以TNT为基的熔铸炸药具有装药工艺简单、成本低廉、能量较高等优点, 但其力学性能较差, 因此, 国内外对TNT基熔铸炸药的力学性能改性一直未停止过[1]。开展TNT单晶力学性能研究, 可深入认识熔铸炸药力学性能差的本质, 也可为细观数值模拟混合炸药力学行为提供数据支撑。
目前, 只有熔铸TNT力学性能数据[2], 但熔铸TNT炸药是大量微晶和微孔隙聚集体, 其力学性能与TNT单晶性能显著不同。采用分子动力学方法可以计算得到炸药单晶力学性能参数, 但计算值与实际测试结果差异较大, 同时, 理论计算也需要试验数据进行校验[3-5]。要获得TNT单晶力学性能试验数据, 需制备毫米级TNT大单晶试样。尽管Gallagher Hugh G [6]研究小组在2003年已制备出TNT大单晶, 但他们的研究主要是在TNT的多晶型结构方面[7-9], 未进行力学性能研究。本研究采用溶剂蒸发方法制备了TNT大单晶, 利用X射线衍射(XRD)和差示扫描量热(DSC)方法对所制备的TNT单晶晶型结构进行了表征, 用纳米压痕技术获得了TNT大单晶的压入模量与压入硬度。
2 制备方法选取适量TNT晶体, 加入一定比列的丙酮/乙醇混合溶液, 搅拌加热使其充分溶解, 冷却至常温后过滤, 将滤液放于一定温度的恒温箱中进行单晶培养, 2d后得到图 1所示的TNT大单晶。该方法制备的TNT大单晶呈淡黄色, 宽度和厚度在数毫米以上, 长度方向已达到了厘米级, 该大单晶在尺寸上能满足力学性能测试要求。从晶体外形看, 长度方向是TNT的快速生长方向, 图 1所示TNT晶体表面为最大显露晶面。
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图 1 TNT大单晶外形 Fig.1 Shape of TNT single crystal |
利用X射线衍射仪对所制备TNT大单晶进行测试。采用CuKα射线, X光管操作条件为40 kV、40 mA, 采用Vantec-1一维阵列探测器, 样品扫描范围为10°~60°(2θ), 步长0.02°, 每步时间0.2 s。已有研究结果表明TNT存在单斜和正交两种晶型结构[2]。所制备的TNT最大显露晶面的XRD测试结果如图 2所示。与CCDC库中TNT两种晶型的数据进行比对, 发现所制备TNT大单晶的XRD曲线更接近单斜TNT的曲线(晶胞参数: a=21.275Å, b=6.093Å, c=15.025Å)。
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图 2 TNT单晶XRD曲线 Fig.2 XRD spectrumof TNT single crystal |
TNT大单晶DSC(10 ℃·min-1)曲线如图 3所示。由图 3可见, 所制备的TNT大单晶只存在一个81.07 ℃熔融峰, 从DSC曲线区分TNT单斜和斜方晶型的主要依据是, 单斜TNT晶体只有一个在82 ℃熔融峰, 而正交TNT晶体除了81 ℃熔融峰外, 还应该存在一个72 ℃较小熔融峰[8-9]。因此, 根据XRD、DSC结果, 确定所制备的TNT大单晶为单斜晶型, 其最大显露晶面的晶面指数是(100)。
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图 3 TNT单晶DSC曲线 Fig.3 DSC curve of TNTsingle crystal |
采用纳米压痕仪测试了TNT单晶的压入模量及压入硬度等力学性能参数。选取Berkovich压针以及“加载-恒载-卸载”的载荷控制方式, 在TNT单晶上进行了最大载荷分别为3000, 4000, 5000, 6000, 7000, 8000, 9000 μN共7个点的压痕测试, 获得了TNT大单晶(100)面在不同压入载荷下的压入模量和压入硬度, 结果见表 1。由表 1可见, 压入模量、压入硬度的平均值分别为(17.40±0.35) GPa和(0.81±0.05) GPa。在文献[2]中熔铸TNT压缩模量为0.54 Ga, 可以看出, TNT大单晶压入模量大大高于熔铸TNT压缩模量, 其主要原因是熔铸TNT是由大量微小TNT单晶聚集体组成, 包含了大量微孔隙等内部微缺陷, 故熔铸TNT的压缩模量较低。
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表 1 TNT单晶的压入模量与压入硬度 Tab.1 Indentation modulus and hardness of TNT single crystal |
采用溶剂溶解后蒸发的方法制备了厘米级TNT大单晶, 采用XRD、DSC等对其晶型结构进行了测试与表征, 结果表明其晶体结构为单斜晶型, 最大显露晶面的晶面指数为(100)。基于纳米压痕技术, 获得了TNT大单晶(100)晶面上的压入模量、压入硬度分别为(17.401±0.35) GPa和(0.81±0.05) GPa, 显著高于熔铸TNT炸药的压缩模量。
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The centimeter-level TNT large single crystal was prepared using a solvent evaporation method.