熔铸炸药具有成本低廉、成型性能好、装药自动化程度高等优点, 但是随着现代武器对装药的高能量特性、高毁伤效果、高安全性和长期贮存性能等方面的需求, 传统的TNT基熔铸炸药弹性韧性差, 强度低, 易发生损伤脆裂, 不能满足新时期武器装备的要求。为改善熔铸炸药脆性大、力学性能差的问题, 国内外开展了较多力学改性研究, 目前的方法主要有: (1)以DNAN、DNTF等新型熔铸连续相代替TNT^[1-2]; (2)改变生产工艺, 通过控制装药密度和成型质量调节产品的力学性能^[3-5]; (3)添加高聚物助剂(聚氨酯弹性体、聚砜等), 如以包覆RDX降低B炸药的渗油率和尺寸长大率, 提高强度和韧性^[6-8]; (4)添加纤维类材料。

纤维材料在基质间起桥梁的作用, 可以提高韧性和强度。刘艳秋等^[9]采用聚丙烯腈基碳纤维对无壳弹药发射药药柱进行增强, 掺杂量为3%时压缩强度提高了近60%, 碳纤维长径比增大时压缩强度会有所下降; 廖学燕等^[10]在TNT中添加20%铝纤维后其极限应力由2 MPa提高至6.8 MPa, 应变提高至0.039。目前在典型熔铸炸药中添加短切纤维的工作仍不深入, 不同类型纤维材料、添加量、长度等对力学性能的影响还需进一步探讨, 因此本实验选用了玻璃纤维、聚酯纤维、铝纤维、碳纤维4种材料作为改性剂, 研究其对典型熔铸炸药RDX/TNT 65/35力学性能的影响。

玻璃纤维(Φ20 μm×4 mm, E级), 盐城市澳科玻璃纤维厂; 聚酯纤维(Φ20 μm×3 mm, 聚对苯二甲酸乙二酯(PET)100%), 滨州市金龙塑料有限责任公司; 铝纤维(Φ70 μm×3 mm), 上海致义新材料科技有限公司; 碳纤维(Φ7 μm×3 mm、Φ7 μm×6 mm), 南京纬达复合材料有限公司; TNT和RDX为甘肃银光化学工业集团有限公司提供, 纯度大于99%。

INSTRON8862材料试验机。

热蒸汽将熔铸小桶中TNT熔化, 添加一定量上述四种短切纤维和RDX, 充分搅拌后, 抽真空20 min, 注入模具, 冷却开模, 加工成各类试件进行力学性能测试。拉伸力学性能测试按GJB772A-1997 417.1(拉伸应力-应变曲线, 电子引伸计法)进行, 试验速度0.20 mm·min^-1; 压缩力学性能测试按GJB772A-1997 418.1(压缩应力-应变曲线, 电子引伸计法)进行, 试验速度5.00 mm·min^-1。

在RDX/TNT 65/35熔融体系中, 由于铝纤维属于金属材料, 其与TNT、RDX的分子间作用力较弱, 材料表面吸附TNT量少, 熔铸体系的粘度变化较小, 铝纤维添加量小于5%时, 不会影响其浇铸工艺; 而玻璃纤维、聚酯纤维和碳纤维密度小, 在相同用量时比铝纤维数目多, 受工艺所限聚酯纤维最大添加量为0.4%。实验使用的碳纤维直径仅有7 μm, 比表面积大, 吸附TNT的量多, 加入量为0.1%时, 熔融体系粘度尚不满足浇铸条件, 经试验其最大添加量为0.09%。

纤维掺杂RDX/TNT 65/35成型质量如图 1所示, 测得RDX/TNT 65/35的密度为1.730 g·cm^-3, 添加1.5%铝纤维的炸药密度为1.737 g·cm^-3(图 1a), 掺杂0.09%碳纤维的炸药密度为1.729 g·cm^-3(图 1b), 二者密度接近, 且X射线检测无缺陷, 成型质量均明显好于文献[10]报道的TNT/Al纤维80/20的成型效果(图 1c)。

图 1(Fig. 1)

