能材料界面以及含能材料與模具界面隨壓制參數(shù)(如載荷和速度等)對界面摩擦剪切與材料破壞的演化規(guī)律與機(jī)制.此外，在含能材料的運(yùn)輸和使用過程中，需要特別關(guān)注意外跌落與撞擊等意外刺激引起的摩擦熱點(diǎn)甚至點(diǎn)火風(fēng)險[10-11].由此觀之，含能材料的摩擦學(xué)響應(yīng)特性是闡釋含能材料摩擦安全性的關(guān)鍵共性基礎(chǔ)科學(xué)問題，科學(xué)認(rèn)識含能材料在不同摩擦條件下引起的界面摩擦機(jī)制、材料損傷與破壞機(jī)制以及界面溫升機(jī)制等是含能材料在安全制造與高品質(zhì)生產(chǎn)過程中需要重點(diǎn)關(guān)注的科學(xué)問題.截止目前，國內(nèi)外多次報(bào)道了因摩擦剪切作用引發(fā)的重大安全事故，造成了慘重的人員傷亡與財(cái)產(chǎn)損失.例如，2013年，裝藥機(jī)內(nèi)乳化炸藥受到強(qiáng)力摩擦作用引發(fā)爆炸，造成我國某公司33人死亡，19人受傷[12]；2019年，作為世界最大炸藥工廠，俄羅斯克里斯塔爾炸藥工廠由于在炸藥生產(chǎn)加工過程中出現(xiàn)了意外刺激點(diǎn)火，引發(fā)了劇烈爆炸[13]；2022年，法國某軍用炸藥工廠因生產(chǎn)加工不當(dāng)引發(fā)劇烈爆炸[14].因此，深入認(rèn)識含能材料在不同條件下的摩擦特性，對于全面提升含能材料安全性的科學(xué)評測與有效防控能力具有重要的工程意義[15].

Fig.1 Tribology issues of energetic materials during various process圖1 含能材料在不同過程中的摩擦學(xué)問題

從含能材料摩擦點(diǎn)火甚至是引起燃燒或者爆炸的過程來看，含能材料界面的摩擦力做功是最主要的能量來源，摩擦力做功過程引起的材料破壞或者摩擦溫升是影響含能材料安全性的核心問題，一旦含能材料界面的摩擦溫升滿足點(diǎn)火、燃燒或者爆炸等條件，含能材料的安全問題就會更加凸顯，這也是區(qū)別于其他常見材料，含能材料摩擦學(xué)研究需要關(guān)注的重點(diǎn)內(nèi)容之一.為了提升含能材料摩擦安全性的科學(xué)認(rèn)識，含能材料的摩擦安全性問題也被編入科學(xué)出版社出版的《10 000個科學(xué)難題·制造科學(xué)篇》[16].數(shù)十年來，隨著含能材料摩擦學(xué)的逐步發(fā)展，人們逐漸認(rèn)識到低幅值應(yīng)力(數(shù)百M(fèi)Pa)、長脈沖時間(幾百μs至ms級)的非沖擊載荷作用是引起含能材料意外刺激點(diǎn)火的根本原因[17-18]，而在這些作用中，含能晶體界面摩擦作用成為引發(fā)含能材料點(diǎn)火的主導(dǎo)機(jī)制之一[19]，因此，含能材料摩擦學(xué)的相關(guān)研究逐漸成為國內(nèi)外學(xué)者研究的重點(diǎn).由于含能材料的摩擦學(xué)問題貫穿于多種加工或使用過程，因此含能材料摩擦學(xué)研究也存在多種研究對象，例如，從材料目標(biāo)來看，含能材料表面的摩擦包括含能材料與約束殼體之間的摩擦、與含能材料界面的摩擦、與填充材料(包括粘結(jié)劑、降感劑、增塑劑和其他助劑[20-21])界面的摩擦以及填充材料與填充材料界面的摩擦等.從摩擦配副的接觸尺度來看，含能材料表面摩擦主要包括宏觀尺度下的面-面摩擦，由于材料表面在微納尺度下存在多個微凸體，深入揭示單個微凸體與含能材料表面間的微觀摩擦行為也有助于深入理解含能材料的摩擦機(jī)制[22].由此觀之，作為含能材料摩擦安全性評估的重要內(nèi)容，探明含能材料的表界面摩擦行為機(jī)制與主動調(diào)控方法、炸藥界面摩擦熱點(diǎn)形成與點(diǎn)火機(jī)理等，這些基礎(chǔ)性認(rèn)識對于含能材料的安全性提升、含能材料配方的科學(xué)設(shè)計(jì)、工藝控制及意外事故預(yù)防等都具有重要意義.

隨著含能材料摩擦學(xué)的快速發(fā)展，針對含能材料摩擦系數(shù)、摩擦熱點(diǎn)和摩擦行為主動控制等一直是基礎(chǔ)科學(xué)研究的研究熱點(diǎn)與難點(diǎn)，而與摩擦感度相關(guān)的含能材料摩擦學(xué)研究技術(shù)方法與裝備研發(fā)逐漸成為工程應(yīng)用的研究重點(diǎn).近年來，國內(nèi)外在含能材料摩擦特性研究方面已取得了一定的研究進(jìn)展，關(guān)于國內(nèi)含能材料相關(guān)的專利技術(shù)申請和授權(quán)進(jìn)展情況，可以參考文獻(xiàn)[4,23]提供的相關(guān)數(shù)據(jù)(截止到2019年)；關(guān)于含能材料摩擦感度和熱點(diǎn)的研究進(jìn)展，可參考近幾年的相關(guān)中文綜述論文[24-27].隨著近年來國際形勢的快速變化，我國綜合國力的增加，以及我國對含能材料摩擦學(xué)相關(guān)研究的大量需求，重點(diǎn)推進(jìn)含能材料摩擦學(xué)研究的相關(guān)理論技術(shù)與裝備研發(fā)，對于提升我國國防與軍工實(shí)力、加快尖端武器裝備與技術(shù)的發(fā)展具有重要的戰(zhàn)略意義.為此，本文作者就國內(nèi)外有關(guān)含能材料摩擦學(xué)研究技術(shù)、含能材料摩擦機(jī)制與主動控制等方面進(jìn)行了詳細(xì)的評述，以期為將來研究工作提供理論參考與技術(shù)指導(dǎo).

1 含能材料摩擦學(xué)研究技術(shù)方法

1.1 面向摩擦感度的工程測試方法

作為含能材料安全性工程評估的關(guān)鍵指標(biāo)之一，含能材料摩擦感度是國內(nèi)外學(xué)者的主要研究內(nèi)容.在傳統(tǒng)的炸藥摩擦感度工程試驗(yàn)中，通常對炸藥施加強(qiáng)烈而又短暫的機(jī)械摩擦功(接觸壓力通常為100～500 MPa)，然后結(jié)合炸藥在摩擦作用下產(chǎn)生的顏色、冒煙和聲響等變化來綜合判斷炸藥試樣發(fā)生點(diǎn)火的難易程度，并采用炸藥樣品發(fā)生點(diǎn)火數(shù)量百分比的形式評價炸藥的摩擦感度[28].當(dāng)前國內(nèi)外的含能材料摩擦感度儀主要包括柯茲洛夫摩擦擺和大型摩擦擺等[29-30]，而前者是國內(nèi)目前應(yīng)用較多的摩擦感度儀[31].值得注意的是，摩擦擺是利用擺錘降落到底部時的瞬時沖擊力對摩擦副進(jìn)行加載，該加載過程存在摩擦平均載荷和速度不均勻的問題，為此，美國圣地亞國家實(shí)驗(yàn)室的Phillips等[32]最近采用了程序控制的伺服電機(jī)替代傳統(tǒng)的凸輪機(jī)構(gòu)和電機(jī)，大大提升了炸藥在摩擦過程中載荷和速度的控制精度，因此該摩擦感度試驗(yàn)機(jī)被稱為“伺服BAM”.

