传爆装药作为武器弹药传爆序列的最后一级，是弹药系统不可缺少的组成部分。因此，传爆药的性能起着至关重要的作用，是决定弹药和战斗部整体效能发挥的核心环节之一。随着侵彻武器的迅速发展，对弹药系统的抗过载性能提出了越来越高的要求，不同传爆药在冲击载荷作用环境中所表现的力学性能也因此逐渐成为影响武器弹药正常作用的关键之一。韩宝成等[1]采用侧向钢凹法考察传爆药柱的起爆效果，王作山等[2]对约束条件下传爆药的输出压力进行了研究，曹雄等[3]为了适应钝感弹药对传爆序列提出的新要求，根据炸药冲击起爆理论研究了凹球形和半球形两种新结构传爆药柱，总之，传爆药的研究重点仍是如何提高其起爆能力并保证安全，而传爆药在冲击载荷作用下的动态响应规律则尚未见文献报道。
本研究以JH-14C、JHB-1C两种压装传爆药及PBXN-110浇注传爆药为对象，参照卢芳云[4-5]、王娜[6]、邓琼[7]、陈鹏万[8]等关于Hopkinson杆技术及含能材料损伤理论研究的实验方法，利用分离式Hopkinson杆、高速摄影、扫描电子显微等技术综合分析比较了三种典型传爆药在过载冲击环境中的动态力学性能，为侵彻弹药装药中传爆药的设计选用提供了参考及理论依据。
2 实验部分 2.1 实验装置本实验使用的动态冲击实验装置为分离式Hopkinson压杆装置，如图 1所示。实验装置分为机械系统及测试系统两部分，其中机械系统由用于发射撞击杆(子弹)的高压气枪及控制系统、撞击杆、入射杆和透射杆、试样、接收应力波能量的吸收杆、缓冲器装置平台等主要部件构成；测试系统由贴在入射杆和透射杆中部的应变片、超动态应变仪、数据采集和分析系统，以及计算和分析软件等主要硬件和软件构成。
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图 1 分离式Hopkinson杆实验装置示意图 1—气室，2—子弹，3—弹托，4—入射杆，5—试样，6—透射杆，7—吸收杆，8—能量吸收块，9—超动态应变仪，10—信号采集系统 Fig.1 Schematic of split Hopkinson pressure bars 1—air chamber, 2—bullet, 3—sabot, 4—incident bar, 5—sample, 6—transmission bar, 7—absorption bar, 8—energy absorption block, 9—super dynamic strain instrument, 10—signal acquisition system |
本研究选用由西安近代化学研究所研制并生产的JH-14C[9]、JHB-1C两种压装型传爆药及依照美国海军配方仿制而成的PBXN-110浇注型传爆药为对象进行实验。JH-14C是一种混合炸药，由RDX、氟橡胶、石墨组成，呈黑色颗粒状，该药为压装成型，具有优良的传爆性能；JHB-1C是以TATB为基的钝感传爆药，也属于压装型PBX类炸药，是国内研制成型的钝感传爆药，外观为黄色颗粒；PBXN-110传爆药是美国海军研制的一种浇注型传爆药，已被批准用于海军战斗部，主要由88%HMX和12%粘结剂组成，具有优良的不敏感性能。
试验所用试样材料为低阻抗材料，Hopkinson杆试验中，实现试样的应力平衡是试验成败的关键。应力平衡决定于应力波在试样中来回传播一次所用的时间，鉴于此，经过反复的试验及对试验结果的分析，将三种传爆药试样制成尺寸为Ф8 mm×2 mm的圆柱形薄药片以期实现早期的应力平衡。如图 2所示。每发实验开始前试样在Hopkinson杆上的初始状态如图 3所示。
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图 2 三种传爆药试样 Fig.2 Test samples of three booster explosives |
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图 3 冲击前试样在Hopkinson杆上的初始状态 Fig.3 Initial state of sample on the bar before impact |
在入射杆上与子弹碰撞端粘贴尺寸为2 mm×2 mm×0.1 mm的合金铜片作为波形整形器，用以过滤加载波中由于直接碰撞引起的高频分量，减少波形在大距离传播中的弥散，消除由于高频波的弥散失真引起的实验误差，而且可以使加载波变宽，上升沿变缓，从而实现常应变率加载[10]，并通过调节子弹的长度及速度实现对试样的高应变率加载。图 4是JH-14C传爆药试样的SHPB实验典型原始波形，图中通道1记录入射波和反射波，通道2记录透射波，图中材料弱化点对应的反射波为一平台，表明在材料破坏之前，已达到应力平衡。
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图 4 JH-14C SHPB原始实验波形 Fig.4 Original SHPB test curves of JH-14C |
实验利用THANTOM V7高速摄影仪观察记录试样在Hopkinson杆上的动态冲击过程，具体如图 5所示。
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图 5 三种传爆药的动态冲击过程 Fig.5 Dynamic impacting process of three booster explosives |