图 1 铝纤维和碳纤维掺杂成型药块 Fig.1 Molding grain doped with aluminum fiber and carbon fiber

测试分别添加0.4%玻璃纤维、0.4%铝纤维、0.4%聚酯纤维和0.09%碳纤维的RDX/TNT 65/35的力学性能，其结果见表 1。分析表 1数据发现, 添加四种纤维材料均使熔铸炸药拉伸强度下降, 使用铝纤维下降最多, 由1.78 MPa降至0.92 MPa；各种纤维材料均使熔铸炸药的压缩强度升高, 聚酯纤维的提升效果最佳, 达到了27.94 MPa, 其次是碳纤维, 炸药压缩强度提升至26.85 MPa；玻璃纤维对炸药拉伸延伸率有明显改善(提升33%)；碳纤维对压缩率和压缩断裂能量的提高最为显著, 添加0.09% 3 mm碳纤维使压缩断裂能量提高到0.300 J, 碳纤维长度不同时(3 mm和6 mm), 炸药的拉伸强度和拉伸延伸率有较大差别。

表 1(Tab. 1)

表 1 纤维改性RDX/TNT 65/35力学性能 Tab. 1 Mechanical properties of RDX/TNT 65/35 modified with fibers chopped fiber amount /% tensile strength /MPa compressive strength /MPa compressive rate /% tensile elongation /% compressive fragmentation energy/J - 0 1.78 24.31 0.35 0.030 0.246 glass fiber 0.4 1.27 25.35 0.36 0.040 0.253 aluminum fiber 0.4 0.92 24.45 0.32 0.016 0.231 polyester fiber 0.4 1.32 27.94 0.33 0.031 0.259 carbon fiber1) 0.09 0.60 26.58 0.39 0.013 0.300 carbon fiber2) 0.09 1.42 26.85 0.39 0.035 0.296 Note: 1) Φ7 μm×3 mm carbon fiber, 2) Φ7 μm×6 mm carbon fiber.

表 1 纤维改性RDX/TNT 65/35力学性能 Tab.1 Mechanical properties of RDX/TNT 65/35 modified with fibers

4种纤维材料对RDX/TNT 65/35力学性能的影响与其本身性质有关。(1)聚酯纤维(聚对苯二甲酸乙二酯)具有细度大、强度高等特点, 其分子结构中的苯环与TNT分子中的苯环结合力强, 相容性好, 纤维加筋和桥联作用明显, 因此可显著提高熔铸炸药的抗压强度。(2)纯铝材料在宏观尺寸上延展性、柔韧性好; 但在微米尺度上铝纤维易断裂, 与炸药分子作用力差, 抗拉性能差, 这可以从图 1a炸药的表面结构得到证明, 细小灰色区域即是铝纤维被整体拔出留下的凹陷。添加量为0.4%时拉伸强度和拉伸延伸率分别下降了48%和47%。(3)与铝纤维不同, 玻璃纤维具有较好的韧性, 碳纤维密度小、强度高、模量大, 以玻璃纤维和6 mm碳纤维为添加剂, 能使熔铸炸药RDX/TNT拉伸延伸率有不同程度的提高, 其中6 mm碳纤维不仅使压缩强度、压缩率、压缩断裂能量和拉伸延伸率均有所提高, 而且还是几种纤维材料中能使炸药的拉伸强度降幅最小。

玻璃纤维用量对RDX/TNT 65/35力学性能的影响如图 2所示。玻璃纤维用量为0.2%时, 炸药拉伸、压缩力学性能比不添加任何物质的RDX/TNT 65/35性能差; 在0.2%~1.0%添加量范围内, 压缩强度、压缩率和压缩断裂能量随着用量的增加而升高, 拉伸强度、延伸率、拉伸断裂能量也随着玻璃纤维添加量的增加而提高, 但达到最大值后又随着用量的增加而降低。拉伸实验中, 强度、延伸率和断裂能量在玻璃纤维添加量分别为0.6%、0.4%和0.6%时达到最大值。

图 2(Fig. 2)

图 2 玻璃纤维改性-RDX/TNT 65/35的力学性能 Fig.2 Mechanical property of RDX/TNT 65/35 modified with glass fiber