為了滿足不同條件下的摩擦感度測試需求，國內(nèi)外相關(guān)研究機(jī)構(gòu)已經(jīng)研制了不同需求下的測試技術(shù)方法與裝備.例如，2019年，北京理工大學(xué)王建研究團(tuán)隊(duì)研制出了1種縱向壓力連續(xù)可調(diào)的摩擦感度測試儀[33]，克服了傳統(tǒng)摩擦感度測試中壓力難以調(diào)節(jié)的問題，從而提高了測試效率.又如，為了克服單次測試樣品數(shù)量較少的問題，2020年，中北大學(xué)常雙君研究團(tuán)隊(duì)[34]將大量測試樣品同時平鋪在摩擦板，通過對摩擦板上所有測試樣品同時進(jìn)行摩擦測試，極大地提高了測試效率，而法向壓力的大小范圍為0～1kN，能很好的保證樣品在測試過程中出現(xiàn)冒煙、點(diǎn)火等現(xiàn)象；在數(shù)據(jù)處理方面，該團(tuán)隊(duì)利用50%和10%發(fā)火點(diǎn)的2種方式來表征不敏感單質(zhì)炸藥的摩擦感度數(shù)值，該方法能很好地區(qū)分不同含能材料的摩擦感度.再如，為了克服現(xiàn)有測試技術(shù)中自動化程度不高的問題，2021年，西安電子科技大學(xué)弓樹宏研究團(tuán)隊(duì)研制出了新型數(shù)字式自動摩擦感度測試系統(tǒng)[35]，其特點(diǎn)是集成了感度測試裝置、控制與檢測裝置，各部分裝置的協(xié)同工作極大地提升了含能材料摩擦感度的測試效率及智能化.

盡管現(xiàn)有裝備能滿足特定條件下的摩擦感度測試需求，但是這些測試方法通常比較單一，尚不能從多個角度來全面認(rèn)識含能材料摩擦學(xué)的相關(guān)本質(zhì)，例如摩擦過程中炸藥動摩擦系數(shù)、摩擦力和摩擦溫升等多物理參量的變化規(guī)律等[36-37].此外，目前關(guān)于摩擦感度中炸藥的點(diǎn)火機(jī)制有待進(jìn)一步明確，這是因?yàn)槟壳跋嚓P(guān)研究缺乏諸多量化數(shù)據(jù)支持，導(dǎo)致摩擦生熱誘導(dǎo)炸藥點(diǎn)火的計(jì)算結(jié)果與實(shí)際測試結(jié)果存在偏差[38]，因此，炸藥摩擦感度測試過程中多物理參量的精準(zhǔn)測量成為未來相關(guān)測試設(shè)備及其研發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ).值得注意的是，在傳統(tǒng)摩擦感度的工程測試中，判斷炸藥摩擦響應(yīng)特性的方法主要是通過炸藥的顏色、氣味、冒煙以及聲響等變化，該方法主要依賴于工程操作人員的主觀感官判斷和經(jīng)驗(yàn)，而當(dāng)炸藥界面局部發(fā)生小范圍的點(diǎn)火現(xiàn)象或者局部點(diǎn)火最終未成長為炸藥整體的爆炸時，這種判斷方法不再適用.另一方面，當(dāng)前對于含能材料摩擦點(diǎn)火的臨界判據(jù)也缺乏科學(xué)認(rèn)識，包括含能材料在摩擦過程中的動摩擦系數(shù)、摩擦熱點(diǎn)形成的演化規(guī)律與機(jī)制等.

1.2 面向摩擦系數(shù)的基礎(chǔ)研究方法

作為衡量含能材料摩擦做功的關(guān)鍵參量之一，揭示不同條件下含能材料摩擦系數(shù)的演化規(guī)律與機(jī)制具有重要的科學(xué)與工程意義.為了揭示含能材料的摩擦響應(yīng)機(jī)制，國防科技大學(xué)盧芳云等[39]利用分離式霍普金森壓剪桿測量了含能材料的動摩擦系數(shù).該測試裝置主要將傳統(tǒng)分離式霍普金森桿的入射桿后端面改造成楔形面及其對應(yīng)的透射桿[圖2(a)].由于入射桿端面的運(yùn)動會對測試樣品形成壓力和剪切力的復(fù)合式加載，因此可以得到含能材料在摩擦過程中的動摩擦系數(shù).此外，為了揭示單個微凸體與含能材料表面的微觀摩擦行為與機(jī)制，納米壓痕儀、納米劃痕儀等微觀摩擦學(xué)試驗(yàn)測試裝備也被用于含能材料的微觀摩擦學(xué)特性測試[40-41].

Fig.2 Schematic diagram of new test devices to reveal the friction mechanism of energetic materials(EMs)圖2 用于含能材料摩擦機(jī)制研究的新型裝置示意圖

1.3 面向摩擦熱點(diǎn)的基礎(chǔ)研究方法

在含能材料的摩擦過程中，摩擦力做功的能量會部分轉(zhuǎn)化成熱量，當(dāng)產(chǎn)生的局部熱量達(dá)到一定條件時(如達(dá)到其點(diǎn)火溫度時)，會引發(fā)含能材料的點(diǎn)火甚至爆炸.因此，研究含能材料在摩擦過程中局部熱量形成的時空特性以及功-熱轉(zhuǎn)換機(jī)制，是含能材料摩擦熱點(diǎn)研究的重要內(nèi)容.為了精確測量含能材料在摩擦試驗(yàn)條件下發(fā)生點(diǎn)火爆炸的時間點(diǎn)及摩擦功值，北京理工大學(xué)高俊等[42]研制出了包括正壓力測量、摩擦速度測量和摩擦裝置的含能材料摩擦點(diǎn)火做功的測量裝置[圖2(b)]，該裝置不僅可以測量含能材料試樣在摩擦滑動過程中的實(shí)時滑動速度，還能利用2對光電開關(guān)來測量從開始摩擦到點(diǎn)火爆炸的有效摩擦距離，為含能材料在摩擦過程中的功-能轉(zhuǎn)換以及安全性評估提供了新思路.最近，美國德州理工大學(xué)Neuber等[43-44]借助高速紅外相機(jī)，研制了1種原位測試界面摩擦系數(shù)和摩擦溫升的新型摩擦感度測試裝置，該裝置利用氣動活塞作為驅(qū)動裝置，使安裝在柱塞末端的含能材料樣品可以加速進(jìn)入旋轉(zhuǎn)盤[圖3(a)].通過放置在工字鋼柱塞部分和樣品架之間的薄橡膠板調(diào)節(jié)氣動活塞的沖擊時間，而通過獨(dú)立改變最初供應(yīng)給活塞的壓力和圓盤的速度，可實(shí)現(xiàn)較大摩擦參數(shù)范圍內(nèi)的測試條件.此外，利用高紅外透過率的藍(lán)寶石作為摩擦對偶材料時，可獲得滑動界面的載荷、摩擦力和摩擦系數(shù)[圖3(b)]，還可實(shí)時地觀測含能材料界面摩擦熱點(diǎn)隨摩擦?xí)r間的變化情況[圖3(c)].該裝置可實(shí)現(xiàn)高時間分辨率(百μs級)和高空間分辨率(mm級)的含能材料界面摩擦行為與摩擦熱點(diǎn)的實(shí)時原位測量，為深入揭示含能材料界面動摩擦系數(shù)變化、摩擦熱點(diǎn)形成機(jī)制以及摩擦點(diǎn)火機(jī)制等提供了全新的研究思路.