由图 5可以观察到冲击后试样状态表现出明显不同，在压杆分离瞬间两种压装传爆药试样(JH-14C, JHB-1C)粉碎飞散，而浇注型传爆药(PBXN-110)冲击后还存在较完整的药片。
3 结果与讨论 3.1 三种传爆药的宏观破坏状态实验对三种传爆药在应变率1000~4000 s-1范围进行了动态冲击加载，收集应变率在4000 s-1左右的冲击后传爆药试样，如图 6所示。
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图 6 动态冲击实验后三种传爆药破坏状态 Fig.6 Test samples of three booster explosives after impact |
由图 6可见，JH-14C冲击后破坏为块状(图 6a)，JHB-1C破坏后碎裂程度最为严重(图 6b)，基本上为粉末状，PBXN-110受到冲击加载后基本呈饼状(图 6c)。
3.2 三种传爆药的微观损伤模式利用JSM5800扫描电子显微镜(SEM)对不同应变率冲击前后三种传爆药试样进行显微观察比较，图 7为4000 s-1左右应变率冲击作用前后三种传爆药试样的微观形貌。
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图 7 三种传爆药的微观形貌 Fig.7 SEM photos for three booster explosives before and after impact |
由图 7可见, 各传爆药冲击前试样颗粒相对都较完整，而冲击后颗粒都产生了不同程度的断裂以及颗粒与粘结剂脱粘而形成的沿晶断裂。
进一步进行比较，冲击前JH-14C(图 7a)及JHB-1C(图 7c)两种压装传爆药由于压装成型，颗粒之间已存在挤压形成的损伤，同时，有些颗粒上已明显有了初始微裂纹，这些微裂纹的存在势必增加该药发生爆炸的几率，而PBXN-110(图 7e)传爆药的颗粒相对比较完整，主炸药紧密的嵌入高分子粘结剂内，不存在初始微裂纹；冲击过后，两种压装传爆药首先表现出沿初始微裂纹产生的颗粒断裂，以及随后大量颗粒的细化碎裂，并伴有颗粒与粘结剂之间的脱粘分离以及剪切断裂，PBXN-110传爆药颗粒破碎的形状主要表现为小块颗粒和表面“削平”的棱形颗粒，主炸药颗粒与高分子粘结剂间出现间隙，即一定的颗粒与粘结剂的脱粘。从图上可以明显看出冲击过后，JHB-1C(图 7d)传爆药的破坏程度较JH-14C(图 7b)稍为严重。而两种压装(JH-14C和JHB-1C)传爆药的破坏程度均比浇注型传爆药大。
3.3 三种传爆药的应力-应变曲线图 8选取了三种传爆药在1000 s-1、2000 s-1、3000 s-1、4000 s-1四种应变率范围冲击作用后得到的应力-应变曲线，三组曲线存在明显不同，逐一分析得到以下结论。
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图 8 三种传爆药的应力-应变曲线 Fig.8 Stress-strain curves of three booster explosives |
由图 8a可见，JH-14C传爆药的失效应力随着应变率的增加而增加，变化趋势为20 MPa→28 MPa→32 MPa→40 MPa，呈现出明显的应变率效应，但失效应变却一直较稳定，基本上保持在0.04左右。由图 8b可见，JHB-1C传爆药的失效应力也随着应变率的增加而增加，变化趋势为31 MPa→35 MPa→41 MPa→47 MPa，表现出较明显的应变率效应，失效应变同样没有呈现出明显的变化趋势，基本稳定在0.03左右。比较两种压装传爆药的应力-应变曲线，均具有明显的非线弹性变形阶段、线弹性变形阶段和变形强化阶段，表现出一定的脆性，与JH-14C传爆药相比，JHB-1C传爆药的失效应力较大，失效应变较小，虽然差别不大，但从一定程度上说明JH-14C传爆药比JHB-1C传爆药更脆。
PBXN-110作为浇注型传爆药，其应力-应变曲线和前两者存在明显的差异，曲线只包括线弹性阶段和强化阶段，根据试样变形过程中体积不变的假设计算出该试样的真实应变约为0.40，由图 8c可见, 真实应变范围内，没有明显的应力失效点，最大的应力值小于9 MPa，应变率效应微弱，PBXN-110传爆药呈现典型的粘弹性。
4 结论(1) 三种传爆药的宏观破坏状态存在差异，JHB-1C破坏最为严重，呈粉末状；JH-14C碎裂为块状；PBXN-110经压缩成饼状，且三者的破坏程度均随应变率的增加有所增加。
(2) JH-14C及JHB-1C作为压装传爆药，炸药颗粒存在初始微裂纹，在外界作用刺激下容易发生意外爆炸，且冲击载荷作用后首先发生穿晶断裂，当应变率增加到3000 s-1以上时，出现以颗粒之间界面粘结剂的断裂为主的沿晶断裂，并伴随有剪切断裂的发生；PBXN-110中炸药颗粒紧密嵌入粘结剂分子内，冲击载荷作用后主要表现为炸药颗粒的表面“削平”，粘结剂与颗粒的分离在应变率超过4000 s-1时开始出现。
(3) JH-14C及JHB-1C传爆药的应力-应变曲线具有明显的应变率效应，随着应变率的加大，失效应力逐渐增加，但失效应变基本上保持在恒定值；与JH-14C传爆药相比，JHB-1C传爆药的失效应力较大，但失效应变较小，总体表现为JH-14C的脆性大于JHB-1C；PBXN-110传爆药的应力-应变曲线的应变率效应微弱，真实应变范围内没有明显的应力失效点，表现出典型的粘弹性。
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