分析玻璃纤维添加量对熔铸炸药力学性能影响规律的原因, 主要是:在压缩实验中玻璃纤维起到类似于混凝土中钢筋的支撑桥梁作用, 而拉伸力学性能主要依靠炸药分子间、炸药与纤维材料间的相互作用力。添加纤维后原来部分TNT与RDX、TNT分子内接触的方式被TNT与玻璃纤维、RDX与玻璃纤维所取代, 当玻璃纤维添加量较小时(0.2%)后者的力量不能弥补前者的损失, 拉伸力学性能比不掺杂纤维材料时差; 随着纤维用量的增加, 其与炸药分子的作用力不断增强, 拉伸力学性能有所上升; 但纤维用量继续增大时, 分散性变差, 玻璃纤维簇内空隙屏蔽了与TNT、RDX间的相互作用, 导致拉伸力学性能急剧下降。对于压缩力学性能而言, 添加量为0.2%时柔韧玻璃纤维的支撑作用不能弥补原来RDX、TNT刚性颗粒的支撑作用损失, 随着用量的增加, 纤维对整体的支撑作用迅速增强, 因此在添加量为0.2%~1.0%范围内, 压缩力学性能随着玻璃纤维用量的增加而升高。

可见, 纤维掺杂量不仅影响炸药熔融体系的粘度、可浇铸性和产品成型质量, 还会影响到纤维材料的分散聚集状态和对TNT、RDX的吸附量和结合力, 从而影响到熔铸炸药产品的强度、延伸率和断裂能量等力学性能。

碳纤维用量分别为0.01%、0.05%、0.09%时, 纤维长度对RDX/TNT 65/35拉伸强度、延伸率和拉伸断裂能量的影响如图 3所示。添加量为0.01%和0.05%时, 使用3 mm碳纤维的RDX/TNT 65/35拉伸强度、延伸率和拉伸断裂能量高于使用6 mm碳纤维; 用量增至0.09%时, 使用3 mm碳纤维炸药的拉伸强度、延伸率和拉伸断裂能量大幅降低, 使用6 mm碳纤维, 延伸率降低较多, 而拉伸强度和拉伸断裂能量有所提高或者保持不变。

图 3(Fig. 3)

图 3 碳纤维改性RDX/TNT 65/35的拉伸力学性能 Fig.3 Tensile mechanical property of RDX/TNT 65/35 modified with carbon fiber

复合材料受力时基体TNT把应力传递给纤维, 使材料应力得以分散, 由于短纤维应力传播路径短, 响应要比长纤维迅速, 再加上同等用量时短纤维的数目多于长纤维, 应力分散更为均匀和有效, 因此如图 3所示, 在添加量为0.01%和0.05%时, 3 mm碳纤维改性炸药的拉伸力学性能好于6 mm碳纤维拉伸力学性能。在掺杂量为0.09%时, 熔融体系粘度大幅上升, 3 mm碳纤维数目是6 mm碳纤维的两倍, 在熔融体系中的分散性更差, 将纤维材料的空隙等微观缺陷带入的也更多, 这导致3 mm碳纤维对力学性能的降低更为明显。总之, 掺杂0.05% 3 mm碳纤维对RDX/TNT 65/35药柱的力学改性最佳, 拉伸强度、延伸率和拉伸断裂能量均达到最高值。

(1) 玻璃纤维、聚酯纤维、铝纤维、碳纤维四种材料作为改性剂, 熔铸炸药RDX/TNT 65/35压缩强度均升高, 拉伸强度均降低, 玻璃纤维对拉伸延伸率提高最多, 铝纤维对拉伸强度和拉伸延伸率降低最多, 聚酯纤维能显著提高压缩强度, 碳纤维能明显提高压缩断裂能量。

(2) 玻璃纤维添加量对RDX/TNT 65/35力学性能有重要影响, 添加量为0.2%时, 拉伸、压缩力学性能均低于不掺杂纤维材料的RDX/TNT 65/35, 添加量为0.2%~1.0%时, RDX/TNT 65/35的压缩力学性能随添加量的增加而升高, 添加量超过0.8%时炸药拉伸力学性能急剧下降。

(3) 碳纤维用量越大, 其长度对拉伸力学性能的影响越显著, 用量为0.09%时使用3 mm碳纤维, RDX/TNT 65/35的拉伸强度和拉伸延伸率分别比使用6 mm碳纤维降低了58%和63%, 掺杂0.05% 3 mm碳纤维时RDX/TNT 65/35的拉伸力学性能较好。