Fig.3 The newest friction sensitivity test device produced by United States and its test results[44]圖3 美國最新研發(fā)的摩擦感度測試裝置及其試驗(yàn)結(jié)果[44]

1.4 面向其他摩擦特性的基礎(chǔ)研究方法

摩擦刺激作用下含能材料點(diǎn)火的過程不僅僅包括摩擦力做功和摩擦熱點(diǎn)形成，還包括含能材料摩擦損傷、摩擦化學(xué)反應(yīng)、摩擦起電、摩擦聲音和摩擦誘導(dǎo)點(diǎn)火引起的環(huán)境氣體微量變化等多種物理化學(xué)現(xiàn)象的變化過程[45-46].因此，深入認(rèn)識在摩擦條件下炸藥多參量演變規(guī)律與機(jī)制，對于揭示在熱學(xué)-力學(xué)耦合、甚至熱學(xué)-力學(xué)-化學(xué)耦合作用下的炸藥摩擦點(diǎn)火機(jī)制具有重要意義.為了評價含能材料與典型接觸物相互接觸后的靜電安全水平，并克服傳統(tǒng)手動人工摩擦方式的摩擦頻率與載荷不穩(wěn)定以及測量精度差等缺點(diǎn)，中國工程物理研究院化工材料研究所鐘敏等[47]研制出了1種自動式摩擦起電及測試裝置[圖4(a)]，其工作原理是利用放置在靠近含能材料的靜電傳感器探頭來測量摩擦過程中含能材料表面的靜電壓，從而評價含能材料的摩擦起電特性.最近，應(yīng)急管理部天津消防研究所王玥等[48]研制了1種機(jī)械摩擦點(diǎn)火源測試裝置[圖4(b)]，該裝置利用摩擦盤轉(zhuǎn)速和正壓力來調(diào)控材料界面的摩擦能量，同時借助溫度傳感器和氧濃度傳感器分別檢測摩擦過程中密閉環(huán)境腔體內(nèi)溫度和可燃性氣體濃度的變化，該裝置與方法對于含能材料摩擦學(xué)原位分析、摩擦點(diǎn)火機(jī)理分析及風(fēng)險預(yù)測等起到重要的支撐作用.

Fig.4 Schematic diagram of triboelectricity and friction-induced ignition source test device圖4 用于摩擦起電和機(jī)械摩擦點(diǎn)火源測試的裝置示意圖

由于炸藥在摩擦刺激作用下的意外點(diǎn)火與爆炸問題是1個涉及摩擦學(xué)、力學(xué)、熱學(xué)和化學(xué)等多學(xué)科交叉的前沿科學(xué)問題，因此，要想全面揭示多種物理化學(xué)參量在炸藥摩擦點(diǎn)火與爆炸過程中的演化規(guī)律與機(jī)制，就必須對這些關(guān)鍵參量進(jìn)行原位、實(shí)時地觀測.為此，具有多種常見的摩擦學(xué)原位測試技術(shù)方法與裝備，例如，利用透射電鏡進(jìn)行原位和實(shí)時觀測晶體在摩擦過程中的晶格損傷[49]、利用紅外或拉曼光譜實(shí)時觀測材料在摩擦過程中的化學(xué)反應(yīng)[50-51]、利用聲發(fā)射裝置監(jiān)測摩擦過程的聲音變化[52]等原位測試技術(shù)，均可為炸藥摩擦過程的多因素原位測量提供一定的參考，而如何實(shí)現(xiàn)在多環(huán)境因素耦合作用下的多物理參量動態(tài)實(shí)時測量，將依賴于新型含能材料摩擦學(xué)裝備的進(jìn)一步研發(fā).

1.5 基于仿真計(jì)算的分析方法

不僅僅是試驗(yàn)技術(shù)研究，數(shù)值模擬計(jì)算也被廣泛應(yīng)用于含能材料摩擦學(xué)研究.國內(nèi)外許多學(xué)者已采用有限元方法研究含能材料的摩擦學(xué)問題.然而，傳統(tǒng)的有限元或者擴(kuò)展有限元方法難以解決含能材料在摩擦過程中可能出現(xiàn)的材料大變形等問題，為了克服這一問題，基于內(nèi)聚有限元方法(Cohesive finite element method，CFEM)被廣泛應(yīng)用于分析含能材料的摩擦熱點(diǎn)形成等過程與機(jī)理[53-54].CFEM的優(yōu)點(diǎn)是在滿足有限元模型的網(wǎng)格密度、網(wǎng)格聚合剛度以及材料熱力學(xué)方程的條件下，可以分析每個有限元單元的貢獻(xiàn)以及裂紋面的摩擦熱，因此有利于分析含能材料在微觀條件下的摩擦變形和摩擦熱點(diǎn)形成機(jī)理.作為1種無網(wǎng)格的計(jì)算方法，平滑粒子流體力學(xué)(Smoothed particle hydrodynamics,SPH)以單個材料粒子進(jìn)行計(jì)算[55]，計(jì)算的精度較高，因此常用于計(jì)算含能材料的爆炸過程，但是其仿真過程需要涉及大量顆粒，計(jì)算量較大.此外，分子動力學(xué)模擬(Molecular dynamics,MD)以單個分子或原子為基礎(chǔ)進(jìn)行計(jì)算，常被用于含能材料在摩擦過程中的熱學(xué)-力學(xué)-化學(xué)耦合作用的相關(guān)機(jī)理研究.目前常用于MD模擬計(jì)算的勢函數(shù)包括傳統(tǒng)力場和反應(yīng)力場(Reactive force field，ReaxFF)[56].ReaxFF-MD模擬計(jì)算的優(yōu)勢在于可模擬分析摩擦過程中的熱學(xué)-力學(xué)-化學(xué)耦合作用機(jī)理，因此其可以模擬分析在不同摩擦環(huán)境與接觸條件下含能材料的材料變形和界面熱點(diǎn)形成機(jī)理[57].此外，為了提高含能材料晶體結(jié)構(gòu)特性等的描述準(zhǔn)確性，考慮了范德華引力項(xiàng)的新型ReaxFF力場[58]，也被用于模擬含能材料的摩擦機(jī)理分析.

2 含能材料摩擦特性及其主動控制

摩擦作為誘發(fā)含能材料點(diǎn)火的主要方式之一，含能材料在不同條件下的摩擦特性與作用機(jī)理仍不清楚，具體包括含能材料的摩擦系數(shù)、含能材料摩擦熱點(diǎn)和摩擦的主動調(diào)控等，阻礙了對含能材料表面摩擦點(diǎn)火機(jī)制的清晰認(rèn)識，導(dǎo)致難以從理論上對摩擦界面體系的合理設(shè)計(jì)進(jìn)行科學(xué)指導(dǎo).為此，作者在本部分中將針對這三方面研究內(nèi)容取得的理論進(jìn)展分別展開論述.

2.1 含能材料界面摩擦系數(shù)

根據(jù)含能材料摩擦點(diǎn)火熱點(diǎn)學(xué)說，含能材料摩擦點(diǎn)火重要能量來源為含能材料裂紋間摩擦生熱作用，因此，可用含能材料摩擦熱點(diǎn)形成的基本物理模型來描述其點(diǎn)火行為[26,59]，如圖5所示.以PBX炸藥為例，在其微小結(jié)構(gòu)單元中的微裂紋界面間主要包括2個作用力，即法向力P和剪切力S，當(dāng)剪切力大于裂紋界面的靜摩擦力時，裂紋界面將出現(xiàn)滑動摩擦并由此產(chǎn)生局部的熱量，若裂紋寬度為2lf，則可建立炸藥微小單元摩擦細(xì)觀熱點(diǎn)一維模型的偏微分方程：

Fig.5 Basic model of crack friction hot spot generation process[59]圖5 含能材料摩擦熱點(diǎn)形成的基本模型[59]

式中：T為絕對溫度(K)，kf為熱傳導(dǎo)系數(shù)[W/(m·K)]，Cf為材料熱容[J/(kg·K)]，α為比例因子，μd為動摩擦系數(shù)，為垂直于裂紋面方向上的粒子速度梯度，ρf為材料質(zhì)量密度(kg/m3)，?H為爆熱(J/kg)，Z為指前因子(1/s)，EA為活化能(kJ/mol)，R為氣體常數(shù)[J/(K·mol)]，t為時間(s).從公式(1)可以看出，含能材料的熱傳導(dǎo)、熱分解過程以及摩擦力做功過程是導(dǎo)致含能材料界面局部溫升的重要因素，而在界面溫升的前期，含能材料界面摩擦力做功是整個系統(tǒng)的能量來源[14]，也是導(dǎo)致界面熱點(diǎn)形成與晶體發(fā)生熱分解的關(guān)鍵因素，由此可見，要想調(diào)控含能材料界面摩擦熱點(diǎn)的初始形成過程，就必須科學(xué)認(rèn)識含能材料的動摩擦系數(shù)及其演變規(guī)律與機(jī)理.

為了獲取炸藥的動摩擦系數(shù)，國防科技大學(xué)盧芳云團(tuán)隊(duì)[60-61]借助分離式霍普金森壓剪桿發(fā)現(xiàn)摩擦對偶為不銹鋼時，高聚物粘接炸藥(PBX)藥片界面間的動摩擦系數(shù)并非恒定值，在摩擦過程中，PBX中粘結(jié)劑出現(xiàn)了結(jié)構(gòu)破壞，而PBX中炸藥晶體顆粒出現(xiàn)了脫落，這些現(xiàn)象導(dǎo)致了PBX炸藥界面的摩擦接觸面積增大，從而使得動摩擦系數(shù)隨著摩擦過程的進(jìn)行從初始的0.09逐漸增大至0.14.美國勞倫斯利佛莫爾國家實(shí)驗(yàn)室Hoffman等[62]發(fā)現(xiàn)，在接觸壓力為1.7～5.3 MPa和滑動速度為5～500 mm/min的加載條件下，LX-04-1與鐵或氧化鋁的摩擦系數(shù)為0.6～0.8，而在相同載荷和最大滑動速度為1 m/s時，PBX-9011與氧化鋁(6061-T6)以及Comp B-3與氧化鋁(6061-T6)的摩擦系數(shù)分別為0.25和0.80.中國工程物理研究院流體物理研究所趙繼波等[63]發(fā)現(xiàn)某澆注PBX炸藥界面的動摩擦系數(shù)與摩擦對偶材料以及加載速率等密切相關(guān)，當(dāng)摩擦對偶為鋁合金時，炸藥界面的動摩擦系數(shù)為0.166～0.176，并且該數(shù)值不會受到?jīng)_擊加載速率的影響；當(dāng)摩擦對偶為橡膠時，炸藥界面的動摩擦系數(shù)隨著摩擦過程的進(jìn)行而不斷增大，最大動摩擦系數(shù)范圍為0.281～0.344，該動摩擦系數(shù)的數(shù)值與沖擊加載速率密切相關(guān)；當(dāng)摩擦對偶為炸藥時，炸藥界面的動摩擦系數(shù)隨摩擦過程的進(jìn)行先逐漸增大，隨后由于炸藥內(nèi)部結(jié)構(gòu)出現(xiàn)損傷，炸藥界面的動摩擦系數(shù)會出現(xiàn)降低的現(xiàn)象.

由于含能材料表面在微納尺度下存在多個微凸體，深入揭示含能材料的微觀摩擦行為有助于深入理解含能材料的摩擦機(jī)制.美國洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)室Bennett等[59]利用裂紋界面摩擦生熱的細(xì)觀模型分析時發(fā)現(xiàn)了局部熱點(diǎn)發(fā)生在裂紋作用面的微納米尺度范圍.美國陸軍研究實(shí)驗(yàn)室Bilyk等[64]對剪沖試驗(yàn)下的炸藥摩擦熱點(diǎn)進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，驗(yàn)證了裂紋界面的摩擦熱點(diǎn)出現(xiàn)在微納米尺度范圍.國防科技大學(xué)覃金貴等[65]借助無套筒分離式霍普金森壓剪桿(SHPB)研究摩擦點(diǎn)火過程時發(fā)現(xiàn)，炸藥界面局部熱點(diǎn)隨著炸藥界面的正壓力和相對滑動速度逐漸增大，同時指出炸藥界面的摩擦熱點(diǎn)集中出現(xiàn)在裂紋附近的微納米尺度范圍.因此，深入揭示含能材料在微觀尺度下的摩擦行為，有助于全面認(rèn)識含能材料的摩擦特性演化規(guī)律和摩擦熱點(diǎn)形成機(jī)制.

值得注意的是，上述試驗(yàn)結(jié)果雖然有助于含能材料界面摩擦熱點(diǎn)模型的構(gòu)建，但這些試驗(yàn)樣品都是PBX藥片或藥柱.從材料對象來看，PBX包含了炸藥晶體以及填充物(如粘結(jié)劑)，上述試驗(yàn)現(xiàn)象是針對含能晶體和填充物的總體反映，而未能正確區(qū)分含能晶體與填充物.從炸藥摩擦熱點(diǎn)模型來看(式1)，在摩擦力做功這一項(xiàng)，現(xiàn)有的模型計(jì)算中通常假設(shè)含能材料的動摩擦系數(shù)為恒定值，但試驗(yàn)測試結(jié)果卻表明含能晶體的動摩擦系數(shù)并非恒定值，其數(shù)值大小與摩擦過程中的摩擦對偶、載荷和速度等因素密切相關(guān)[60-63].早在1976年，英國卡文迪許實(shí)驗(yàn)室Amuzu等[66]發(fā)現(xiàn)太恩(PETN)晶體與PETN晶體、黑索金(RDX)晶體與光滑玻璃和β-奧克托今(HMX)與光滑玻璃之間的動摩擦系數(shù)分別為0.4、0.35和0.55，但是后來Wu等[67]發(fā)現(xiàn)在相同的法向載荷條件下，這些界面的動摩擦系數(shù)僅為0.25，并認(rèn)為該差異可能源于2個試驗(yàn)的不同加載過程.最近，西南科技大學(xué)曹之鴻等[41]借助納米劃痕儀，初步研究了金剛石探針與β-HMX界面的微觀摩擦系數(shù)隨著載荷和滑動速度的變化規(guī)律，當(dāng)載荷逐漸增大時，β-HMX界面的微觀摩擦系數(shù)從0.38增大至0.82，而界面摩擦系數(shù)隨滑動速度的變化不明顯，進(jìn)一步分析表明，界面的微觀黏著摩擦對界面動摩擦系數(shù)的貢獻(xiàn)大于界面的犁溝摩擦.中國工程物理研究院銀穎等[68]借助納米劃痕儀，系統(tǒng)地研究了金剛石探針與β-HMX界面摩擦系數(shù)隨劃痕載荷、劃痕速度、劃痕方向以及β-HMX不同晶面的變化情況，試驗(yàn)結(jié)果表明，β-HMX界面摩擦系數(shù)隨著劃痕載荷的增加呈現(xiàn)出先降低后增加的趨勢，同時β-HMX(110)面存在非常顯著的摩擦各向異性，但β-HMX(011)面的摩擦各向異性變化不明顯(圖6)，這些研究工作為深入揭示β-HMX晶體界面的摩擦點(diǎn)火機(jī)制研究提供了嶄新的研究思路.值得注意的是，炸藥晶體通常有多種晶型(例如HMX有α、β、γ和δ這4種晶型)，不同炸藥晶體晶型具有不同的化學(xué)結(jié)構(gòu)，這將改變炸藥晶體或PBX炸藥的摩擦特性，因此揭示不同炸藥晶體晶型與其摩擦系數(shù)的相關(guān)性，并揭示炸藥晶體、填充物等單一含能材料摩擦系數(shù)演化規(guī)律與PBX整體摩擦系數(shù)演化規(guī)律的相關(guān)性，這將是未來含能材料摩擦學(xué)研究的重點(diǎn)內(nèi)容之一.

Fig.6 Nanoscratch experiment on β-HMX surfaces and the anisotropy of friction coefficient with various scratch directions[68]圖6 β-HMX表面納米劃痕試驗(yàn)及其摩擦各向異性規(guī)律[68]

通常情況下，材料摩擦系數(shù)與其所在的環(huán)境因素密切相關(guān).例如，大量研究表明，材料的動摩擦系數(shù)與摩擦誘導(dǎo)材料損傷特性與其所在環(huán)境的溫度與濕度密切相關(guān)[69-74].對于含能材料而言，由于含能晶體的熔點(diǎn)較低，含能晶體在摩擦過程中所產(chǎn)生的熱點(diǎn)很快就會接近其熔點(diǎn).當(dāng)局部的摩擦熱點(diǎn)形成后，局部的高溫可能會改變炸藥自身的力學(xué)性能(如硬度和彈性模量).例如，南京理工大學(xué)肖繼軍等[75]通過分子動力學(xué)模擬發(fā)現(xiàn)HMX的N-NO2鍵長是決定晶體機(jī)械感度的關(guān)鍵參數(shù)，但是N-NO2鍵長隨著溫度的增加而增大，與此同時，HMX的拉伸模量、體積模量和剪切模量隨著溫度的增加出現(xiàn)了顯著的降低.當(dāng)局部摩擦熱點(diǎn)形成以后，局部熱點(diǎn)溫度極有可能反過來影響含能晶體的機(jī)械性能，材料機(jī)械性能的改變是影響HMX摩擦行為和摩擦熱點(diǎn)形成的首要因素[76]，因此，揭示環(huán)境溫度作用下的力-熱耦合作用對含能材料摩擦特性和摩擦熱點(diǎn)形成的影響規(guī)律與機(jī)理，將是未來含能材料摩擦學(xué)研究的重點(diǎn)內(nèi)容之一.另一方面，潮濕環(huán)境中的水分子也將顯著影響材料的摩擦特性.例如，哈爾濱工業(yè)大學(xué)宗文俊等[77]利用反應(yīng)力場的分子動力學(xué)模擬發(fā)現(xiàn)納米尺度下界面水分子能抑制金剛石刀具和HMX之間的C-O親和力，降低HMX界面的摩擦生熱，提升切削界面的熱穩(wěn)定性.通過揭示潮濕空氣中水分子對含能材料在摩擦條件下摩擦特性的影響規(guī)律與機(jī)制，有助于實(shí)現(xiàn)對含能材料加工、貯存等過程中的主動控制，這也將是未來含能材料摩擦學(xué)研究的重點(diǎn)內(nèi)容之一.

環(huán)境溫度與濕度等因素不僅是影響含能材料在摩擦過程中摩擦系數(shù)的重要因素，相關(guān)環(huán)境的靜態(tài)處理過程也會改變含能材料的表界面特性，進(jìn)而改變其摩擦系數(shù)[78].作為炸藥安定性的重要研究內(nèi)容，即炸藥在不同貯存條件下發(fā)生的物理化學(xué)特性(如力學(xué)、化學(xué)和機(jī)械感度)改變，同樣值得關(guān)注.通常條件下，炸藥老化的處理試驗(yàn)方法包括自然老化法和加速老化法[79]，盡管自然老化法獲得的數(shù)據(jù)更加真實(shí)可靠，但其試驗(yàn)周期較長(通常以年為單位)，因此以提高貯存環(huán)境溫度和濕度的加速老化法被廣泛應(yīng)用于炸藥的老化處理試驗(yàn).例如，西安近代化學(xué)研究所賈林等[80]發(fā)現(xiàn)在71 ℃和65% RH的條件下老化處理52天后，AIX-II藥柱中的粘結(jié)劑出現(xiàn)了局部破碎脫粘，造成整個藥柱的抗壓強(qiáng)度降低；南京理工大學(xué)李凱麗等[81]發(fā)現(xiàn)BR粘結(jié)劑在71 ℃加速老化過程中，藥柱中的BR粘結(jié)劑發(fā)生氧化交聯(lián)作用，使得炸藥的力學(xué)性能增大但是其機(jī)械感度降低；西安近代化學(xué)研究所張林軍等[82]發(fā)現(xiàn)經(jīng)過71 ℃高溫老化處理后，藥柱中的鈍感劑和粘結(jié)劑出現(xiàn)了軟化遷移，從而修復(fù)了藥柱中的微缺陷，并使得RDX基含鋁炸藥發(fā)生燃燒爆炸的概率降低.值得注意的是，盡管炸藥老化處理后會出現(xiàn)物理、熱學(xué)和化學(xué)等多種性能的變化，但是其化學(xué)和熱穩(wěn)定性的變化并不直接等同于其力學(xué)行為的變化.例如，美國勞倫斯?利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室Hoffman等[83]發(fā)現(xiàn)加速老化處理后不會改變炸藥的力學(xué)性能，但會使粘結(jié)劑的分子量降低.澳大利亞國防科技部Provatas等[84]發(fā)現(xiàn)2,4-二硝基苯甲醚(DNAN)在加速老化處理后的密度變化在4%以內(nèi)，熱穩(wěn)定性幾乎不變，但其彈性模量和抗壓強(qiáng)度都隨著老化時間出現(xiàn)了明顯的降低.由此可見，炸藥在加速老化處理后會出現(xiàn)化學(xué)結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的變化，通常情況下材料結(jié)構(gòu)與性能的變化會導(dǎo)致材料摩擦系數(shù)的變化[85,86]，而這些變化極易導(dǎo)致材料在撞擊或剪切條件下材料機(jī)械感度或燃燒爆炸概率出現(xiàn)變化[79,82]，從而影響到含能材料的安全性.因此，揭示老化處理對含能材料力學(xué)性能，特別是摩擦系數(shù)的影響規(guī)律，有助于科學(xué)認(rèn)識含能材料界面改性對其力學(xué)性能和摩擦特性的影響機(jī)理，這也將為炸藥在貯存和使用等過程中的安全性和安定性提供全新的研究思路和重要依據(jù).

2.2 含能材料界面摩擦熱點(diǎn)

含能材料摩擦熱點(diǎn)形成及其演化機(jī)制一直是國內(nèi)外學(xué)者高度關(guān)注的熱點(diǎn)與難點(diǎn)問題，包括美國洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)室、美國陸軍實(shí)驗(yàn)室、英國卡文迪許實(shí)驗(yàn)室、中國工程物理研究院、國防科技大學(xué)、南京理工大學(xué)以及北京理工大學(xué)等研究機(jī)構(gòu)均開展了大量試驗(yàn)和理論研究工作.早在1938年，Taylor等[87]發(fā)現(xiàn)了存在具有爆炸物致敏性的砂礫顆粒，但直到1946-1948年，Bowden等[88-90]才提出砂礫顆粒的摩擦作用導(dǎo)致能量釋放的機(jī)制，因?yàn)樵囼?yàn)結(jié)果表明，高能炸藥與干凈基板表面的摩擦作用不會引起炸藥的點(diǎn)火，但在具有松散的高熔點(diǎn)砂礫顆粒的基板表面卻會引起炸藥的點(diǎn)火，而出現(xiàn)能量集中和熱點(diǎn)形成的關(guān)鍵因素是炸藥中夾帶砂礫與其他高熔點(diǎn)材料之間的摩擦相互作用.從摩擦界面來看，引發(fā)炸藥點(diǎn)火的摩擦作用包括含能晶體與晶體之間的摩擦、含能晶體與約束殼體或容器之間的摩擦以及含能晶體與炸藥中砂礫顆粒之間的摩擦作用，然而這些因素的貢獻(xiàn)機(jī)制尚不清楚[91-92].1970年，Dyer等[93]通過試驗(yàn)證明了炸藥點(diǎn)火與砂礫誘導(dǎo)的摩擦相互作用存在強(qiáng)相關(guān)性，并指出在炸藥的摩擦過程中，除了砂礫與基板之間的摩擦作用之外，砂礫與砂礫之間的摩擦作用是誘發(fā)炸藥熱點(diǎn)形成的重要機(jī)制.最近，美國洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)室Parker等[94]通過對比分析不同接觸界面的點(diǎn)火現(xiàn)象時發(fā)現(xiàn)，當(dāng)斜沖擊表面是高熔點(diǎn)硬質(zhì)材料并且摩擦能量聚集在砂礫與基底并形成局部熱點(diǎn)時，砂礫-基底的摩擦作用對炸藥的摩擦點(diǎn)火為主要貢獻(xiàn)機(jī)制，而當(dāng)撞擊材料表面具有與炸藥相似的硬度時，砂礫-砂礫的摩擦作用將起主導(dǎo)作用，因?yàn)榇藭r砂礫-砂礫的摩擦碰撞作用形成局部熱點(diǎn)是引發(fā)炸藥點(diǎn)火的重要機(jī)制(圖7).可以看出，高能炸藥、砂礫和沖擊表面的材料特性，例如壓痕硬度、導(dǎo)熱性和熔點(diǎn)，都將影響摩擦熱點(diǎn)的形成機(jī)制.揭示這些材料特性對高能炸藥藥柱或藥片界面摩擦熱點(diǎn)的形成規(guī)律與演化機(jī)制以及認(rèn)識炸藥摩擦點(diǎn)火具有重要的科學(xué)意義，這將是未來含能材料摩擦學(xué)研究的重點(diǎn)內(nèi)容之一.值得注意的是，從含能材料摩擦熱點(diǎn)形成模型(公式1)來看，現(xiàn)有的工程技術(shù)研究和基礎(chǔ)理論研究未能區(qū)分高能炸藥晶體和粘結(jié)劑，因此，深入研究進(jìn)而揭示高能炸藥晶體與粘結(jié)劑界面摩擦熱點(diǎn)的形成規(guī)律與演化機(jī)制，探明這些摩擦熱點(diǎn)對炸藥藥柱或藥片在宏觀尺度下摩擦點(diǎn)火的貢獻(xiàn)機(jī)制，也將是未來含能材料摩擦學(xué)研究的重點(diǎn)內(nèi)容之一.

Fig.7 Various ignitions at contact interfaces:(a)low-violence ignition;(b)intermediate-violence reaction;(c)high-violence response[94]圖7 不同接觸界面出現(xiàn)的可能點(diǎn)火情況：(a)低烈度點(diǎn)火；(b)中烈度點(diǎn)火；(c)劇烈點(diǎn)火[94]

從含能材料的摩擦過程來看，含能材料首先會納米尺度的局部區(qū)域出現(xiàn)熱量積聚，隨著含能材料熱分解反應(yīng)的發(fā)生(式1)，局部熱點(diǎn)區(qū)域會逐漸擴(kuò)大，并最終引發(fā)含能材料的宏觀點(diǎn)火與起爆.為了深入分析含能材料微觀摩擦熱點(diǎn)的形成機(jī)理，美國喬治亞理工大學(xué)Barua等[95]利用CFEM研究PBX熱力學(xué)響應(yīng)特性時發(fā)現(xiàn)，含能材料界面摩擦熱點(diǎn)形成的能量來源與材料出現(xiàn)變形的階段密切相關(guān)，黏彈性耗散和裂紋界面摩擦生熱分別是材料變形初期和后期階段的主要能量來源.值得注意的是，在摩擦過程中會不可避免地產(chǎn)生含能材料的塑性變形，界面摩擦做功(摩擦功)與塑性變形做功(塑性功)都將影響含能材料界面熱點(diǎn)的形成[96].中國科技大學(xué)Cai等[97]通過MD模擬發(fā)現(xiàn)納米尺度下炸藥晶體的界面摩擦和材料內(nèi)部的塑性變形都能夠產(chǎn)生局部熱點(diǎn)，且晶體界面的摩擦距離越大，產(chǎn)生的摩擦熱也越大.為了進(jìn)一步對比研究塑形功與摩擦功對摩擦過程中含能材料界面熱點(diǎn)形成的影響機(jī)制，美國路易斯安娜州立大學(xué)Panchadhar等[98]利用有限元方法和離散元方法相結(jié)合的方式模擬分析發(fā)現(xiàn)，含能材料界面摩擦功與塑性功的大小取決于粒子團(tuán)簇對含能材料的撞擊角度，摩擦功在撞擊后的極端時間內(nèi)(75ns)快速增大，塑性功在撞擊后和熱擴(kuò)散之前迅速增大，由于摩擦功對粒子團(tuán)簇最終動能影響較大，而對彈性勢能和塑性功的影響較小，因此含能材料界面平均溫度的大小主要取決于摩擦功，而非塑性功.在含能材料摩擦熱點(diǎn)溫度較低且沒有達(dá)到熱分解溫度時，摩擦功與塑性功對含能材料界面摩擦熱點(diǎn)的貢獻(xiàn)機(jī)制仍待進(jìn)一步研究，這是因?yàn)?，一方面，現(xiàn)有研究主要依賴于模擬仿真研究，缺乏真實(shí)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)；另一方面，在摩擦過程中含能材料摩擦功與塑性功的演化規(guī)律還取決于摩擦載荷、速度、以及摩擦對偶材料，這些參量也將改變界面的摩擦機(jī)制及其熱點(diǎn)形成機(jī)制.

當(dāng)含能材料界面熱點(diǎn)的局部高溫達(dá)到其熱分解溫度時，材料化學(xué)分解反應(yīng)也會釋放大量能量(式1)，這極易造成含能材料的熱失控甚至是“點(diǎn)火”.含能材料界面熱點(diǎn)形成是1個典型的“熱-力-化”耦合作用的過程，在摩擦過程中的相關(guān)作用規(guī)律與機(jī)理較為復(fù)雜，同時該過程發(fā)生在隱藏的微觀界面，難以進(jìn)行實(shí)時的原位檢測分析，但是ReaxFF-MD模擬同時考慮了含能材料的熱學(xué)、力學(xué)和化學(xué)特性，因此有助于分析含能材料微觀尺度熱點(diǎn)形成的“熱-力-化”耦合作用機(jī)制.例如，哈爾濱工業(yè)大學(xué)宗文俊等[77]利用ReaxFF-MD模擬分析發(fā)現(xiàn)界面的水分子能降低金剛石刀具和HMX晶體在摩擦過程中的C-O親和力，降低HMX界面摩擦熱點(diǎn)的形成，從而提升切削界面的熱穩(wěn)定性.可以看出，基于ReaxFF-MD模擬可以實(shí)現(xiàn)對含能材料在ps至ns時間尺度的摩擦化學(xué)反應(yīng)過程和摩擦熱點(diǎn)的模擬分析，但是將微觀尺度的化學(xué)反應(yīng)過程推廣到介觀尺度甚至宏觀尺度，還需降低摩擦化學(xué)反應(yīng)的復(fù)雜度，從而降低計(jì)算量并保證技術(shù)精度.

切削加工作為含能材料安全制造的重要內(nèi)容，含能材料的切削加工過程存在摩擦生熱并誘導(dǎo)點(diǎn)火的風(fēng)險，因此，如何保證含能材料的加工質(zhì)量與效率及其加工安全性是含能材料切削加工的重要研究內(nèi)容.為了突破美國聯(lián)邦法規(guī)限制的高爆炸藥的加工限制，美國德州理工大學(xué)Woodrum[99]通過對炸藥(PBX 9501)的精密切削加工分析時發(fā)現(xiàn)，炸藥界面切削溫度與切削時刀具每分鐘切削深度和炸藥表面英尺的變化之間存在一致的可重復(fù)關(guān)系，并發(fā)現(xiàn)采用高切速、低切深可優(yōu)化炸藥的精密切削時間，同時最大限度地降低炸藥界面溫升和切削力.美國堪薩斯州立大學(xué)Jackson等[100]提出了炸藥在切削加工時切屑形成的基本力學(xué)原理，指出在切屑與切削刀具的前刀面開始摩擦之前，不太可能發(fā)生爆炸物的過早引爆，并建議切削刀具以20o或者更大的角度進(jìn)行切削加工，從而最大限度地減少預(yù)爆的發(fā)生.法國原子能研究中心Picart等[101]通過基于HMX/TATB(1,3,5-三氨基-2,4,6-三硝基苯)的PBX的傾斜沖擊試驗(yàn)和有限元仿真方法以及熱方程的解析處理，完成了對炸藥界面的摩擦熱進(jìn)行量化，最后指出對于任何摩擦材料的加工，界面的溫度應(yīng)該保持在遠(yuǎn)低于HMX中熱爆炸所需的臨界溫度，否則容易引發(fā)安全事故.最近，哈爾濱工業(yè)大學(xué)宗文俊等[102]利用金剛石刀具對HMX-基PBXs材料進(jìn)行精密車削時發(fā)現(xiàn)，在高切削速度和高切削溫度的條件下，HMX晶體與金剛石刀具尖端的摩擦界面是最危險的區(qū)域，而為了保證PBX車削加工的安全性，可通過切削溫升T與切削速度v的理論模型和切削曲線來區(qū)分PBX的安全切削加工參數(shù)范圍(圖8).盡管現(xiàn)有研究指出了含能材料切削加工中摩擦熱的形成過程，但是如何科學(xué)地闡釋含能材料安全加工的臨界工藝參數(shù)，仍需進(jìn)一步研究.

Fig.8 Predictive model and experimental results of PBXs safe cutting zone:(a)3D prediction model of heat release rate of HMX-based PBXs chips;(b)contour map of q(v,t)and division of safe turning zone[102]圖8 PBX安全切削區(qū)預(yù)測模型及試驗(yàn)結(jié)果：(a)HMX基PBX磨屑的熱釋放速率的三維預(yù)測模型；(b)q(v,t)等高線圖和安全切削加工區(qū)域的劃分[102]

2.3 含能材料界面摩擦的主動調(diào)控

根據(jù)含能材料摩擦熱點(diǎn)理論(式1)，如果能降低含能材料界面的動摩擦系數(shù)，就可以降低局部摩擦熱點(diǎn)的形成，從而降低出現(xiàn)爆炸反應(yīng)的可能性.由于在材料制備過程中出現(xiàn)的微裂紋、尖銳棱角等缺陷將影響含能材料界面的動摩擦系數(shù)，從而影響其摩擦感度，因此通過重結(jié)晶、打磨等材料處理方式可以降低或消除晶體中的雜質(zhì)和缺陷，降低表面的粗糙度，將有利于降低摩擦過程中含能晶體界面的接觸壓力與動摩擦系數(shù)，從而抑制含能材料界面摩擦熱點(diǎn)的形成[103].例如，荷蘭國家應(yīng)用科學(xué)研究院Heijden等[104]通過控制重結(jié)晶過程中的工藝參數(shù)，提高了晶體表面的光滑程度，降低了內(nèi)部缺陷，使得RDX晶體的摩擦感度數(shù)值明顯下降.韓國首爾大學(xué)Lee等[105]采用氣體抗溶劑和丙酮處理后發(fā)現(xiàn)，HMX的顆粒粒度分布變窄，使得在摩擦過程中的接觸應(yīng)力分布范圍變窄，同時得到了HMX晶型中最穩(wěn)定的β相，這將有利于HMX界面動摩擦系數(shù)和摩擦感度的主動控制.另一方面，含能材料的精細(xì)化處理可以降低炸藥晶體的孔隙率，從而降低材料出現(xiàn)損傷導(dǎo)致局部接觸壓力增大的可能性，有利于降低其摩擦感度.例如，南京理工大學(xué)Gao等[106]發(fā)現(xiàn)在某推進(jìn)劑配方中，使用納米級HMX的摩擦感度僅為RDX晶體時的2%，并且使用納米級HMX的推進(jìn)劑燃速也達(dá)到最高.肖磊等[107]發(fā)現(xiàn)納米RDX顆粒對PBX炸藥摩擦感度的主動調(diào)控性能優(yōu)于微米級的微納米RDX顆粒，而當(dāng)二者混合的質(zhì)量比比例為5/95時，其摩擦感度比微米級的PBX炸藥降低了83.3%.

作為摩擦學(xué)研究的另一項(xiàng)重要內(nèi)容，含能材料的潤滑是對其摩擦行為的主動調(diào)控和改善[108].在炸藥配方設(shè)計(jì)中，潤滑體系的引入被證明是炸藥降感的有效工藝手段[109].蠟類、石墨和硬脂酸等材料均能顯著降低含能材料的摩擦感度.其中，最為常見的炸藥降感劑，石蠟對含能材料的降感原理在于對含能晶體的潤滑和對摩擦熱點(diǎn)能量的吸收，而潤滑過程是摩擦降感的先導(dǎo)機(jī)制.然而，相比于工藝上使用的普遍性，關(guān)于石蠟對含能晶體的內(nèi)在潤滑機(jī)制研究卻十分有限，且一般是定性或經(jīng)驗(yàn)性認(rèn)識.中國工程物理研究院化工材料研究所黃亨建等[110]曾對比了包括石蠟在內(nèi)的一系列鈍感劑對RDX晶體的降感效果，指出鈍感劑的鋪展系數(shù)與其降感效果(RDX撞擊感度H50)之間存在線性相關(guān)關(guān)系，石蠟體現(xiàn)出的鋪展系數(shù)最高，降感效果最好.中國工程物理研究院化工材料研究所李玉斌等[111]通過撞擊試驗(yàn)也進(jìn)一步證實(shí)了石蠟對HMX含能晶體具有優(yōu)異的降感效果.最近，為了深入揭示石蠟對HMX在摩擦條件下的潤滑機(jī)制，中國工程物理研究院化工材料研究所李洪濤等[112]借助納米劃痕儀與金剛石探針，發(fā)現(xiàn)在變載模式下，相比于干摩擦條件下摩擦系數(shù)(0.7)，石蠟潤滑條件下的摩擦系數(shù)明顯降低(0.2)，摩擦誘導(dǎo)HMX表面損傷降低，同時潤滑條件下的摩擦各項(xiàng)異性減弱；而在定載模式下，由于石蠟分子間的相互作用，涂層在摩擦過程中出現(xiàn)黏滑現(xiàn)象(圖9).這些試驗(yàn)結(jié)果表明，石蠟對HMX的潤滑機(jī)制與外部載荷的加載方式密切相關(guān).

Fig.9 Schematic drawing show the lubrication mechanism of was on HMX interface under(a)ramp loading and(b)constant loading conditions[112]圖9 (a)變載和(b)恒載模式下石蠟對HMX界面的潤滑機(jī)制示意圖[112]

3 研究展望

掌握含能材料界面摩擦特性及其調(diào)控方法，確保含能材料全壽命周期內(nèi)的應(yīng)用安全性是含能材料摩擦學(xué)共同致力的研究目標(biāo).盡管目前在含能材料摩擦學(xué)研究已經(jīng)取得一定的進(jìn)展，但是現(xiàn)在仍然有很多關(guān)鍵的共性基礎(chǔ)科學(xué)問題與工程應(yīng)用問題亟待解決.從含能材料摩擦學(xué)研究技術(shù)與裝備的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀來看，相關(guān)測試技術(shù)方法與裝備的研究重點(diǎn)將圍繞以下幾個方面展開：

a.在更廣義的含能材料或摩擦學(xué)領(lǐng)域，目前已有的研究技術(shù)多是面向摩擦作用后的材料、界面結(jié)構(gòu)以及環(huán)境等后效分析，雖然能對摩擦學(xué)本質(zhì)有一定的認(rèn)識，但如何實(shí)現(xiàn)原位實(shí)時獲取含能材料摩擦過程中多參量動態(tài)演化，并結(jié)合摩擦作用前的清洗、老化處理等樣品準(zhǔn)備工序?qū)懿牧夏Σ撂匦缘挠绊?，對于技術(shù)與裝備研發(fā)仍是巨大挑戰(zhàn)，特別是針對含能材料摩擦界面上瞬態(tài)微區(qū)熱點(diǎn)(閃溫)的高時空分辨率精確測量，可能是未來相當(dāng)長時期內(nèi)的重大技術(shù)難題，相關(guān)技術(shù)和裝備研發(fā)也將有利于對照或科學(xué)認(rèn)識當(dāng)前多種摩擦測量過程的本質(zhì)性認(rèn)識.

b.通常情況下，材料的摩擦學(xué)行為演變不僅包括材料自身物化特性的演變，還包括環(huán)境因素(如氣氛、電流、溫度和濕度等)的改變.對于含能材料而言，除了摩擦系數(shù)、摩擦損傷、摩擦化學(xué)反應(yīng)和摩擦熱點(diǎn)等摩擦學(xué)特性以外，含能材料界面的電流特性以及環(huán)境(如氣氛、沖擊波)的改變同樣值得關(guān)注.當(dāng)前的含能材料摩擦學(xué)特性研究大多只針對單一的特性進(jìn)行研究，如何進(jìn)行多維度摩擦學(xué)信息的獲取，特別是原位實(shí)時地獲取這些信息還有待研究.面向高安全性、多維度摩擦學(xué)特性的含能材料相關(guān)新型智能設(shè)備在將來的研究非常值得關(guān)注，這將為我國含能材料領(lǐng)域與摩擦學(xué)及其相關(guān)領(lǐng)域的智能化設(shè)備開發(fā)與應(yīng)用指明新的發(fā)展方向.

c.現(xiàn)有的研究技術(shù)手段通常是基于試驗(yàn)或者數(shù)值模擬進(jìn)行，而試驗(yàn)測試方法的可靠性、仿真模型本構(gòu)關(guān)系或勢函數(shù)的有效性都屬于難點(diǎn)問題.同時，有限元等宏觀連續(xù)介質(zhì)力學(xué)方法無法從原子尺度分析含能材料摩擦過程的微觀機(jī)理，而分子動力學(xué)方法所能模擬的空間和時間尺度有限.如何將試驗(yàn)技術(shù)與多尺度的數(shù)值模擬有機(jī)結(jié)合，凝聚唯象試驗(yàn)結(jié)果與跨尺度交叉學(xué)科認(rèn)知的共識，以期實(shí)現(xiàn)對含能材料摩擦過程本質(zhì)變化的全面科學(xué)認(rèn)識，也將是含能材料摩擦學(xué)未來的發(fā)展方向.

另一方面，從含能材料摩擦學(xué)特性與主動調(diào)控機(jī)制等方向的基礎(chǔ)研究來看，未來的研究工作包括以下幾個方面：

a.在細(xì)化與生產(chǎn)加工(如造粒、壓制、機(jī)械加工等)過程中，顆粒碰撞、材料表界面損傷、晶體相變、晶體的晶面取向、多物理場耦合刺激以及制造工具與含能材料相容性等將如何影響含能材料表界面的摩擦行為與摩擦安定性？

b.在含能材料及其產(chǎn)品的存儲和運(yùn)輸過程中，摩擦過程的載荷(或壓力)分布、摩擦速度的變化、摩擦配副的變化、環(huán)境溫度與濕度變化以及老化失效等復(fù)雜條件下，含能材料界面的摩擦行為、摩擦機(jī)制和摩擦安全性將如何變化？此外，摩擦起電、摩擦生熱和摩擦界面改性等又將如何影響含能材料界面的摩擦行為、摩擦機(jī)制和摩擦熱點(diǎn)分布？

c.在真實(shí)的復(fù)雜加工和服役工況下，會同時面臨著熱、力、電和化學(xué)等因素的協(xié)同作用，含能材料界面的摩擦行為與摩擦安定性將如何演變？

d.潤滑體系能在多大程度上改善含能材料摩擦特性，如何實(shí)現(xiàn)定量認(rèn)識？

e.潤滑機(jī)理在不同條件下(膜厚、載荷、滑移速率和石蠟分子結(jié)構(gòu)等)的變化規(guī)律為何，潤滑機(jī)理改變的臨界條件為何？以及潤滑過程究竟怎樣影響含能材料界面摩擦熱點(diǎn)產(chǎn)生的細(xì)觀機(jī)理？

f.是否可以借助二維潤滑材料體系(如石墨烯、MoS2等)，或者二維潤滑材料與石蠟材料的協(xié)同潤滑體系對含能材料進(jìn)行摩擦降感？